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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Thermoelementen
sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung desselben.
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Bei älteren bekannten Verfahren zur Herstellung von Thermoelementen
wird die Lichtbogenschweißung angewandt, indem der Lichtbogen zwischen den blanken
Drähten der dazugehörigen Thermoelementendrähte, welche auf einem ersten Potential
gehalten werden, und einer Elektrode, die auf einem davon verschiedenen zweiten
Potential gehalten wird, erzeugt wird. Jedoch kann der bei einer solchen Verschweißung
erhitzte Bereich nicht eng begrenzt werden, und aus diesem Grund hat das ordnungsgemäße
Verschweißen von kleinen, in einer Metallhülle unter Verwendung eines keramischen
Isoliermaterials angeordneten Thermoelementen Schwierigkeiten mit sich gebracht.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Zusammenschweißen von zwei Thermoelementdrähten
wird dagegen ein Gasplasma verwendet, welches von einem Plasmagenerator herrührt.
Der Plasmagenerator ist dabei am einen Ende eines Vakuumbehälters angebracht, während
die Drähte in dessen anderem Ende angeordnet sind, wobei die aneinanderstoßenden
Enden sich innerhalb des Behälters befinden und in bezug auf den Plasmagenerator
elektrisch als Anode geschaltet sind. Der Behälter wird auf einen niedrigen Druck
ausgepumpt, der Generator erregt und eine solche Spannung den Adern übermittelt,
daß die aneinanderstoßenden Enden einer Erhitzung durch das Gasplasma unterworfen
werden. Auf diese Weise wird eine Fusionsschweißung an den aneinanderstoßenden Enden
der beiden Drähte erzielt.
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Der Ausdruck »Gasplasma-Erhitzungsvorgang« wird im nachstehenden zur
Bezeichnung der Erhitzung eines Werkstücks in einer verdünnten Atmosphäre durch
ein Gasplasma verwendet, welches von einem Plasmagenerator herrührt, wobei das Werkstück
in bezug auf diesen elektrisch als Anode geschaltet ist und wobei unter einem derartigen
Generator ein solcher verstanden wird, der nach Art eines Brenners ein ionisiertes
Gasplasma abgibt, beispielsweise durch Elektroden oder durch Hochfrequenzinduktionsbeheizung.
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Die Erfindung betrifft sonach ein Verfahren zur Herstellung eines
mit einer dichten Metallumhüllung versehenen Thermoelements aus einem Thermoelementkabel,
bestehend aus zwei Drähten mit verschiedenen thermoelektrischen Eigenschaften, die,
von feuerfestem elektrisch isolierendem Material umgeben, in einem rohrförmigen
Metallmantel angeordnet sind, durch Verschweißen des Endes der Metallumhüllung und
der Enden der thermoelektrischen Drähte mittels Erhitzung durch ein in einem Lichtbogen
erzeugtes Gasplasma, wobei die zu verschweißenden Teile als Anode geschaltet sind.
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Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß an dem abzuschließenden Ende des Kabels zuerst das Isoliermaterial mit einer
konischen Ausnehmung versehen wird, und zwar derart, daß die Enden der thermoelektrischen
Drähte in die Ausnehmung hineinragen, daß darauf die als Anode geschalteten Thermoelementdrähte
in einer verdünnten Atmosphäre durch ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Gasplasma
erhitzt und dadurch miteinander verschweißt werden und daß dann der Metallmantel
als Anode geschaltet und dadurch an seinem Ende bis zum Schmelzen erhitzt wird,
wodurch ein dichter Endverschluß des Mantels entsteht, gegen den die Thermoelementverbindungsstelle
durch Isoliermaterial isoliert ist.
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Dadurch kann der Mantel mit einem dichten Endverschluß versehen werden,
ohne daß eine gesonderte Endkappe verwendet werden muß.
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Der dichte Endverschluß kann mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung
unmittelbar nach dem Verschweißen der Verbindungsstelle gebildet werden, ohne daß
das Werkstück ungünstig beeinflußt wird, mit anderen Worten, es besteht nicht die
Notwendigkeit, das Kabel aus der verdünnten Atmosphäre für eine Behandlung zwischen
dem Herstellen der Verbindungsstelle und dem Herstellen des abgedichteten Endverschlusses
herauszunehmen.
