DE3330491C2

DE3330491C2 - Thermocouple

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).At the measuring point of the thermocouple, which is enclosed by an insulating fitting (16), a mischmetal body (13m) formed by fusing its wires (13a ', 13b') is embedded in a heat-conducting disk (17) supported on the fitting (16), which the fitting (16 ) protrudes on the front side and thermally contacts with its end face a metal heat-conducting housing (18) which axially holds together the molded piece (16) and the heat-conducting disk (17). This results in a higher measurement accuracy and a higher reaction speed (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. In a known thermocouple of the type mentioned (US-PS 25 17 033) the exposed, Cleaned and sheathed ends of the wires in solder or other suitable Cast in metal alloy and thereby electrically connected to one another. When pouring the melted The sleeve, which is covered at the bottom by a mica washer, serves to a certain extent for soldering or the alloy as a mold. The cast rotationally symmetrical solder body points at the lower end a radial flange. It is therefore suitable to serve as a heat conduction disk in the system. This results in a thermocouple with high measurement accuracy and high reaction speed. The casting process required however, it impairs efficient 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. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. The invention is based on the object of providing a thermocouple of the type mentioned at the beginning to further develop that it is all occurring in practice in terms of measurement accuracy and reaction speed Requirements are sufficient without the need for significant additional technical effort. 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 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.To further increase the measuring accuracy, interfering electrical potentials from the measuring point can be used without significant impairment of the heat conduction between the object and the measuring point are kept away, that between the end face of the heat conducting disk and the cup-shaped heat conducting housing an electrically insulating disk, preferably a mica disk of high thermal permeability, insertable is. Such a need-based option can lower the costs of series production by inserting the mica disk only as required, i.e. only for customers who have the highest Demands on the measurement accuracy are required.

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 ausA very high degree of rationalization of series production results from the fact that the heat conducting disk with the centering neck, the mixed metal body and the wires into the existing structural unit

einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff im Spritzguß gebildete Formstück durch Einlegen der Einheit in die Spritzgießform eingebettet ista heat-resistant, high-polymer material formed by injection molding by inserting the unit is embedded in 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 is the prerequisite for a simple manufacturing process in which the mixed metal body enclosing heat-conducting disk is embedded in the sleeve 16 by injection molding and the latter is reached from behind by a cold beading of the heat conducting housing.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an A-sführungsbeispielen erläutertThe invention is explained below with reference to the drawing using examples

Es zeigtIt shows

F i g. 1 das in den Plastifizierzylinder einer Kunststoff-Spritzgießmaschine eingefügte Thermoelement teilweise aufgeschnitten,F i g. 1 in the plasticizing cylinder of a plastic injection molding machine inserted thermocouple partially cut open,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus dem längsgeschnittenen Thermoelement in vergrößerter Darstellung,F i g. 2 a section from the longitudinally cut thermocouple in an enlarged view,

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

F i g. 4, 5, 6 die die Hülse bildende Ker«.mikhülse, die Wärmeleitscheibe und die Glimmerscheibe des Thermoelements sowieF i g. 4, 5, 6, the core forming the sleeve, the micro-sleeve, the heat-conducting disk and the mica disk of the thermocouple as well

F i g. 7 das noch nicht verformte Wärmeleitgehäuse des Thermoelements.F i g. 7 the not yet deformed heat conducting housing of the thermocouple.

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.In the exemplary embodiment shown in the drawing, the thermocouple of the thermocouple is two in one Protective sleeve 15 wires 13a ', 136' accommodated in a strain-relieving manner are formed from iron and constantan Wires are fused together at one end (measuring point) and a heat-resistant one in the area of the measuring point Sleeve 16 enclosed. As a reference junction, the voltage measuring instrument is at the other end of wires 13a ', 136' connected. At the measuring point is a mixed metal body formed by fusing the wires 13a ', 136' while the metals are mixed 13m positively embedded in a metal heat-conducting disk 17, which is made of aluminum or made of a beryllium-copper alloy is machined. The fusing of the wires is done into one Noble gas atmosphere with the help of an electric arc, thus completed with the exclusion of oxygen. This reliably prevents any scaling. The result is a mixed metal body with a high degree of mixing, which has approximately the shape of an ellipsoid.

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 ausgeführtThe heat-conducting disk 17 is axially supported on the sleeve 16 and projects beyond this on the front side. With its end face, the heat-conducting disk 17 makes thermal contact with a heat-conducting housing 18, by means of which the heat-conducting disk 17 and the ceramic sleeve 16 are axially held together. The radially symmetrical heat-conducting disk 17 is arranged in a section of greater internal width a-a and is 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 side, which is delimited on the outside by the inner jacket 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 of the heat conducting disk 17, forming two annular contact surfaces y, ζ. It is caught in the recess 21 by a constriction 17a 'of a rear, hollow centering neck 17a of the heat-conducting disk 17. Another constriction 17a ″ of the centering neck 17a holds the sheathed wires 13a, 136 for the purpose of strain relief. In addition, the protective jacket 13 of the thermocouple is surrounded by a constriction 156 ′ of the protective sleeve 15 to relieve strain 17a or the protective sleeve 15 brought about. The rear section 156 of the protective sleeve 15 is therefore made relatively thin-walled

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 sichergestelltThe diameter of the heat conducting disk 17 is expediently cast at least three times 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 results in intensive heat conduction between the object to be measured, for example the plasticizing cylinder and the measuring point ensured

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.If necessary, there is between the end face of the heat conducting disk 17 and the cup-shaped heat conducting housing 18 an electrically insulating disk 20, preferably a mica disk of high thermal Permeability can be inserted, which projects radially beyond the planar end face of the heat-conducting disk 17 on all sides Insertion of the mica disk can cause electrical interference potentials for the highest demands on measuring accuracy from the object to be measured are shielded from the measuring point.

