DE1698293A1

DE1698293A1 - Oberflaechentemperaturmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1698293A1
Application number: DE19661698293
Authority: DE
Inventors: Sterbutzel Gerald Aurelius
Original assignee: Calspan Corp
Current assignee: Calspan Corp
Priority date: 1965-10-23
Filing date: 1966-10-22
Publication date: 1971-01-28
Also published as: SE346379B; DE1698293C3; US3321974A; DE1698293B2; GB1134556A

Description

3353 Bad Gandereheim, 20. Oktober 1966 Braunschweiger Str. 22

Telefon: (05382) 342

Telegramm-Adresse: Siedpatent Bad Gandersheim

CORNELL AERONAUTICAL LABORATORY, INC.
Patentgesuch vom 20.10.1966

CORNELL AERONAUTICAL LABORATORY, INC. 4455 Genasee Street
Buffalo, New York, U.St.A.

über f Iac hentemperatu messvorrichtung

Die Erfindung betrifft Werbesserungen an einer Vorrichtung, mit der eine Oberfläche berührbar und deren uiahre Temperatur schnell und genau messbar ist.

E3 sind Vorrichtungen zum Wessen der Temperatur einer Oberfläche bekannt, jedoch scheint kein derartiges Gerät verfügbar zu sein, das eine wirklich genaue Leistung aufweist und bequem zu handhaben ist. Die bekannten Vorrichtungen weisen ernstliche Nachteile auf, die sie nutzlos oder zumindest unzulänglich machen, uienn genaue Leistung erforderlich ist. Ein bekannte» Verfahren besteht darin, dass einfach ein Thermopaar an der Oberfläche angebracht u/ird. Unter gewissen eingeschränkten Bedingungen kann eine derartige Einrichtung ausreichend sein. Normalerweise meist sie den ihr innewohnenden NachtBil auf, dass sie eine Veränderung oder Störung der Oberfläche und eine Veränderung der Uiärmeübertragungaeigenachaft der Oberfläche mit sich bringt. Dies ändert die gemessene Temperatur, die auch durch Leitungsverluste ungenau gemacht werden kann. Andere bekannte Verfahrensweisen, z.B. die Verwendung von Uliderstandethermometern zur überflHchentemperaturmessung, hatten gleich schwerwiegende Nachteile, die oft von der Unfähigkeit, örtliche Punkttemperaturen zu messen, bis zu Fehlerproblemen reichten, die verursacht wurden durch die Notwendigkeit,

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dass das Messelement von der Oberfläche isoliert sein muss. ttndere Gerätetypen zur Uornahme derartiger fllessungen, z.B. Strahlungsinstrumente oder optische Instrumente, erfordern oft hohe Temperaturen oder konstante Eraissionseigenschaften der Oberfläche. Alle diese Nachteile werden überwunden durch die Qberflächantemperaturmessvorrichtung nach der Erfindung.

Erfindungsgemäss ist eine Qbsrflächentemperaturmessvorrichtung uorgasehen, die eine Temperaturfühleinrichtung aufweist mit einem mit der Oberfläche, deren uiahre Temperatur gemessen iuerden soll, in Berührung bringbaren Teil, der ein der abgefühlten Temperatur entsprechendes messbares Signal erzeugt, gekennzeichnet durch responsive mittel einschliesslich Thermopaarainrichtungen und Heizarainrichtungan, die durch direkt berührende Festkörper sowohl miteinander als auch in ähnlicher UJeise mit der Temperaturfühleinrichtung in leitender lUärmeaustauschbeziehung stehen und so angeordnet sind, dass sie durch Wärmeleitung die Temperaturfühleinrichtung erwärmen, sodass jeglicher (net) UJärmefluss zwischen der Temperaturfühltt_nrichtung und der Oberfläche ausgeschaltet ist, wenn diese, mit dem Tail berührt wird. ,

Somit sieht die Erfindung eine Oberflächantemperaturmassvorrichtung vor, die UJärmefluss aus der berührten Fläche auf ein Minimum herabsetzt und dadurch die wahre Oberflächentemperatur zu messen gestattet.

Die Erfindung sieht ferner eine derartige Vorrichtung vor, bei der das Ansprechen des Temperaturfühlelemente schnell..erfolgt, sodass die Temperaturabgleichung rasch vor sich geht, und dadurch eine Temperaturstörung durch UISrmef^f^s wiederum auf ein Itiindestmäss herabgesetzt wird. _f , p*

Im folgenden wird die Erfindung eingehend beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin sind«

Fig. 1 eine »chematiache perspektivisch· Ansicht einer entsprechend den Prinzipien der Erfindung konstruierten OberflaOhentemparaturmessuorrichtung in Verbindung mit einer Oberfläche, deren-wahre Temperatur mit der Vorrichtung gemessen werden soll, wobei diese Vorrichtung ferner dadurch gekenn-

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zeichnet ist, dass sie zu ihrem Betrieb einen elektrischen Eingang von aussen erfordert,

Fig. 2 ein stark vergrösserter senkrechter Teilschnitt durch das unter· Ende des Tasters« der einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung bildet,

Fig. 3 eine noch stärker vergrösserte schematische senkrechte Teilensicht einzelner in Fig. 2 dargestellter Teile,

Fig. 4 eine sankrechte Querschnittsansicht nach der Linie 4-4 der Fig. 3,

Fig. 5 ein in seiner Art schemetischer Verdrahtungsplan der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 6 eine Detaildareteilung des in Fig. 5 schematisch dargestellten Zerhackers, dessen bewegliche Elemente in einer Stellung gezeigt sind, um die Anordnung der Thermopaare für Heizersteuerung darzustellen,

Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, wobei jedoch der Zerhacker in einer anderen Stellung, nämlich zum Temperaturmessen, dargestellt ist,

Fig. B eine mehr oder weniger schematische perspektivische Ansicht einer Qberflächentemperaturmessuorrichtung in einer abgewandelten Form der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zu ihrem Betrieb keiner äuaseren elektrischen Stromquelle bedarf,

Fig. 9 ein schemetisches Schaltbild der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 10 eine teilweise schematieche Seitenansicht einer anderen Form de· Fühlers und Heizers mit angeschlossenen Geräten als eine weitere Aueführungeform der Erfindung,