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Thermoelemente mit einem abgedichteten Endverschluß, der gegen eine
Verbindungsstelle isoliert ist, eignen sich besonders für die Messung von hohen
Temperaturen in reaktiven oder korrosiven Umgebungen. Der abgedichtete Endverschluß,
der gegenüber der Verbindungsstelle isoliert ist, ermöglicht ein leichtes Prüfen
der Thermoelemente und verhindert das Auslecken von reaktivem Material durch das
Isoliermaterial.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem evakuierbaren Behälter und einem Plasmagenerator,
der ein Gasplasma in dem Behälter erzeugt, und die erfindungsgemäß gekennzeichnet
ist durch eine Stopfbuchseneinrichtung zum gasdichten Einführen des Endteils bzw.
der Endteile eines oder mehrerer Thermoelementkabel in den Behälter, durch mehrere
elektrische Verbindungen zum Anschluß an gegeneinander isolierte leitende Teile
der Kabel sowie eine zugeordnete elektrische Schaltung außerhalb des Behälters,
welche Schaltmittel aufweist, die in zeitlicher Folge selektiv jedes der leitenden
Teile der Kabel über die Verbindungen an ein positives Potential in bezug auf die
Anode des Plasmagenerators schalten.
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Die Erfindung wird nunmehr in ihrer Anwendung bei der Herstellung
von Thermoelementen aus Thermoelementkabeln, die jeweils Leiterdrähte aus »Chromei«
und »Alumel« (eingetragene Warenzeichen) haben, welche in komprimiertem, feuerfestem
elektrischem Isoliermaterial (z. B. Magnesiumoxyd) eingebettet und von einem rohrförmigen
Gehäuse aus rostfreiem Stahl umgeben sind, an Hand der Zeichnung näher erläutert,
und zwar zeigen die F i g. 1 A bis 1 F (in vergrößertem Maßstab) verschiedene Stufen
bei der Herstellung eines Thermoelementes aus einem Thermoelementkabel, F i g. 2
schematisch die verwendete Vorrichtung, während F i g. 3 eine schematische Darstellung
der zugeordneten elektrischen Schaltungsanordnung ist.
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Die F i g.1 A bis 1 F zeigen ein Thermoelementkabel 10 mit
zwei Leiterdrähten 11 und 12, die in ein Isoliermaterial 13, z. B. Magnesiumoxyd,
eingebettet sind, welches von einem rohrförmigen Mantel 14 aus rostfreiem
Stahl umgeben ist.
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Das Kabel 10 wird zuerst auf die gewünschte Länge geschnitten
und dann leicht gefeilt, um ein flaches Ende 15 (F i g. 1 A) von kreisförmigem Querschnitt
zu erhalten. Das Ende wird dann unter Verwendung eines Bohrers 16 (F i g.1 B) so
geformt, daß es eine konische Aussparung 17 im Isoliermaterial 13 von der Tiefe
eines Kabeldurchmessers aufweist, und
dann das Isoliermaterial zwischen
den Drähten auf eine weitere Tiefe von der Hälfte eines Kabeldurchmessers abgehoben,
wie durch die Aussparung 18
(F i g. 1 C) gezeigt, so daß die Drähte in den
Boden der Aussparung hineinragen, wobei achtgegeben wird, daß das Isoliermaterial,
welches über die frei liegenden Enden der Drähte hinaussteht, nicht ungünstig beeinflußt
wird. Die frei liegenden Enden der Leiterdrähte werden dann, wie in F i g. 1. D
gezeigt, aufeinander zu gebogen. Eine Länge eines dicht sitzenden Rohres aus keramischem
Stoff (z. B. Aluminiumoxyd) wird dann über den Kabelmantel aufgeschoben, so daß
das vorbereitete Ende um einen Kabeldurchmesser darüber hervorsteht. Das andere
Ende des Kabels wird von seinem Mantel und seinem Isoliermaterial über ein kurzes
Stück befreit, um die Leiterdrähte freizulegen, welche zum Zweck des elektrischen
Anschlusses zweckmäßig miteinander verbunden werden.
