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EINRICHTUNG ZUR GRADIENTERWÄRMUNG VON DRAHT
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Die Erfindung bezieht sich auf die Rerstellung von Drahtwiderstände
und insbesondere auf Einrichtung zur Gradienterwärmung von Draht.
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Die Erfindung kann zum operativen Festlegen der genauen Parameter
einer Wärmebehandlung verschiedener Drähte zwecks Herstellung von Draht mit im voraus
bestimmten Eigenschaften verwendet werden.
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Am vorteilhaftesten kann die Erfindung zum operativen Festlegen der
genauen Parameter einer Wärmebehandlung von Widerstandsdraht mit dem Zweck verwendet
werden, im voraus bestimmte Daten dessen thermischen Widerstandskoeffizienten zu
erzielen.
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Wie bekannt, stellt der thermische Widerstandskoeffi -zient eines
Widerstandsdrahts die Abhängigkeit einer ÄnderunJ dessen Widerstandes von einer
Temperaturänderung dar,
d. h. er gibt die Stabilität des Widerstandswertes
eines Widerstandsdrahts in der Zeit wieder. Die stabilität des Widerstandswertes
eines Widerstandsdrahts wird durch die physikalisch-chemischen Vorgänge bestimmt,
die in dessen Material stattfinden, Einer der wichtigsten Faktoren, von denen diese
Vorgänge beeinflußt werden, ist die Wärmebehandlung des Widerstandsdrahts. Eine
zweckmäßige Wahl der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung eines Drahts stabilisieht
die darin verlaufenden physikalisch-chemischen Vorgänge. Dadurch wird die Herstellung
eines Widerstandsdrahts mit einem kleinen Wert des thermischen Widerstandskoeffizien
ten gesicherte Die optimale Temperaturführung bei der Wärmebehandlung findet man,
ndem man Kennwerte der Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten von
Änderungen der thermischen Daten feststellt. Praktisch erhält man diese Kennwerte,
indem man eine Wärmebehandlung der s-3ider6tandsdrahtproben aus ein und derselben
Schmelze einer Legierung bei verschiedenen thermischen Daten durchführt Die Genauigkeit
der erhaltenen Kennwerte hangt von der Anzahl der durchgeführten Versuche sowie
von der Genauigkeit ab, mit der die Temperatur der Wärmebehandlung festgestellt
wird. Wie die Erfahrung zeigt, weist ein Widerstandsdraht, der aus ein und derselben
Legierung, aber in einer andere Schmelze hergestellt worden ist, andere Kennwerte
der Beziehung zwischen dem thermischen Widerstandskoeffizienten und Änderungen der
thermischen
Daten bei der Wärmebehandlung auf, d.h. bei der Produktion dieses Drahts müssen
die angegebenen Versuche wiederholt werden0 Zur Zeit bedient man sich zwecks gewinnung
der Kennwerte der Abhängigkeit der thermischen 'iiderstandsLoeffizienten eines \;\t'iderstaiidsdrahts
von den Änderungen der thermischen Daten bei dessen Wärmebehandlung der bekannten
Laborvakuumöfen, deren Konstruktion den Produktionsöfen zur Wärmebehandlung von
Metallen ähnlich iste In diesen Öfen führt man eine Wärmebehandlung der Widerstandsdrahtproben
bei verschiedenen thermischen Daten in einem Temperaturbereich durch, in dem man
die optimale Temperaturführung zu finden hofft.
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Anhand der Versuchsdaten erhält man die Abhängigkeit der thermischen
Widerstandskoeffizienten von den Änderungen der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung;
anhand dieser Ab hängigkeit findet man die optimalen thermischen Daten.
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Die Konstruktion der Vakuumöfen zur Wärmebehandlung von Metallen
ermöglicht keine gleichzeitige Wärmebehandlung mehrerer Widerstand sdrahtproben
bei verschiedenen thermischen Daten. Aus dem Gesamten ist es ersichtlich, daß das
Festlegen der optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung mit Hilfe der angegebenen
Öfen sehr arbeitsaufwendig ist. AuBerdem sind die gewonnenen Daten unglaubwürdig,
weil die Ofenkonstruktion keine ausreichend genaue Bestimmung der erforderlichen
thermischen Daten zuläßt.
