DE4421065A1 - Vorrichtung zur Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperatur­ messung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige, aus der Praxis bekannte Vorrichtungen enthalten einen Detektor zur Umwandlung von Wärmestrah­ lung in ein elektrisches Signal, ein optisches System, das die von einem Meßobjekt ausgehende Wärmestrahlung auf den Detektor abbildet, ein wärmeleitfähiges Temperaturausgleichselement, das den Detektor und das optische System auf einer gemeinsamen Temperatur hält, einen Temperaturfühler, der die Temperatur des Tempera­ turausgleichselements mißt, sowie ein alle Bauteile um­ fassendes Gehäuse.

Ein sehr häufig verwendeter Detektor ist die sogenannte Thermosäule. Sie besteht aus einer Aneinanderreihung von Thermoelement-Paaren, die kreisförmig angeordnet sind, wobei die heißen Lötstellen einen inneren Kreis und die kalten bötstellen einen äußeren Kreis bilden. Der innere Kreis mit den heißen Lötstellen befindet sich typischerweise auf einem dünnen Film, während der äußere Kreis mit den kalten Lötstellen mit dem Tempera­ turausgleichselement in Verbindung steht. Die heißen Lötstellen sind geschwärzt, um den Absorptionsgrad zu erhöhen. Die von dem optischen System auf die heißen Lötstellen auftreffende Wärmestrahlung (IR-Strahlung) erwärmt diese auf eine von den kalten Lötstellen ver­ schiedene Temperatur. Durch den Seebeck-Effekt entsteht eine Spannung, aus der die Temperatur des Meßobjekts bestimmt werden kann.

Um die Thermosäule vor Umgebungseinflüssen zu schützen und um insbesondere die Zeitkonstante und die Empfind­ lichkeit der Thermosäule unabhängig von der Luftzusam­ mensetzung und Feuchte zu halten, wird die Thermosäule hermetisch eingehaust. Das Detektorgehäuse besteht ty­ pischerweise aus einem Metall-Transistorgehäuse mit ei­ nem IR-Fenster. Es ist mit einem definierten Gas ge­ füllt, meist einem Edelgas wie Argon oder Neon. Diese auch unter dem Begriff Pyrometer bekannten Vorrichtun­ gen haben jedoch den Nachteil, daß bei Messungen unter 0°C und bei hoher Luftfeuchtigkeit Feuchte in die Vor­ richtung eindringen kann. Im optischen System kann es dann zum Betauen mit Wasser oder zum Ausfrieren von Eis kommen, wodurch eine Temperaturmessung unmöglich wird, da Wasser und Eis für IR-Strahlen undurchlässig sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 da­ hingehend weiterzuentwickeln, daß auch Temperaturmes­ sungen unter 0°C zuverlässig möglich sind.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches gelöst, in dem das dem Detektor, das op­ tische System, das wärmeleitfähige Ausgleichselement und den Temperaturfühler umfassende Gehäuse mit einem Gas, vorzugsweise einem Schutzgas gefüllt und nach au­ ßen gasdicht abgeschlossen ist. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, daß Feuchte in das Ge­ häuseinnere eindringt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auf das eigentliche Detektorgehäuse verzichtet und die Umhau­ sung des Detektors durch das Temperaturausgleichsele­ ment gebildet. Auf diese Weise läßt sich der Detektor wesentlich genauer in bezug auf das optische System po­ sitionieren, da die Toleranz der Positionierung des De­ tektors im Detektorgehäuse, die typischerweise bei ± 0,1 mm liegt, wegfällt. Diese Toleranz ist insbesondere bei Verwendung von optischen Systemen mit kleinen Brennweiten besonders störend, da hier Toleranzen in der Positionierung wesentlich stärkere Auswirkungen als längerbrennweitige optische Systeme zeigen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wer­ den durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispieles und der Zeichnung näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung enthält im wesentlichen einen Detektor 1 zur Umwandlung von Wärmestrahlung in ein elektrisches Signal, ein optisches System 2, das die von einem Meß­ objekt ausgehende Wärmestrahlung auf den Detektor 1 ab­ bildet, ein wärmeleitfähiges Temperaturausgleichsele­ ment 3, das den Detektor 1 und das optische System 2 auf einer gemeinsamen Temperatur hält, einen Tempera­ turfühler 4, der die Temperatur des Temperaturaus­ gleichselements mißt sowie ein alle Bauteile umfassen­ des Gehäuse 5.

Dieses Gehäuse 5 ist nach unten offen ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Seiten­ wand 5a und einem sich auf der Oberseite nach innen er­ streckenden Flanschrand 5b, der eine zentrale, kreis­ förmige Öffnung 5c freiläßt. Diese Öffnung 5c wird auf der Innenseite durch ein sogenanntes Infrarotglas 6 oder beispielsweise auch durch eine Siliziumscheibe abgedeckt.

