<Desc/Clms Page number 1>
Temperaturfühler mit einem elektrischen Widerstand Die Erfindung betrifft Temperaturfühler mit einem elektrischen Widerstand- insbesondere mit einem Halbleiter.
Es sind derartige Temperaturfühler bekannt, bei denen eine Scheibe aus Halbleiter-Material mit einer quadratischen, allseitig vorstehenden Grundplatte thermisch und elektrisch leitend verbunden ist, die zum Aufschrauben auf das zu messende Objekt dient ; diese Anordnung gewährleistet jedoch nur auf der unmittelbar mit der Grundplatte verbundenen Stirnfläche des Widerstandselementes eine thermische Ankopplung ; als weiterer Nachteil erweist sich, dass der Widerstand mit dem zu messenden Objekt elektrisch leitend verbunden ist und somit das Potential dessen annimmt, was leicht zu Messungenauigkeiten führen kann.
Eine andere bekannte Ausführung von Temperaturfühlern weist als Messelement eine im Zentrum gelochte Scheibe aus Halbleiter-Material auf, die mittels einer Hohlniete und unter Zwischenlage je einer Isolierscheibe stirnseitig einerseits mit einem ebenfalls scheibenförmigen, nicht vorstehenden Kontaktglied aus wärmeleitendem Material und anderseits mit einer tellerförmigen, teilweise federnden Scheibe zusammengespannt ist, wobei das Kontaktglied stirnseitig an das zu messende Objekt in thermischem Kontakt befestigt werden kann ; hiebei wird zwar ein Nachteil der oben erwähnten Ausführungsformen behoben, da der Widerstand infolge seiner Isolierung von den stirnseitigen Stromzuführungen mit dem Objekt nicht mehr elektrisch leitend verbunden ist ;
da jedoch die für den Wärmeübergang massgebende Fläche der elektrischen Isolation höchstens gleich der Stirnfläche der Widerstandsscheibe gemacht werden kann, ist die thermische Ankopplung des temperaturempfindlichen Widerstandes begrenzt, deren Güte - von der die Trägheit und Belastbarkeit des Temperaturfühlers abhängig ist-allerdings weitgehend durch Dimensionierung und Beschaffenheit der in diesem Falle am Wärmeübergang unmittelbar beteiligten Isolationsschicht bestimmt wird.
Es ist an sich auch bekannt, Thermoelemente aus Halbleiter-Material mit langgestreckten Wärmeverteilungs-Platten zu versehen, welche die thermische Verbindung der Thermoelemente mit einem erhitzten sowie einem kalten Medium herstellen ; hiebei wird jedoch mit grossem Temperaturgefälle gearbeitet und der Wärmestrom braucht auch keine elektrische Isolierschicht zu durchfliessen, so dass grundsätzlich andere Bedingungen vorliegen.
Nach der Erfindung werden nun bei Temperaturfühlern mit einem elektrischen Widerstand - insbe- sondere mit einem Halbleiter - sowohl diese oben erwähnten Nachteile behoben, als auch eine wesentliche Verbesserung der thermischen Ankopplung des elektrischen Widerstandes erreicht, u. zw. dadurch, dass sich der temperaturempfindliche Widerstand in unmittelbarem thermischem und elektrischem Kontakt mit mindestens zwei an sich bekannten Wärmeverteilungs-Platten befindet, die sowohl eine thermische Verbindung zu dem zu messenden Medium als auch die elektrischen Anschlüsse des Widerstandes bilden, wobei die im Zuge der thermischen Verbindung zum Medium liegende wirksame Oberfläche dieser Wärmeverteilungs- Platten ein Mehrfaches der Kontaktfläche zwischen diesen und dem. Widerstand bildet und mindestens eine dieser Oberflächen mit einer elektrischen Isolierschicht versehen ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine der Wärmeverteilungs-Platten L-förmig gebogen ist und ein Schenkel derselben mit dem temperaturempfindlichen Widerstand in Kontakt steht, sowie der andere Schenkel mit dem zu überwachenden Medium thermisch verbunden ist.
<Desc/Clms Page number 2>
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wärmeverteilungs-Platte mit einer Lötfahne versehen und umfasst mit gebogenen Lappen über eine elektrisch isolierende Schicht einen an ein Fühler-Rohr angelöteten Wärmekontakt-Steg ; vorzugsweise ist hiebei zwischen der Innenwand des FühlerRohres und den Wärmekontakt-Stegen mindestens eine, auf das Zentrum des temperaturempfindlichen Widerstandes drückende Kontaktfeder eingesetzt.
Dieses Fühler-Rohr ist weiters zweckmässig in einem, im Bereich desselben auf kleineren Durchmesser eingezogenen Schutzrohr mit Laufsitz gelagert.
