CH666355A5

CH666355A5 - THERMOCOUPLE.

Info

Publication number: CH666355A5
Application number: CH3726/84A
Authority: CH
Inventors: Karl Hehl
Original assignee: Karl Hehl
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1988-07-15
Also published as: IT8404855A1; IT1180283B; GB2147737A; NL8402450A; GB8420511D0; FR2551208A1; DE3330491C2; GB2147737B; FR2551208B1; DE3330491A1; IT8404855A0

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. The invention relates to a thermocouple according to the preamble of claim 1.

Bei einem bekannten Thermoelement der eingangs genannten Art (US-PS 2 517 033) sind die freigelegten, gereinigten und von der Hülse umschlossenen Enden der Drähte in einem Lötmittel oder einer anderen geeigneten Metall-Legierung eingegossen und dadurch elektrisch miteinander verbunden. Beim Ein-gissen des geschmolzenen Lötmittels oder der Legierung dient die unten durch eine Glimmerscheibe abgedeckte Hülse gewis-sermassen als Giessform. Der gegossene rotationssymmetrische Lötmetall-Körper weist am unteren Ende einen radialen Flansch auf. Er ist daher geeignet, im System als Wärmeleitscheibe zu dienen. Dadurch ergibt sich ein Thermoelement hoher Messgenauigkeit und hoher Reaktionsgeschwindigkeit. Der erforderliche Giessvorgang beeinträchtigt jedoch eine rationelle Serienfertigung. In a known thermocouple of the type mentioned (US Pat. No. 2,517,033), the exposed, cleaned and enclosed ends of the wires are cast in a solder or another suitable metal alloy and thereby electrically connected to one another. When the molten solder or the alloy is poured in, the sleeve covered by a mica disc serves as a casting mold. The cast rotationally symmetrical solder body has a radial flange at the lower end. It is therefore suitable to serve as a heat-conducting disc in the system. This results in a thermocouple with high measuring accuracy and high reaction speed. However, the required casting process affects rational series production.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Thermoelement der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass es hinsichtlich Messgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit allen in der Praxis vorkommenden Anforderungen genügt, ohne dass es hierzu eines nennenswerten technischen Mehraufwandes bedarf. The invention is based on the object of developing a thermocouple of the type mentioned at the outset in such a way that it meets all practical requirements with regard to measurement accuracy and reaction speed, without requiring any significant additional technical effort.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. This object is achieved according to the invention by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Zur weiteren Steigerung der Messgenauigkeit können störende elektrische Potentiale von der Messstelle ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Wärmeleitung zwischen Objekt und Messstelle dadurch ferngehalten werden, dass zwischen der Stirnfläche der Wärmeleitscheibe und dem topfförmigen Wärmeleitgehäuse eine elektrisch isolierende Scheibe, vorzugsweise eine Glimmerscheibe hoher thermischer Durchlässigkeit einfügbar ist. Durch eine solche am Bedarf orientierte Wahlmöglichkeit können die Kosten der Serienfertigung gesenkt werden, indem die Glimmerscheibe nur bedarfsweise, also nur für Kunden eingefügt wird, bei welchen höchste Ansprüche an die Messgenauigkeit gefordert sind. To further increase the measuring accuracy, disruptive electrical potentials can be kept away from the measuring point without any appreciable impairment of the heat conduction between the object and the measuring point by inserting an electrically insulating disc, preferably a mica disc with high thermal permeability, between the end face of the heat conducting disc and the cup-shaped heat conducting housing. Such a choice, which is based on demand, can reduce the costs of series production by inserting the mica disc only as required, that is only for customers who demand the highest accuracy of measurement.

Ein sehr hoher Grad der Rationalisierung der Serienfertigung ergibt sich dadurch, dass die aus Wärmeleitscheibe mit Zentrierhals, dem Mischmetallkörper und den Drähten bestehende bauliche Einheit in das aus einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff im Spritzguss gebildete Formstück durch Einlegen der Einheit in die Spritzgiessform eingebettet ist. A very high degree of rationalization of series production results from the fact that the structural unit consisting of a heat-conducting disc with a centering neck, the mixed metal body and the wires is embedded in the molded part, which is made of a heat-resistant, high-polymer material in injection molding, by inserting the unit into the injection mold.

