DE69105308T2

DE69105308T2 - Temperaturmessungsverfahren und -vorrichtung für in einem thermo-chemischen Gefäss enthaltene Stücke.

Info

Publication number: DE69105308T2
Application number: DE69105308T
Authority: DE
Inventors: Bernard Delmas; Jean-Paul Lebrun
Original assignee: Nitruvid SA
Current assignee: Nitruvid SA
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: ATE114809T1; EP0446083A1; EP0446083B1; FR2658290A1; JPH0518830A; FR2658290B1; DE69105308D1

Description

Die vorliegende Erfindung hat zum Gegenstand ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung, mittels wenigstens eines Thermoelementes und Meßgeräten, für die Temperatur von Teilen, die in einem Raum unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung ausgesetzt sind, beispielsweise durch Plasma.
Man kennt ein Meßverfahren, das darin besteht, in einen Raum beim Laden der zu behandelnden Teilchen wenigstens ein Thermoelement anzuordnen, das zuvor elektrisch isoliert worden ist, wobei der Raum mit einem anodischen Potential verbunden ist, während die zu behandelnden Teile mit einem kathodischen Potential verbunden sind. Im allgemeinen wird die Isolation des Thermoelementes aus einer Umhüllung gebildet, die aus Elementen aus einem Material wie Aluminiumoxid aufgebaut ist, wobei die Umhüllung des Thermoelementes im Kontakt mit dem Teil ist, dessen Temperatur man messen will. Das Thermoelement durchquert die Wand des Raumes durch einen Durchlaß, welcher die Dichtheit des Raumes und die elektrische Neutralität des Thermoelementes gewährleistet.
Jedoch zeigt dieses Verfahren zahlreiche Unzulänglichkeiten.
Tatsächlich metallisiert sich die Hülle aus Aluminiumoxid, die beispielsweise durch eine Anordnung aus Perlen gebildet ist, während der thermochemischen Behandlungen und wird an der Oberfläche für Elektrizität leitend, was die elektrische Isolation des Thermoelementes herabsetzt.
Das Thermoelement, das in dem Raum angeordnet ist, verlagert sich oftmals auf unkontrollierbare Weise in seiner Umhüllung aus Aluminiumoxid in einer Atmosphäre eines Gases niedrigen Druckes. Diese Verlagerung zieht zufällige deutliche Änderungen des Wertes der Messung der Temperatur nach sich.
Weiterhin wird das Thermoelement kontinuierlich verlagert, insbesondere im Moment des Einführens in oder des Zurückziehens aus dem Raum von zu behandelnden Teilen oder auch unter der Wirkung von Vibrationen oder Ausdehnungen aufgrund von Erwärmung während der Behandlungsoperationen.
Außerdem, in dem Fall der Verwendung eines Thermoelementes großer Länge, bewirkt die Umhüllung, die aus zusammengesetzten Aluminiumodixperlen gebildet ist und oftmal Vibrationen ausgesetzt ist, durch ihr Eigengewicht das Reißen des Thermoelementes in dem Raum mit kontrollierter Atmosphäre im Verlaufe der Behandlung. Es stellt sich dann als unmöglich heraus, das ausfallende Thermoelement ohne das vollständige Anhalten des Behandlungszyklus und das Öffnen des Raumes zu ersetzen.
Andererseits ist es unmöglich, ein Thermoelement zwischen zwei nebeneinander liegende zu behandelnde Teile hindurchzuführen, ohne zu riskieren, daß deren Behandlung gestört wird, wenn es ausreichend nahe bei einem der Teile ist, oder daß es durch Kontakt die elektrische Neutralität der Behandlungsvorrichtung durchbricht.
Die Erfahrung bei mehreren aufeinanderfolgenden Behandlungen von Teilen hat offensichtlich gemacht, daß das Zusammenkommen der oben genannten Unzulänglichkeiten es nicht erlaubt, die Präzision der Messung der Temperatur, ihre Reproduzierbarkeit und ihre Zuverlässigkeit über die Zeit zu garantieren. Folglich werden die Qualitätsanforderungen, die beispielsweise für eine thermochemische Behandlung durch Plasma gefordert werden, mit dem bekannten Verfahren nur schwer erfüllt.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese Unzulänglichkeiten auszuschalten und ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine präzise und zuverlässige Messung, mittels wenigstens eines Thermoelementes, der Temperatur von Teilen vorzuschlagen, die in einem Raum unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung, beispielsweise durch Plasma, unterworfen werden.
