DE3330491A1

DE3330491A1 - Thermoelement

Info

Publication number: DE3330491A1
Application number: DE3330491A
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-24
Filing date: 1983-08-24
Publication date: 1985-03-14
Also published as: CH666355A5; FR2551208B1; NL8402450A; DE3330491C2; IT8404855A0; GB8420511D0; FR2551208A1; GB2147737A; IT8404855A1; GB2147737B; IT1180283B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei den üblichen Thermoelementen dieser Art sind die Drähte an der Meßstelle in der Regel miteinander verschweißt oder verlötet und dort mittels eines keramischen Röhrchens elektrisch isoliert. Vielfach ist die Meßstelle auch zur elektrischen Isolierung innerhalb einer metallenen Hülse, z. B. einer Messinghülse in Keramik-Kitt eingebettet, welcher denRaum zwischen der inneren Mantelfläche der Hülse und dem Thermopaar ausfüllt. Eine solche Anordnung . genügt trotz Kornpensationsschaltungen zur Ausschaltung von Fehlerquellen nicht in allen Fällen den hinsichtlich der Meßgenauigkeit gestellten Anforderungen, insbesondere wenn es sich darum handelt, hochgezüchtete elektronische Steuerungen von Arbeitsmaschinen, zum Beispiel von Kunststoff-Spritzgießmaschinen mit Meßdaten zu versorgen.

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 genügen, ohne daß es hierzu eines nennenswerten technischen Mehraufwandes bedarf.

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

Zur weiteren Steigerung der Meßgenauigkeit können störende elektrische Potentiale von der Meßstelle ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Wärmeleitung zwischen Objekt und Meßstelle dadurch femgehalten 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 Mischmetalikörper und den Drähten bestehende bauliche Einheit in das aus einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff im Spritzguß gefertigte Fonnstück eingebettet (eingespritzt) ist.

Dadurch liegt die Voraussetzung für ein einfaches Fertigungsverfahren vor, bei welchem die den Mischmetalikörper einschließende Wärmeleitscheibe in das Formstück eingespritzt und letzteres durch eine kalte EinbÖrdeiung des Wärmeleitgehäuses hintergriffen wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung an Ausfuhrungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 das in den Plastifizierzylinder einer Kunststoff-

Spritzgießmaschine eingefügte Thermoelement, teilweise aufgeschnitten,

Figur 2 einen Ausschnitt aus dem längsgeschnittenen Thermo-

element in vergrößerter Darstellung,

Figur 3 die noch nicht verformte Schutzhülse des Thermoele

mentes,

Figuren 4; 5; 6 die das Formstück bildende Keramikhülse; die Wärmeleitscheibe und die Glimmerscheibe des Thermoelementes sowie

Figur 7 das noch nicht verformte Wärmeleitgehäuse des Ther

moelementes .

Im zeichnerisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist das Thermopaar des Thermoelementes durch zwei in einer Schutzhülse 15 zugentlastend aufgenommene Drähte 13a¹, 13b¹ aus Eisen und Konstanten gebildet. Diese

COPY.

. V₁.

Drähte sind 'an einem Ende (Meßstelle) miteinander verschmolzen und im . Bereich der Meßstelle von einem durch eine Keramikhülse gebildeten Formstück 16 umschlossen. Als Vergleichsstelle ist das Spannungsmeß- ^: Instrument am anderen Ende der Drähte 13a¹, 13b' angeschlossen. An der Meßstelle ist ein durch Verschmelzen der Drähte 13a¹, 13b¹ 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 Keramikhülse 16 axial abgestützt und überragt diese stimseitig. Mit ihrer Stirnfläche kontaktiert die. Wärmeleitscheibe 17*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 Thermoelementes 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 ringförmigen Berührungsflächen y, ζ eingepreßt. Er ist in der Ausnehmung 21 durch Einschnürung 17a¹ eines rückseitigen, hohlen Zentrierhalses 17a der Wärmeleitscheibe 17 gefangen. Eine weitere Einschnürung 17a" des Zentrierhalses 17a faßt die ummantelten Drähte 13a, 13b zwecks Zugentlastung. Außerdem istϊder Schutzmantel 13 des-Thermopaares von einer Einschnürung 15b' der Schutzhülfe 15 zugentlastend umfaßt. Alle Einschnürungen 17a¹, 17a" und 15b¹ sind durch Kaltverformung der Zentrier-

! ^r COPV

* thermisch ' . · _ "~

hülse 17a bzw. der Schutzhülse 15 herbeigeführt. Deshalb ist der rückwärtige Abschnitt 15b der Schutzhülse 15 verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt.

DerDurchmesser der Wärmeleitscheibe 17 ist zweckmäßigerweise mindestens dreimal so groß wie der maximale Durchmesser des Mischmetallkörpers 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 topfförmigen 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 Figur 1 ersichtlich, liegt die plane Stirnfläche S des topfförmigen WärmeIeitgehäuses 18 unter der Last einer das Thermopaar umschließenden Spiralfeder 12 am Objekt 10 berührend an, welche 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 Gewindestückes 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 mit Eingriffszapfen 11a eintauchende Gewindestück läuft rückseitig in einen Sechskant 11b aus.