Fig. 11 eine Teileufeicht von oben auf den in Fig. 10 gezeigten Fühler,

Fig. 12 ein Blockdiagramm das Systems, in dem die in Fig. 10 gezeigte Vorrichtung verwendet wird,

Fig. 13 eine vergrösserte perspektivische Teileneicht eines Tasters mit dem in Fig. 10 gezeigten Fühler und Heizer,

und Fig. 14 ein vergrösserter teilweiser Längsschnitt durch eine andere Form eines Teeters mit anders konstruiertem

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Fühler und Heizer und angeschlossenen Geräten als eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Nach Fig. 1 weist die überflächentemperaturmessv/orrichtung nach der Erfindung einen dünnen, bleistiftartigen Taster 10 auf, der durch eine Anzahl von zu einem Kabel 11 zusammengefassten biegsamen Leitern mit einem Gerätkasten 12 verbunden ist, der die im folgenden erläuterten Bastandteile einschliesslich eines Temperaturmessanzeigers 13 enthält und durch ein Steckerkabel 14 mit elektrischem Betriebsstrom versorgt wird.

Der Taster 10 meist einen aus starrem Isolierstoff hergestellten länglichen zylindrischen Träger 15 auf, dessen unteres Ende bei der in Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsform ein erstes oder Hftessthermopaar T , ein zweites oder Bezugsthermopaar T und einen Heizer H trägt. Nach Fig. 3 meist das Thermopaar T Elemente oder Drähte 16 und 17 aus unähnlichen Metallen auf, die in bekannter Weise miteinander verbunden sind, um zwischen sich eine heisse Verbindungsstelle 18 zu bilden. In ähnlicher Weise ist das Thermopaar T aus Elementen oder Drähten 19 und 2Ü aus unähnlichen IKletallen zusammengefügt, die zwischen sich eine heisse Verbindungsstelle 21 bilden. Als Thermopaarelemente oder -drähte ist jede geeignete Kombination von Metallen, z.B. Eisen-Konstantan, Kupfer-Konstantan, Chromel-Alumel und dergleichen verwendbar. Wie bekannt, wird bei Erwärmung der heissen Verbindungsstelle eines Thermopaars zwischen den Klemmen des Thermopaars eine Spannung erzeugt, die der gefühlten Temper ίγ entspricht.

Zwischen den Thermonaaren ' und T und in direkter Berührung mit beiden ist ei..θ wärmedurchlässige elektrische Isolierung 22 angeordnet, und eine gleichartige Isolierschicht ist zwischen dem Thermopaar T jnd dem Heizer H in direkter Berührung mit beiden angeordnet. Die fernliegenden Enden der Elemente 16 und 17 des Thermopaars T weisen Leitungsdrähte 24 bzw. 25 auf. In gleicher Weise sind die Elemente 19 und 20 dee Thermopaars T mit Leitungsdrähten 26 bzuu 27 versehen. Der Heizer H, der vorzugsweise «in elektrisches Heizelement aus entsprechendem lYiaterial ist, weist an seinem einen Ende

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einen Leitungsdraht 28 und an seinem anderen Ende einen Leitungsdraht 29 auf. iüie Fig. 2 zeigt, sind diese Drähte 24 bis 29 jeweils an entsprechende weitere Drähte angeschlossen, won denen einer als typisch mit 30 bezeichnet ist und die in Längsrichtung durch den Tasterträger 15 verlaufen. Mn ihrem Austritt am oberen Ende des Tasterträgers 15 sind die einzelnen Leitungsdrähte 30 zu einem biegsamen Kabel 11 zusammengefasst.

Die aus den Thermopaaren T und T und dem Heizer H bestehende Einheit ist, wie Fig. 2 und 3 zeigen, vorzugsweise gewölbt oder konvex, sodass die heisse Verbindungsstelle 18 ein vorstehender Teil der Messvorrichtung ist und mit einer Oberfläche, z.B. der in Fig. 1 dargestellten Oberfläche S, deren wahre Temperatur gemessen werden soll, in Berührung gebracht werden kann.

Gemäss dem erfinderischen Konzept ist es wichtig, dass die Thermopaare T und T dadurch in leitender Uiärmeaustauschbeziehung mit einander stehen, dass sie mit der wärmedurchlässigen Zwischenschicht 22 in Berührung stehen, sodass die heisse Verbindungsstelle des einen Thermopaars dazu benutzt werden kann, thermisch durch Wärmeleitung die Temperatur dae anderen zu fühlen, während eines dieser Thermopaare mit der Überfläche, deren Temperatur gemessen werden soll, in Berührung gebracht werden kann. Huch der Heizer H ist in leitender Ulärmeaustauschbeziehung zu einem der Thermopaare T und T , zum Beispiel dem Thermopaar T angeordnet, und zwar ver mittels der Ularmedurchlässigen Schicht 23, die sowohl dies Thermopaar T als auch den Heizer H beruhst, sodass der Heizer H durch Wärmeleitung UJarme liefern kann an dieses eine Thermopaar, das seinerseits durch Wärmeleitung UJärme an das andere dieser Tharmopaare liefert. Somit stehen die Thermopaare T und T_ und der Heizer H durch direkt berührende Festkörper in leitender UJärmeaustauechbeziehung mit einander.