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F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Ausführen eines Gasplasma-Erhitzungsvorgangs
an einer Werkstückbaugruppe, wobei die Vorrichtung einen Plasmagenerator aufweist,
der eine Wolframkathode 20 hat, welche dicht in ein Isoliergehäuse
21 hineingeführt ist, wobei die Kathode mit einer wassergekühlten Kupferanode
22 zusammenwirkt, die eine Öffnung 23
aufweist. Das Gehäuse
21 ist an einer Endplatte 24
aus Messing dicht angebracht, in welcher
die Anode 22 befestigt ist. Die Endplatte 24 hat eine Rohrverbindung
25 mit einer Vakuumpumpe P, und das Isoliergehäuse 21 hat einen Einlaß 26
für Argongas von einem Zylinder C. Die Platte 24 ist an einem zylindrischen
Vakuumbehälter 27, der aus Glas hergestellt ist, dichtend befestigt, und
das untere Ende dieses Behälters ist mit einer an ihm dichtend angebrachten Endplatte
28 aus Kupfer versehen. An der Endplatte 28 ist in einer Linie mit
der Öffnung 23 ein Reflektorstab 29 von kreisförmigem Querschnitt
aus rostfreiem Stahl angebracht, der mit einer konkaven Oberfläche 30 versehen
ist.
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Ein oder mehrere Thermoelementkabel können mit ihren wie vorstehend
beschrieben vorbereiteten Enden in den Behälter eingeführt werden. Der übersichtlichkeit
halber zeigt F i g. 2 nur zwei solche Kabel 31 und 32, die durch Stopfhuchsen
3a an der Durchführung durch die Endplatte 28 abgedichtet sind, obwohl natürlich
die Vorrichtung nicht auf zwei Thermoelement-Kabel-Befestigungspunkte begrenzt ist.
Tatsächlich weist eine typische Anordnung sechs Kabel auf, die auf einem Grundkreis
von 38,1 mm Durchmesser gleich weit voneinander entfernt angebracht sind. Die Kabel
31, 32 ragen mit ihren vorgeformten Enden in den Behälter, in welchen sie
durch die keramischen Rohre 33 hindurch eingeführt sind und in welchem sie
im Bereich der Reflexionszone 45 der Oberfläche 30 des Reflektors
29 endigen. Außerhalb des Behälters sind abnehmbare elektrische Verbindungen
34, 35, 36, 37 jeweils mit den Mänteln 38, 39 und den miteinander verbundenen Leitern
40,
41 der Kabel 31, 32 hergestellt. Diese Verbindungen führen zu einer
Auswahlschalteinheit, die ihrerseits mit einer Bank von Widerständen 42
verbunden
ist, deren Werte entsprechend der Länge und dem Durchmesser der Kabel, die in dem
Behälter angebracht sind, gewählt sind. Diese Widerstände sind an die positive Seite
eines Netzgeräts 44
angeschlossen, dessen negative Seite mit der Anode
22
elektrisch verbunden ist. Die Anode 22 und die Kathode
20 sind mit einem Schweißnetzgerät mit Hochfrequenz-Zündeinrichtung verbunden.
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Es ist ersichtlich, daß die elektrische Schaltung, die mit der Vorrichtung
nach F i g. 2 verbunden ist, mit einer Schaltungseinrichtung versehen ist, welche
mindestens die Zahl von Thermoelementkabeln, die in dem Behälter angebracht sind,
anzuschließen gestattet, und weiter, daß die Schaltung einen Bereich von Komponenten
von ausgewählten Werten aufweist zum Anschluß eines bestimmten Bereiches von Kabelgrößen
und -längen. In einem typischen Fall ist die Vorrichtung für Kabelaußendurchmesser
im Bereich von 0,25 bis 3,1 mm und Kabellängen von bis zu 30 m eingerichtet.
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Entsprechend zeigt die elektrische Schaltung nach F i g. 3 eine Selektivschaltungsvorrichtung,
die für den Anschluß zweier Thermoelementkabel 31, 32 geeignet ist und deren
elektrische Komponentenwerte gewählt sind für Kabelabmessungen von 6 m Länge und
1 mm Außendurchmesser mit einer Gehäusewanddicke von 0,1 mm, wobei dann jeder der
Leiterdrähte 0,16 mm im Durchmesser hat. Die Selektorschaltungseinheit und die Nockenschalter
1 und 2
werden von einer Nockenwelle betätigt, die durch einen Elektromotor
über ein Getriebe angetrieben wird, wobei der Motorschaltkreis Druckknopf- und Nockensteuerung
zur Erzielung der erforderlichen Betriebsfolge aufweist.