Dadurch liegt die Voraussetzung für ein einfaches Fertigungsverfahren vor, bei welchem die den Mischmetallkörper einschliessende Wärmeleitscheibe in die Hülse 16 durch Spritzguss eingebettet wird und letztere durch eine kalte Einbördelung des Wärmeleitgehäuses hintergriffen wird. This provides the prerequisite for a simple manufacturing process in which the heat-conducting disk enclosing the mixed metal body is embedded in the sleeve 16 by injection molding and the latter is engaged behind by a cold crimping of the heat-conducting housing.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert. The invention is explained below with the aid of exemplary embodiments.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 das in den Plastifizierzylinder einer Kunststoff-Spritz-giessmaschine eingefügte Thermoelement, teilweise aufgeschnitten, 1 shows the thermocouple inserted into the plasticizing cylinder of a plastic injection molding machine, partially cut away,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem längsgeschnittenen Thermoelement in vergrösserter Darstellung, 2 shows a detail of the longitudinally cut thermocouple in an enlarged view,

Fig. 3 die noch nicht verformte Schutzhülse des Thermoelementes, 3 the not yet deformed protective sleeve of the thermocouple,

Fig. 4; 5; 6 die die Hülse bildende Keramikhülse; die Wär5 Fig. 4; 5; 6 the ceramic sleeve forming the sleeve; the heat5

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meleitscheibe und die Glimmerscheibe des Thermoelementes sowie guide plate and the mica disk of the thermocouple and

Fig. 7 das noch nicht verformte Wärmeleitgehäuse des Thermoelementes. Fig. 7, the not yet deformed heat conducting housing of the thermocouple.

Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Thermopaar des Thermoelementes durch zwei in einer Schutzhülse 15 zugentlastend aufgenomene Drähte (13a', 13b' aus Eisen und Konstanten gebildet. Diese Drähte sind an einem Ende (Messstelle) miteinander verschmolzen und im Bereich der Messstelle von einer hitzebeständigen Hülse 16 umschlossen. Als Vergleichsstelle ist das Spanmmgsmess-Instrument am anderen Ende der Drähte 13a', 13b' angeschlossen. An der Messstelle ist ein durch Verschmelzen der Drähte 13a', 13b' unter Vermischung der Metalle gebildeter Mischmetallkörper 13m formschlüssig in einer metallenen Wärmeleitscheibe 17 eingebettet, die aus Aluminium oder aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung spanabhebend gefertigt ist. Das Verschmelzen der Drähte wird in einer Edelgasatmosphäre mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens, vorzugsweise jedoch mittels Laserstrahlen vollzogen. Dadurch wird zuverlässig jegliche Verzunderung vermieden. Es ergibt sich ein Mischmetallkörper hohen Mischungsgrades, der etwa die Getalt eines Ellipsoïdes aufweist, dies dank der Kohäsionskräfte, die vor Erstarrung im Mischmetallkörper wirksam sind. In the exemplary embodiment shown in the drawing, the thermocouple of the thermocouple is formed by two wires (13a ', 13b') made of iron and constants, which are relieved of strain in a protective sleeve 15. These wires are fused together at one end (measuring point) and in the area of the measuring point by a heat-resistant sleeve 16. As a comparison point, the span measuring instrument is connected to the other end of the wires 13a ', 13b'. At the measuring point, a mixed metal body 13m formed by fusing the wires 13a ', 13b' while mixing the metals is embedded in a metal heat-conducting disc 17 in a form-fitting manner which is made of aluminum or a beryllium-copper alloy. The wires are melted in an inert gas atmosphere with the help of an electric arc, but preferably with laser beams. This reliably prevents any scaling Degree of mixing, which has approximately the shape of an ellipsoid, thanks to the cohesive forces that are effective before solidification in the mixed metal body.

