DE2847296B2 - Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen, bei denen aus einem metallischen Werkstoff gefertigte Thermoschenkel unter Zwischenschaltung eines Isolators in einem äußeren Metallmantel eingebettet sind, wobei mittels am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel herausragender Endabschnitte der Thermoschenkel eine Thermoperle elektrisch oder autogen hergestellt wird.
Es sind. Mantelthermoelemente mit offenem und geschlossenem Meßkopf bekannt. Bei ersteren wird der Metallmantel nur bis kurz vor die Meßstelle geführt, die Thermoperle aber frei auf der Unterlege durch Schweißen, Löten, Zementieren oder Kleben befestigt. Die Abdichtung des hygroskopischen Isolators erfolgt durch Klebestoffe auf Epoxid-Poliamid- oder Silikonharzbasis. Nach Überschreiten der dafür zulässigen Grenztemperaturen (meist zwischen 300 und 350° C) fällt dieser Schutz aus. Meßfehler bis hin zum vollständigen Ausfall der Geber sind die Folge. Ein Schutz vor aggressiven Medien ist nicht oder nur stark eingeschränkt gegeben. Diesen vermitteln Mantelthermoelemente, bei denen die Spitze verschweißt und die Thermoperle integraler BestandtciS des Meßkopfes ist. Sie besiizen aber, auch in der Ausführung mit ovalem Querschnitt, nur eine linienförmige Kontaktzone zum Untergrund. Die Meßperle liegt zudem um den halben Rohrdurchmesser bzw. die kleinere Halbachse der Ellipse von der eigentlichen Meßstelle entfernt. Bei Messungen mit großem Temperaturgradienten in der wandnahen Grenzschicht oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Mantelthermoelement selbst treten Verfälschungen der Ausgangssignale auf. Zudem können diese marktüblichen Mantelthermoelemente nur mit größeren Schwierigkeiten und unter erheblicher Gefährdung des Meßelementes direkt mit der Unterlage durch Punktschweißen verbunden werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu schaffen, mit dem Meßköpfe von Mantelthermoelementen speziell für Oberflächen- und Wandtemperaturmessungen einfacher und billiger, zugleich aber mit verbesserten Eigenschaften bezüglich Befestigung, Wärmeübergang und Ansprechzeit erstellt werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hauptsächlieh durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale.
Die Erfindung schafft durch Vergrößerung der Kontaktfläche und gegebenenfalls Anpassung an die
Form des Untergrundes ein günstiges Verhältnis von meßstellenabgewandter Fläche zu meßstellenaufliegender Fläche. Es sind Werte bis fast herunter auf den theoretischen Wert von 1.0 möglich- Die dabei entstehenden guten Wärmeübergangsbedingungen haben, zumal auch die Thermoperle selbst aus der Symmetrielinie und damit näher an die Auflagefläche gerückt ist, neben einer erhöhten Meßgenauigkeit eine deutliche Verkürzung der Ansprechzeit zur Folge. Die Meßköpfe können zudem ohne Gefährdung der m Thermopcde direkt mit der Unterlage, bevorzugt durch Mikropunktschweißen, verbunden werden. Ihre Herstellung in beliebigen Größen aus laufender Meterware ist in jedem halbwegs dazu eingerichteten Labor, bei Inkaufnahme gewisser Einschränkungen sogar unter ι < Freifeldbedingungen möglich.
Bezüglich vorteilhafter Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes wird auf die Patentansprüche 2 bis 9 verwiesen.
Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispiels- μ weise weiter erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein in Längsrichtung teilweise aufgeschnittenes Mantelthermodrahtende mit ungekapselter Thermoperle,
F i g. 2 das Mantelthermodrahtende nach F i g. 1 unter .·> Zuordnung einer auf das Mantelende und auf die Thermoperle aufgepreßten und hierbei teilweise verformten Hülse,
F i g. 3 das Mantelthermodrahtende nach F i g. 1 und 2 unter Zuordnung der gegenüber F i g. 2 gänzlich to verformten Hülse unter Berücksichtigung von Schweißverbindungen zwischen der Thermoperle und der Hülse sowie am plattgedrückten Hülsenende,
F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 3,
F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der F i g. 3, j-> F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der F i g. 3,
F i g. 7 das in Längsrichtung teilweise aufgeschnittene und gekapselte Mantelthermoelement nach F i g. 3 als Draufsicht, worin im Rahmen des Herstellungsprozesses die Lötverbindung zwischen Hülse und Metallman- tu tel verdeutlicht ist und
Fig.8 eine Variante eines in Längsrichtung teilweise aufgeschnitten dargestellten, gekapselten Mar.telthermoelements, bei dem die Thermoperle gegenüber dem Metallmantel und der Hülse bzw. der Unterlage isoliert ι·> ist.
Das verfahrensgemäß zu erstellende meßkopfseitige Ende des Mantelthermoelements besteht gemäß Fi g. 1 bis 8 aus folgenden Grundelementen, nämlich einer Thermoperle 1, den Thermoschenkel.i 2, 3, einem '·» Metallmantel 4, einem Isolator 5 sowie einer verhältnismäßig dünnwandigen hülse 6, die vorzugsweise aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie der Metallmantel 4 gefertigt sein soll.
Für die Herstellung der Konfiguration nach Fig. 1 >"> wird also zunächst von einem Mantelthermodraht beliebigen Werkstoffs und Durchmessers die benötigte Länge abgeschnitten. Hierauf wird am meßkopfseitigen Ende der gestrichelt wiedergegebene Abschnitt des Metallmantels 4 nebst der zu diesem Abschnitt i>o gehörigen Bestandteile des Isolators 5, z. B. einer MgO-Füllung, entfernt, und zwar so, daß nur zwei Endabschnitte der beiden Thermoschenkel 2, 3 am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel 4 herausragen, f'i
Aus den beiden axial aus dem Metallmantel 4 herausragenden Endabschnitten der beiden Thermoschenkel 2. 3 wird nach Herkömmlichen Methoden elektrisch oder autogen die Thermoperle 1 in der gewünschten Größe hergestellt
Die Thermoperle 1 kann z. B. durch autogenes Verschweißen der beiden Thermoschenkelenden unter Zusatz VGn borexhaltigem Flußmittel und Glasstaub hergestellt werden. Innerhalb der geschmolzenen Glasschicht ist nämlich das Schweißgut vor Oxidationsund Reduktionsvorgängen weitgehend geschützt. Die Oberflächenspannung der Glashaut trägt zudem wesentlich dazu bei, daß sich die Thermoperle 1 gleichmäßig und kugelförmig ausbildet Nach dem Abschrecken werden die verbliebenen Glasreste mechanisch entfernt
Beim Verfahren zur Herstellung des Meßkopfes wird zunächst die dünnwandige, aus gleichem oder ähnlichem Material wie der Metallmantel 4 gefertigte Hülse 6 etwa zur Hälfte über die Thermoperle 1 und den Metallmantel 4 geschoben; hierauf wird die Hülse 6 (F i g. 2) mittels eines Preßwerkzeuges so auf die Thermoperle 1 und den Metallmantel 4 aufgepreßt daß die Hülse 6 einen omegaförmigen Querschnitt (Fig.4 und 5) erhält und die Perlenkontur zumindert andeutungsweise an der Hülsenaußenkontur sichtbar bleibt; bei einem sich daran anschließenden weiteren Preßvorgang wird das dem Metallmantel 4 «.'bgewandte, über die Thermoperle 1 hinausragende Hülsenende, der Perlenkontur folgend, entenflußariig zusammengedrückt (Fig.3 und 6); danach wird der verbliebene stirnseitige Spalt 7 am zusammengedrückten Hülsenende dicht verschweißt (Schweißnaht 8 — Fig. 3). Hierauf wird die Hülse 6 an deren Stirnseite, die dem Metallmantel 4 unmittelbar benachbart ist, mit eiern letzteren dicht verlötet oder dicht verschweißt (Lot- bzw. Schweißstelle 11 — Fig.8). Je nach auftretender Betriebstemperatur kann für diese Verlötung z. B. ein Silber- oder ein Hochtemperatur-Nickel-Lot verwendet werden. Bei verhältnismäßig hohen Temperaturanforderungen wäre anstelle des Lötens dem Schweißen der Vorzug zu geben.