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Im Betrieb wird der Behälter 27 von der Vakuumpumpe auf einen
Druck von ungefähr 100 Mikron Hg gepumpt und eine kurze Zeitspanne zum Ausgasen
der vorgeformten Enden der Kabel und des Behälters verstreichen gelassen. Dann wird
dem Plasmagenerator über das Rohr 26 Argon zugeführt, bis der Druck in dem
Behälter auf ungefähr 10 mm Hg ansteigt (welcher Druck durch ständiges Pumpen aufrechterhalten
wird), worauf der Generator unter Verwendung des Schweißnetzgerätes mit Hochfrequenzzündeinrichtung
erregt wird, um einen Lichtbogen zwischen der Kathode 20 und der Anode
22 zu erzeugen und dadurch eine hohe Temperatur hervorzurufen, wobei hochionisierter
Gasplasmastrahl 46 in den Behälter 27 durch die Öffnung 23 eintritt.
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Der elektrische Stromkreis nach F i g. 3 wird dann in der Weise erregt,
daß sich die folgenden Betriebsschritte ergeben: 1. Der Vorheiz-Zeitgeber wird betätigt,
so daß beide Kabelmäntel 38, 39 über das Relais gemeinsam verbunden und einem
Widerstands-Vorheizzyklus (von typisch 30 Sekunden Dauer) unterworfen werden, in
welchem die beiden Kabel 31, 32 auf 200° C erhitzt werden, wodurch jede Feuchtigkeit
in ihren vorgeformten Enden ausgetrockent wird.
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2. Die Plasmaleitfähigkeit wird durch Anlegen eines feststehenden
niedrigen Potentials an eine Leitfähigkeitssonde (die eine der Kabelhüllen sein
kann) durch Betätigung eines Druckknopfes und Messung des Stroms gemessen. Die Leitfähigkeit
kann durch Einregeln des Drucks in dem Behälter eingestellt werden. Für eine angelegte
Gleichspannung von 15 Volt sollte der Strom im Bereich von 50 bis 60 mA liegen.
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3. Der Motorstromkreis-Startknopf wird gedrückt, um die nachfolgenden
Arbeitszyklen auszulösen. 4. Wenn die Selektor-Schalteinheit sich in der gezeigten
Stellung befindet, wird der Nockenschalter
1 für einen zweiten
Zyklus geschlossen, während welchem der 500-Mikrofarad-Kondensator sich über die
verbundenen Leiter 41 des Kabels 32 entlädt. Auf diese Weise ziehen die Leiter des
Kabels 32, welche als Anode in bezug auf den Plasmagenerator geschaltet sind, eine
Konzentration des Plasmas an und werden daher einem Gasplasma-Erhitzungsvorgang
unterworfen, so daß die Leiter an dem vorgeformten Ende des Kabels 32 zusammengeschmolzen
werden, um eine Thermoelement-Verbindungsstelle zu bilden. Eine derartige Verbindungsstelle
ist durch das Bezugszeichen 47 in F i g. 1 E angedeutet.
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5. Es erfolgt eine Verzögerung von 0,5 Sekunden. 6. Der Nockenschalter
2 ist während eines Zyklus von 6 Sekunden geschlossen, während welchem der Kabelmantel
39 als Anode in bezug auf den Plasmagenerator über einen Widerstand von 66 Ohm geschaltet
ist.
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7. Wie Schritt 5. B. Wie Schritt 6. 9. Wie Schritt 5.
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10. Wie Schritt 6. Auf diese Weise ist der Mantel 35 einem stufenweisen
Gasplasma-Erhitzungsvorgang unterworfen, so daß er am vorgeformten Ende des Kabels
32 verschmolzen wird, um einen dichten Endverschluß zu bilden, der durch das Isoliermaterial
gegen die Verbindungsstelle isoliert ist. Ein derartiger abgedichteter Endverschluß
ist durch das Bezugszeichen 48 in F i g. 1 F angedeutet.