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Die genannt-en wesentlichen Nachteile der Vakuumöfen zur Wärmebehandlung
von Metallen werden mit Hilfe eines Gradientsublimators für Kristallisation teilweise
beseitigt (s. die USA-Zeitschrift "Jorunal of Crystal rowth", 22, 1974, S. 295-297)0Diesen
Sublimator kann zur Festlegung der thermischen Daten bei der Wärmebehandlung des
Widerstandsdrahts verwendet werden, daher ist er als ein Prototyp der vorliegenden
Erfindung gewählt. Diese Einrichtung enthält ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles
im untersuchten Kristall, das als ein hohler Metallzylinder ausgebildet ist, an
dessen einem Ende ein elektrischer Heizkörper und am anderen Ende ein Kühler angebracht
sind. Im Zylinderinneren ist eine gläserne Vakuumkammer angeordnet, deren Grundplatte
an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. In dieser Vakuumkammer wird der zu untersuchende
Kristall untergebracht.
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Sobald der Heizkörper und der Kühler eingeschaltet sind entsteht
im untersuchten Kristall ein Temperaturgefälle.
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Dieses Temperaturgefälle im untersuchten Kristall entsteht unter der
Wirkung der Strahlungswärmeenergie, die von der Innenfläche des hohlen Zylinders
ausgestrahlt wird. Anstelle des zu untersuchenden Kristalls kann in der Vakuumkammer
eine Widerstandsdrahtprobe untergebracht werden, worin auch ein Temperaturgefälle
entstehen wird.
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Obwohl man mit dieser EinrichtunX eine gleichzeitige £rwärmung
einer
Widerstandsdrahtprobe mit verschliedenen Temperaturen über deren Länge erzielen
kann, liegt dabei keine lineare Verteilung des Temperaturgefälles über die Länge
zur Dies ist dadurch zu erklären, daß weder Abschnitt über die Länge einer Widerstandsdrahtprobe
durch die Strahlungswärmeenergie erwärmt wird, die von verschiedenen Abschnitten
der Innenfläche des hohlen Zylinders ausgestrahlt wird Außerdem werden die Temperaturen
der Längenabschnitte der Probe keine zeitliche Stabilität aufweisen, was auf Umgebungseinflüsse
auf das Mittel zur Bildung eines Temperaturgefälles zurückzuführen ist.
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Aufgrund des Dargelegten ist es ganz offensichtlich, daß man mit
Hilfe dieser Einrichtung keine glaubwürdige Abhängigkeit des thermischen Widerstandskoeffizienten
von den Temperaturänderungen bei der Wärmebehandlung finden kann, Folglich ist es
unmöglich9 anhand dieser Abhängigkeit die optimalen thermischen Daten bei der Warmebehandlung
von Widerstandsdraht festzulegen.
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Aus den betrachteten Beispielen ist es ersichtlich, daß zur Zeit
keine Spezialeinrichtungen vorhanden sind, mit deren Hilfe man die optimalen thermischen
Daten zur Wärmebehandlung von Widerstandsdraht operativ und glaubwürdig festlegen
kann.
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Die Erfindung bezweckt, die genannten Nachteile zu bemeitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Einrichtung
zur Gradienterwärmung von Draht zu schaffen,in t:2lctlerdasMittel zur Bildung eines
Temperaturge fälles derart ausgeführt uiid angeordnet ist, daß eine hohe Genaugkeit
bei der Festlegung der thermischen Daten der Wärmebehandlung erzielt wird.
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Die gestellte Aufhabe wird dadurch gelost, daß in der Einrichtung
zur Gradienterwärmung von Draht, mit einer Vakuumkammer mit Grundplatte und einem
Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles, das in Form eines Metallzylinders,
eines Heizkörpers zur Erwärmung des einen Endes dieses Zylinders und eins Kühlers
zur kühlung dessen anderen Endes ausgeführt ist, erfindungsgemäß das Mittel zur
Erzeugung eines Temperaturgefälles im Innern der Vakuumkammer untergebracht ist
und auf der Oberfläche des Metallzylinders quernuten zur Unterbringung des zu erwärmenden
Drahts ausgeführt sind, die miteinander durch eine Längsnut zum Uebergang des Drahtes
aus der einen Quernut in eine andere verbunden sind, wobei die Grundplatte der Vakuumkammer
einen Kühler darstellt und in einem Thermostaten angeordnet ist.
