AT399777B - MEASURING SYSTEM FOR MEASURING THE SURFACE TEMPERATURE OF A WALL - Google Patents

MEASURING SYSTEM FOR MEASURING THE SURFACE TEMPERATURE OF A WALL Download PDF

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Abstract

In a measuring system for measuring the surface temperature of a wall 1, there is at least one pickup having a base body 3 which can be inserted into the wall 1 and at least one temperature measuring element 6, and also an evaluation device for the measured signals. In order to achieve exact and repeatable measuring conditions, the temperature measuring element 6 is fitted to a carrying element 4 made of electrically insulating material in such a way that, at the measurement point, only a one-dimensional flow of heat directed into the carrier material can occur. The thickness of the carrying element 4 is dimensioned such that temperature fluctuations can decay in it. In the evaluation device, the measured signal is subjected to a conversion, depending on a factor which takes into account the differences between the wall material and carrying element. The surface temperature of the carrying element 4 is made equal to the surface temperature of the wall 1. <IMAGE>

Description

AT 399 777 BAT 399 777 B

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur Messung der Oberflächentemperatur einer Wand, mit wenigstens einem Aufnehmer mit in die Wand einsehbarem Grundkörper mit einem Trägerkörper aus elektrisch isolierendem Material, auf dem ein oder mehrere dünnflächige Temperaturmeßelemente, insbesondere Thermopaarungen oder Meßwiderstände aus dünnen Schichten, in einer mit ihrer freien Oberfläche 5 zumindest im wesentlichen mit der Wandoberfläche fluchtenden Meßsteilung anbringbar sind und einer Auswertungs- oder Anzeigeeinrichtung für die Meßsignale.The invention relates to a measuring system for measuring the surface temperature of a wall, with at least one transducer with a base body that can be seen into the wall, with a support body made of electrically insulating material, on which one or more thin-surface temperature measuring elements, in particular thermocouples or measuring resistors made of thin layers, in one with it free surface 5 are at least substantially attachable to the wall surface aligned measuring division and an evaluation or display device for the measurement signals.

Meßsysteme dieser Art werden für die Messung rascher Temperaturänderungen einer Wandoberfläche, z.B. der Zylinderwand einer Verbrennungskraftmaschine, verwendet. Für solche Messungen sind Temperaturaufnehmer, d.h. Meßelemente erforderlich, die Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich aufweisen. jo Derartig kurze Ansprechzeiten werden durch sehr dünne, in speziellen Vakuumverfahren durch Bedampfung oder Kathodenstrahlzerstäubung aufgebrachte Meßelemente in Stärken unter 1/1000 mm erreicht Wegen ihrer geringen Wärmekapazität sprechen derartige Schichten rasch auf Temperaturänderungen an und nehmen auf Grund ihrer kleinen Abmessungen auch keinen merkbaren Einfluß auf das Temperaturfeld. Sie ermöglichen also die Messung des tatsächlichen Oberflächentemperaturverlaufes des Materials, auf dem is sie aufgebracht sind.Measuring systems of this type are used for measuring rapid changes in temperature of a wall surface, e.g. the cylinder wall of an internal combustion engine. For such measurements, temperature sensors, i.e. Measuring elements required that have response times in the microsecond range. jo Such short response times are achieved by very thin measuring elements in thicknesses below 1/1000 mm, which are applied in special vacuum processes by vapor deposition or cathode-ray sputtering. Because of their low heat capacity, such layers respond quickly to temperature changes and, due to their small dimensions, also have no noticeable influence on this Temperature field. They therefore enable the actual surface temperature profile of the material to which they are applied to be measured.

