DE3330491C2

DE3330491C2 - Thermoelement

Info

Publication number: DE3330491C2
Application number: DE3330491A
Authority: DE
Inventors: Karl 7298 Loßburg Hehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1986-01-30
Also published as: GB8420511D0; NL8402450A; DE3330491A1; CH666355A5; IT1180283B; GB2147737A; FR2551208B1; FR2551208A1; IT8404855A1; GB2147737B; IT8404855A0

Abstract

An der von einem isolierenden Formstück (16) umschlossenen Meßstelle des Thermoelementes ist ein durch Verschmelzen seiner Drähte (13a', 13b') gebildeter Mischmetallkörper (13m) in einer am Formstück (16) abgestützten Wärmeleitscheibe (17) eingebettet, welche das Formstück (16) stirnseitig überragt und mit ihrer Stirnfläche ein das Formstück (16) und die Wärmeleitscheibe (17) axial zusammenhaltendes metallenes Wärmeleitgehäuse (18) thermisch kontaktiert. Dadurch wird eine höhere Meßgenauigkeit und eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit erreicht (Fig. 2).

Description

Bei einem bekannten Thermoelement der eingangs genannten Art (US-PS 25 17 033) sind die freigelegten, gereinigien und von der Hülse umschlossenen Enden der Drähte in einem Lötmittel oder einer anderen geeigneten Metall-Legierung eingegossen und dadurch elektrisch miteinander verbunden. Beim Eingießen des geschmolzenen Lötmittels oder der Legierung dient die unten durch eine Glimmerscheibe abgedeckte Hülse gewissermaßen 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.

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. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Zur weiteren Steigerung der Meßgenauigkeit können störende elektrische Potentiale von der Meßstelle ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Wärmeleitung zwisehen 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.

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

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.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an A-sführungsbeispielen erläutert

Es zeigt

F i g. 1 das in den Plastifizierzylinder einer Kunststoff-Spritzgießmaschine eingefügte Thermoelement teilweise aufgeschnitten,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus dem längsgeschnittenen Thermoelement in vergrößerter Darstellung,

Fig.3 die noch nicht verformte Schutzhülse des Thermoelements,

F i g. 4, 5, 6 die die Hülse bildende Ker«.mikhülse, die Wärmeleitscheibe und die Glimmerscheibe des Thermoelements sowie

F i g. 7 das noch nicht verformte Wärmeleitgehäuse des Thermoelements.

Im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Thermopaar des Thermoelements durch zwei in einer Schutzhülse 15 zugentlastend aufgenommene Drähte 13a', 136' aus Eisen und Konstantan 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 Spannungsmeß-Instrument am anderen Ende der Drähte 13a', 136'angeschlossen. An der Meßstelle ist ein durch Verschmelzen der Drähte 13a', 136' 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, also unter Ausschluß von Sauerstoff vollzogen. Dadurch wird zuverlässig jegliche Verzunderung vermieden. Es ergibt sich ein Mischmetallkörper hohen Mischungsgrades, der etwa die Gestalt eines Ellipsoides aufweist.

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 Thermoelements 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 ringförmiger Berührungsflächen y, ζ 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, 136 zwecks Zugentlastung. Außerdem ist der Schutzmantel 13 des Thermopaares von einer Einschnürung 156'der Schutzhülse 15 zugentlastend umfaßt Alle Einschnürungen 17a', 17a"und 156'sind durch Kaltverformung der Zentrierhülse 17a bzw. der Schutzhülse 15 herbeigeführt. Deshalb ist der rückwärtige Abschnitt 156 der Schutzhülse 15 verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt

Der Durchmesser der Wärmeleitscheibe 17 ist zweckmäßigerweise mindestens dreimal so gieß wie der rnaximale Durchmesser des Mischmetalllcörpers 13m, jedoch kleiner als die maximale lichte Weite a—a der Keramikhülse 16. Dadurch ist eine intensive Wärmeleitung zwischen dem zu messenden Objekt, also zum Beispiel dem Plastifizierzylinder und der Meßstelle sichergestellt

Zwischen der Stirnfläche der Wärmeleitscheibe 17 und dem lopfförmigen 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.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, liegt die plane Stirnfläche S des topfförmigen Wärmeleitgehäuses 18 unter der Last einer das Thermopaar umschließenden Spiralfeder 12 am Objekt 10 berührend an, weiche 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 Gewindestücks 11 einstellbar, dessen Außengewinde 11a mit dem Objekt 10 und dessen Innengewinde mit der Spiralfeder 12 im Gewindeeingriff steht. Das in die Aufnahmebohrung 19 des Objektes 10 mit Eingriffszapfen 11a eintauchende Gewindestück läuft rückseitig in einen Sechskant 116 aus.

Eine zeichnerisch nicht dargestellte Variante im Aufbau des Thermoelementes unterscheidet sich wie folgt von dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel:

Anstelle einer z. B. aus keramischem Werkstoff bestehenden Hülse 16 und einer Schutzhülse 15 tritt ein im Spritzguß aus einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff gefertigtes Formstück, das im Abschnitt der Meßstelle den gleichen Außendurchmesser aufweist wie die Hülse 16 und im übrigen der Gestalt der Schutzhülse 15 entspricht.

