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Die Erfindung betrifft einen Wärmestromaufnehmer mit einer in Wärmestromrichtung dünnen Schicht, an welcher mindestens zwei Temperatursensoren angeordnet sind, wobei die Differenz der von den Temperatursensoren erfassten Temperaturen ein Mass für den Wärmestrom darstellt.
Aus der DE-PS Nr. 401050, sowie der CH-PS Nr. 518535 sind bereits Aufnehmer bekannt, die den Temperaturabfall an einer dünnen Schicht messen, um den Wärmestrom zu bestimmen, doch wird in beiden Fällen nicht auf zeitlich rasch veränderliche Wärmeströme eingegangen
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Fällen nicht die für die Messung instationärer Wärmeströme wichtigste Voraussetzung geschaffen wurde, nämlich sehr geringe Wärmekapazität, d. h. in erster Linie sehr geringe Dicke der Messschicht (Schicht zwischen den beiden Temperaturmessstellen). "Sehr geringe Dicke" bedeutet dabei z. B. für die periodische Beheizung, dass die Dicke der Messschicht sehr klein ist im Vergleich mit der Eindringtiefe des Wärmestroms, der gemessen werden soll.
Die Eindringtiefe ist die Tiefe ab der beheizten Fläche, bis zu der merkliche Temperaturänderungen auftreten.
In beiden angeführten Druckschriften sollten offensichtlich nur universell verwendbare Sensoren zur Messung mehr oder weniger stationärer Wärmeströme verwirklicht werden, wobei "dünne" Messschichten nur soweit angestrebt werden, wie dadurch geringer Wärmewiderstand erzielt werden kann, ohne auf geringe Masse bzw. Wärmekapazität zu achten.
Gemäss der DE-PS Nr. 401050 werden als Messschichten Glas- bzw. Kautschukplatten von mehreren mm Dicke verwendet - absolut ungeeignet also für die Messung instationärer Wärmeströme, die bei entsprechend kurzer Dauer bzw. hoher Frequenz nur bis in Tiefen von einigen 1/10 mm merkliche Temperaturänderungen hervorrufen - Wärmeströme, wie sie z. B. in Brennräumen von Verbrennungsmotoren auftreten.
Überhaupt ist es undenkbar, dass mit dem Konzept eines Wärmestromsensors, der aus mechanisch zunächst getrennt hergestellten Schichten zusammengefügt wird, ein ausreichend dünnes Messelement zu verwirklichen ist. Dies gilt auch für den aus der CH-PS Nr. 518535 bekannten Sensor, bei dem schon eine einzelne Isolierschicht (6, 7 in Fig. 1 und Fig. 2) zwangsläufig dicker sein muss als dies für die Messung wirklich rasch veränderlicher Wärmeströme zulässig wäre.
Derart rasch veränderliche Wärmeströme werden zur Zeit mit Hilfe von Oberflächentemperaturmessungen bestimmt, wobei durch relativ aufwendige Verfahren das instationäre Temperaturfeld berechnet wird und welcher Wärmestrom notwendig war, um den gemessenen Temperaturverlauf hervorzurufen.
Ziel der Erfindung ist es, auch sehr rasch veränderliche Wärmeströme, wie z. B. die bereits erwähnten Wärmeflüsse in die Brennkammerwände von Verbrennungsmotoren direkt messbar zu machen.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass, um ausreichend geringe Dicke der Messschicht des Sensors zu ermöglichen, ein massiver Grundkörper vorgesehen ist, der entweder durch das Messobjekt selbst gebildet wird oder aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitungseigenschaften dem Messobjekt weitgehend entsprechen, und dass auf diesem Grundkörper die dünne Schicht sowie die vorzugsweise ebenfalls als dünne Schichten ausgebildeten Temperatursensoren aufgebracht sind, wobei die Dicke der die Temperatursensoren tragenden Schicht sehr klein ist gegen die Eindringtiefe von zyklischen Wärmestromschwankungen. Durch moderne Dünnschichttechniken, wie Sputtern oder Aufdampfen, sind leicht Schichten von weit unter 1/1000 mm herstellbar.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Die beiden Fig. zeigen zwei Ausführungsformen der Erfindung.
Auf dem Grundkörper --1-- liegt die Isolierschicht --2--. Darauf befinden sich ein Thermoelement, das von Leitungen aus dünnen Schichten der beiden Thermomaterialien --3 und 4--, gebildet wird. Darüber ist eine weitere Isolierschicht --8-- und ein weiteres dünnes Thermoelement --9 und 10-- angeordnet. Die gegen den Grundkörper isolierten --5-- Zuleitungen --6, 7 und 11-- sind ebenfalls aus Thermomaterial, sodass --3, 6 und 9-- bzw. --4, 7,10 und 11-- jeweils aus demselben Material bestehen.
Der Grundkörper-l-muss, wie bereits erwähnt, aus einem hinsichtlich Wärmeleitung und Wärmekapazität dem Messobjekt möglichst ähnlichen Material bestehen, um die Temperatur
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an der Oberfläche des Messobjektes nicht durch den Wärmestromsensor zu verändern. Im Idealfall ist das Material des Grundkörpers identisch mit dem Material des Messobjektes.
Die Isolierschicht --2-- ist nur notwendig, wenn der Grundkörper --1-- aus leitendem Material ausgeführt ist, um das erste Temperaturmesselement (im dargestellten Beispiel --3 und 4--) elektrisch vom Grundkörper zu trennen. Ihre thermischen Eigenschaften sollten denen des Grundkörpers --1-- ähneln, sind aber angesichts der geringen Dicke dieser Schicht nur von geringem Einfluss.