Eine zeichnerisch nicht dargestellte Variante im Aufbau des Thermoelementes unterscheidet sich wie folgt von dem zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel: · ' Das durch eine Keramikhülse 16 gebildete Formstück und die Schutzhülse 15 sind durch ein gemeinsames, im Spritzguß aus einem hitzebeständigen,

hochpolymeren Werkstoff gefertigtes Formstück gebildet, das im Abschnitt der Meßstelle den gleichen Außendurchmesser aufweist wie die Keramikhülse und im übrigen der äußeren Gestalt der Schutzhülse 15 entspricht.

In dieses Formstück ist die aus der Wärmeleitscheibe 17 mit Zentrierhals 17a, aus dem Mischmetallkörper 13m und den Drähten 13a¹, 13b¹ gebildete Einheit eingebettet. Die Einbettung erfolgt im Fonmhohlraum einer Spritzgießform beim Spritgießverfahren. Somit ist das radialsymmetrische Formstück am rückwärtigen Erxfe der Meßstelle mit einer äußeren Ringschulter versehen, Welche dem Außenflansch 15a der Schutzhülse 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 Formstückes eingebettet. Bei dieser soeben beschriebenen Variante erübrigt sich demzufolge eine gesonderte Montage einer Schutzhülse 15 und einer Keramikhülse .16.

Das ebenfalls mögliche altemativsEinfügen der GlinnErscheibe und dieArbringung des Wärmeleitgehäuses 18 entsprechen dem Fertigungsverfahren beim zeichnerisch dargesteJJten. Ausfuhrungsbeispiel; denn die in das Formstück eingebettete Wärmeleitscheibe 17 überragt mit ihrer Stirnfläche das Formstück in gleicher Weise wie beim zeichnerisch, dargestellten Ausführungsbeispiel.

- Leerseite -

Claims

PATENTANWÄLTE 333043

DR. FRIEDRICH E. MAYER DIPL-PHYS. G. FRANK ^
WESTLICHE 24

7530 PFORZHEIM

Karl Hehl, Arthur-Hehl-Str. 32, D-7298 Loßburg 1

Thermoelement

Patentansprüche

CLJ Thermoelement, bestehend aus zwei in einer Schutzhülse zugentlastend aufgenommenen Drähten unterschiedlicher Werkstoffe, wie zum Beispiel Eisen und Konstanten, die als Thermopaar an einem Ende flVleßstelle) leitend miteinander verbunden und mindestens im Bereich der Meßstelle von einem Formstück aus hitzebeständigem Werkstoff umschlossen sind, und einem Spannungs-Meßinstrument, das am anderen Ende (Vergleichsstelle) der Drähte angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßstelle ein durch Verschmelzen der Drähte (13a¹, 13b¹) gebildeter Mischmetallkörper (13m) formschlüssig in einer metallenen, am Formstück (16) axial abgestützten Wärmeleitscheibe (17) eingebettet ist, welche das Formstück (16) stimseitig überragt und mit ihrer Stirnfläche ein das Formstück (16) und die Wärmeleitscheibe (17) axial zusammenhaltendes metallenes Wärmeleitgehäuse (18) thermisch kontaktiert.
2. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Ellipsoid gestaltete Mischmetallkörper (13m) in einer konzentrischen, kegelförmigen Ausnehmung (21) der an einer inneren

ORIGINAL INSPECTED COPY

Ringschulter (I6a) des FormstUckes (16) zentrierten Wärmeleitscheibe (17) unter Bildung zweier ringförmiger Berührungsflächen (y, z) eingepreßt ist.
3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, 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 Formstückes (16) ist.
4. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche der Wärmeleitscheibe .

(17) und dem topfförmigen Wärmeleitgehäuse (18) bedarfsweise eine elektrisch isolierende Scheibe (20), vorzugsweise eine Glimmerscheibe hoher thermischer Durchlässigkeit einfugbar ist, welche die plane Stirnfläche der wärmeleitscheibe (17) allseitig radial überragt.
5. 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 Gewindestückes (11) einstellbar ist, dessen Außengewinde (lla¹) mit dem Objekt (10) und dessen Innengewinde mit der Spiralfeder (12) im Gewindeeingriff steht.
6. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischmetallkörper (13m) in der Ausnehmung (21) durch eine Einschnürung (17a¹) eines rückseitigen, hohlen Zentrierhalses (17a) der wärmeleitscheibe (17) gefangen ist, wobei eine weitere Einschnürung (17a") die ummantelnden Drähte (13a, 13b) zugentlastend umfaßt.
7. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formstück (16) eine Keramikhülse ist, an welcher rückseitig eine koaxiale Schutzhülse (15) abgestützt ist, die von einem Inneribördel (18a) des Wärmeleitgehäuses (I8)hintergriffen ist und den Schutzmantel (13) des Thermopaares im Bereich einer Einschnürung (15b¹) zugentlastend umfaßt.
8. Thermoelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Wärmeleitscheibe (17) mit Zentrierhals (17a), dem Mischmetallkörper (13m) und den Drähten (13a¹, 13b¹) bestehende bauliche Einheit in das aus einem hitzebeständigen, hochpolymeren Werkstoff im Spritzguß gefertigte Formstück eingebettet (eingespritzt) ist.
9. Thermoelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das •radialsymmetrische Formstück am rückwärtigen Ende der Meßstelle eine Ringschulter aufweist, die vom Innenbördel (18a) des Wärmelei tgehäuses (28) hintergriffen ist und daß der Endabschnitt des Schutzmantels (13) der ummantelten Drähte (13a, 13b) in einen rückwärtigen Abschnitt des Formstückes eingebettet (eingespritzt) ist.