Die vorliegende Erfindung hat somit ein Verfahren zum Messen, mittels wenigstens eines Thermoelementes und Meßgeräten, der Temperatur von Stücken, die in einem Raum unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung ausgesetzt werden, beispielsweise durch Plasma, zum Gegenstand, wobei der Raum mit einem anodischen Potential verbunden ist und die zu behandelnden Teile mit einem kathodischen Potential verbunden sind, wobei man in dem Verfahren das Thermoelement, das die Wand des Raumes gleitend durchquert und von der Wand elektrisch isoliert ist, nahe oder direkt in Kontakt mit den zu behandelnden Stücken anordnet, dadurch gekennzeichnet, daß:
- man auf das Thermoelement das Potential der zu behandelnden Teile aufgibt,
- man elektronisch das Thermoelement in bezug auf die Masse und auf die Meßgeräte der Spannung der thermoelektrischen Kopplung isoliert, um die Messung der Temperatur der zu behandelnden Teile zu bewirken.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Meßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, die wenigstens ein Thermoelement und Meßgeräte für die Temperatur von Teilen aufweist, die in einem Raum unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung, beispielsweise durch Plasma, ausgesetzt werden, wobei die Vorrichtung eine dichte Hülle aufweist, die das Thermoelement enthält und durch Gleiten die Wand des Raumes durch Zwischenschaltung eines dichten Durchlasses durchquert, der die Hülle von der Wand des Raumes isoliert, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum elektronischen Isolieren des Thermoelementes aufweist, das in der Hülle angeordnet ist, in bezug auf die Masse einerseits und auf die Meßgeräte der thermoelektrischen Kopplung andererseits, und eine Einrichtung zum Aufgeben eines gleichen Potentials wie die Teile auf das Thermoelement, wobei die Einrichtung zum elektronischen Isolieren zwischen dem Thermoelemente und dem Rest der Meßkette angeordnet ist.
Nach weiteren Eigenschaften der Erfindung:
- ist das Thermoelement auf dichtende Weise mit der Hülle verbunden,
- ist die Hülle an einem ihrer Enden abgeschlossen und bildet einen Schacht für das Thermoelement, dessen Innenraum in Kommunikation mit dem Außenraum des Raumes liegt,
- ist die Hülle von im wesentlichen zylindrischer Form,
- ist die Einrichtung zum elektronischen Isolieren aus einer galvanischen elektronischen Isolation gebildet, die aus einer RLC-Schaltung besteht, welche einen Quadrupol bildet, die einerseits eine LC-Schaltung aufweist, die aus einer Drossel und einem Kondensator besteht, die in Reihe geschaltet sind und mit zwei Eingangsanschlüssen des Quadrupols verbunden sind, wobei der Anschluß, der mit dem Kondensator verbunden ist, weiterhin auf Masse liegt, und andererseits einen Begrenzungswiderstand für den Strom aufweist, der mit dem Mittelpunkt der LC-Schaltung und einem Ausgangsanschluß des Quadrupols verbunden ist, wobei der andere Ausgangsanschluß gleichermaßen auf Masse gelegt ist;
- ist die Einrichtung für die elektronische Isolierung durch einen Isoliertransformator gebildet, wobei das Verhältnis der Windungen der Primär- und Sekundärwicklungen gleich 1 ist.
Die Erfindung wird besser mit Hilfe der Beschreibung, die folgen wird, verstanden werden, die einzig beispielhaft und nicht begrenzend gegeben ist und gemacht worden ist, indem man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in denen:
- die Figur 1 eine schematische Ansicht im Schnitt in einer Vertikalebene eines Raumes einer Vakuumeinrichtung für die thermochemische Behandlung von Teilen ist und eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung aufweist;
- die Figur 2 eine Schnittansicht in größerem Maßstab einer ersten Ausführungsform des dichten Durchlasses in der Wand des Raumes für die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
- die Figur 3 eine Schnittansicht in größerem Maßstab einer zweiten Ausführungsform des dichten Durchlasses in der Wand des Raumes für die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