Die erfindungsgemäss ausgestalteten Temperaturfühler weisen vor allem eine vergrösserte Wärmeaustauschfläche auf als der temperaturempfindliche Widerstand selbst und weiters kann auch für eine etwa notwendige elektrische Isolierung desselben eine grössere Fläche vorgesehen werden, wodurch der Wärmeaustausch weiter gefördert wird ; insbesondere wird auch die Trägheit des Temperaturfühlers verkleinert und eine bessere Belastbarkeit erreicht-u. zw. auch bei thermischer Ankopplung an das zu messende Objekt durch Wärmeleitung über eine elektrische Isolierschicht.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Temperaturfühler dargestellt, u. zw. in Fig. 1 ein Raum-Temperaturfühler, in Fig. 2 ein Temperaturfühler zur Messung von Flüssigkeiten im Längsschnitt (Fig. 2) bzw. im Querschnitt (Fig. 3), sowie schliesslich in Fig. 4 eine andere Variante des wärmeempfindlichen Temperaturfühlers.
Gemäss Fig. 1 ist ein temperaturempfindliches Element 1 aus Halbleiter-Material zwischen Schenkeln 2 von L-förmig gebogenen Wärmeverteilungs-Platten 3 angebracht und mittels Schrauben 4, die mit isoliertüllen 5 versehen sind, eingeklemmt. Die Schenkel 6 der Wärmeverteilungs-Platten 3 sind mit Lappen 7, die zum Anschluss von nicht gezeichneten Stromzuführungsdrähten dienen, versehen und mit Hilfe einer isolierenden Schicht 8 an der Wandung eines Gehnuses 9 angeklebt.
Die Wärmeverteilungs-Platten 3 können aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, und das Gehäuse 9 aus Leichtmetall mit anodisch oxydierter Oberfläche angefertigt sein. Die auf der isolierenden Schicht8 aufliegende Fläche der Schenkel 6 der Wärmeverteilungs-Platten 3 kann so gross gewählt werden, dass sich gegenüber einer Ausführung, bei der die Isolation direkt am Widerstandselement liegt, eine um das 10- bis 20fache vergrösserte Wärmeaustauschfläche und damit eine um ungefähr den gleichen Betrag bessere thermische Ankopplung ergibt.
Dies ist besonders wichtig zur Vermeidung des störenden Einflusses der vom Messstrom hervorgerufenen Eigenerwärmung von Widerstandselementen und ermöglicht bei einer gewissen zugelassenen Eigenerwärmung die Verwendung grösserer Messströme, d. h. eine grössere Belastbarkeit der Widerstandselemente.
In den Fig. 2 und 3 ist ein temperaturempfindliches Element 10 zwischen zwei WärmeverteilungsPlatten 11 angebracht, deren Enden 12 als Lötfahnen für den Anschluss von Stromzuführungsdrähten 13 ausgebildet sind. Die Wärmeverteilungs-Platten 11 umgreifen vermittels je zweier Lappen 14 über aus Kunststoffolien bestehende Isolierschichten 15 Wärmekontaktstege 16, die, aus gut wärmeleitendem Material ausgeführt, die thermische Verbindung zu einem Fühlerrohr 17 vermitteln und zwecks Erzielung eines thermisch guten Kontaktes mit diesem verlötet sind.
Die Wärmekontaktstege 16 sind an den Längsseiten derart abgebogen, dass sie im eingebauten Zustand über die Wärmeverteilungs-Platten 11 einen Druck auf das temperaturempfindliche Element 10 ausüben, der durch die Wirkung von Blattfedern 18 noch erheblich erhöht wird. Auf diese Weise wird ein hinreichend guter thermischer und elektrischer Kontakt zwischen dem temperaturempfindlichen Element 10 und den Wärmeverteilungs-Plattenll erzielt.
Das Rohr 17 ist durch einen Deckel 19 und einen Gewindenippel 20 an beiden Enden dicht verschlossen. Die so gebildete Fühlerpatrone befindet sich lose, mit einem Laufsitz entsprechender Passung, in einem Schutzrohr 21, das mit einem Verschlussdeckel 22 versehen ist. Ein solches Schutzrohr ermöglicht die Auswechslung der Fühlerpatrone, ohne dass eine Entleerung von Kesseln oder Rohrleitungen, an denen der Fühler angebracht ist, notwendig wird. Um die relativ enge Passung zwischen Schutzrohr 24 und Fühlerpatrone durch spanabhebende Bearbeitung herstellen zu können, ist der Mantel des Schutzrohres 21, wie in Fig. 2 angedeutet, im Bereiche des Fühlerrohres 17 auf einen kleineren Durchmesser eingezogen.
Der verhältnismässig grosse Luftzwischenraum zwischen dem Rohr 17 und dem Schutzrohr 21 ist bei der beschriebenen Ausführungsform deshalb möglich, weil durch die grossen Oberflächen der Wärmeverteilungs- Platten 11 eine sehr gute Wärmeübertragung erzielt wird.
