DE1253932B - Temperaturfuehler - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTVWi- PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 42 i-7/01

Nummer: 1 253 932

Aktenzeichen: K46417IXb/42i

1253 932 Anmeldetag: 7. April 1962

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler mit einem als Scheibenspule gewickelten Widerstandsdraht als Meßelement, welches mittels eines Tragblockes an einem Bauteil in Abstand von diesem befestigt ist.

Derartige Temperaturfühler dienen dazu, die Temperatur eines Mediums, z. B. Luft, welches den Bauteil umgibt oder von dem Bauteil eingeschlossen ist, zu messen. Dabei besteht häufig ein Problem darin, daß der Bauteil eine von dem zu messenden Medium abweichende Temperatur aufweist, z. B. dadurch, daß die Heizelemente in diesem Bauteil, z. B. einer Ofenwand, angeordnet sind oder daß eine verstärkte Abkühlung in dem Bauteil erfolgt.

Es ist ein Temperaturfühler bekannt, bei dem zur Messung der Temperatur eines Gasstromes eine mäanderförmig gewickelte Spule eines Widerstandsdrahtes in einem käfigartigen gasdurchlässigen Gehäuse sitzt, welches in den Gasstrom hineinragt und in einem thermisch wärmeisolierten Sockel in einer Abschlußmuffe am Rohr befestigt ist. Dieser bekannte Temperaturfühler ragt jedoch, wenn er eine zu einer genauen Messung notwendige große Länge des Widerstandsdrahtes aufweist, mit einem relativ umfangreichen Körper sehr weit über das abstützende Bauteil, nämlich das Rohr, vor. Dies erzeugt nicht nur einen erhöhten Strömungswiderstand und eine verstärkte Durchwirbelung der Luft, sondern behindert auch mechanische Vorgänge oder Handhabungen, die in der Nähe des Temperaturfühlers durchgeführt werden müssen.

Bei einem anderen bekannten Temperaturfühler zum Abtasten der Temperatur von auf Heizplatten aufgestellten Kochgeräten, wie Töpfen, Pfannen od. dgl., ist der Widerstandsdraht zu einer Scheibenspule gewickelt und zwischen zwei Scheiben eingepreßt, wobei die Scheiben auf einem wärmeisolierten Sockel liegen, der teleskopartig in ein in einer Mittelöffnung der Heizplatte od. dgl. liegendes Rohr gegen die Kraft einer Feder einschiebbar ist, derart, daß er durch die Feder gegen den Boden des auf der Heizplatte stehenden Kochgerätes angepreßt wird. Bei dieser bekannten Anordnung soll in erster Linie eine möglichst große Wärmeübergangsfläche in dem Widerstandsdraht geschaffen werden, wobei das Problem der Wärmeübertragung aus der benachbarten Heizplatte durch einen entsprechenden Spalt ohne Schwierigkeiten gelöst werden kann, insbesondere deshalb, da die eigentliche Stützeinrichtung für das Meßelement nicht direkt mit der Heizplatte in Verbindung steht, so daß durch einen Wärmedurchgang, d. h. Konvektionsübertragung, die Meßgenauigkeit nicht wesentlich beeinflußt wird.

Temperaturfühler

Anmelder:

King-Seeley Thermos Co.,
Ann Arbor, Mich. (V. St. A.)
Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 2

Als Erfinder benannt:

Anthony Karl Otto, Ann Arbor, Mich. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. April 1961 (104 449)