Bei entsprechender Konstruktion des Temperaturaufnehmers kann der instationäre Wandwärmestrom aus dem gemessenen instationären Wandoberflächentemperaturverlauf nach der Oberflächentemperaturmethode berechnet werden, vgl. etwa Eichelberg G.: &quot;Temperaturverlauf und Wärmespannungen in Verbrennungsmotoren&quot; Forsch.-Arb. a.d. Geb. d. Ing.-Wesens, Heft 163, 1923). In diesem Fall wird das zo instationäre Temperatur- und Wärmestromfeld in der Wand als exakte Lösung der Fourierschen Differentialgleichung der Wärmeleitung (Gleichung (1), siehe Tafel) für periodische Temperaturschwankungen in Form der Gleichungen (2) und (3) beschrieben. In diesen Gleichungen stellt a die Temperaturleitfähigkeit dar, die sich entsprechend Gleichung (4) aus den Materialwerten X,p und c errechnen läßt. Die Winkelgeschwindigkeit ω läßt sich nach Gleichung (5) mit der Frequenz f, bzw. der Periodendauer T der auftretenden 25 zyklischen Oberflächentemperaturänderung berechnen. Aus einer Fourieranalyse des gemessenen instationären Temperaturverlaufes an der Wandoberfläche (x = Null) erhält man die Koeffizienten A,· und Bj in Gleichung (2) und damit auch den instationären Wandwärmestromanteil in Gleichung (3).If the temperature sensor is designed accordingly, the transient wall heat flow can be calculated from the measured transient wall surface temperature curve using the surface temperature method, cf. about Eichelberg G .: &quot; temperature curve and thermal stresses in internal combustion engines &quot; Research Associate a.d. Born d. Ing.-Wesens, Issue 163, 1923). In this case, the zo unsteady temperature and heat flow field in the wall is described as an exact solution of the Fourier differential equation of heat conduction (equation (1), see table) for periodic temperature fluctuations in the form of equations (2) and (3). In these equations, a represents the temperature conductivity, which can be calculated from the material values X, p and c in accordance with equation (4). The angular velocity ω can be calculated according to equation (5) with the frequency f or the period T of the cyclical change in surface temperature that occurs. From a Fourier analysis of the measured transient temperature curve on the wall surface (x = zero), the coefficients A, · and Bj in equation (2) and thus also the transient portion of the wall heat flow in equation (3) are obtained.

Dabei ist vorauszusetzen, daß das Temperaturfeld an der Meßstelle eindimensional ist und die Temperaturschwankung innerhalb des Materials, auf dem das Meßelement aufgebracht ist, weitgehend 30 abklingt. Die Werkstoffwerte dieses Trägermaterials sind in die Gleichung (2) und (3) einzusetzen. Bei bisherigen Ausführungen wird versucht, das Temperaturfeld in der Wand durch den Einbau des Aufnehmers möglichst wenig zu verändern, siehe dazu Kiel!, M.: &quot;Messung und Berechnung instationärer Oberflächentemperaturen und Wandwärmeströme in Verbrennungskraftmaschinen&quot; Mitteilungen des Institutes für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik, Heft 52, Technische Universität Graz 1989. D. h., der 35 Aufnehmergrundkörper wird aus Wandmaterial hergestellt, die Kühlbedingungen am Aufnehmer werden weitgehend den Kühlbedingungen der umgebenden Wand angepaßt und die Isolierschicht, auf der das dünne Meßelement aufgebracht ist, und deren Aufgabe die elektrische Isolation der Meßschicht vom Grundkörper ist, wird möglichst dünn (unter 1 um ) ausgeführt, so daß diese Isolierschicht praktisch keinen Einfluß hat und mit den Materialwerten der Wand (bzw. des Aufnehmers) gerechnet werden kann. 40 Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das wiederholbar exakte Messungen der Oberflächentemperatur bzw. des Oberflächentemperaturverlaufes und damit eine Bestimmung des instationären Wandwärmestromes ermöglicht.It must be assumed that the temperature field at the measuring point is one-dimensional and the temperature fluctuation within the material on which the measuring element is applied largely subsides. The material values of this carrier material are to be used in equations (2) and (3). In previous versions, attempts have been made to change the temperature field in the wall as little as possible by installing the sensor, see Kiel !, M .: &quot; Measurement and calculation of transient surface temperatures and wall heat flows in internal combustion engines &quot; Announcements from the Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Issue 52, Graz University of Technology 1989. That is, the 35 sensor base is made of wall material, the cooling conditions on the sensor are largely adapted to the cooling conditions of the surrounding wall and the insulating layer on which the thin measuring element is applied, and the task of which is the electrical insulation of the measuring layer from the base body, is carried out as thinly as possible (less than 1 μm), so that this insulating layer has practically no influence and the material values of the wall (or the transducer) can be expected. 40 It is therefore an object of the invention to provide a measuring system of the type mentioned at the outset which enables repeatable exact measurements of the surface temperature or the surface temperature profile and thus a determination of the transient wall heat flow.