- die Figur 4 eine Schemadarstellung gemäß einer ersten Ausführungsform der Einrichtung für die elektronische Isolierung eines Thermoelementes der Meßvorrichtung ist;
- die Figur 5 eine Schemadarstellung gemäß einer zweiten Ausführungform der Einrichtung für die elektronische Isolierung eines Thermoelementes der Meßvorrichtung ist.
Die Figur 1 stellt einen Raum 1 einer Vakuumeinrichtung 2 dar, in dem Teile 3 angeordnet sind, die einer thermochemischen Behandlung, beispielsweise durch Plasma, ausgesetzt werden sollen, wobei das Plasma in der Atmosphäre eines Gases unter niedrigem Druck erzeugt wird.
Die Teile 3 ruhen auf einem Träger 4.
Die Ionisationsspannung des Gases in dem Raum 1 wird zwischen den Träger 4, der die Teile 3 trägt, und eine Elektrode 5, die in dem Raum 1 angeordnet ist, und elektrisch mit der Wand 6 des Raumes 1 verbunden ist, gelegt. Der Träger 4 und die Teile 3 werden auf kathodisches Potential gelegt, während die Wand 6 des Raumes 1 auf anodischem Potential ist.
Die Meßvorrichtung für die Temperatur der zu behandelnden Teile 3 besteht aus wenigstens einem Thermoelement 10, das in einer Hülle 11 angeordnet ist, welches gleitend die Wand 6 des Raumes 1 durch Zwischenschaltung eines isolierenden Durchlasses 12 durchquert.
Das Thermoelement 10 ist somit elektrisch von der Wand 6 durch den isolierenden Durchlaß 12 isoliert und befindet sich auf dem Potential der zu behandelnden Teile 3.
Andererseits wird die Isolation des Thermoelementes 10 in bezug auf die Masse und auf die Meßgeräte, die nicht dargestellt sind, von der Spannung der thermoelektrischen Kopplung durch eine Einrichtung für die elektronische Isolation 30 gewährleistet, die später beschrieben werden wird.
Der isolierende Durchlaß 12, der in größerem Maßstab in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, in der Wand 6 des Raumes 1 angeordnet, ist aus einem Element für die elektrische Isolierung gebildet, das in seiner Gesamtheit durch die Bezugsziffer 20 bezeichnet ist, welches die Hülle 11 von der Wand 6 trennt
Dieses Element 20 besteht aus einer Schraube 21, deren Kopf 21a im Inneren des Raumes 1 liegt. Diese Schraube 21 ist in Längsrichtung durchbohrt, um eine beispielsweise zylindrische Aufnahme für den Durchlaß der Hülle 11 zu begrenzen. Eine Dichtverbindung 22 ist zwischen den Körper der Schraube 21 und diei Hülle 11 gelegt. Die Schraube 21 wird an der Wand 6 des Raumes 1 durch eine Mutter 23 an Ort und Stelle gehalten, die beispielsweise außerhalb des Raumes angeordnet ist.
Eine isolierende zylindrische Hülle 24 ist zwischen der Schraube 21 und der Wand 6 angebracht und umfaßt einen Kragen 24a, der den Kopf 21a der Schraube 21 von der Wand 6 des Raumes trennt. Eine isolierende Unterlegscheibe 25 ist gleichermaßen zwischen der Mutter 23 und der Wand 6 des Raumes angebracht.
Nach einer ersten Ausführungsform, die in der Figur 2 dargestellt ist, durchquert das Thermoelement 10 das äußere Ende der Hülle 11, das in dem Raum 1 liegt, derart, daß das Thermoelement direkt im Kontakt mit den zu behandelnden Teilen 3 ist.
Das äußere Ende der Hülle 11, das außerhalb des Raumes liegt, befindet sich in Kommunikation mit dem Äußeren des Raumes, und das Thermoelement 10 ist mit der Hülle 11 dichtend verbunden, beispielsweise durch die Lötstelle 15.
Diese Anordnung zeigt den Vorteil, daß die Position des Thermoelementes 10 in bezug auf die Teile 3 eingerichtet werden kann, und dies dank des Gleitens der Hülle 11 in dem dichten Durchlaß 12.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, die in der Figur 3 dargestellt ist, wird das Ende der Hülle 11, das im Inneren des Raumes 1 gelegen ist, direkt in Kontakt mit den Teilen 3 gebracht. In diesem Fall ist dieses Ende der Hülle 11 abgeschlossen, und die Hülle bildet einen Schacht, in den das Thermoelement 10 eingeführt wird. Der Innenraum der Hülle 11 ist in Kommunikation mit dem Außenraum des Raumes 1.
Diese Anordnung zeigt den Vorteil, daß man die Position der Hülle 11 und das Thermoelement 10 in bezug auf die Teile einstellen kann und daß man das Thermoelement zurückziehen kann, ohne daß man den Raum 1 zu öffnen hat.