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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen derartigen Meßfühler zu schaffen, bei dem eine möglichst große Länge des Widerstands-

a5 drahtes so angeordnet werden kann, daß der Meßfühler relativ flach in Abstand von der Oberfläche des Bauteiles liegt, während andererseits eine Beeinflussung des Meßergebnisses, d. h. eine Übertragung von Wärme aus dem Bauteil, selbst über den Sockel mit Sicherheit verhindert ist. Dabei ist zu berücksichtigen, daß selbst bei Verwendung von thermisch isolierenden Werkstoffen für den Sockel bei geringer Bewegung des zu messenden Mediums, z. B. der Luft, doch erhebliche Wärmemengen durch Wärmedurchgang von dem Bauteil durch den Sockel in die Spule übertragen werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Scheibenspule zwischen zwei Kreisringscheiben eingelegt ist, welche mittels einer oder mehrerer Scheiben mit geringer Wärmeleitfähigkeit an dem Tragblock so befestigt sind, daß die innere Windung der Scheibenspule konzentrisch in Abstand um den Tragblock liegt. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung wird also eine Scheibenspule mit relativ großem Durchmesser parallel zur Oberfläche in geringem Abstand von dieser Oberfläche des den Temperaturfühler tragenden Bauteiles gehalten, wobei jedoch ein Wärmeübergang durch den Tragblock in den Widerstandsdraht durch die geringe Leitfähigkeit der Tragscheiben verhindert wird. Gegebenenfalls noch auf die Tragscheiben vom Tragblock her übertragene Wärme wird infolge der großen Ober-

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fläche entsprechend dem durch den Durchmesser der Scheiben bedingten radialen Abstand der Spule vom Tragblock in die umgebende Atmosphäre, also das zu messende Medium, abgeführt, so daß eine Temperaturbeeinflussung der die Spule aufnehmenden Kreisringscheiben und damit eine Beeinflussung des Meßergebnisses in der Spule mit Sicherheit vermieden ist.

Das Anordnen von Widerstandsdraht in Form einer Scheibenspule, die in radialem Abstand von einem Tragteil liegt, ist zur Herstellung eines Vorschaltwiderstandes bei Lichtbogenlampen bekannt. Das Problem liegt dabei jedoch ausschließlich in der räumlichen Unterbringung einer möglichst großen Drahtlänge des Vorschaltwiderstandes ohne Behinderung der Konstruktion der Lampe selbst und nicht in einer Verhinderung des Wärmeüberganges zwischen Tragteil und Spule. Entsprechend ist bei dieser bekannten Anordnung die Spule mit den die Drähte aufnehmenden Kreisringscheiben direkt, d. h. ohne ao Zwischenschaltung von Tragscheiben, mit der Lampe selbst verbunden.

Um eine sichere Lagerung des Meßelementes in den Tragscheiben sicherzustellen, kann eine Umfangswand dieser Scheiben in Abstand von der äußeren Windung der Spule die diese umgebenden Kreisringscheiben verbinden. Durch diese Anordnung werden die Kreisringscheiben gegeneinander festgelegt und außerdem eine Verschiebung der Spule mit Sicherheit verhindert. Ferner wird dadurch ein Verschluß des den Widerstandsdraht aufnehmenden Spaltes zwischen den Kreisringscheiben am Außenumfang erreicht. Diese Umfangswand kann aus einem Stück mit einer der Tragscheiben bestehen und zur Festlegung z. B. mit der freien Kante um die andere der Tragscheiben umgebördelt sein.

Eine weitere Vereinfachung des Aufbaues ist dadurch möglich, daß eine der Kreisringscheiben durch eine das Meßelement mit dem Tragblock verbindende Scheibe gebildet ist, so daß der Widerstandsdraht zwischen diese Tragscheibe und die verbleibende Kreisringscheibe eingelegt ist. Auch dabei kann eine Umfangswand an der Tragscheibe angeordnet sein, welche z. B. um die Kreisringscheibe umgebördelt ist und dadurch die Scheibenspule am Außenumfang abschließt.