Die Wärmeleitscheibe 17 ist an der Hülse 16 axial abgestützt und überragt diese stirnseitig. Mit ihrer Stirnfläche kontaktiert die Wärmeleitscheibe 17 thermisch ein Wärmeleitgehäuse 18, durch welches die Wärmeleitscheibe 17 und die Keramikhülse 16 axial zusammengehalten sind. Die radialsymmetrische Wärmeleitscheibe 17 ist in einem Abschnitt grösserer lichter Weite a-a angeordnet und an einer inneren Ringschulter 16a der Keramikhülse zentriert. Die senkrecht zur Symmetrieachse des Thermoelementes stehende Ringschulter 16a schliesst einen Ringraum 22a rückseitig ab, der aussen von der inneren Mantelfläche der Keramikhülse 16 und innen vom Umfang der Wärmeleitscheibe 17 begrenzt ist. Der Mischmetallkörper 13m ist annäherungsweise als Ellipsoid gestaltet. Der Mischmetallkörper 13m ist in einer konzentrischen, kegelförmigen Ausnehmung der Wärmeleitscheibe 17 unter Bildung zweier ringförmigen Berührungsflächen y, z eingepresst. Er ist in der Ausnehmung 21 durch Einschnürung 17a' eines rückseitigen hohlen Zentrierhalses 17a der Wärmeleitscheibe 17 gefangen. Eine weitere Einschnürung 17a' ' des Zentrierhalses 17a fasst die ummantelten Drähte 13a, 13b zwecks Zugentlastung. Ausserdem ist der Schutzmantel 13 des Thermopaares von einer Einschnürung 15b' der Schutzhülse 15 zugentlastend umfasst. Alle Einschnürungen 17a', 17a' ' und 15b', sind durch Kaltverformung der Zentrierhülse 17a bzw. der Schutzhülse 15 herbeigeführt. Deshalb ist der rückwärtige Abschnitt 15b der Schutzhülse 15 verhältnismässig dünnwandig ausgeführt. The heat-conducting disk 17 is axially supported on the sleeve 16 and projects over the end face thereof. With its end face, the heat-conducting disc 17 makes thermal contact with a heat-conducting housing 18, through which the heat-conducting disc 17 and the ceramic sleeve 16 are held together axially. The radially symmetrical heat-conducting disc 17 is arranged in a section with a larger internal width a-a and centered on an inner annular shoulder 16a of the ceramic sleeve. The annular shoulder 16a, which is perpendicular to the axis of symmetry of the thermocouple, closes off an annular space 22a on the rear, which is delimited on the outside by the inner circumferential surface of the ceramic sleeve 16 and on the inside by the circumference of the heat-conducting disk 17. The mixed metal body 13m is designed approximately as an ellipsoid. The mixed metal body 13m is pressed into a concentric, conical recess in the heat-conducting disk 17 to form two annular contact surfaces y, z. It is caught in the recess 21 by constriction 17a 'of a hollow centering neck 17a on the rear of the heat-conducting disc 17. A further constriction 17a ″ of the centering neck 17a holds the covered wires 13a, 13b for the purpose of strain relief. In addition, the protective jacket 13 of the thermocouple is surrounded by a constriction 15b 'of the protective sleeve 15 to relieve strain. All constrictions 17a ', 17a' 'and 15b' are brought about by cold deformation of the centering sleeve 17a or the protective sleeve 15. Therefore, the rear portion 15b of the protective sleeve 15 is made relatively thin-walled.

Der Durchmesser der Wärmeleitscheibe 17 ist zweckmässigerweise mindestens dreimal so gross wie der maximale Durchmesser des Mischmetallkörpers 13m, jedoch kleiner als die maximale lichte Weite a-a der Keramikhülse 16. Dadurch ist eine The diameter of the heat-conducting disc 17 is expediently at least three times as large as the maximum diameter of the mixed metal body 13m, but smaller than the maximum clear width a-a of the ceramic sleeve 16. This makes one

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intensive Wärmeleitung zwischen dem zu messenden Objekt, also z.B. dem Plastifizierzylinder und der Messstelle sichergestellt. intensive heat conduction between the object to be measured, e.g. the plasticizing cylinder and the measuring point.