Das Gehäuse 5 wird auf seiner Unterseite mit einem Sockel 7 abgeschlossen, der im wesentlichen aus einer metallischen Grundplatte 7a und daran isoliert angeordneten Kontaktstifte 7b besteht, die sich von außen durch die Grundplatte bis in das Innere des Gehäuses 5 erstrecken. Auf der Außenseite der Grundplatte 7a schließt sich ein Kunstharzblock 8 an, in dem die Kontaktstifte 7b zu einem zentralen Anschlußkabel 9 zusammengeführt werden. Der Kunstharzblock 8 ist seitlich durch eine Hülse 10 begrenzt, die im Durchmesser dem der zylindrischen Seitenwand 5a des Gehäuses 5 entspricht.

Der Sockel 7 wird mit der zylindrischen Seitenwand des Gehäuses 5 vorzugsweise verschweißt, während das Infrarotglas 6 mit dem Flanschrand 5b in geeigneter Weise verklebt wird, so daß der sich ergebende Innenraum 5d des Gehäuses 5 nach außen gasdicht abgeschlossen ist.

Im Innenraum 5d des Gehäuses sind der Detektor 1, das optische System 2, das Temperaturausgleichselement 3 und der Temperaturfühler 4 gegenüber dem Gehäuse ther­ misch isoliert angeordnet. Hierzu ist auf der Grund­ platte 7a zunächst ein Distanzblock 11 aus Kunststoff­ material vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel weist der Distanzblock 11 einen quadratischen Grundriß auf und ist auf der der Grundplatte 7a gegen­ überliegenden Seite mit einer diagonal verlaufenden Ausfräsung 11a versehen, wobei die Tiefe der Ausfräsung etwa drei Viertel der Höhe des Distanzblockes 11 be­ trägt.

Auf dem Distanzblock 11 ist eine Keramikplatte 12 mit einem Hybridschaltkreis angeordnet.

Die Keramikplatte weist eine zentrale Bohrung 12a auf, die auf der Unterseite in der Ausfräsung 11a des Di­ stanzblockes 11 mündet und durch den auf der Unterseite der Keramikplatte 12 angebrachten Temperaturfühler 4 abgedeckt ist. Dieser Temperaturfühler ist beispiels­ weise als PTC-Widerstand in SMD-Bauweise ausgebildet.

Auf der Oberseite der Keramikplatte 12 ist das wärme­ leitfähige Temperaturausgleichselement 3 angeordnet, das aus einer Kupferwanne 30 und einer aufgesteckten Hülse 31 besteht. Die Kupferwanne 30 ist im wesentli­ chen in Form eines Bechers mit einem Boden 30a und ei­ ner zylindrischen Seitenwand 30b ausgebildet. Die Stärke des Bodens im Verhältnis zum Durchmesser beträgt etwa 1 : 4, während die Seitenwand etwa halb so stark wie der Boden ausgebildet ist. Im Boden ist ferner eine Bohrung 30c vorgesehen, die mit der Bohrung 12a der Ke­ ramikplatte fluchtet.

Der als Thermosensorchip ausgebildete Detektor 1 ist auf dem Boden 30a angeordnet und deckt die Bohrung 30c ab.

Der Innendurchmesser der Seitenwand 30b im Bereich des Bodens bis zur halben Höhe der Seitenwand ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des darüber befindli­ chen Bereiches. Dadurch ist in etwa halber Höhe der Seitenwand 30b ein Absatz ausgebildet, auf dem eine Aperturblende 2a aufliegt.

Zur Fixierung der Aperturblende wird die Hülse 31 mit ihrem Flansch 31a so weit in die Kupferwanne 30 einge­ schoben, bis sie auf der Aperturblende aufliegt. Zur Fixierung von Kupferwanne 30 und Hülse 31 werden beide Teile zweckmäßigerweise miteinander verlötet oder in anderer Art und Weise miteinander verbunden.

Die zylindrische Seitenwand 31b der Hülse 31 weist im Inneren, etwa in halber Höhe einen Absatz 31c auf, der als Auflagefläche für einen Haltering 13 dient, der eine Linse 2b des optischen Systems 2 trägt. Die Linse 2b ist vorzugsweise als Fresnellinse ausgebildet.

In unmittelbarem Kontakt mit der Aperturblende 2a ist im Strahlengang vor derselben ein IR-Filter 2c vorgese­ hen, der den gewünschten Wellenlängenbereich festlegt.

Der auf der Keramikplatte 12 befindliche Hybridschalt­ kreis ist sowohl mit dem Detektor 1 als auch mit dem Temperaturfühler 4 elektrisch verbunden. Die entspre­ chenden Ausgangssignale werden von der Hybridschaltung über Bonddrähte 14 auf die Kontaktstifte 7b weiterge­ leitet.

Im Innenraum 5d des Gehäuses 5 befindet sich ein Gas, vorzugsweise ein trockenes Schutzgas, wie beispiels­ weise Stickstoff. Das Gas gelangt auch in das Innere des Temperaturausgleichselements 3, in dem zum einen die Seitenwand 30b der Kupferwanne sich lediglich über einen Winkelbereich von etwa 270° erstreckt und die Hülse 31b mit einer Bohrung 31d in der Seitenwand 31b versehen ist.