Um einen Ausgleich der durch unterschiedliche thermische Belastungen auftretenden Spannungen in der Anordnung zu ermöglichen und gleichzeitig eine stabile einfach herzustellende Konstruktion zu schaffen, kann die auf der Unterseite des Meßelementes liegende Scheibe auf dem Tragblock aufliegen und die auf der Oberseite des Meßelementes liegende Scheibe nach innen eingewölbt in der Mitte des Tragblockes befestigt sein. Dadurch wird die aus Scheibenspule, Kreisringscheiben und Tragscheiben bestehende Anordnung entsprechend der Einwölbung elastisch gegen die Oberfläche des Tragblockes angepreßt, wobei durch die Befestigung nur an einem Punkt, nämlich in der Mitte der obenliegenden Scheibe, eine weitgehende Bewegungsfreiheit zum Ausgleich der thermischen Spannungen gegeben ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt g,->

F i g. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Meßfühlers, der an eine Ofenwand angebaut ist.

F i g. 2 eine Unteransicht des in F i g. 1 dargestellten Meßgerätes ohne Ofenwand,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1,

F i g. 4 eine Ansicht der in dem Fühler nach F i g. 1 verwendeten Spule,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine gegenüber F i g. 1 abgeänderte Ausführungsform bestimmter Teile,

F i g. 6 einen Teilschnitt durch eine Abänderung des in F i g. 1 dargestellten Gerätes,

F i g. 7 einen Teilschnitt durch einen abgeänderten Wärmefühler und

F i g. 8 einen Teilschnitt durch eine weitere Abänderung des Wärmemeßgerätes.

Der in F i g. 1 dargestellte Wärmefühler ist an der Wand 10 eines Ofens befestigt. Eine Haltekonsole 12 hat einen gekröpften Endabschnitt 14, der in einen Schlitz 16 der Ofenwand 10 so bis an deren Außenfläche eingeschoben ist. Die Konsole 12 weist ferner einen Langschlitz 18 auf, der von einer in die Ofenwand 10 eingeschraubten Halteschraube 20 durchsetzt wird.

Ein runder Tragblock 22, beispielsweise aus keramischem Material, liegt in einer Auskröpfung 24 der Haltekonsole 12, die eine öffnung 26 der Ofenwand 10 durchsetzt. Der Tragblock 22 hat auf im Durchmesser gegenüberliegenden Seiten Abflachungen 28 und 30 (F i g. 1 und 2), die die Seitenschenkel der Auskröpfung 24 aufnehmen und auf diese Weise eine Relativdrehung zwischen dem Tragblock 22 und der Haltekonsole 12 verhindern.

Der Tragblock 22 weist ferner eine obere Mittelfläche 32 (Fig. 1 und 3) und eine außenliegende obere Ringfläche 34 auf. Beide Flächen sind voneinander durch eine Ringnut 36 getrennt. Die Flansche 38 von zwei Klemmen 40 bzw. 46 liegen auf der Bodenfläche der Ringnut 36 über Längsbohrungen 42 (F i g. 2 und 3) im Tragblock 22 auf. Der Schaft 44 jeder Klemme 40 durchsetzt einen Schlitz im Tragblock 22 seitlich der Haltekonsole 12. Der Schaft 44 kann nahe der Unterfläche des Tragblockes 22 Schultern haben, die eine Aufwärtsbewegung der Klemme 40 in bezug auf den Tragblock 22, gesehen in Fig. 1, verhüten. Der Flansch 38 wird in die dargestellte Stellung umgebogen, nachdem der Klemmenschaft 44 durch den Schlitz im Block 22 durchgesteckt ist.

Der Tragblock 22 trägt den Wärmefühler, der einen elektrisch isolierten Widerstandsdraht 48 (Fig. 1) aufweist.

Der Meßdraht 48 ist zu einer mehrere Windungen enthaltenden, einlagigen Scheibenspule aufgewickelt. Der Durchmesser der Innen windung 50 ist größer (in einem ausgeführten Gerät 60% größer) als der Außendurchmesser des Tragblockes 22 und ist mehrere Male so groß (in einem ausgeführten Gerät etwa zehnmal) wie der Abstand zwischen der Innenwindung 50 und der Außenwindung 52. Der Draht ist in der dargestellten Ausführung zweispulig gewickelt, d. h., es liegen zwei parallele Scheiben, z. B. 49 und 51. in der Spule.