U/i· dargestellt, ist das Thermopaar T. der unterste Bauteil, dessen heisse Verbindungsstelle 18 am vorstehenden Teil der gewölbten oder konvexen Einheit angeordnet ist. Eingebet-

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tat zwischen das untere Thermopaar T und das Thermapaar T ist eine Isolierstoffschicht 22. Der Heizer H liegt über dem Thermopaar T , und eine Isolierstoffschicht 23 ist.zwischen diesen beiden Teilen angeordnet. UJie Fig. 3 zeigt, sind die heissen Verbindungsstellen 18 und 21 etwa senkrecht aufeinander ausgerichtet. Der Heizer H erstreckt sich quer über die heisse Verbindungsstelle 21 des ihm benachbarten Thermopaars T ,

Es ist wichtig, dass die OberflMchentemparaturvorrichtung empfindlich ist und schnell anspricht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Thermopaare T und T an den ihren jeweiligen heissen Verbindungsstellen naheliegenden Stellen mit im querschnitt bandförmiger Kontur ausgebildet sind. Sowohl die Thermopaare T und T als auch der Heizer H und die zwei Isolierstoff Zwischenschichten 22 und 23, die jeweils auch im Querschnitt eine bandförmige Kontur aufweisen, haben vorzugsweise gleiche Breite, wie Fig. 4 zeigt. Diese Gestaltung erlaubt, dass die heisse Verbindungsstelle jedes Thermopaars über dessen ganze Breite hinweg gleichmässig erwärmt wird, d.h. sie schafft parallelen lüärmefluss und verringert auch UJärmeverluste aus den schmalen Seitenkanten der Thermopaare auf ein minimum. Das Verhältnis von Breite zu Dicke des aus den Thermopaaren T und T und den Isolierschichten 22 und 23, ausschliesslich das Heizers H, bestehenden Sandwichs soll mindestens zwanzig zu eins sein. Ein höheres Verhältnis uiird bevorzugt. Dies kommt in der LJuerschnittsansicht nach Fig. 4 nur ungenau zum Ausdruck. Als typisch ist die Dicks, in Fig. 4 also die senkrechte Dimension, jedes Thermopaars T und T_ in der Nähe ihrer heissen Verbindungsstellen 0,U051 mm oder weniger, während die Breite, in Fig. 4 also dia waagerechte Dimension, etwa 1,6 mm beträgt.

Die Dicke jeder der Isolierschichten 22 und 23 ist vorzugsweise gerade derart, dass sie den gewünschten elektrischen Isolieretfakt bietet und Wärmedurchgang durch sie gestattet. Vorzugsweise bedecken die Isolierschichten 22 und 23 die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Thermopaare T und T und des Heizers H vollständig. Ale typisch ist die Dicke jeder

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Isolierschicht weniger als 0,0254 mm. Der von der Vorrichtung zu messende Temperaturbereich bestimmt den Typ des verwendeten Isolierstoffs. Beispielsweise können bis zu Temperaturen won 26U C übliche für Isolierüberzüge verwendete Harze benutzt uuerden. Hei zu messenden Temperaturen von über 260 C können vorteilhaft auf die Oberfläche dBs Thermopaars aufgedampfte Silikate verwendet werden.

An den von den heissen Verbindungsstellen 18 und 21 entfernten Stellen sind die Thermopaare T bzw. T so ausgebildet, dass ihre Uuerschnittsform sich für das Verbinden mit den jeweiligen Leitungsdrähten 24 bis 29 eignet.

Die messvorrichtung nach der Erfindung arbeitet nach dem Prinzip, dass eine äussere Wärmequelle, z.B. der Heizer H, die Ulä-rmeyerluste ausgleicht, die anderenfalls erfolgen würden, wenn nur ein Thermopaa^die Oberfläche berührte und Wärme davon abzöge. Wenn die Oberfläche, deren wahre Temperatur gemessen werden'soll, durch an das sie berührende Iflesselement abgegebene Wärme örtlich abgekühlt wird, wird offensichtlich eine falsche Temperatur gemessen. Dagegen wird entsprechend der Erfindung der mit der Oberfläche in Berührung bringbare Temperaturfühler so geheizt, dass jeglicher (net) U/ärmefluss zwischen ihm und der berührten Oberfläche ausgeschaltet wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 7 fühlt das zweite Thermopaar T die Temperatur des die Oberfläche S berührenden ersten Thermopaars T , und der Heizer H erwärmt das zweite Thermopaar T auf die Temperatur des ersten Thermopaars T , wobei der Heizer H auf jede Differenz zwischen den von diesen beiden Thermopaaren jeweils gefühlten Temperaturen ansprechend betätigt wird. Wenn somit die Temperatur des Thermopaars T gleich der Temperatur des Thermopaars T ist, so folgt, dass die Temperatur der Oberfläche S gleich der Temperatur des Thermopaars T. ist. Dies bedeutet, dass weder zwischen den Thermopaaren noch über die Grenzfläche zwischen dem Thermopaar T und der untersuchten Oberfläche S Wärme flieast.

In Fig. 5 ist mit 35 eine zyklisch betätigte Schaltvorrichtung oder ein Zerhacker bezeichnet, durch den in einer im

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folgenden erklärten Weise die Leitungsdrähte der Thermopaare T und T entweder mit den Leitern 36 und 37, die die Speisung des Heizers H steuern, oder mit den Leitern 38 und 39 verbindbar sind, die einem geeigneten Temperaturmessinstrument 4Ü operativ zugeordnet sind. Die Leiter 36 und 37 sind mit einem Verstärker 41 verbunden, der seinerseits über die Leitung 42 einen entsprechend konstruierten phasenempfindlichen Gleichrichter 43 steuert, der seinerseits über die Leitung 44 mit einem Stabilisierungsnetzwerk 45 verbunden ist, dessen Ausgang über die Leitung 46 an'- einen Transistor 47 geleitet tuird. Die Basis 48 des Transistors 47 weist einen mit Erde 50 verbundenen Emitter 49 und einen Kollektor 51 auf, der über die Leitung in Reihe mit dem Heizer H verbunden ist, an den eine positive Spannung E gelegt ist.