Die gestellte Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, daß der Trägerkörper in der Meßfläche über die Meßstelle bzw. Meßstellen hinausreicht und am Umfang thermisch abgeschirmt ist, so daß an der bzw. den 45 Meßstellen zumindest im wesentlichen nur ein eindimensionaler, in das Trägermaterial gerichteter Wärmestrom auftreten kann, daß die Mindestdecke des Trägerkörpers entsprechend den auftretenden zyklischen Temperaturschwankungen nach der Gleichung 50In principle, the object is achieved in that the carrier body extends beyond the measuring point or measuring points in the measuring surface and is thermally shielded on the circumference, so that at least essentially one one-dimensional heat flow occurring in the carrier material occurs at the 45 measuring points can that the minimum ceiling of the support body according to the cyclical temperature fluctuations occurring according to equation 50

XtjiXtji

bestimmt ist, wobei ω die niedrigste, bei der Messung zu berücksichtigende Winkelgeschwindigkeit, die sich aus den entsprechenden Werten der Frequenz f bzw. der Periodendauer T der auftretenden zyklischen 2 55 ΑΤ 399 777 Βis determined, where ω is the lowest angular velocity to be taken into account in the measurement, which results from the corresponding values of the frequency f or the period T of the cyclical 2 55 ΑΤ 399 777 Β that occurs

Temperaturänderung nach der Gleichung errechnet, i die Zählvariable der Summenfunktion und a die Temperaturleitfähigkeit des Materials des Trägerkörpers sind, so daß diese Temperaturschwankungen im Trägerkörper abklingen können und daß die Auswertungseinrichtung das an den Temperaturmeßelementen gemessene, der Oberflächentemperatur entsprechende Signal nach einem die Unterschiede von Wandmaterial und Trägerkörper berücksichtigenden Umrechnungsfaktor einer Umrechnung unterzieht und für die Messung dieOberflächentemperatur des Trägerkörpers über Kühl- oder Heizeinrichtungen an die Oberflächentemperatur der Wand angleichbar ist und bzw. oder Oberflächentemperaturunterschiede durch entsprechende Faktoren bei der Umrechnung des Meßsignales berücksichtigbar sind.Temperature change calculated according to the equation, i are the counting variable of the sum function and a are the temperature conductivity of the material of the carrier body, so that these temperature fluctuations in the carrier body can subside and that the evaluation device measures the signal measured on the temperature measuring elements, corresponding to the surface temperature, according to the differences between wall material and Subjecting the carrier body to a conversion factor and for the measurement the surface temperature of the carrier body can be matched to the surface temperature of the wall via cooling or heating devices and / or surface temperature differences can be taken into account by corresponding factors when converting the measurement signal.

Eine Grundüberlegung der Erfindung ist es, daß es günstiger ist, die Materialunterschiede des Trägerkörpers gegenüber dem Wandmaterial durch Umrechnung zu berücksichtigen und dafür weitgehend exakte Meßbedingungen herzustellen, bei denen tatsächlich ein zumindest im wesentlichen eindimensionaler Wärmestrom auftritt, so daß auch exakte Bestimmungen des instationären Wärmestromanteiles möglich sind. Durch die erfindunsgemäße Konstruktion wird an den Meßstellen ein eindimensionales Temperaturfeld erhalten und die Oberflächentemperaturschwankungen klingen innerhalb des Trägerkörpers aus elektrisch isolierendem Material ab. Wegen der geringen Wärmekapazität der Temperaturmeßelemente folgen sie praktisch trägheitslos den Temperaturänderungen des Trägermatrials und nehmen keinen merkbaren Einfluß auf das Temperaturfeld.A basic consideration of the invention is that it is cheaper to take into account the material differences of the support body compared to the wall material by conversion and to produce largely exact measurement conditions for this, in which an at least essentially one-dimensional heat flow actually occurs, so that exact determinations of the unsteady heat flow component are also possible are. Due to the construction according to the invention, a one-dimensional temperature field is obtained at the measuring points and the surface temperature fluctuations subside within the carrier body made of electrically insulating material. Because of the low heat capacity of the temperature measuring elements, they follow the temperature changes of the carrier material practically without inertia and have no noticeable influence on the temperature field.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen nach den Unteransprüchen, Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes entnimmt man der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung.Further advantageous developments according to the dependent claims, details and advantages of the subject matter of the invention can be found in the following description of the drawings.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen Rg. 1 in schematisierter Darstellungsweise eine Meßanordnung zur Messung der Oberflächentemperatur einer Wand, wobei die Wand und der Aufnehmer im Schnitt dargestellt sind,The subject matter of the invention is illustrated in the drawing, for example. 1 shows, in a schematic representation, a measuring arrangement for measuring the surface temperature of a wall, the wall and the sensor being shown in section,