Die aus dem Draht 48 bestehende Spule ist zwischen zwei Ringscheiben 54 und 56 aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Aluminium, eingepreßt. Die Scheiben 54 und 56 haben Kröpfungen 58 bzw. 60, die zusammen eine Innenwand bilden, an der die Innenwandung 50 der Spule anliegt. Jede Wand besteht aus einem nach innen ge-

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richteten Flansch 62 bzw. 64, die (F i g. 4) aneinander anliegen. Die Flansche sind durch diametral gegenangeordnete Lappen 66 und 68 bzw. 70, 72 am Flansch 62 befestigt, die sich durch Schlitze an die untere Fläche des Flansches bzw. umgekehrt anlegen. Die Enden des Drahtes 48 erstrecken sich aus der Spule durch Schlitze 74 oder 76 radial nach innen, die in den beiden Ringscheiben 54 und 56 über die gekröpften Abschnitte 58 und 60 hinaus etwas nach außen ragen. Der Abstand zwischen den Scheiben 54 und 56 wird so gewählt, daß der Draht zwischen diesen Scheiben eingeklemmt wird. Die Spule kann aber auch durch ein Klebmittel zwischen den Scheiben 54 und 56 gesichert werden. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem elektrisch isolierten Draht 48 und den Scheiben 54 und 56 wird der aus dem Draht und den Scheiben bestehende Zusammenbau einer Preßkraft unterworfen, die die Scheiben 54 und 56 gegeneinanderdrückt. Bei Verwendung von weichem Aluminium für die Scheiben 54 und 56 und bei Einwirkung einer genügend großen Preßkraft werden die Windungen des elektrisch isolierten Drahtes in die Oberfläche dieser Scheiben eingedrückt, wie die F i g. 6 zeigt, so daß jeder Querschnitt des Drahtes nicht eine Linienberührung, sondern eine Flächenberührung mit beiden Scheiben aufweist. Wird für die Scheiben 54 und 56 ein härteres Aluminium oder ein härteres Metall verwendet, dann wird der isolierte Draht nicht in diese Platten eingebettet, sondern wird abgeflacht, wie dies für die Windung 78 in Fig. 5 dargestellt ist. Der aus den Scheiben 54 und 56 und dem Draht 48 bestehende Zusammenbau wird dann zwischen eine dünne obere Scheibe 80 und eine dünne untere Scheibe 82 eingebaut. Da der Tragblock 22 eine andere Temperatur als die in dem Ofen befindliche Luftmasse hat, wird der isolierte Draht 48 von dem Tragblock 22 dadurch thermisch isoliert, daß die Scheiben 80 und 82 so ausgeführt und angeordnet sind, daß sie eine schlechte Wärmeübertragungsbahn bilden. Die Scheiben werden daher aus einem Metall hergestellt, das eine verhältnismäßig schlechte Wärmeleitfähigkeit hat, beispielsweise aus dünnem rostfreiem Stahl. Die untere Scheibe 82 ist ringförmig, und ihr innerer Umfangsabschnitt liegt auf der außenliegenden Ringfläche 34 des Tragblockes 22 auf. Der Außendurchmesser der Scheibe 82 ist im wesentlichen gleich den Durchmessern der Ringscheiben 54 und 56. Die obere Scheibe 80 liegt auf der Mittelfläche 32 des Tragblockes 22 auf. Sie ist an ihrem Außenumfang mit einem nach unten gerichteten Flansch 84 versehen, der als Umfangwand des Zusammenbaues dient. Ein Ringflansch 86 ist unter die Umfangskante der unteren Scheibe 82 angebördelt und klemmt die gesamte Anordnung zusammen. Die obere Fläche der oberen Scheibe 80 ist bei der Herstellung oder beim Zusammenbauen mit dem Tragblock 82 nach innen gewölbt. Die obere Scheibe 80 hat eine Mittelöffnung, die mit einer den Tragblock 22 durchsetzenden, in der Mitte gelegenen