Aufbau und Arbeitsweise des Zerhackers 35 sind in Fig. 6 und 7 schematisch dargestellt. In Fig. 6 sind die Thermopaare T und T operativ mit den Heizersteuerungsleitungen 36 und verbunden, während in Fig. 7 das ITlessthermopaar T operativ mit den fflessinstrumentsteuerungsleitungen 38 und 39 verbunden ist. Der Zerhacker 35 weist ein Solenoid auf mit einer Wicklung IU mit Leitungen 53 und 54, die gemeinsam die in Fig. 1 dargestellte elektrische Stromquellenleitung 14 bilden. Wenn die Leitung 14 in eine lüechselstromquelle von beispielsweise 400 Hz eingestöpselt wird, wird das Solenoid entsprechend zyklisch betätigt. Dies Solenoid weist auch einen Anker A auf, durch den eine Anzahl Schaltarme F" 57, 58 und 59 betätigbar sind. Der Schaltern) 56 ist an e -am Ende drehbar an den Kontakt 60 angelenkt und mit meinem anderen Ende zwischen zwei in Abstand voneinander angeordneten Kontakten 61 und 62 bewegbar. Der Kontakt 60 ist über den Leiter 63 mit dem Schu/snkpunktkontakt 64 des Schaltarms 58 verbunden, dessen anderes Ende abwechselnd zwischen zwei in Abstand voneinender angeordneten Kontakten 65 und 66 bewegbar ist. Die Heizersteuerungeleitung 36 ist mit dam Kontakt 65 verbunden. Der Tempereturrneeeinstrumentleiter 38 ist mit dem Kontakt 66 verbunden. Der Schaltern) 57 let drehbar an den Kontakt 67 angelenkt und mit «einem an-

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deren Ende zwischen zwei in Abstand voneinander angeordneten Kontakten 68 und 69 bewegbar. Der Kontakt 69 ist tot. Der Kontakt 68 ist mit dem Leitungsdraht 27 des Thermopaars T verbunden, dessen anderer Leitungsdraht 26 mit dem Kontakt 61 verbunden ist. Der Kontakt 62 ist über den Leiter 70 mit dem Schuienkpunktkontakt 67 verbunden, mit dem auch der Leitungsdraht 24 des Thermopaars T verbunden ist. Der andere Leitungsdraht 25 des Thermopaars T ist mit dem Schiuenkpunktkontakt des Schaltarms 59 verbunden, dessen anderes Ende zwischen einem Paar fester Kontakte 72 und 73 bewegbar ist. Der Kontakt 72 ist mit dem Heizersteuerungsleiter 37 verbunden. Der Leiter 39 zum Temperaturmessinstrument 40 ist mit dem Kontakt 73 verbunden.

Wie Fig. 6 zeigt, lagen die Schaltarme 56 und 58 den Leitungsdraht 26 zum Thermopaar T in Reihe mit dem Heizersteuerungsleiter 36. Der Schaltarm 59 legt den Leitungsdraht 25 zum Thermopaar T₁ in Reihe mit dem anderen Heizersteuerungsleiter 37. Der Schaltarm 57 verbindet die Kontakte 67 und 68, wodurch der Leitungsdraht 24 zum Thermopaar T in Reihe mit dem Leitungsdraht 27 zum Thermopaar T gelegt. Die Thermapaare T und T sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet, sodass die Spannung des einen sich von der Spannung des anderen subtrahiert. Somit ist die Spannung zwischen den Heizersteuerungsleitern 36 und 37 die algebraische Summe der von den Thermopaaren T und T getrennt erzeugten Spannungen. Dementsprechend erzeugen die Thermopaar· T und T bei ihrer Anordnung in entgegengesetzter Reih· ein Heizereteuerungssignal, das proportional ist der Differenz, utofern eine solche besteht, zwischen den von diesen Thermopaaren jeweils gemessenen Temperaturen» Wenn die Thermopaar· die gleich· Temperatur fühlen, wird kein Heizersteuerungasignal erzeugt. Wenn jedoch ein· Differenz besteht zwieohen den vion den Thermopaaren einzeln gefühlten Temperaturen, wir« «irj Heizereteuerungeeignel erzeugt. Durch den angeechleeeenefi elektrischen Stromkreis , wird die· Signal veretürkt und etat)i}ieiert und zur Steuerung de« Traneietere 4? verwendet» e*«f eeinereelta die Bpeiaung de·

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Heizers H steuert. Der phasenempfindliche Gleichrichter 43 ujird verwendet zur Bestimmung der Polarität des Signals.

lüenn der Zerhacker 35 die Schaltarme 56 bis 59 in die in Fig. 7 dargestellte andere Stellung beuiegt, ist die elektrische Verbindung der Thermopaare T und T_ mit den Heizersteuerungsleitern 36 urnid 37 unterbrochen. Statt dessen ist das Thermopaar T für sich mit den Leitern 38 und 39 zum Temperaturmessinstrument 40 verbunden, da die Schaltarme 56 und 58 den Leitungsdraht 24 des Thermopaars T mit dem Leiter 38, und der Schaltarm 59 den anderen Leitungsdraht 25 des Thermopaars T mit dem anderen Leiter 39 verbinden.

Aus obigem ist zu ersehen, dase während der einen Hälfte der Periode ein Heizersteuerungssignal erzeugt iuird und mährend der anderen Hälfte der Periode das durch das Iflessthermopaar T erzeugte Signal gemessen uiird. Das Temperaturmessinstrument 4U wird ziuar uiegen des Zerhackerkreises komplizierter, doch lässt sich diese Iflessungsart erfolgreich durchführen durch Verwendung eines komparativen bekannten Signals, iuie es dem Fachmann bekannt ist.

Fig. 8 und 9 zeigen eine einfachere Ausführung der Oberflächentemperaturmessvorrichtung, bai der drei Thermopaare T„, T und T verwendet werden. Die Leitungsdrähte 8Ü und 81 des Thermopaars T„ sind ständig mit einem Tamperaturmessinstrument 82 verbunden, das ein einfaches Potentiometer sein kann. Das Thermopaar T meist Leitungsdrähte 83 und B4, und das Thermopaar T_ Leitungsdrähte 85 und 86 auf. Die Leitungsdrähte 84 b

und 85 sind in Reihe verbunden, um die Thermopaare T .und T_ entgegengesetzt in Reihe zu schalten. Die Leitungsdrähte 83 und 86 sind operativ mit einem Verstärker 87 verbunden, der seinerseits durch die Leitung 88 mit einem entsprechenden Stabilisierungsnetzwerk 89 operativ verbunden ist. Das Stabiliaierungsnetzwerk 89 ist durah die Steuerleitung 90 operativ mit einem Transistor 91 verbunden, der seinerseits mit Erde und. ie* Haj.1·* H* operativ verbunden ist.