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Durch diese Lösung wird ein linearer Charakter der Temperaturänderungen
des Metallzylinders über dessen Län, e erzielt. Infolgedessen weist aede Widerstandsdrahtwicklung
über deren gesamte Länge eine genau bestimmte Erwärmungstemperatur auf. Indem man
die genaue Erwärmungstemperatur jeder Widerstandsdrahtwicklung kennt und deren thermischen
Widerstandskoeffizienten
mißt, erhält man eine glaubwürdige Abhängigkeit
des thermischen Widerstandskoeffizientes von den Temperaturänderungen bei der Wärmbehandlung.
anhand dieser glaubwürdigen Abhängigkeit legt man die optimalen thermischen Daten
der Wärmebehandlung fest, Es ist zweckmäßig, die Quernuten zur Unterbringung des
zu erwärmenden Drahts über die DIrektrix des Metallzylinders anzuordnen.
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Diese Lösung ermöglicht es, jede Widerstandsdrahtwindung über deren
gesamte Länge genau in einer isothermischen Zone anzubringen.
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Es ist auch zweckmäßig, die quernuten keilförmig auszuführen.
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Diese Keilform der Nuten sichert ein genaues Fixieren der Widerstandsdrähte
mit verschiedenen Abmessungen.
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Es ist weiter zweckmäßig, daß die Längsnut eine im Vergleich mit
den quernuten größere Tiefe hat.
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Dadurch wird der vorgang der Trennung einer Widerstandsdrahtprobe
in Abschnitte nach der Beendigung deren Erwärmung erleichtert und beschleunigt.
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In folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer ausführlichen
Beschreibung der angeführten Beispiele deren Verwirklichung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen näher erläutert, Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung
zur Gredienterwärmung
von Draht mit einem Schnitt durch die Grundplatte
der Vakuumkammer in Seitenansicht; Fig. 2 eine Ansicht nach Pfeil a in Fig. 1 in
einem vergrößertem Maßstab; Fig. 3 einen Schnitt entlang III-III in Fig. 2; Fig.
4 eine andere Zylinderausfübrung des Mittels zur -zeugung eines Temperaturgefälles,
Die Einrichtung zur Gradienterwärmung von Draht enthält eine Vakuumkammer 1 (Fig.
1), bestehend aus einer Haube 2 und einer massiven Metallgrundplatte 3, die in einem
Thermostaten 4 angeordnet ist. Im Inneren der Vakuumkammer 1 befindet sich ein Metallzylinder
5, der auf der Grundplatte 3 mit seinem Ende 6 befestigt ist. Am anderen Ende 7
des Metallzylinders 5 ist ein elektrischer Heizkörper 8 angebracht Die Grundplatte
3 stellt einen Kühler dar. Der Metallzylinder 5, der Heizkörper 8 und die Grundplatte
3 bilden ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles. Auf der Oberfläche des
Metallzylinders 5 sind quernuten 9 (Fig. 2) ausgeführt, die diesen über die Direktrix
umfassen. Die IYU-ten 9 sind zur Unterbringung des zu erwärmenden Widerstandsdrahts
10 bestimmt und weisen eine Keilform auf. Die Keilform einer Nut 9 ermöglicht es,
darin-den Widerstandsdraht 10 mit verschiedenem Durchmesser unterzubringen und dessen
mögliche seitliche Verschiebungen zuverlässig zu verhindern, Zwecks Übergangs des
Widerstandsdrahtes aus der einen Nut 9
in eine andere dient eine
Längsnut 11, die alle Nuten 9 miteinander verbindet. Die Längsnut 11 (Fig. 3) hat
eine im Vergleich mit den Nuten 9 größere Tiefe0Dadurch ist ein Trennen des Widerstandsdraht
nach dessen Wärmebehandlung in einzelne Abschnitte erleichtert, worüber noch ausführlich
gesprochen wird.
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Neben den Raadnuten 9 (Fi. 1) sind am Metallzylinder 5 die Thermoelemente
12 befestigt, mit deren Hilfe man das Temperaturgefälle an jenem Abschnitt des Metalllzylinders
5, an dem die Nuten 9 angebracht sind, mit einer hohen Genauigkeit messen kann.
Die Vakuumkammer 1 ist über eine Rohrleitung 13 an eine Vakuumpumpe 14 angeschlossen.
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Es ist zu beachten, daß die Quernuten 9 (Fig. 4) auf der Oberfläche
des Metallzylinders 5 auch anders, zum Beispiel nach einer Spirallinie mit einer
kleinen Steigung (Fig. 4) angeordnet werden können- Der Widerstandsdraht 10 wird
in diesen Nuten 9 auch nach einer Spirallinie angebracht.