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11. Ein Kontakt wird hergestellt, um die Selektor-Schaltungseinheit
derart zu betätigen, daß sie in die untere der in F i g. 3 gezeigten Stellungen
geschaltet wird, wodurch die Zyklen 4 bis 10 für das andere Kabel 31 ausgeführt
werden können.
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Der Stromkreis ist so verblockt, daß sichergestellt ist, daß die Bedienungsperson
den Vorerhitzzyklus ausführt, bevor sie den Verschmelzungszyklus in Gang setzt.
Es ist ersichtlich, daß, während die Anode 22 im Betrieb auf einem positiven
Potential gegenüber der Kathode 20 gehalten wird (durch das Schweißnetzgerät mit
Hochfrequenzzünder, das so ausgelegt ist, daß es im Leerlauf 100 Volt und bei 10
Ampere Belastung unter Betriebsbedingungen 20 Volt abgibt), das Werkstück, d. h.
die Kabel 31, 32, im Betrieb auf einem positiven Potential gegenüber der Anode 22
des Plasmagenerators gehalten wird, damit das Plasma zum Werkstück hingezogen wird.
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Es verdient besonders hervorgehoben zu werden, daß die vorstehend
beschriebene Vorrichtung eine vollautomatische Arbeitsfolge liefert, die es ermöglicht,
daß jedes einzelne einer Anzahl von geformten Thermoelementkabeln in Aufeinanderfolge
behandelt und dadurch zu einem Thermoelement mit einem in einem Stück abgedichteten
Endverschluß verarbeitet wird, welcher gegen die Thermoelementverbindungsstelle
durch das Isoliermaterial, das bereits in dem Kabel vorhanden ist, isoliert ist.
Dies stellt eine bedeutende Verbesserung auf dem Gebiet der Thermoelementherstellung
dar, wie leicht erkenntlich ist, wenn darauf hingewiesen wird, daß bisher die Leiter
zunächst zusammengeschweißt werden mußten, um eine Verbindungsstelle zu bilden,
und dann zusätzliches Isoliermaterial und eine getrennte Endkappe hinzugefügt werden
mußten, welche dann mit dem Gehäuse verschweißt werden mußte. Demgegenüber ermöglicht
es die Erfindung, daß, wenn einmal die geformten Thermoelementkabel in dem Behälter
27
angebracht sind, diese nicht entfernt werden müssen, bevor sie ihre fertige
Form haben, d. h. vollständig mit Verbindungsstelle und abgedichtetem Endverschluß
versehen sind; es ist also kein getrenntes Anbringen einer Endkappe erforderlich.
Dies bedeutet eine beträchtliche Zeitersparnis, wie es sich in der vorstehend beschriebenen
Arbeitsfolge zeigt, von welcher ersichtlich ist, daß die Gesamtzeit für die Stufen
4. bis 10 weniger als eine halbe Minute beträgt und daß die Stufen 1 bis 10 in weniger
als einer Minute ausgeführt werden können.
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Die konische Aussparung, welche in dem vorgeformten Ende des Thermoelementkabels
ausgebildet wird, ermöglicht es, daß das Isoliermaterial, welches sich nach oben
über die Verbindungsstelle hinauserstreckt, ausgenutzt wird, um den abgedichteten
Endverschluß gegen die Verbindungsstelle zu isolieren. Es verdient beachtet zu werden,
daß die Erfindung so feine Konzentrationen des Plasmas ermöglicht, wie sie bei Thermoelementkabeln
von außerordentlich geringen Abmessungen erforderlich sind. So ist die Erfindung,
obgleich die in den F i g. 2 und 3 der Zeichnung gezeigte Vorrichtung in besonderer
Hinsicht auf ihre Verwendung bei Thermoelementkabeln von 1 mm Außendurchmesser beschrieben
ist, in gleicher Weise bei mineralisolierten, metallumhüllten Thermoelementkabeln
anwendbar, die einen Außendurchmesser von nur 0,25 mm haben. Obgleich nicht erforderlich,
ist die Anwendung des Reflektors 29 mit seiner Oberfläche 30 insofern vorteilhaft,
als die dadurch bewirkte Zone 45 einen Bereich von maximaler Elektronendichte bildet,
wodurch die Verschmelzungsstufen erleichtert werden.