Die ThespMpears T_, T. unit T. und der Heizer H¹ werden mit Zmischenlegen aus würnatfurehlMsaiflS« elsktrisoh isolie-

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renden Stoff versehen und bilden so einB Sandtuichkonstruktion ähnlich der in Zusammenhang mit Fig. 1 bis 7 beschriebenen. Vorzugsweise ist die heisss Verbindungsstelle des Thermopaars T das unterste Element, das freiliegt zur Berührung mit der Oberfläche, deren Temperatur gemessen werden soll. Vorzugsweise werden die Thermopaare T und T übereinanderliegend zwischen dem untersten Thermopaar T und dem Heizer H¹ angeordnet.

Bei der in Fig. 8 und 9 gezeigten Form der Erfindung ist der Schaltungsaufbau einschliesslich einer Batterie als elektrischer Energiequelle vorzugsweise in einem Gehäuse 92 untergebracht, das als Kopf ausgebildet ist am oberen Ende des bleistiftartigen Tasters 93, dessen unteres Ende die Thermopaargruppe trägt und in Berührung gebracht werden kann mit der Oberfläche, deren Temperatur gemessen werden soll.

Die Form der in Fig. 10 bis 13 gezeigten Oberflächentemperaturmessvorrichtung eignet sich zur Messung von Temperaturen im Bereich von etwa 540 C bis etwa 620 C, während die Vorrichtungen nach Fig. 1 bis 7, und 8 bis 9 zur Messung von Temperaturen nur bis etwa 540 C geeignet sind.

Nach Fig. 13 meist der Taster 99 einen länglichen zylindrischen Keramikkörper 100 auf, dessen eines Ende verjüngt ist, um eine Spitze oder Platform 101 zu bilden, die einen Heizer 102 trägt, der seinerseits einen insgesamt mit 103 bezeichneten Fühler trägt.

Der Fühlerträger weist nahe der Spitze 101 vorteilhaft einen Hals 104 auf, um den Fühler 103 so stark wie möglich gegen den Keramikkörper 100 zu isolieren. Der Körper 100 ist mit ringsum in Abständen angeordneten Löchern 105 versehen, die in Längsrichtung in den Körper hineingehen und die im folgenden erläuterten elektrischen Leitungsdrähte aufnehmen. In Fig. 13 sind drei Löcher 105 zu sehen. Drei weitere Löcher 105 befinden sich auf der ungesehen Seite.

Di· Spitze 101 bedeckt «in 0,0254 mm dicker, 1,016 mm breiter und etwa 8 mm langer Platinfoliestreifen, der das Heizelement 102 bildet. Die Enden dieses Streifens 102 sind

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z.B. durch Punktschweissen und Glühen mit den Enden von Platinschienendrähten 106 und 108 verbunden, von denen einer, 106_%, in Fig. 13 dargestellt ist. Diese Drähte gehen einzeln durch zwei diametrale Löcher 105 und sind am Körper 100 mit keramischem Zement befestigt. Danach wird ein gebrannter keramischer Überzug über dem Heizer 102 und seinen Schienendrähten 106 und 108 gebildet.

Der Fühler 103 tuird vor seiner Anbringung auf dem Körper 100 getrennt hergestellt. Ein Stück No»36 gage teflonumhüllter Alumeldraht 109 wird an einem Ende abgehüllt und ausgeflacht und dann so gebogen, dass er einen hochstehenden Teil 110 mit einem horizontalen Endflansch 111 bildet. Der Teil

110 geht durch ein Loch 112 in einem keramischen Abstandsstück 113 von etwa 1,067 mm Durchmesser und etuja 0,254 mm Dicke hindurch, wobei das Loch etwa 0,330 mm im Durchmesser misst. Ein Stück No»36 gage teflonumhüllter Chromeldraht wird an einem Ende abgehüllt und auf eine Dicke won etuia 0,0254 mm ausgeflacht. Dies ausgeflachte Ende des Chromeldrahts 114 liegt unter dem ausgeflachten Ende das Alumeldrahtes 109 nahe dem hochstehenden Teil 110, und die beiden Drähte werden durch Punktschu/eissung verbunden und bilden eine heisse Verbindungsstelle eines Thermopaars T .

Ein Stück Wo.40 gage teflonumhüllter Chromeldraht 115 ujird in seiner Mitte auf etuia 3,175 mm Länge abgehüllt und dann auf etuia 0,191 mm Dicke ausgeflacht, sodass in der Mitte des Drahtes ein flacher Abschnit* 116 won etwa 0,381 mm Breite und etu/a 11,43 mm Länge entstF¹^·. Der flache Abschnitt 116 ist in etwa seiner Mitte du sh Punktechuieissung 118 an den Flansch

111 geschweisst (Fig. ll), um eine heisse Verbindungsstelle eines zweiten Thermopaara T_ zu bilden.

Dann wird der Fühler 103 durch Einschieben der freien Enden der Drähte 109, 114 und 115 in die verbleibenden vier Löcher 105 auf dem Körper 100 befestigt. Der Fühler ist so angeordnet, dass der flache Abschnitt 116 des ühromeldrahte 115 von der Spitze 101 entfernt liegt und das Thermopaar T das am weitesten aussen gelegene Thermopaar ist. Die Leitungs-

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teils der Drähte 109, 114 und 115 werden so gebogen, dass sie der Kontur des Tastarkörpers folgen.

Ein kleines quadratisches Climmerstück 119 von 1,27 mm Kantenlänge und 0,127 mm Dicke ist zwischen dem Fühler 103 und dem Heizstreifen 102 angeordnet. Dieser Fühler ist über der Witte dieses Heizstreifens zentriert.

Auf den Taster, mit Ausnahme des Fühlers 103, wird eine gebrannte keramische Glasur aufgebracht.