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Zum Übergang des Widerstandsdrahts 10 aus der einen Nut 9 in eine
andere dient auch eine Längsnut 11, die alle Quernuten 9 miteinander verbindet.
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Die Einrichtung zur Gradient erwärmung son Draht wirkt wie folgt.
Eine Widerstandsdrahtprobe 10 (Fig. 1> wickelt man in die Nuten 9 auf, indem
man sie aus der einen Nut 9 in eine andere über die Längsnut 11 führt, wie es Fig.
, 2 zeigt. Die Enden der auf diese Weise aufgewickelten Widerstandsdrahtprobe
10
befestigt man mit bekannten Mitteln.
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Den Zylinder 5 (Fi. 1) mit der darauf aufgewickelten Widerstandsdrahtprobe
10 bringt man in die Vakuumkammer 1 und mit Hilfe der Vakuumpumpe 14 erzeugt man
in der Vakuumkammer einen Unterdruck, der einen thermischen Einfluß der Umgebung
auf den Metallzylinder 5 ausschließt. Der elektrische Heizt körper 8 und die in
einem Thermostaten untergebrachte Grundplatte 3, die an sich einen Kühler darstellt,
erzeugen im Zylinder 5 ein genau bestimmtes und zeitlich stabiles Temperaturgefälle.
Ein Temperaturintervall, das mittels der Thermoelemente 12 an den Randnuten 9 festgestellt
und im Bereich zum Beispiel von + 400 bis +500°C aufrechterhalten wird, eignet sich
zur Wärmebehandlung von Widerstandsdraht. Das Temperaturgefälle ist, wie es aus
allgemein bekannten thermodynamischen Gesetzen folgt, ein logarithmisches, d. h.
ein lineares in logarithmischen Koordinaten. Im angegebenen ausreichend enden Temperaturbereich
kann dieses Gefälle als ein konstantes, d.h. als ein lineares in linearen Koordinaten
gelten. Mit andern Worten wird in der vorliegenden Einrichtung ein linearer Charakter
der Verteilung des Temperaturgefälles über die Lange des Zylinders 5 erzielt. Es
ist bekannt, daß eine Ebene, die zu einem homogenen Wärmefluß senkrecht steht, eine
isothermische Ebene ist. Da die quernuten mit den darin untergebrachten Windungen
des zu erwarmenden Widerstandsdrahts 10 in imaginären Ebenen liegen, die zum Zylinder
5 senkrecht stehen, bedeutet dies, daß jede
Windung des Widerstandsdrahte
10 in einer isothermischen Ebene liegt, d.h. über ihre gesamte Länge isothermisch
erwärmt wird. Bei einem Durchmesser des Zylinders 5, der zum Beispiel 5 cm beträgt,
beträgt die Länge einer isothermisch zu erwärmenden Windung ca. 15 cm, was zur darauffolgenden
genauen Messung des thermischen Widerstandskoeffizienten vollkommen ausreichend
ist. Die Anzahl der Nuten 9 ist der erforderlichen Anzahl der Temperaturprüfpunkter
gleich, die notwendiù sind, damit man die Kennwerte der Abhängigkeit des thermischen
Widerstandskoeffizienten eines iliderstandsdrahts von den Änderungen der thermischen
Daten dessen Wärmebehandlung erhalten kann. In einer tatsächlich hergestellten Einrichtung
zur Gradienterwärmung von Draht sind auf der Oberfläche des Zylinders 5 100 Nuten
9 im abstand 1 mm voneinander ausgeführt. Bei dem oben angegebenen Temperaturgefälle
von 1000C werden sich die Nuten 9 genau in isothermischen Ebenen mit einer Temperaturdifferenz
zwischen den benachbarten Nuten 9 von 1°C befinden, Die Temperaturen der Randnuten
9 werden mit einer hohen enauigkeit mit Hilfe der Thermoelemente 12 gemessen. Die
Temperaturen der Zwischennuten 9 können mit einer ebenso hohen Genauigkeit mit Hilfe
einer linearen Interpolation gefunden werden. Auf diese Weise bestimmt die Präzision
der mechanischen Herstellung der Nuten 9 auf der Oberfläche des Zylinders 5 die
Genauigkeit, mit der die Widerstandsdrahtwindungen 10 in den Nuten 9 isothermisch
erwärmt werden. Man kann die Nuten 9 mit einer Genaugkeit von zum
Beispiel
0,1 mm leicht herstellen.