Zwischen der Stirnfläche der Wärmeleitscheibe 17 und dem topfförmigen Wärmeleitgehäuse 18 ist bedarfsweise eine elektrisch isolierende Scheibe 20, vorzugsweise eine Glimmerscheibe hoher thermischer Durchlässigkeit einfügbar, welche die plane Stirnfläche der Wärmeleitscheibe 17 allseitig radial überragt. Bei Einfügung der Glimmerscheibe können für höchste Ansprüche an Messgenauigkeit elektrische Störpotentiale aus dem zu messenden Objekt von der Messstelle abgeschirmt werden. If necessary, an electrically insulating disk 20, preferably a mica disk with high thermal permeability, can be inserted between the end face of the heat-conducting disk 17 and the cup-shaped heat-conducting housing 18, which radially projects beyond the flat end face of the heat-conducting disk 17. When inserting the mica disc, electrical interference potentials from the object to be measured can be shielded by the measuring point to meet the highest demands on measuring accuracy.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt die plane Stirnfläche S des topfförmigen Wärmeleitgehäuses 18 unter der Last einer das Thermopaar umschliessenden Spiralfeder 12 am Onjekt 10 berührend an, welche Spiralfeder 12 einenends an dem Innenbördel 18a des Wärmeleitgehäuses 18 und anderenends am Stecker 14 widergelagert ist. Die Vorspannung der Spiralfeder 12, durch welche der Anlagedruck der Stirnfläche S bestimmt wird, ist mit Hilfe eines hohlen Gewindestiftes 11 einstellbar, dessen Aussengewinde IIa mit dem Objekt 10 und dessen Innengewinde mit der Spiralfeder 12 im Gewindeeingriff steht. Das in die Aufnahmebohrung 19 des Objektes 10 mit Eingriffszapfen IIa eintauchende Gewindestück läuft rückseitig in einen Sechskant IIb aus. As can be seen from FIG. 1, the flat end face S of the cup-shaped heat-conducting housing 18 is in contact with the object 10 under the load of a spiral spring 12 enclosing the thermocouple, which spiral spring 12 is supported at one end on the inner flange 18a of the heat-conducting housing 18 and at the other end on the plug 14. The pretension of the spiral spring 12, by means of which the contact pressure of the end face S is determined, can be adjusted with the aid of a hollow threaded pin 11, the external thread IIa of which is in threaded engagement with the object 10 and the internal thread with the spiral spring 12. The threaded piece dipping into the receiving bore 19 of the object 10 with the engagement pin 11a runs out into a hexagon IIb on the back.

Eine zeichnerisch nicht dargestellte Variante im Aufbau des Thermoelementes unterscheidet sich wie folgt von dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel: A variant in the construction of the thermocouple, not shown in the drawing, differs from the exemplary embodiment shown in the drawing as follows:

Anstelle einer z.B. aus keramischem Werkstoff bestehenden Hülse 16 und einer Schutzhülse 15 tritt ein im Spritzguss aus einem hitzenbeständigen, hochpolymeren Werkstoff gefertigtes Formstück, das im Abschnitt der Messstelle den gleichen Aus-sendurchmesser aufweist wie die Hülse 16 und im übrigen der Gestalt der Schutzhülse 15 entspricht. Instead of e.g. A sleeve 16 made of ceramic material and a protective sleeve 15 are injected into a molded part made of a heat-resistant, high-polymer material, which has the same outside diameter in the section of the measuring point as the sleeve 16 and otherwise corresponds to the shape of the protective sleeve 15.

In diesem Formstück ist die aus der Wärmeleitscheibe 17 mit Zentrierhals 17a, aus dem Mischmetallkörper 13m und den Drähten 13a', 13b' gebildete Einheit eingebettet. Die Einbettung erfolgt im Formhohlraum einer Spritzgiessform beim Spritzgiessverfahren. Das radialsymmetrische Formstück weist am rückwärtigen Ende der Messstelle eine äussere Ringschulter auf, welche dem Aussenflansch 15a der Schutzhülse 15 im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Diese Ringschulter ist vom Innenbördel 18a des kalt verformten Wärmeleitgehäuses 18 hintergriffen. Der Endabschnitt des Schutzmantels 13 des Thermopaares ist in einem rückwärtigen, aus dem Wärmeleitgehäuse 18 herausragenden Abschnitt des Formstückes eingebettet. Bei dieser soeben beschriebenen Variante erübrigt sich demzufolge eine gesonderte Montage einer Schutzhülse 15 und einer Hülse 16. The unit formed from the heat-conducting disc 17 with centering neck 17a, from the mixed metal body 13m and the wires 13a ', 13b' is embedded in this shaped piece. The embedding takes place in the mold cavity of an injection mold during the injection molding process. The radially symmetrical shaped piece has an outer annular shoulder at the rear end of the measuring point, which corresponds to the outer flange 15a of the protective sleeve 15 in the exemplary embodiment shown in the drawing. This annular shoulder is engaged behind by the inner flange 18a of the cold-shaped heat-conducting housing 18. The end section of the protective jacket 13 of the thermocouple is embedded in a rear section of the shaped piece which protrudes from the heat-conducting housing 18. In this variant just described, a separate installation of a protective sleeve 15 and a sleeve 16 is therefore unnecessary.