Da die Thermopaare T und T durch den hochstehenden Teil

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110 physikalisch miteinander verbunden sind und die Unterseite des ausgeflachten Endteils des Drahtes 114 die Überseite das Glimmerplättchens 119 berührt, dessen Unterseite die Überseite des Heizstreifens 1Ü2 berührt, ergibt sich, dass diese Thermopaare und der Heizer durch direkt berührende Festkörper miteinander in leitender üJärmeaustauschb8ziehung stehen.

wie Fig. IU zeigt, ist das rechte Leitungsende des Chromeldrahts 115 und das Leitungsende des Mlumeldrahts 109 mit einem entsprechenden Temperaturablesegerät 12Ü verbunden, das ein übliches Anzeige- oder Mufzeichniinrjsinstrument sein kann. Das linke Leitungsende des Chromeldrahts 115 und das Leitungsende des Chromeldrahts 114 sind mit einer «absprechenden Heizersteuerung 121 verbunden, mit der auch die Heizerleiter 106 und IUB operativ verbunden sind.

Die Heizersteuerung 121 kann in beliebiger geeigneter uieise so konstruiert sein, dass sie proportional ansprechend auf die von den Thermopaaren T und T gefühlte Differential-

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temperatur Energie in den Heizer 1U2 schickt.

Mach Fig. 12 meist die Heizersteuerung 121 eine Gleichstromquelle 122, einen Leistungsverstärker 123 und einen Gleichstromverstärker 124 auf. In dem in Fig. 12 schematisch dargestallten vollständigen System ist der Eingang zur Heizersteuerung 121 vom Taster 99 durch die Leitung 125, und der Ausgang von der Heizersteuerung 121 zum Taster ^fjy durch die Leitung 126 dargestellt, während dia Leitung 128 das Ablesesignal vom Taster 99 zur Temperaturableeavorrichtung 12U darstellt. Eb stellen also dar« die Drähte 114 und 115 in Fig. IU dia Loi-

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tung 125 in Fig. 12} die Drähte 1U6 und IUB in Fig. ID die Leitung 126 in Fig. 12; und die Drähte 1Ü9 und 115 in Fig. die Leitung 128 in Fig. 12.

Im Betrieb wird der Taster 99 so gehandhabt, dass der Abschnitt 116 des Fühlers 103 die warme Überfläche berührt. Das Thermopaar T fühlt eine höhere Temperatur als das Thermopaar T , was lUärmefluss an der Berührungsstelle anzeigt. Dies erzeugt ein Ungleichheit anzeigendes Signal, das, durch den Gleichstromverstärker 124 verstärkt, zum Leistungsverstärker 123 geht. Dieser ruft Leistung v/on der Gleichstromquelle 122 ab. Diese Leistung ist in jedem Augenblick proportional der Grosse der Ungleichheit am Fühler. Die Leistung speist den Heizer 1Ü2, der den Fühler erwärmt, um die Ungleichheit auszugleichen. In dem IKIaGe, in dem die Ungleichheit sich Null nähert, verringert der Leistungsverstärker 123 die E/nergier'jfuhr zum Heizer 102, bis am Fühler ein gleichbleibender Zustand ohne lilärmefluss besteht. Die uiahre Uberfiächentemperatur am Thermopaar T wird dann an der Vorrichtung 120 abgelesen. Falls gewünscht, kann diese Temperatur auch am Thermopaar T abgelesen

werden, falls dies operativ mit der Vorrichtung 12U verbunden wäre.

Die in Fig. 14 dargestellte Form der Oberflächentemperatur messvorrichtung eignet sich zum [!lessen höherer Temperaturen bis zu etwa 1650 C.

Der Taster 130 weist einen vorzugsweise aus reiner Tonerde hergestallten länglichen zylindrischen Keramikkörper von etwa 4,826 mm Durchmesser mit einem rohrförmigen Endteil 131,

der spiralförmig umwunden ist mit einem Heizerdraht 132, der vorzugsweise aus Platin mit 13)6 Rhodium besteht.

An der Spitze des Körpers des Tasters 130 ist ein Fühler 133 angebracht, der ein vorzugsweise aus Platin hergestelltes T-förmigaa Teil 134 aufweist, das einen scheibenförmigen Kopf 135 hat, von dessen nicht frailiegander Seite ein mit dem Kopf 135 ein Stück bildender Schaft 136 ausgeht. Der Schaft 136 ragt mittig" in dia Bohrung das rohrförmigen Teils 131 längs dar Achse der Heizerepirale 132. An den T-förmigan Teil 134

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sind drei Drähte 138, 139 und 140 angeschlossen, uiobei die beiden Drähte 138 und 139 vorzugsweise aus Platin mit 13% Rhodium und der Draht 14Ü aus Platin hergestellt sind. Die Enden dar Drähte 138 und 140 eind mit dem Kopf 135 an dessen innerer odar nicht freiliegender Seite verbunden. Diese Verbindung zwischen dem aus Platin mit 1Z% Rhodium bestehenden Draht 138 und dam Platinkopf 135 bildet die heissa Verbindungsstelle eines Thermopaars T . Das Ende des aus Platin mit 1Z%

Rhodium bestehenden Drahtes 139 ist mit dem inneren oder freien Ende das Platinschafts 136 verbunden und bildet die heisse Verbindungsstelle eines Thermopaars T .

Dia entgegengesetzten oder Leitungsenden der Drähte laufen durch im Tasterkörper vorgesehene in dessen Längsrichtung verlaufende Löcher. Guter thermischer Kontakt sou/ie Adhäsion zwischen allen Teilen werden erzielt durch Thoriumoxydzement 141, dar Heizerspule 132, Schaft 136 und Drähte 138 bis 140 einbettet.

Somit stehen die Thermopaare T und T und der Heizer durch direkt berührende Festkörper in leitender Ulärmeaustauschbaziehung miteinander.

Dia Einführungsenden der Heizerspirale 132 silnd durch Leitschienen 142 und 143 mit einer Heizersteuerung 121a verbunden, mit der auch die Drähte 138 und 139 operativ verbunden sind. Diese Heizersteuerung 121a ist ähnlich der in Fig. 10 dargestellten Heizersteuerung 121.