Fig. 2 eine Draufsicht zu Rg. 1,2 is a plan view of Rg. 1,

Fig. 3 in einer der Rg. 1 ähnlichen Darstellungsweise eine weitere Meßanordnung,3 shows a further measuring arrangement in a representation similar to FIG. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht zu Rg. 3,4 is a plan view of Rg. 3,

Rg. 5 eine dritte Meßanordnung im Schnitt und Fig. 6 eine Draufsicht zu Rg. 5.Rg. 5 a third measuring arrangement in section and Fig. 6 is a plan view of Rg. 5th

In der Zeichnung wurden in den Rg. 3 und 4 bzw. 5 und S gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen wir in den Fig. 1 und 2 bezeichnet und durch den Zusatz a bzw. b unterschieden.In the drawing, in parts 3 and 4 or 5 and S, parts of the same type were designated with the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2 and distinguished by the additions a and b.

Nach den Fig. 1 und 2 ist eine Wand 1, bei der der Verlauf der Temperatur der Oberfläche 2 zu messen ist, aus einem Material A hergestellt. In die Wand ist ein Aufnehmer-Grundkörper 3 eingesetzt, der aus dem gleichen Material wie die Wand oder auch aus einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen kann. Anschließend an die Oberfläche 2 ist in den Grundkörper 3 eine Trägerschicht 4 aus elektrisch isolierendem Material B eingesetzt. Diese Trägerschicht 4 weist zum Unterschied zu den bisherigen Ausführungen, bei denen diese Schicht möglichst den (unter 1 um ) ausgeführt wird, ein Dicke Xm im Bereich weniger mm auf. Auf der Oberfläche 5 des Trägerkörpers 4 ist ein als Thermopaarung aus Dünnschichtelementen bestehendes Temperaturmeßelement 6 angebracht, von dem zwei Leitungsdrähte 7 durch den Trägerkörper 4 und, isoliert, durch den Grundkörper 3 nach außen zu einer nicht weiter dargestellten Meß- und Auswertungsanordnung geführt sind. Zur Verhinderung radialer Wärmeströme ist zwischen dem Trägerkörper 4 und dem Rand der für den Trägerkörper vorgesehenen Aufnahmevertiefung im Grundkörper 3 eine Nut 8 vorgesehen, die gegebenenfalls auch mit einem wärmeisolierenden Material ausgefüllt sein kann. Der Grundkörper 3 besitzt eine Höhlung 9, die von einem über Leitungen 10, 11 zu-und abgefilhrten Kühlmedium durchströmt sein kann. Durch Regeleinrichtungen wird angestrebt die Temperatur der Oberfläche 5 exakt an die Temperatur der Oberfläche 2 anzugleichen.1 and 2, a wall 1, in which the course of the temperature of the surface 2 is to be measured, is made of a material A. A sensor base body 3 is inserted into the wall, which can consist of the same material as the wall or of another suitable material. Subsequent to the surface 2, a carrier layer 4 made of electrically insulating material B is inserted into the base body 3. In contrast to the previous versions, in which this layer is made as small as possible (below 1 μm), this carrier layer 4 has a thickness Xm in the range of a few mm. On the surface 5 of the carrier body 4 is a thermocouple consisting of thin-film elements temperature measuring element 6 is attached, of which two lead wires 7 through the carrier body 4 and, isolated, through the base body 3 to the outside to a measuring and evaluation arrangement, not shown. To prevent radial heat flows, a groove 8 is provided between the carrier body 4 and the edge of the receiving recess provided for the carrier body in the base body 3, which can optionally also be filled with a heat-insulating material. The base body 3 has a cavity 9 through which a cooling medium supplied and discharged via lines 10, 11 can flow. Control devices aim to match the temperature of the surface 5 exactly to the temperature of the surface 2.