Die Isolierschicht --8-- - die eigentliche Messschicht - bestimmt durch ihre Dicke, ihre Wärmeleitfähigkeit und ihre Wärmekapazität die wesentlichen Eigenschaften des Sensors, nämlich die Grösse des wärmestromproportionalen Temperaturabfalls und wie rasch dieser Temperaturabfall dem Wärmestrom folgt. Wählt man die Dicke dieser Isolierschicht--8--z. B. 1/1000 mm so folgt, wie Modellrechnungen zeigen, der Temperaturabfall an der Isolierschicht --8-- dem in sie eintretenden und wegen ihrer geringen Dicke praktisch zur Gänze durch sie durchfliessenden Wärmestrom innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde. Damit werden auch sehr rasch veränderliche Wärmeströme direkt messbar (im in Fig. 1 dargestellten Beispiel als Thermospannung zwischen --7 und 11--).
Die Temperaturmesselemente, die Thermoelemente --3, 4 und 9, 10-- können durch die genannten Techniken so dünn ausgeführt werden-unter 1/1000 mm-, dass ihr Wärmewiderstand selbst im Vergleich zur bereits sehr dünnen Isolierschicht --8-- vernachlässigt ist. Neben der in Fig. 1 gewählten Ausführung als Thermoelemente sind natürlich auch andere Temperaturmesselemente, wie z. B. Widerstandsfühler, denkbar. Die vom Grundkörper entfernter liegende Temperaturmessstelle wird zweckmässig-wie gezeichnet-als Oberflächentemperaturmessstelle ausgebildet.
Eine ebenfalls vom Schutz des Temperaturmesselementes nötige Schicht vor dieser Messstelle nimmt einen Teil des zu messenden Wärmestroms auf und vermindert damit die Ansprechgeschwindigkeit des Sensors.
Die Breite der "Messschicht" kann bei der gewählten Anordnung leicht sehr gross gegen- über der Dicke ausgeführt werden. Dadurch ist der quer zum zu messenden Wärmestrom auftretende Wärmefluss innerhalb der Messschicht vernachlässigbar. Der zu messende Wärmestrom ergibt
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Ungenauigkeiten der Messung, die aus Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit der Schicht --8-- mit der Temperatur bzw. aus Ungenauigkeiten der Thermoelementcharakteristik herrühren, können beseitigt werden, wenn die Absoluttemperatur wenigstens einer Temperaturmessstelle mitgemessen wird-in Fig. l die Thermospannung zwischen --6 und 7--.
Der Wärmeleitwiderstand des Schichtaufbaus aus Isolierschichten und Temperaturfühlern in Messrichtung ist insgesamt so gering, dass keine bedeutenden Temperaturänderungen an der Oberfläche und damit Änderungen des in die Oberfläche eintretenden Wärmestroms auftreten.
Der geschilderte Aufnehmer besitzt die wesentlichen Voraussetzungen, um Wärmeströme einfach, genau und vor allem instationär messen zu können. Störungen der Temperaturen des Messobjektes werden durch den thermisch angepassten Grundkörper und dünne Messschichten vermieden, das Messsignal ist dem Wärmestrom direkt proportional und allfällige Unlinearitäten des Sensors sind leicht zu berücksichtigen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung zeigt Fig. 2. In diesem Fall trägt der Grundkörper --21-- zwei dünne, elektrisch isolierende Messschichten --22 und 23--nebeneinander, auf denen jeweils mindestens ein Temperaturmesselement angebracht ist ; im dargestellten Beispiel die aus dünnen Schichten gebildeten Thermopaarungen --24, 25 und 24, 26--. --25 und 26-bestehen aus demselben Thermomaterial.
Nimmt man zunächst gleichen Wärmeübergang in beide Schichten an, so entsteht an der dünnen Schicht --23-- ein grösserer Temperaturabfall als an --22--, d. h. eine höhere Oberflächentemperatur. Der Unterschied der Oberflächentemperaturen ist dann proportional zum eintretenden Wärmestrom und wird als Thermospannung zwischen --25 und 26--gemessen.
Tatsächlich wird durch die erhöhte Oberflächentemperatur an --23-- etwas weniger Wärme in diese Schicht eintreten als in --22--. Sowohl die Temperatur des Grundmaterials unter --23--
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als auch der Temperaturabfall an --23-- wird entsprechend geringer sein. Bei sehr geringen Schichtdicken werden auch diese Fehler sehr klein.
Ein wesentlichen Vorteil dieser Bauart ist die einfache Ausführung und die Möglichkeit, einfach Serienschaltungen zu verwirklichen. Änderungen in der Wärmeleitfähigkeit der Schichten und der Empfindlichkeit des Thermopaares mit der Temperatur können auch hier durch Messung der absoluten Temperatur berücksichtigt werden-Thermospannung zwischen--26 und 27--.
Die unterschiedlichen Temperaturabfälle an den Schichten --22 und 23-- können ausser durch unterschiedliche Dicke natürlich auch durch unterschiedliche Wärmeleitwerte erreicht oder verstärkt werden.
Ebenso wie bei der ersten Bauart können auch hier verschiedene Temperaturmesselemente verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmestromaufnehmer mit einer in Wärmestromrichtung dünnen Schicht, an welcher mindestens zwei Temperatursensoren angeordnet sind, wobei die Differenz der von den Temperatursensoren erfassten Temperaturen ein Mass für den Wärmestrom darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundkörper (l ; 21) vorgesehen ist, der entweder durch das Messobjekt selbst gebildet ist oder aus einem Material besteht, dessen Wärmeleiteigenschaften dem Messobjekt weitgehend entsprechen, und dass auf diesem Grundkörper (l ; 21) die dünne Schicht (8 ; 22,23) sowie die
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