Ein oder mehrere Thermoelemente 10 können in die Hülle 11 eingeführt werden, indem man sie derart anordnet, daß man die Temperaturen an bestimmten gut festgelegten Punkten messen kann.
In dem Fall einer Behandlung insbesondere von Rohren kann die Hülle 11 eine Geometrie ähnlich der zu behandelnden Rohre haben und den Platz eines teiles in der Beladung einnehmen.
Bei der Behandlung der Teile sind das Thermoelement 10 und ihre Verkapselung auf dem Potential der Hülle 11, die selbst auf dem kathodischen Potential der Teile 3 ist, deren Temperatur man messen will.
Weiterhin muß das Thermoelement 10 selbst isoliert sein, um fehlerhafte Messungen zu vermeiden, wobei ihre Verkapselung nicht ohne Isolation mit der Masse verbunden sein kann.
Um jegliche parasitären Ströme und ein Rückführen des kathodischen Potentials auf die Geräte zu vermeiden, die sich hinter dem Thermoelement 10 befinden, ist es notwendig, eine Einrichtung für die elektronische Isolierung 30 zwischen dem Thermoelement und dem Rest der Meßkette zu verwenden. Diese Einrichtung für die elektronische Isolierung ist unerläßlich insbesondere in dem Fall der Verwendung von gepulsten Stromerzeugern für die Ionisation des Gases, das in dem Raum 1 enthalten ist, und in dem Fall einer elektrischen Versorgung, bei der der Nulleiter auf der Masse liegt.
Die Isolation des Thermoelementes 10 in bezug auf die Masse und auf die Meßgeräte für die thermoelektrische Spannung wird gemäß einer ersten Ausführungsform, die in der Figur 4 dargestellt ist, mittels einer galvanischen elektronischen Isolation sichergestellt, die aus einer RLC-Schaltung besteht, welche einen Quadrupol bildet, der einerseits eine LC-Schaltung 31, die aus einer Drossel 32 und einem Kondensator 33, welche in Reihe geschaltet und mit entsprechenden Eingangsanschlüssen 34 und 36 des Quadrupols verbunden sind, aufgebaut ist, wobei der Anschluß 36 mit dem Kondensator 33 verbunden ist, der auf Masse liegt, und andererseits einem Widerstand 28, der mit dem Mittelpunkt der LC-Schaltung 31 und mit einem Ausgangsanschluß 35 des Quadrupols verbunden ist, wobei der andere Ausgangsanschluß 37 auf Masse gelegt ist, aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in der Figur 5 dargestellt ist, wird die Isolation des Thermoelementes 10 durch einen Isoliertransformator 40 sichergestellt, dessen Verhältnis n1/n2 der Anzahl n von Windungen der Primär-41 und Sekundär-42 Wicklung gleich 1 ist, was ein Verhältnis der Eingangsund Ausgangsspannungen von ebenfalls 1 nach sich zieht. Die Ausgangsspannung des Isoliertransformators 40 ist gleich der thermoelektrischen Spannung, die von dem Thermoelement 10 gebildet ist.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind besonders auf die Messung von Temperaturen von langgestreckten Teilen, so wie Rohrbündeln ausgelegt, die durch Plasma in einer Technik ionischer Nitrierhärtung behandelt werden.
Die Tatsache, daß man das Innere eines Rohres, das eine Hülle bildet, auf dem atmosphärischen Druck läßt, wobei das Rohr vollständig auf dem kathodischen Potential gehalten wird, erlaubt es, eine ionische Nitrierhärtung ins Auge zu fassen, teilweise oder insgesamt, und derart ablaufend mit profilierten Teilen mit Abmessungen größer als denen des Raumes, wobei die Teile in und auf beiden Seiten des Raumes angeordnet werden, wobei immer eine zuverlässige und präzise Messung der Temperaturen und eine Messung, die auf die Instabilitäten aufgrund des Plasmas, beispielsweise bei der ionischen Nitrierhärtung, unempfindlich ist, erhalten wird.
Im übrigen erlauben es die Vorrichtung und daß Verfahren gemäß der Erfindung, daß man standardmäßige Thermoelemente und solche mit geringen Herstellungskosten verwenden kann und daß man die Lebensdauer des Thermoelementes erhöhen kann, ohne irgendeinen Einfluß der unterschiedlichen elektrischen Polaritäten, die in dem Behälter vorliegen, wobei die unterschiedlichen elektrischen Polaritäten, die es gibt, in einem Ofen unterdrückt werden.