Aufgrund der geringen Wärmekapazität des sehr dünnen Meßelementes 6, das durch geeignete Vakuumverfahren hergestellt wird, folgt dieses der Oberflächentemperaturänderung am Trägermaterial 4 praktisch trägheitslos und nimmt keinen merkbaren Einfluß auf das Temperaturfeld. Die Temperaturmessung erfolgt durch die elektrische Widerstandsänderung einer dünnen Meßschicht oder durch die abgegebene Thermospannung einer Thermopaarung aus dünnen Schichten zweier Leiter. 3Due to the low heat capacity of the very thin measuring element 6, which is produced by suitable vacuum processes, this follows the surface temperature change on the carrier material 4 practically without inertia and has no noticeable influence on the temperature field. The temperature is measured by changing the electrical resistance of a thin measuring layer or by the thermal voltage emitted by a thermocouple consisting of thin layers of two conductors. 3rd

AT 399 777 BAT 399 777 B

Der gemessene Temperaturverlauf entspricht also der Oberflächentemperaturänderung auf dem vom Wandmaterial A unterschiedlichen Trägermaterial B. Aus diesem gemessenen Temperaturverlauf an der Oberfläche des Trägermateriais 4 kann bei erfindungsgemäßer Ausführung des Aufnehmers der Temperaturverlauf an der ungestörten Wandoberfläche berechnet werden. Unter der Voraussetzung eindimensionaler Temperaturfelder und dem weitgehenden Abklingen der Temperaturschwingung innerhalb des Trägermaterials wurde von den Erfindern zwischen den Amplituden der Oberflächentemperatur auf den beiden verschiedenen Materialien A und B bei gleichem Wärmestromeinfall der Zusammenhang (6) abgeleitet.The measured temperature profile thus corresponds to the change in surface temperature on the carrier material B different from wall material A. From this measured temperature profile on the surface of the carrier material 4, the temperature profile on the undisturbed wall surface can be calculated when the sensor is designed according to the invention. Assuming one-dimensional temperature fields and the extensive decay of the temperature oscillation within the carrier material, the relationship (6) was derived by the inventors between the amplitudes of the surface temperature on the two different materials A and B with the same incidence of heat flow.

(6)(6)

Darin bedeutet:It means:

Δ 7a [' C, K] Temperaturamplitude Material A λΑ [W/mK] Wärmeleitfähigkeit Material AΔ 7a ['C, K] temperature amplitude material A λΑ [W / mK] thermal conductivity material A

pa [kg/m3] Dichte Material Apa [kg / m3] density material A

cA [J/kgK] spezifische Wärmekapazität Material AcA [J / kgK] specific heat capacity material A

ATS[-C,K] Temperaturamplitude Material B λβ [W/mK] Wärmeleitfähigkeit Material BATS [-C, K] temperature amplitude material B λβ [W / mK] thermal conductivity material B

pb [kg/m3] Dichte Material Bpb [kg / m3] density material B

Ca [J/kgK] spezifische Wärmekapazität Material BCa [J / kgK] specific heat capacity material B

Durch die Umrechnung der gemessenen Temperaturamplituden an der Oberfläche von Trägermaterial B mit Hilfe von Gleichung (6) erhält man den gesuchten Oberflächentemperaturverlauf auf dem Wandmaterial A. Über eine Fourieranalyse (Berechnung der Fourierkoeffizienten (A; und Bj) des berechneten Temperaturverlaufes an der Wandoberfläche kann in weiterer Folge das instationäre Wandwärmestromfeld bestimmt werden, wobei darauf zu achten ist, daß mit den Werkstoffwerten des Wandmaterials gerechnet wird. Die Bestimmung des instationären Wandwärmestromfeldes ist auch über eine Fourieranalyse des gemessenen Temperaturverlaufes an der Oberfläche des Trägermaterials möglich, wenn mit den Werkstoffwerten des Trägermaterials gerechnet wird.By converting the measured temperature amplitudes on the surface of carrier material B with the help of equation (6), the desired surface temperature profile on wall material A is obtained. A Fourier analysis (calculation of the Fourier coefficients (A; and Bj) of the calculated temperature profile on the wall surface can be used in the transient wall heat flow field must also be determined, taking care that the material values of the wall material are taken into account. The determination of the transient wall heat flow field is also possible via a Fourier analysis of the measured temperature profile on the surface of the carrier material, if the material values of the carrier material are used becomes.