Bei dem erfindungsgemässen Temperaturfühler sind die Wärmeverteilungs-Platten mit Vorteil als L-förmig gebogene oder ebene Platten ausgeführt und der erforderliche thermisch und elektrisch gute Kontakt zwischen den Stirnflächen des temperaturempfindlichen Elementes und den WärmeverteilungsPlatten kann durch Federdruck, Schraub- oder Lötverbindung erzielt werden. Bei Federdruck oder Schraubverbindung ist es vorteilhaft, die Kontaktfläche mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen,
<Desc/Clms Page number 3>
plastischen Material, z. B. einer Zinn- oder Bleifolie, zu versehen.
Den Wärmeverteilungs-Platten der Ausführungsform gemäss den Fig. 2 und 3 sind zwecks Erzielung eines guten thermischen Kontaktes mit der Wandung eines das temperaturempfindliche Element vor äusseren Einflüssen schützenden Gehäuses Wärmekontaktstege aus gut leitendem Material nachgeschaltet.
Zur Erzielung eines guten thermischen Kontaktes zwischen den Wärmeverteilungs-Platten oder den Wärmekontdkt-Stegen und dem Gehäuse ist zu deren elektrischer Isolierung mit Vorteil ein Material zu verwenden, das sich durch hohe Temperaturbeständigkeit und hohe elektrische Spannungsfestigkeit auszeichnet, damit die zur Erreichung der im allgemeinen erforderlichen elektrischen Durchschlagspannung benötigte Isolationsschicht möglichst dünn gehalten werden kann. Als Isolationszwischenlage kann Glasgewebe, Kunstharz, wie z. B. Polyäthylen, Polytetrafluoräthylen, Siliconmaterialusw., verwendet werden. Eine Möglichkeit der Isolierung und gleichzeitigen Befestigung besteht darin, die WärmeverteilungsPlatte an den anliegenden, von ihm elektrisch zu isolierenden Teil mit einem klebefähigen Isoliermaterial, z.
B. auf Kunstharz- oder Siliconbasis, anzukleben. Dabei kann entweder die Wärmeverteilungs- Platte und/oder der anliegende Teil aus Leichtmetall hergestellt werden, dessen Oberfläche an der zu isolierenden Stelle anodisch oxydiert und mit einem Isoliermittel imprägniert ist. Mit Vorteil kann das Klebemittel, z. B. Äthoxylinharz, zum gleichzeitigen Kleben und Imprägnieren verwendet werden. Es versteht sich von selbst, dass ausser den hier angeführten Beispielen weitere Ausführungsformen der Erfindungsidee möglich sind. Das in Fig. 1 gezeichnete temperaturempfindliche Element mit den L-förmigen Wärmeverteilungs-Platten kann z.
B., statt in einem Gehäuse untergebracht zu werden, unter Zwischenschaltung einer dünnen Isolierschicht auf der Aussenwand einer Rohrleitung aufgeklebt oder daran auf eine andere Art befestigt werden.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform des Temperaturfühlers dargestellt, bei welcher eine besondere Isolierschicht an der Wärmeverteilungs-Platte nicht vorgesehen ist. Dies ist bei dieser Ausführungsform deshalb nicht nötig, weil das Medium, dessen Temperatur zu überwachen ist, selbst isolierende Eigenschaften aufweist, wie z. B. Gase und elektrisch isolierende Flüssigkeiten. Die vergrösserten, wirksamen Oberflächen erhöhen in diesem Fall den Wärmeübergang durch die schlecht leitende laminare Grenzschicht, die an den Oberflächen auftritt, und erhöhen ferner auch die Wärmeübertragung durch Strahlung.
Das temperaturempfindliche Element 23 ist mit zwei Wärmeverteilungs-Platten 24 versehen, deren wirksame Oberflächen ein Mehrfaches der Kontaktflächen zwischen ihnen und dem temperaturempfindlichen Element beträgt. Das temperaturempfindliche Element 23 ist mit den beiden Wärmeverteilungs-Platten 24 durch Löten verbunden und mit Stromzuleitungen 25 versehen. Beide Wärmeverteilungs-Platten 24 sind der Wärmeeinwirkung ausgesetzt und eines von ihnen dient der Befestigung der Anordnung auf einer elektrisch isolierenden Unterlage 26. Die Erfindung ist nicht an die Verwendung von Halbleiter-Elementen gebunden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Temperaturfühler mit einem elektrischen Widerstand - insbesondere mit einem Halbleiter-, dadurch gekennzeichnet, dass sich der temperaturempfindliche Widerstand (1 bzw. 10) in unmittelbarem thermischem und elektrischem Kontakt mit mindestens zwei an sich bekannten Wärmeverteilungs-Plat- ten (3 bzw. 11) befindet, die sowohl eine thermische Verbindung zu dem zu messenden Medium als auch die elektrischen Anschlüsse des Widerstandes bilden, wobei die im Zuge der thermischen Verbindung zum Medium liegende wirksame Oberfläche dieser Wärmeverteilungs-Platten ein Mehrfaches der Kontaktfläche zwischen diesen und dem Widerstand bildet und mindestens eine dieser Oberflächen mit einer elektrischen Isolierschicht (8 bzw. 15) versehen ist.