Claims

1. Meßverfahren, mittels wenigstens einem Thermoelement (10) und Meßgeräten, für die Temperatur von Teilen (3), die in einem Raum (1) unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung, beispielsweise durch Plasma, unterworfen werden, wobei der Raum (1) mit einem anodischen Potential verbunden ist und die zu behandelnden Teile (3) mit einem kathodischen Potential verbunden sind, wobei man bei dem Verfahren das Thermoelement (10), das die Wand (6) des Raumes (1) gleitend durchquert und elektrisch von der Wand (6) isoliert ist, nahe bei oder in direktem Kontakt mit den zu behandelnden Teilen (3) anordnet, dadurch gekennzeichnet, daß:

-man auf das Thermoelement (10) das Potential der zu behandelnden Teile (3) aufgibt,

-man das Thermoelement (10) in bezug auf die Masse und auf die Geräte zum Messen der Spannung der thermoelektrischen Kopplung elektronisch isoliert, um die Messung der Temperatur der zu behandelnden Teile (3) zu bewirken.

2. Meßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Thermoelement (10) und Meßgeräten für die Temperatur von Teilen (3), die in einem Raum (1) unter kontrollierter Atmosphäre enthalten sind und einer thermochemischen Behandlung, beispielsweise durch Plasma, ausgesetzt werden, wobei die Vorrichtung eine dichte Hülle (11) aufweist, die das Thermoelement (10) enthält und gleitend eine Wand (6) des Raumes (1) über einen dichten Durchlaß (12) durchquert, der die Hülle (11) von der Wand (6) des Raumes (1) isoliert,

dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum elektronischen Isolieren (30) des Thermoelementes (10) aufweist, die in der Hülle (11) in bezug auf, einerseits, die Masse, und, andererseits, die Meßgeräte der thermoelektrischen Kopplung angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Aufgeben des gleichen Potentials auf die Teile (3) und auf das Thermoelement (10), wobei die Einrichtung zum elektronischen Isolieren (30) zwischen dem Thermoelement und dem Rest der Meßkette angeordnet ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (10) dicht mit der Hülle (11) verbunden ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (11) an einem ihrer Enden abgeschlossen ist und einen Schacht für das Thermoelement (10) bildet, wobei der Innenraum des Schachtes in Kommunikation mit dem Außenbereich des Raumes (1) ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (11) von zylindrischer Form ist.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum elektronischen Isolieren (30) einen galvanische elektronische Isolation ist, die aus einer RLC- Schaltung gebildet ist, welche einen Quadrupol bildet, welcher einerseits eine LC-Schaltung (31), die aus einer Drossel (32) und einem Kondensator (33) besteht, welche in Reihe geschaltet und mit Eingangsanschlüssen (34, 36) des Quadrupols verbunden sind, wobei der Anschluß (36), der mit dem Kondensator (33) verbunden ist, auf Masse liegt, und andererseits aus einem Begrenzungswiderstand (38) für den Strom, der mit dem Mittepunkt der Schaltung (31) und mit einem Ausgangsanschluß (35) des Quadrupols verbunden ist, besteht, wobei der andere Ausgangsanschluß (37) gleichermaßen auf Masse gelegt ist.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum elektronischen Isolieren (30) aus einem Isoliertransformator (40) gebildet ist, wobei dessen Verhältnis der Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklungen gleich 1 ist.