Voraussetzung für diese Vorgangsweise ist wie oben bereits angeführt eine Aufnehmerkonstruktion, die einen eindimensionalen Wärmestrom an der Meßstelle und ein weitgehendes Abklingen der Temperaturschwingung im Trägermaterial, sowie einen gleichen Wärmestromeinfall in das Trägermateria! und in die ungestörte Wand gewährleistet:A prerequisite for this procedure, as already mentioned above, is a transducer construction that has a one-dimensional heat flow at the measuring point and extensive decay of the temperature oscillation in the carrier material, as well as an equal incidence of heat flow into the carrier material! and into the undisturbed wall ensures:

Um eine Störung des Temperaturfeldes durch die Drahtdurchführungen zu vermeiden, die einen radialen und damit mehrdimensionalen Wärmestrom verursachen, liegt der Ort der Temperaturmessung räumlich von den Drahtdurchführungen getrennt Radialer Wärmestrom vom Trägermaterial zur Wand kann durch die isolierende Nut 8 weitgehend verhindert werden.In order to avoid a disturbance of the temperature field by the wire bushings, which cause a radial and thus multidimensional heat flow, the location of the temperature measurement is spatially separated from the wire bushings. Radial heat flow from the carrier material to the wall can be largely prevented by the insulating groove 8.

Um ein weitgehendes Abklingen der Temperaturschwingung innerhalb des Trägermaterials zu erreichen, muß das Trägermaterial eine bestimmte Mindestdicke xm aufweisen. Diese Mindestdicke des Trägermaterials läßt sich mit der aus Gleichung (2) abgeleiteten Beziehung (7) errechnen, wobei durch diese Bedingung sichergestellt ist daß die Amplitude der Temperaturschwingung in der Tiefe x = xtr des Trägermaterials unter 1 % der Amplitude an der Oberfläche (x = Null) abklingtIn order to ensure that the temperature oscillation within the carrier material largely subsides, the carrier material must have a certain minimum thickness xm. This minimum thickness of the carrier material can be calculated using the relationship (7) derived from equation (2), this condition ensuring that the amplitude of the temperature oscillation at depth x = xtr of the carrier material is less than 1% of the amplitude on the surface (x = Zero) subsides

°° / rsr\ XTR Σ M s isi°° / rsr \ XTR Σ M s isi

Darin bedeutet: a [m2/s] Temperaturleitfähigkeit «[s-1] Winkeleschwinigkeit 4 01Therein means: a [m2 / s] temperature conductivity «[s-1] angular velocity 4 01

AT 399 777 B / [] Zählvariable x-m [m] Dicke des TrägermaterialsAT 399 777 B / [] counting variable x-m [m] thickness of the carrier material

Dabei ist in die Beziehung (7) für a die Temperaturieitfahigkeit des Trägermaterials und für u&gt; die niedrigste, bei der Messung zu berücksichtigende Winkelgeschwindigkeit, die sich mit den entsprechenden Werten der Frequenz f bzw. der Periodendauer T der auftretenden zyklischen Temperaturänderung nach Gleichung (5) berechnen läßt, einzusetzen.The relationship (7) for a is the temperature conductivity of the carrier material and for u &gt; to use the lowest angular velocity to be taken into account in the measurement, which can be calculated using the corresponding values of the frequency f or the period T of the cyclical temperature change occurring according to equation (5).

Damit der Wärmestrom über dem Trägermaterial dem über der ungestörten Wandoberfläche entspricht, ist es erforderlich, daß die mittlere Oberflächentemperatur des Trägermaterials der der ungestörten Wandoberfläche entspricht. Das wird durch entsprechende Wahl der Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpermaterials und durch entsprechende Kühlung des Aufnehmers etwa durch Luft oder Wasser über Kühlzuführungen 10,11 zum Hohlraum 9 erreicht.So that the heat flow over the carrier material corresponds to that over the undisturbed wall surface, it is necessary that the average surface temperature of the carrier material corresponds to that of the undisturbed wall surface. This is achieved by an appropriate choice of the thermal conductivity of the base body material and by appropriate cooling of the sensor, for example by air or water via cooling feeds 10, 11 to the cavity 9.