Dia EinführungsBndan der Drähte 138 und 140 sind durch die Drähte 144 bzw. 145 mit einer Temperaturablesevorrichtung 12üa verbunden, die der in Fig. 10 dargestallten Vorrichtung 120 ähnlich ist. Zum Ablesen könnte statt des Drahtes 140 ein (nicht dargestellter) besonderer, mit dem Kopf 135 verbundener Draht verwendet werden. Falls gewünscht, könnte die Temperaturablesung unter Verwendung des Thermopaars T_q statt d8s Thermopaare T_n erfolgen.
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Der in Fig. 14 gazeigte Fühler 133 arbeitet in der gleichen Weise wie der zuvor beschriebene, in Fig. 10 dargestellte Fühler 103, wobei die Thermopaare T und T einander ebenso

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entsprechen wie die Thermopaare T_ und T_n. Der Kopf 135 ist

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derjenige Teil des Fühlers 133, der die zu untersuchende warme Oberfläche berührt.

Wegen der hohen Temperaturen, denen der Taster 130 nach Fig. 14 ausgesetzt ist, kann der Taster in einen gekühlten Halter (nicht dargestellt) eingekapselt sein, sodass nur die Tasterspitze exponiert ist. Das schützt die Hände der Bedienungsperson vor der hohen Temperatur und auch den Taster vor Schaden durch Uiärmeschock, wenn er plötzlich dicht an einen heissen Teil kommt.

Bei einem Oberflächentemperaturmesstaster ist es wünschenswert, dass er die Eigenschaft des schnellen Ansprechens aufweist, weil bisweilen Übergänge verfolgt werden müssen und nur , eine vernachlässigenswerte Verzerrung der Temperatur der gemessenen Oberfläche entstehen soll. Bei einem solchen Taster müs-

sen Ansprechzeit und Zerbrechlichkeit gegeneinander abgewogen ;

werden, denn um schnelles Ansprechen zu erzielen, muss die !

Masse auf ein minimum herabgesetzt werden, was nun seinerseits ;

i zu Bruchsmpfindlichkeit oder Versagen im Betrieb führt. Unter f

Berücksichtigung dessen kann die Ansprechzeit der in Fig» I

1 bis 7, 8 bis 9, und 10 bis 13 gezeigten Taster etwa l/3 Se- >

künden sein, während bei dem in Fig. 14 gazeigten Taster die }

Ansprechzeit länger, vielleicht etwa 2 Sekunden, sein müsste. * Es versteht sich, dass der Ausdruck "Oberfläche", wie er |

hierin verwendet worden ist, den monomolekularen Film sowohl f

eines flüssigen oder gasförmigen Mediums alt auch eines Fast- },

körpers ainschliesst. ί

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Claims

Patentansprüche

1. Oberflächentemperaturmessworrichtung, die eine Temperaturfühleinrichtung aufweist mit einem mit der Oberfläche, daran ujahra Temperatur gemessen werden soll, in Berührung bringbaren Teil, der ein der abgefühlten Temperatur entsprechendes messbares Signal erzeugt, gekennzeichnet durch responsive mittel einschliesslich Thermopaareinrichtungen und Heizereinrichtungen, die durch direkt berührende Festkörper sowohl miteinander als auch in ähnlicher Uleise mit der Temperaturfühleinrichtung in leitender UJärmeaustauschbeziehung stehen und so angeordnet sind, dass sie durch Wärmeleitung die Temperaturfühleinrichtung erwärmen, sodass jeglicher (net) Uiärmefluss zwischen der Tampsraturfühleinrichtung und der Oberfläche ausgeschaltet wird, luenn diese mit dem Teil berührt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfühleinrichtung Thermopaareinriahtungen aus Elementen unähnlicher Metalle aufweist, die v/erbunden sind, um zwischen sich eine heisse Verbindungsstelle zu bilden, wobei die Elemente in der Nähe dieser Verbindungsstelle abmassungsmässig breiter sind als dick und eine breite Seite dieser Verbindungestelle mit der Oberfläche, deren wahre Temperatur gemessen werden soll, in Berührung bringbar ist, während auf der gegenüberliegenden breiten Seite der Verbindungsstelle die responsiv/en mittel angeordnet sind, die durch Wärmeleitung die Verbindungsstelle im wesentlichen gleichmässig längs ihres Länge auf die Temperatur desjenigen Teils der Oberfläche erwärmen, der von der Verbindungestelle berührt ist.

3. Vorrichtung naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfühleinrichtung ein erstes Thermopaar, dia raaponsiven mittel einschliesslich eines zweiten Thermopaare und Heizereinrichtungen aufweist, wobei eine erste Isolierung zwischen dem ersten und dem zweiten Thermopaar und eine zweite Isolierung zwischen der* zweiten Thermopaar und der Heizereinrichtung liegen und alle diese Teile in gegenseitiger tUMrma-

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austauschbeziehung stehen, übereinanderliegend, in der angegebenen Reihenfolge in Berührung und im wesentlichen gleich breit sind, uiobei die Breite jedes dieser Teils grosser ist als dessen Dicke' in der Richtung des Übereinanderliegens und das Verhältnis von Breite zu Dicke dar übereinanderliegenden Teile ausschliesslich der Heizereinrichtung wenigstens zwanzig zu ein ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3_r dadurch gekennzeichnet, dass das zuieite Thsrmapaar zuteite Elemente unähnlicher Metalle aufweist, die verbunden sind, um zwischen sich eine zweite heisse Verbindungsstelle zu bilden, anbei die zvueiten Elemente in der Nähe dieser zweiten Verbindungsstelle abmessungsmässig breiter sind als dick und mit ihrer einen breiten Seite, gegenüberliegend und elektrisch isoliert von jener breiten Seit8 der ersten Verbindungsstelle, die dieser ihrer einen breiten Seite gegenüberliegt, angeordnet sind, uiobei die zuiaite Verbindungestelle in bezug auf die erste Verbindungsstelle über dieser liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die heisse Verbindungsstelle des zweiten Thermopaars im wesentlichen JJKaEKDDKIIf ausgerichtet ist mit der heissen Verbindungsstelle des ersten Thermopaars, und dass die Heizereinrichtung ein Heizelement aufweist, das eich quer über die zweite Verbindungsstelle erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die responsiven mittel mittel aufweisen, die angeordnet sind, um die vom ersten Thermopaar erzeugte Spannung und damit die von ihm gefühlte Temperatur zu messen, Mittel, die angeordnet sind, um die einzeln von dem ersten und dem zweiten Thermopaar erzeugten Spannungen voneinander zu subtrahieren, und mittel, die angeordnet aind, um das Heizelement variabel in Aneprechung auf die algebraische Summe dieser Spannungen zu speisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reaponsiven mittel spannungsgastauarta mittel zum variablen Speisen des Heizelements in Ansprechung auf die Grösss der Stsusrepannung, und fflittal aufweisen, dia enge-