Längsbohrung 90 fluchtet. Die Scheibe 80 bildet an dieser öffnung eine kurze Rippe 92 (F i g. 1), die in eine Quernut 94 (F i g. 3) in der Mittelfläche 32 eingreift. Ein Niet 94' durchsetzt die Mittelöffnung der Scheibe 80 und die Bohrung 90 sowie eine vergrö- ßerte Bohrung 96 in der Tragkonsole 12. Zwischen dem Niet und der Unterfläche der Konsole 12 sind eine Isolierscheibe 98, eine flache Unterlegscheibe 100 und eine Federscheibe 102 eingesetzt, so daß der Niet gegen die Konsole 12 isoliert ist. Die Klemmenden des Drahtes 48 sind vor dem Anbauen der Scheibe 80 an den Tragblock 22 mit den Klemmen 40 und 46 beispielsweise durch Schweißen verbunden. Die öffnungen 42 im Tragblock (F i g. 2 und 3) können dabei zum Einschieben einer Gegenelektrode an den Kopfabschnitt 38 der Klemme dienen. Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform ist die obere Scheibe 80 & um und unter die untere Scheibe 82 b unter Verwendung einer Preßvorrichtung 104 heruntergezogen, deren Durchmesser etwas kleiner als der Außendurchmesser der Scheiben 54 b und 56 & ist. Das Preßwerkzeug formt dann die Flanschabschnitte 84 b und 866 und biegt die Kante der unteren Scheibe 826 nach oben, so daß die Windungen des Drahtes 48 b zwischen den beiden Scheiben 54 b und 566 eingepreßt sind. Die in F i g. 7 dargestellte Abänderung unterscheidet sich zu F i g. 1 dadurch, daß die zwei Ringscheiben 54c und 56 c aus einem Stück miteinander und mit der Innenwand 106 bestehen. Die in F i g. 7 dargestellte einstückige Spulenform kann aus einem dünnen, zähen Metall, beispielsweise aus Aluminiumblech mit 0,3 mm Dicke, hergestellt werden. Bei der in F i g. 8 dargestellten Abänderung wird eine Ringscheibe durch die obere Tragscheibe 108, während die untere Tragscheibe entfällt. Die Tragfläche 108 liegt sowohl an der Mittelfläche 1Sld als auch an der in der gleichen Ebene liegenden außenliegenden Ringfläche 34 d des Tragblockes 22 d auf. Die Umfangskante der oberen Scheibe 108 ist unter die Umfangskante einer unteren Ringscheibe 110 umgebogen, die einen inneren ringförmigen Flansch 112 hat, der an der Scheibe 108 in beliebiger Weise, beispielsweise durch Schweißen, befestigt ist. Die untere Scheibe 110 ist über eine Kröpfung 114, die als Innenwand für die Anlage der inneren Windung des Widerstandsdrahtes 48 d dient, mit dem Flansch 112 verbunden, während die Kante der Scheibe 108 die Außenwand bildet. Die Wärmeübertragung zwischen der Spule aus Widerstandsdraht 48 d und dem Tragblock 22 d wird durch den geringen Querschnitt und durch die radiale Länge der Scheibe 108 zwischen dem Draht 48 d und dem Block 22 d gehemmt. Patentansprüche:

1. Temperaturfühler mit einem als Scheibenspule gewickelten Widerstandsdraht als Meßelement, welches mittels eines Tragblocks an einem Bauteil in Abstand von diesem befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenspule zwischen zwei Kreisringscheiben (54, 56) eingelegt ist, welche mittels einer oder mehrerer Scheiben (108 bzw. 80, 82) mit geringer Wärmeleitfähigkeit an dem Tragblock (22) so befestigt sind, daß die innere Windung (59) der Scheibenspule konzentrisch in Abstand um den Tragblock (22) liegt.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umfangswand (84) der Scheiben (80, 82) in Abstand von der äußeren Windung (52) der Spule die Kreisringscheiben (54, 56) verbindet.