Bei der Ausführung nach den Fig. 3 und 4 ist der z.B. aus Stahl bestehende Grundkörper 3a mit einem Gewinde versehen und in eine entsprechende Gewindeöffnung der z.B. aus Grauguß (Material A) bestehenden Wand 1a eingeschraubt, wobei eine Dichtung 12 vorgesehen ist. Die Höhlung 9a ist für die Kühlung an ein Außenrohr 13 und ein innenrohr 14 angeschlossen.3 and 4 is the e.g. Steel base body 3a is provided with a thread and into a corresponding thread opening in e.g. wall 1a made of gray cast iron (material A) is screwed in, a seal 12 being provided. The cavity 9a is connected to an outer tube 13 and an inner tube 14 for cooling.

Als Meßelemente dienen zwei Widerstandsmeßelemente 15, die, wie insbesondere Fig. 4 zeigt, gegengleich symmetrisch auf der Oberfläche 5a angebracht sind, aus aufgedampften Meßbahnen 16 aus Platin bestehen können, wobei auch eine Mäanderform in der Leitungsführung möglich ist und deren Anschlußenden 17 einen stark vergrößerten Querschnitt aufweisen. Im Bereich der Anschlußenden 17, die außen vorgesehen sind, sind die Meßbahnen 16 mit Leiterpaaren 7a verbunden.Two resistance measuring elements 15 serve as measuring elements, which, as shown in FIG. 4 in particular, are arranged symmetrically on the surface 5a, can consist of vapor-deposited measuring tracks 16 made of platinum, a meandering shape in the line routing also being possible and the connecting ends 17 of which are greatly enlarged Have cross-section. In the region of the connection ends 17, which are provided on the outside, the measuring tracks 16 are connected to pairs of conductors 7a.

Die Änderung des Schichtwiderstandes infolge der Oberfiächentemperaturschwankung wird als Meßsignal umgeformt, verstärkt und einem digitalen Meßdatenerfassungssystem zugeführt. Mit einer entsprechenden Auswertesoftware wird der gemessene Verlauf unter Verwendung des Zusammenhangs (6) auf den Temperaturverlauf auf dem Wandmaterial umgerechnet und Ober eine Fourieranalyse der Wandwärmestrom bestimmt.The change in the sheet resistance as a result of the surface temperature fluctuation is converted as a measurement signal, amplified and fed to a digital measurement data acquisition system. With appropriate evaluation software, the measured curve is converted using the relationship (6) to the temperature curve on the wall material and a Fourier analysis of the wall heat flow is determined.

Die Eindimensionalität des Temperaturfeldes an der Meßstelle wird durch eine Nut 8a mit wärmeisolierendem Material (spezielle Keramik oder Luft) und die geometrische Ausbildung der Meßstelle erzielt Die Ausführung als Meßwiderstand ergibt eine örtlich mittlere Temperatur über die Struktur der Platinschicht. Die Bereiche um die Drahtdurchführungen sind als dickere Bahnen ausgeführt. Das Temperaturfeld wird durch die Drähte lokal verfälscht, im Drahtbereich tritt radialer Wärmestrom auf. Der dünnere Teil der Platinschicht liegt in einem Bereich des Trägermaterials, der im wesentlichen einen Wärmestrom nur normal zur Aufnehmeroberfläche aufweist. Duch die geometrische Form bestimmt dieser schmale Bahnteil infolge seines dominierenden Widerstandsanteiles den gemessenen Temperaturverlauf.The one-dimensionality of the temperature field at the measuring point is achieved by means of a groove 8a with heat-insulating material (special ceramic or air) and the geometric design of the measuring point. The design as a measuring resistor results in a locally average temperature over the structure of the platinum layer. The areas around the wire bushings are designed as thicker sheets. The temperature field is falsified locally by the wires, radial heat flow occurs in the wire area. The thinner part of the platinum layer lies in an area of the carrier material which essentially has a heat flow only normal to the sensor surface. Due to the geometric shape, this narrow part of the web determines the measured temperature curve due to its dominating resistance component.