Das ebenfalls mögliche alternative Einfügen der Glimmerscheibe und die Anbringung des Wärmeleitgehäuses 18 entsprechen dem Fertigungsverfahren beim zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel; denn die in das Formstück eingebettete Wärmeleitscheibe 17 überragt mit ihrer Stirnfläche das Formstück in gleicher Weise wie beim zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel. The also possible alternative insertion of the mica disk and the attachment of the heat-conducting housing 18 correspond to the manufacturing process in the embodiment shown in the drawing; because the embedded in the molded heat-conducting disc 17 projects with its end face over the molded part in the same way as in the embodiment shown in the drawing.

3 3rd

5 5

10 10th

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25 25th

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2 Blätter Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

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1.Thermocouple with two wires of different materials, which are strain-relieved in a protective sheath, which are conductively connected to each other as a thermocouple at one end (measuring point) and are enclosed at least in the area of the measuring point by a sleeve made of heat-resistant material, with a voltage measuring instrument that other end

(Reference junction) of the wires is connected and with a metallic heat-conducting washer axially supported on the sleeve, in which the ends of the wires are embedded and which protrude from the face of the sleeve (16) and with its end face a sleeve (16) and the heat-conducting washer ( 17) axially holding together metallic heat conducting housing (18) thermally contacted, characterized in that at the measuring point a mixed metal body (13m) formed by fusing the wires (13a ', 13b') has a positive fit in a concentric recess (21) of the heat conducting disk (17) axially is pressed.

2. Thermocouple according to claim 1, characterized in that the approximately the shape of an ellipsoidal mixed metal body (13m) in a conical recess (21) of the on an inner annular shoulder (16a) of the sleeve (16) centered thermal disc (17) to form two annular contact surfaces (y, z) is pressed.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Thermocouple according to one of claims 1 or 2, characterized in that the mixed metal body (13m) in the recess (21) by a constriction (17a ') of a rear, hollow centering neck (17a) of the heat-conducting disc (17) is caught, wherein a further constriction (17a ″) encompasses the sheathed wires (13a, 13b) to relieve strain.

4. Thermocouple according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the heat-conducting disc (17) is at least three times as large as the maximum diameter of the mixed metal body (13m), but smaller than the inside width (a-a) of the shaped piece (16).

5. Thermocouple according to one of the preceding claims, characterized in that between the end face of the heat-conducting disk (17) and the cup-shaped heat-conducting housing (18), if necessary, an electrically insulating disk (20), preferably a mica disk with high thermal permeability, can be inserted, which is the flat end face the heat-conducting disc (17) projects radially on all sides.

6. Thermocouple according to one of the preceding claims, characterized in that the flat end face (S) of the heat-conducting housing (18) under the load of a spiral spring enclosing the thermocouple (12) is in contact with the object (10) to be measured, which spiral spring (12) is supported at one end on an inner flange (18a) of the heat-conducting housing (18) and at the other end on the plug (14) and that the axial preload of the coil spring (12) can be adjusted with the aid of a hollow threaded piece (11), the external thread (IIa ') of which is in threaded engagement with the object (10) and its internal thread with the spiral spring (12).

7. Thermocouple according to one of the preceding claims, characterized in that the sleeve (16) is a ceramic sleeve, on the back of which a coaxial protective sleeve (15) is supported, which is engaged by an inner flange (18a) of the heat-conducting housing (18) and the Protective jacket (13) of the thermocouple in the region of a constriction (15b ') comprises strain relief.

8. Thermocouple according to one of the preceding claims 1-6, characterized in that the thermal unit (17) with centering neck (17a), the mixed metal body (13m) and the wires (13a ', 13b') existing in the structural unit from one heat-resistant, high-polymer material is formed in the injection molding by inserting the unit into the injection mold.

9. Thermocouple according to claim 8, characterized in that the sleeve (16) at the rear end of the measuring point has an annular shoulder which is engaged behind by the inner flange (18a) of the heat-conducting housing (18) and in that the end section of the protective jacket (13) of the covered wires (13a, 13b) is embedded in the sleeve.