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ordnet sind, um abwechselnd das erste Thermapaar operativ/ mit solchen messmitteln und das erste und zweite Thermapaar in entgegengesetzter Reihe operativ/ mit solchen Speisungsmitteln zu verbinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zuletzt erwähnten Mittel zyklisch betätigte Schaltmittel aufweisen, die angeordnet sind, um abwechselnd das erste Thermopaar operativ mit den messmitteln zu verbinden, um dadurch die vom ersten Thermopaar gefühlte Temperatur zu messen, und das erste und zweite Thermopaar in entgegengesetzter Reihe operativ mit den Speisungsmitteln zu verbinden, um dadurch letztere in Ansprechung auf die algebraische Summe der vom ersten und zweiten Thermopaar erzeugten Spannungen zu steuern.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3¹, dadurch gekennzeichnet, dass die responsiven Mittel «in drittes Thermopaar aufweisen, das in Uiärtneaustauschbeziehung zum zweiten Thermapaar steht und eine heisse Verbindungsstelle hat, wobei die elektrische Heizereinrichtung in Wärmeaustauschbeziehung zum dritten Thermopaar steht, Mittel angeordnet sind, um die won einem der Thermopaare erzeugte-Spannung zu messen, und mittel, um die Heizmittel variabäl in Ansprechung auf die Grosse jeder Differenz zwischen der jeweils von den zweien dieser Thermopaare, jedoch nicht von dem zuletzt erwähnten von ihnen, gefühlten Temperatur zu speisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Msssmittel angeordnet ist, um die von einem dieser, des ersten und das zweiten Thermopaars, erzeugte Spannung zu messen, solche Späissmittel engeordnet sind, um die Heizmittel zu speisen, die ansprechen auf die Grosse jeder Differenz zwischen dan jeweils von dem dritten Thermopaar und einem dieser» des ersten und zweiten Thermopaar·, gefühlten Temperaturen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet* dass daa aeesmittsl angeordnet ist, um die durch das erste Thermopaar erzeugte Spannung und damit die wen ihm gefühlte Temperatur zu messen, andere Mittel angeordnet sind,

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um dia jeweils won dam zweiten und dam dritten Thermopaar erzeugten Spannungen voneinander zu aubtrahieren, und Mittel angeordnet sind, um das Heizmittel variabel in Ansprechung auf die Grössa dar algebraischen Summe dieser Spannungen zu speisen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfühleinrichtung ein erstes Thermopaar aufweist mit zwei Elementen aus verschiedenen metallen, die verbunden sind, um zwischen sich eine erste heisse Verbindungsstelle zu bilden, das Thermopaar der responsiven Mittel ein zweites Thermopaar bildet mit einem dritten Element, das mit einem dieser zwei Elemente verbunden ist, um dazwischen eine zweite heisse Verbindungsstelle zu bilden, wobei das dritte Element aus einem metall ist, das unähnlich ist dem des einen dieser zwei Elemente.

13» Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel der responsiven mittel angeordnet ist, um das zweite Thermopaar in Ansprechung auf das von den beiden Thermopaaren gefühlte Temperaturdifferential zu erwärmen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die responsiven Mittel mittel aufweisen zum Ablesen der von einem der Thermopsare gefühlten Temperatur, wodurch nach Ausschaltung des Temperaturdifferentials die Temperaturablesung die wahre Temperatur der Oberfläche ist.

15. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen länglichen keramischen Körper aufweist, der an einem Ende verjüngt ist und so eine Spitze bildet, dass das Heizermittel ein diese Spitze bedeckendes flaches Heizelement aufweist und auf dem Heizelement Fühlmittel angebracht sind einschlieselich zweier Thermopaarelemente aus unähnlichen metallen, die verbunden sind, um eine über dem Heizelement angeordnete erste heisse Verbindungsetelle zu bilden, wobei eines der Thermopaerelemente einen Teil aufweist, der sich in Längsrichtung des Körpers nach aussen von der Spitze erstreckt, ein keramisches Abstandsstück diesen Teil umgibt und ein drittes Thermopaerelement mit diesem Teil verbunden und eus einem Metell ist, das unähnlich dem diesee Teils

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ist, um eine ziuaita haisse Verbindungsstelle auf dar Seite das Abstandsstücks zu bilden, die der Seite gegenüberliegt auf der die erste heisse Verbindungsstelle angeordnet ist, wobei alle diese Elements jeweils Leiter aufweisen, die sich längs des Körpers in einer Richtung von der Spitze mag erstracken.

16. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen länglichen keramischen Körper mit einer Spitze aufweist, die Haizereinrichtung aine ringförmige Heizspirale aufweist, die nahe der Spitze in den Körper eingebettet ist und deren Achse in Längsrichtung des Körpers weist, und dass auf dam Körper Fühlmittel angebracht sind einschliesslich eines ersten Thermopaarelements mit einem an der Spitze angeordneten" verbreiterten Kopf und einem von dessen nicht freiliegender Seite ausgehend sich nach innen in dan Körper im wesentlichen längs dessen Achse erstreckenden Schaft, wobei ein zweites Thermopaaralement in den Körper eingebettet, mit dem Kopf an dessen nicht freiliegender Seite verbunden und aus einem Metall ist, das verschieden ist von dem des ersten Thermopaarelements, um eine erste heisse Verbindungsstelle zu bilden, und ein drittes Thermopaarelemant in den Körper eingebettet, mit dem Schaft verbunden und aus einem IYIetall ist, das verschieden ist von dem des ersten Thermopaaral8ments, um eine zweite heisss Verbindungsstelle zu bilden.

Patentanwalt·

Dipl.-Ing. Hellmuth Kose! Dipl.-Ing. Horst Rös· Dfpl.-Ing. Pm fr Kos«l

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