Der geschilderte Verformungsvorgang bzw. Pre3- und Drückvorgang für die Kaltverformung der Hülse 6 kann mittels einer Krimpzange durchgeführt werden, deren beide Zangenbacken entsprechend der gewünschten Hülsenverformung ausgeformt sind.
Gemäß F i g. 3 kann die Thermoperle I mit der Hülse 6 z. B. durch Mikropunktschweißung (Schweißstellen 9) endgültig und unverrückbar verbunden werden; zweckmäßig wäre erst hiernach das vorstehende Hülsenende entenfußartig zusammenzudrücken, um die eindeutig definierte Lage der Thermoperle nicht zu gefährden. Es wäre nämlich sonst nicht auszuschließen, daß ein Verrücken der Thermoperle ihren rückwärtigen Rand in Kontakt mit dem Metallmantel bringt oder möglicherweise zum AusknicKen bzw. Überkreuzen der beiden Thermoschenkel führen kann.
Der anhand der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte herstellbare Meßkopf ermöglicht einen direkten Massekontakt zwischen der The.moperle 1 und dem Metallmantel 4 bzw. dem Meßuntergrund.
Für den Fall, daß für einen elektrisch ungestörten Meßverlauf vorgesehene massefreie Thermoelemente mit wegen einer notwendigen elektrischen Isolierung zwischen der Thermoperle und der Hülse bzw. dem MePuntergrund bedingtei zwangsweise etwas vergrößerter Ansprechzeit erwünscht sind, kann die Thermoperle 1 in eine Zwischenisoliermasse 10 (Fig. 8), z.B. Hochtemperatur- Dehnmeßstreifen/ement, getaucht werden, wobei erst nach Aushärtung der- bzw.
desselben der gleichzeitige Preß- und Drückvorgang an der Hülse 6 zwecks Erzielung der in F i g. 8 wiedergegebenen Form durchgeführt wird.
Bei einer Verfahrensalternative zur Herstellung eines massefreien Theniiuclementes .>oll die Hülse 6 zunächst um den Metallmantel 4 gepreßt, hierauf die im Bereich der Thermoperle 1 liegende Zone der Hülse 6 mit einer pulverförmigen Zwischenisoliermasse 10, z. B. aus MgO oder AI2OJ gefüllt, dann die Pulvermasse durch Rütteln, Schleudern oder dergleichen verdichtet und erst hierauf der im wesentlichen über der Thermoperle 1 liegende Hülsenabschnitt in die gewünschte Form gepreßt werden. Mit der Pressung dieses Hülsenabschnitts könnte gleichzeitig die entenfußartige Zusammendrükkung des ursprünglich von der Thermoperle 1 axial vorstehenden Hülsenendes erfolgen. Letzteres ist jedoch nicht Bedingung, vielmehr kann zunächst der im Bereich der Thermoperle 1 liegende Hülsenabschnitt der Perlenkontur gemäß verformt und erst hiernach die entenfußartige Zusammendrückung durchgeführt werden.
Im Rahmen des Verfahrens kann die Hülse 6 ferner vor dem Aufschieben auf den Metallmantel 4 mit einem ovalen Querschnitt versehen werden. Einer gegebenenfalls stufenweisen Aufpressung der Hülse auf den Metallmantel wäre dann der Vorzug zu geben, wenn möglichst gleichförmige Anschweißfahnen rechts und links der Hülse erzielt werden sollen.
Variationen hinsichtlich der Größe der seitlichen Anschweißfahnen können verfahrensgemäß weiter dadurch erzielt werden, daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den Metallmantel mit unterschiedlichen Außen ünd/oder Innendurchmessern ausgestattet wird. Um den Herstellungsprozeß weiter zu rationalisieren, kann gemäß dem Verfahren eine Lötung, Hartlötung oder Schweißung (Stelle 11, Fig. 7 und 8) gleichzeitig während des Verschweißens des stirnseitigen Spaltes 7 am zusammengedrückten Hülsenende durchgeführt werden.