Diese Bohrungen und Öffnungen sind auch zum Druckaus­ gleich zwischen dem Raum über und unter dem Detektor 1 notwendig, damit der dünne Film aus Siliziumoxid des Detektors 1, auf den die Thermoelemente aufgebracht sind, bei Druckschwankungen nicht reißt.

Die Öffnung 5c des Gehäuses, das optische System 2, der Detektor 1, das Temperaturausgleichselement 3 und der Temperaturfühler 4 sind zweckmäßig symmetrisch um eine zentrale Mittelachse 15 angeordnet.

Während der Temperaturmessung gelangt die von einem Meßobjekt ausgehende Strahlung durch die Öffnung 5c und das Infrarotglas 6 zunächst in den Innenraum des Gehäu­ ses 5. Die Strahlung wird durch die Linse 2b fokus­ siert, durch den IR-Filter 2c in ihrem Wellenlängenbe­ reich begrenzt und über die Aperturblende 2a auf den Detektor 1 aufgebracht. Die sich durch die Thermoele­ mente ergebende Spannung wird über den Hybridschalt­ kreis und die Kontaktstifte nach außen geführt. Gleich­ zeitig mißt der Temperaturfühler 4 die Temperatur des Temperaturausgleichselements 3, wobei dessen Ausgangs­ signal ebenfalls nach außen übertragen wird.

Das wärmeleitfähige Temperaturausgleichselement 3 soll zum einen den Detektor 1 und das optische System auf einer gemeinsamen Temperatur halten, da die Eigenschaf­ ten von beiden Bauteilen stark temperaturabhängig sind. Zum anderen hat das Temperaturausgleichselement 3 die Funktion, die thermische Zeitkonstante der vom Gehäuse 5 thermisch isolierten Bauteile zu erhöhen.

Die Verwendung von trockenem Schutzgas verhindert das Eindringen von Feuchte in das Innere des Gehäuses 5. Dadurch ist es möglich, diese Vorrichtung auch bei Mes­ sungen um 0°C einzusetzen, ohne daß das optische Sy­ stem durch Betauen mit Wasser oder Ausfrieren von Eis beeinflußt wird.

Die Verwendung von Schutzgas hat zudem noch den weite­ ren Vorteil, daß für die Linse 2b hygroskopische Mate­ rialien wie beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumbromid und Bariumfluorid verwendet werden können. Dies ermög­ licht eine besonders kostengünstige Herstellung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung, die zudem in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und gute optische Ei­ genschaften aufweist.

Indem der Detektor 1 nicht wie bei herkömmlichen Vor­ richtungen zur Temperaturmessung eine eigene, zusätz­ liche Umhausung aufweist, sondern seine Umhausung durch das Temperaturausgleichselement 3 gebildet wird, läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlich klei­ ner aufbauen. Dadurch ist es möglich, den in der Zeich­ nung dargestellten Pyrometerkopf mit Außenabmessungen von etwa 15_*20 mm herzustellen.

Außerdem läßt sich der Detektor 1 wesentlich genauer in bezug auf die Linse 2b positionieren, da die Toleranz der Positionierung des Detektors im herkömmlichen Detektorgehäuse, die typischerweise bei ± 0,1 mm liegt, wegfällt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung, enthaltend

• a) einen Detektor (1) zur Umwandlung von Wärme­ strahlung in ein elektrisches Signal,
• b) ein optisches System (2), das die von einem Meßobjekt ausgehende Wärmestrahlung auf den De­ tektor (1) abbildet,
• c) ein wärmeleitfähiges Temperaturausgleichselement (3), das den Detektor (1) und das optische Sy­ stem (2) auf einer gemeinsamen Temperatur hält,
• d) einen Temperaturfühler (4), der die Temperatur des Temperaturausgleichselements mißt sowie
• e) ein den Detektor (1), das optische System (2), das wärmeleitfähige Temperaturausgleichselement (3) und den Temperaturfühler (4) umfassendes Ge­ häuse (5),

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) das Gehäuse mit einem Gas, vorzugsweise einem Schutzgas, gefüllt und nach außen gasdicht abge­ schlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (1), das optische System (2), das Temperaturausgleichselement (3) und der Temperatur­ fühler (4) gegenüber dem Gehäuse (5) thermisch iso­ liert angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhausung des Detektors (1) durch das Temperaturausgleichselement (3) gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Sy­ stem (2) zumindest eine Linse (2b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse aus hygroskopischem Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus einer Linse, vorzugs­ weise einer Fresnellinse (2b), einem IR-Filter (2c) und einer Aperturblende (2a) besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitfähige Temperaturausgleichselement (3) in Form eines Bechers mit einem Boden (30a) und einer zylindrischen Seitenwand (30b, 31b) ausgebil­ det ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (1) am Boden (30a) und das optische System (2) an der Seitenwand (31b) im Inneren des Temperaturausgleichselements (3) gehaltert ist.