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.As shown in FIG. 1, the flat end face S of the cup-shaped heat conducting housing 18 rests in contact with the object 10 under the load of a spiral spring 12 surrounding the thermocouple, the soft spiral spring 12 being abutted on one end on the inner flange 18a of the heat conducting housing 18 and on the other end on the plug 14. The bias of the spiral spring 12, by which the contact pressure of the end face S is determined, is adjustable with the aid of a hollow threaded piece 11, the external thread 11a of which is in thread engagement with the object 10 and the internal thread with the spiral spring 12. The threaded piece that plunges into the receiving bore 19 of the object 10 with the engagement pin 11a terminates in a hexagon 116 on the rear side.

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

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.Instead of a z. B. made of ceramic material sleeve 16 and a protective sleeve 15 occurs in Injection molding made of a heat-resistant, high-polymer material, which is in the section of the Measuring point has the same outer diameter as the sleeve 16 and otherwise the shape of the protective sleeve 15 corresponds.

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-In this fitting is the one from the heat conducting disk 17 with centering neck 17a, unit formed from the mixed metal body 13m and the wires 13a ', 136' The embedding takes place in the mold cavity of an injection mold during the injection molding process. The 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.■ 55 symmetrical fitting points at the rear end the measuring point on an outer annular shoulder, which the outer flange 15a of the protective sleeve 15 in the drawing This annular shoulder is from the inner flange 18a of the cold-deformed one Thermally conductive housing 18 gripped from behind. The end section of the protective jacket 13 of the thermocouple is in embedded in a rear section of the molded piece protruding from the heat conduction housing 18. at this variant just described therefore does not require a separate assembly of a protective sleeve 15 and a sleeve 16.

Das ebenfalls mögliche alternative Einfügen der Glimmerscheibe und die Anbringung des Wärmeleitge-The also possible alternative insertion of the mica washer and the attachment of the heat conduction

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. housing 18 correspond to the manufacturing process in the embodiment shown in the drawing; because the heat-conducting disk 17 embedded in the shaped piece protrudes with its end face over the shaped piece in the same way Way as in the embodiment shown in the drawing.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

2020th

2525th

3030th

3535

4040

4545

5050

5555

6060

6565

Claims

Patent claims:

1.Thermocouple with two wires of different materials, such as iron and constantan, held in a protective sleeve with strain relief, which are conductively connected to one another 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, which is connected to the other end (reference junction) of the wires and a metal heat-conducting disk, axially supported on the sleeve, in which the ends of the wires are embedded and which protrudes over the end of the sleeve (16) and with its end face the sleeve (16) and the heat conducting disk (17) axia; cohesive metal heat conducting housing (Ϊ8) thermally contacted, characterized in that at the measuring point a mischmetal body ^{(13m) formed by fusing the wires (13a f} , \ 3b ' ) is axially pressed into a concentric recess (21) of the heat conducting disk (17) with a positive fit .

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

3. Thermocouple according to one of claims 1 or 2, characterized in that the mischmetal body (13m) is caught in the recess (21) by a constriction (17a ') of a rear, hollow centering neck (17a) of the heat-conducting disk (17), and that a further constriction (17a ') encompasses the sheathed wires (13a, 13Z), ^{1 in a} strain-relieving manner

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

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) is required an electrically insulating disk (20), preferably a mica disk of high thermal Permeability can be inserted, which radially radiates the planar end face of the heat conducting disk (17) on all sides towers.

6. Thermocouple according to one of the preceding claims, characterized in that the flat end face (S) of the heat conducting housing (18) rests in contact with the object (10) to be measured under the load of a spiral spring (12) surrounding the thermocouple, which spiral spring (12) at one end on an inner bead (18a) of the heat conducting housing (18) and at the other end on the plug (14) and that the axial preload of the spiral spring (12) can be adjusted with the help of a hollow threaded piece (11), the outer thread (Wa) of which with the object (10) and whose internal thread is in thread engagement 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 which a coaxial protective sleeve (15) is supported on the rear side, which is engaged from behind by an inner bead (18a) of the heat conducting housing (18) and the protective jacket (13) of the thermocouple in the area of a constriction (lSö '^ includes strain relief

8. Thermocouple according to one of the preceding claims 1-6, characterized in that the heat conducting disk (17) with centering neck (17a), the mixed metal body (13 / n) and the wires (13a ', Mb') existing structural unit in the a heat-resistant, high-polymer material in the injection molded sleeve is embedded by inserting the unit into the injection mold.

9. Thermocouple according to claim 8, characterized in that the sleeve (16) on the rear The end of the measuring point has an annular shoulder that extends from the inner flange (18a) of the heat conducting housing (28) is engaged behind and that the end portion of the protective sheath (13) of the sheathed wires (13a, 13i ^ is embedded in the sleeve