Im Interesse einer wirtschaftlichen Herstellungsweise kann der den stirnseitigen Spalt 7 des zusammengedrückten Hülsenendes betreffende Schweißvorgang > (Schweißnaht 8, Fig. 3) sowie der Lot- oder Schweißvorgang (Stelle 11, Fig. 7 und 8) zur Herstellung der übrigen Mantel-Hülsen-Verbindung unmittelbar beim Verformungsprozeß der Hülse eingeleitet werden oder einsetzen.
in Der Nachweis für die Durchführbarkeit des Verfahrens kann z. B. bei einem Mantelthermoelement aus Nickel bzw. Chrom-Nickel mit austenitischem Stahlmantel erbracht werden, dessen Durchmesser 1 mm beträgt. Für das auf den Stahlmantel aufzupressende
.>, Nickelröhrchen kann hierbei eine Wandstärke von 0,1 mm sowie ein Innendurchmesser von 1,2 bis 1,3 mm zugrunde gelegt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Meßkopfes an Mantelthermoelementen, bei denen ί aus einem metallischen Werkstoff gefertigte Thermoschenkel unter Zwischenschaltung eines Isolators in einem äußeren Metallmantel eingebettet sind, wobei, mittels am meßkopfseitigen Ende aus dem Metallmantel herausragender Endabschnitte der Thermoschenkel eine Thermoperle elektrisch oder autogen hergestellt wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) eine dünnwandige Hülse (6) gleichen oder ähnlichen Materials wie der Metallmantel (4) ;=· wird etwa zur Hälfte über die Thermoperle (1) und den Metallmantel geschoben;
b) hierauf wird die Hülse (6) mittels eines Preß werkzeuges so auf die Thermoperle (1) und den Metallmantel. (4) aufgepreßt, daß ein omegaförmiger Hülsenquerschnitt entsteht und die Perlenkontur zumindest andeutungsweise an der Hülsenaußenkontur sichtbar bleibt;
c) bei einem sich daran anschließenden weiteren Preßvorgang wird das dem Metallmantel (4) abgewandte, über die Thermoperle (1) hinausragende Hülsenende, der Perlenkontur folgend, entenfußartig zusammengedrückt;
d) danach wird der verbliebene stirnseitige Spalt (7) am zusammengedrückten Hülsenende dicht verschweißt; woraufhin
e) die Hülse (6) an deren Stirnseite, die dem Metallmantel (4) unmittelbar benachbart ist, mit dem letzteren dicht verlötet oder dicht verschweißt wird (Löt- bzw. Schweißstelle 11). i>
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse in einem Arbeitsgang gänzlich verformt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoperle (1) zunächst mit der to Hülse (6) verschweißt und erst hiernach das vorstehende Hülsenende entenfußartig zusammengedrückt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoperle (1) in eine f> Zwischenisoliermasse (10), z. B. Hochtemperatur-Dehnmeßstreifenzement, getaucht und erst nach Aushärtung der- bzw. desselben der gleichzeitige Preß- und Drückvorgang an der Hülse (6) durchgeführt wird. w
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) zunächst um den Metallmantel (4) gepreßt, hierauf die im Bereich der Thermoperle (1) liegende Zone der Hülse (6) mit einer pulverförmigen Zwischenisoliermasse (10), r>r> z. B. aus MgO oder AI2O3 gefüllt, dann die Pulvermasse durch Rütteln, Schleudern oder dergleichen verdichtet und erst hierauf der im wesentlichen über der Perle liegende Hülsenabschnitt in die gewünschte Form gepreßt wird. «>
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den Metallmantel mit einem ovalen Querschnitt versehen wird. *>ί
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse vor dem Aufschieben auf den Metallmantel mit unterschiedlichen Außen- und/oder Innendurchmessern ausgestattet wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötung, Hartiötung oder Schweißung (Stelle 11) gleichzeitig während des Verschweißen des stirnseitigen Spaltes (7) am zusammengedrückten Hülsenende durchgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zur Kaltverformung der Hülse vorgesehene Krimpzange, deren beide Zangenbacken entsprechend der gewünschten Hülsenverformung ausgeformt sind.
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