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Dank einem keilförmisen Profil der Nuten 9 sind die Widerstandsdrahtwindungen
10 darin genau fixiert. Damit ist die Einstellung einer konkreten Temperatur der
isothermischen Erwärmung der Widerstandsderhtwindungen 10 mit der Genauigkeit von
0,1°C im gesamten eingestellten Temperatur intervall gesichert.
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Nach einer isothermischen Erwärmung des Widerstandsdrahts 10 kühlt
man diesen gemeinsam mit der Einrichtung bis auf die Umgebungstemperatur ab. Die
Widerstandsdrahtprobe 10 trennt man in Windungen der Längsnut 11 entlang; infolgedessen
erhält man 100 Abschnitte, von denen ein jeder bei einer genau bestimmten temperatur
thermisch behandelt worden ist. Die Abschnitte werden markiert und man mißt den
thermischen ':iderstandskoeffizienten jedes Abschnittes. Danach bildet man die Abhängigkeit
des thermischen Widerstandskoeffizienten von den Änderungen der thermischen rten
bei der Wärmebehandlung. Anhand dieser Abhängigkeit findet man die optimalen thermischen
Daten zur Wärmebehandlung, die die Herstellung des Widerstandsdrahtes mit dem minimalen
Viert des thermischen iiderstandskoeffizienten sichern.
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Falls die vorliegende Einrichtung mit dem Zylinder 5 ausgeführt wird,
an dessen Oberfläche Spiralnuten 9 (Fi. 4) mit einer kleinen Steigung heruestellt
sind> wirkt die Einrichtung im großen und ganzen so, wie es oben schon beschrieben
ist. Ein Unterschied besteht darin, daß in diesem
Falle Jede Widerstandsdrahtwindung
10 in mehreren isothermischen Ebenen liegt. Unter Berücksichtigung des linearen
Charakters der Verteilung des Temperaturgefälles über die Länge de.s Zylinders 5
kann man doch die mittlere Temperatur der isothermischen Erwärmung jeder windung
ohne Schwierigkeiten feststellen. Eine anhand dieser Temperaturen erhaltene Abhängigkeit
des thermischen Widerstandskoeffizienten von den Änderungen der thermischen Daten
bei der Wärmebehandlung ist auch eine glaubwürdige und ermöglicht es, die optimalen
thermischen Daten der Wärmebehandlung des Widerstandsdrahts festzulegen.
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Aus den genannten konkreten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet die Möglichkeit vollkommen augeiischeinlich,
alle Ziele der Erfindung in jenem Umfang zu erreichen, der durch die Patentansprüche
festgelegt ist, Es ist aber auch vollkommen offensichtlich, daß man unwesentliche
Änderungen in der Konstruktion der Einrichtung zur Gradienterwärmung von Draht ohne
Abweichend vom Wesen der Erfindung vornehmen kann. Keine diese Änderungen gelten
als solche, die außerhalb des titesens und des Umfangs der Erfindung liegen, die
durch die Patentansprüche festgelegt sind, Die vorliegende Erfindung sichert eine
hohe Genaui0-keit bei der Bestimmung der optimalen thermischen Daten der Wärmebehandlung
von Widerstandsdraht. Der Arbeitsaufwand zur Bestimmung der optimalen thermischen
Daten der Wärmebehandlung
wird bei der Anwendung der Erfindung
um ein Mehrfaches herabgesetzt. Die Konstruktion der Erfindung ist einfach und sehr
zuverlässig im Betrieb.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Produktion von Drahtwiderstanden
und insbesondere mit Einrichtungen zur Gradienterwärmung von Draht.
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Die Einrichtung zur Gradientwärmung von Draht enthält eine Vakuumkammer
(1) mit der in einem Thermostaten angeordneten Grundplatte (3) und ein im Innen
der fakuumkammer untergebrachtes Mittel zur Erzeugung eines 'Semperaturgefälles.
Das Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgefälles ist in Form eines Metallzylinders
(5) ausgeführt, an dessen einem Ende (7) ein elektrischer Heizkörper (8) angebracht
ist und dessen anderes Ende (6) an der sich in dem Thermostaten befindenden Grundplatte
(3) befestigt ist, die einen Kühler darstellt. Auf der Oberfläche des Metallzylinders
(5) sind die Quernuten (9) zur unterbringung darin des zu erwärmenden Drahts (10)
ausueführt, die miteinander durch eine Längsnut zum Übergang des Drahts (10) aus
der einen Quernut (9) in eine andere verbunden sind.