In dieses Formstück ist die aus der Wärmeleitscheibe 17 mit Zentrierhals 17a, aus dem Mischmetallkörper 13m und den Drähten 13a', 136'gebildete Einheit eingebettet Die Einbettung erfolgt im Formhohlraum einer Spritzgießform beim Spritzgießverfahren. Das radial-

■55 symmetrische 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 Formstücks eingebettet. Bei dieser soeben beschriebenen Variante erübrigt sich demzufolge eine gesonderte Montage einer Schutzhülse 15 und einer Hülse 16.

Das ebenfalls mögliche alternative Einfügen der Glimmerscheibe und die Anbringung des Wärmeleitge-

häuses 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelement mit aus zwei in einer Schutzhülse zugentlastend aufgenommenen Drähten unterschiedlicher Werkstoffe, wie zum Beispiel Eisen und Konstantan, die als Thermopaar an einem Ende (Meßstelle) leitend miteinander verbunden und mindestens im Bereich der Meßstelle von einer Hülse aus hitzebeständigem Werkstoff umschlossen sind, mit einem Spannungs-Meßinstrument, das am anderen Ende (Vergleichsstelle) der Drähte angeschlossen ist sowie mit einer metallenen, an der Hülse axial abgestützten Wärmeleitscheibe, in welche die Enden der Drähte eingebettet sind und welche die Hülse (16) stirnseitig überragt sowie mit ihrer Stirnfläche ein die Hülse (16) und die Wärmeleitscheibe (17) axia; zusammenhaltendes metallenes Wärmeleitgehäuse (Ϊ8) thermisch kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßstelle ein durch Verschmelzen der Drähte (13a^f, \3b') gebildeter Mischmetallkörper (13m) formschlüssig in einer konzentrischen Ausnehmung (21) der Wärmeleitscheibe (17) axial eingepreßt ist.

2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der etwa die Gestalt eines ElHpsoides aufweisende Mischmetallkörper (13m) in einer kegelförmigen Ausnehmung (21) der an einer inneren Ringschulter (16a) der Hülse (16) zentrierten Wärmeleitscheibe (17) unter Bildung zweier ringförmiger Berührungsflächen (y, z) eingepreßt ist.

3. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischmetallkörper (13m) in der Ausnehmung (21) durch eine Einschnürung (17a') eines rückseitigen, hohlen Zentrierhalses (17a) der Wärmeleitscheibe (17) gefangen ist, und daß eine weitere Einschnürung (17a') die ummantelten Drähte (13a, 13Z),¹ zugentlastend umfaßt

4. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Wärmeleitscheibe (17) mindestens dreimal so groß wie der maximale Durchmesser des Mischmetallkörpers (13m), jedoch kleiner als die lichte Weite (a—a) des Formstücks (16) ist.

5. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche der Wärmeleitscheibe (17) und dem topfförmigen Wärmeleitgehäuse (18) bedarf sweise eine elektrisch isolierende Scheibe (20), vorzugsweise eine Glimmerscheibe hoher thermischer Durchlässigkeit einfügbar ist, welche die plane Stirnfläche der Wärmeleitscheibe (17) allseitig radial überragt.

6. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die plane Stirnfläche (S) des Wärmeleitgehäuses (18) unter der Last einer das Thermopaar umschließenden Spiralfeder (12) am zu messenden Objekt (10) berührend anliegt, welche Spiralfeder (12) einenends an einem Innenbördel (18a) des Wärmeleitgehäuses (18) und anderenends am Stecker (14) widergelagert ist und daß die axiale Vorspannung der Spiralfeder (12) mit Hilfe eines hohlen Gewindestücks (11) einstellbar ist, dessen Außengewinde (Wa)mit dem Objekt (10) und dessen Innengewinde mit der Spiralfeder (12) im Gewindeeingriff steht.

7. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (16) eine Keramikhülse ist, an welcher rückseitig eine koaxiale Schutzhülse (15) abgestützt ist, die von einem Innenbördel (18a) des Wärmeleitgehäuses (18) hintergriffen ist und den Schutzmantel (13) des Thermopaares im Bereich einer Einschnürung (lSö'^zugentlastend umfaßt

8. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet daß die aus Wärmeleitscheibe (17) mit Zentrierhals (17a), dem Mischmetallkörper (13/n) und den Drähten (13a', Mb') bestehende bauliche Einheit in die aus einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff im Spritzguß gebildete Hülse durch Einlegen der Einheit in die Spritzgießform eingebettet ist.

9. Thermoelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Hülse (16) am rückwärtigen Ende der Meßstelle eine Ringschulter aufweist die vom Innenbörde) (18a) des Wärmeleitgehäuses (28) hintergriffen ist und daß der Endabschnitt des Schutzmantels (13) der ummantelten Drähte (13a, 13i^in die Hülse eingebettet ist