Der Grundkörper des Aufnehmers ist über Kühlzuführungen 14 wassergekühlt, um das Meßelement dem Temperaturniveau der ebenfalls wassergekühlten Graugußwand anpassen zu können.The base body of the sensor is water-cooled via cooling feeds 14 in order to be able to adapt the measuring element to the temperature level of the gray-cast iron wall, which is also water-cooled.

Bei der Ausführung nach den Fig. 5 und 6 ist wieder ein aus einer Thermopaarung bestehendes Meßelement 6b vorgesehen. Die Wand 1b kann z.B. aus Aluminiumguß (Material A) und der Grundkörper 3b aus Aluminium bestehen. Der Grundkörper 3b wird mit Hilfe einer Hülse 18 fixiert. Der eine der beiden Drähte 7b besteht aus Nickel und der andere aus einem Nickelchromdraht. Dementsprechend ist auch das Dünnschichtelement 6b aus einer Nickel- und einer Nickelchromschicht in -Stärken unter 1/1000 mm gebildet, wobei die Meßstelle in der Mitte des aus einer Quarzscheibe bestehenden Trägerkörpers 4b liegt. Die temperaturabhängig erzeugte Thermospannung der Meßstelle wird verstärkt,’an die Datenerfassungsanlage weitergeleitet und mit der Auswertesoftware sinngemäß entsprechend den Meßsignalen bei den Aufnehmern nach den vorherigen Ausführungsbeispielen weiterverarbeitet. Das Temperaturfeld an der Meßstelle in der Mitte der Quarzscheibe 4b wird durch die Drahtdurchführungen der Drähte 7b nicht beeinflußt. Ein radialer Wärmestrom wird durch die isolierende Nut 8b verhindert. Kühlleitungen 13b, 14b sind ebenfalls vorhanden. 5 s 70 75 20 25 30 35 40In the embodiment according to FIGS. 5 and 6, a measuring element 6b consisting of a thermocouple is again provided. The wall 1b can e.g. made of cast aluminum (material A) and the base body 3b made of aluminum. The base body 3b is fixed with the aid of a sleeve 18. One of the two wires 7b consists of nickel and the other of a nickel-chrome wire. Accordingly, the thin-film element 6b is formed from a nickel and a nickel-chrome layer in thicknesses below 1/1000 mm, the measuring point being in the middle of the carrier body 4b consisting of a quartz disk. The temperature-dependent generated thermal voltage of the measuring point is amplified, ’forwarded to the data acquisition system and further processed with the evaluation software according to the measurement signals at the sensors according to the previous exemplary embodiments. The temperature field at the measuring point in the middle of the quartz disk 4b is not influenced by the wire bushings of the wires 7b. A radial heat flow is prevented by the insulating groove 8b. Cooling lines 13b, 14b are also provided. 5 s 70 75 20 25 30 35 40

4S i*04S i * 0

Darin bedeuten:Where:

AT 399 777 B or δ.τ2AT 399 777 B or δ.τ2

* 2*)jA? ^ßf.S\n(iut~x^* 2 *) yes? ^ ßf.S \ n (iut ~ x ^

-arctan—) 2a B ^e ^ 21 v'SiM,2 T-B?.sin(iu:-x I — ^arctan— +—) 2α v N 2a 4; a =-arctan—) 2a B ^ e ^ 21 v'SiM, 2 T-B? .sin (iu: -x I - ^ arctan— + -) 2α v N 2a 4; a =

m -i*r P-.3J Waadtewnetatur m -vo-m, pc.25 adttleie WandobetäiÖLeiteatpetarnr t H Zeit = [m] Waadkoardsme ; Π Otdanag der Foissiessauiyse AsÄ £=2.¾ [W'/m-l Wandtrirtnestrom [WVtrj nuttiezer Wandwämtemom L=:/sl Teatperatnriettfämsieeh Λ [W/miq WSraeHtfSüugjcoi o fke/nr3 Diente c [Ι/ϊζΚ] WSCTriet»n«Tftär w E*^ Wiiucet^se0wmdi;icest f t?-1] Prequens T 1*3 Perioden danerm -i * r P-.3J Waadtewnetatur m -vo-m, pc.25 adttleie WandobetäiÖLeiteatpetarnr t H time = [m] Waadkoardsme; Π Otdanag der Foissiessauiyse AsÄ £ = 2.¾ [W '/ ml Wandtrirtnestrom [WVtrj nuttiezer Wandwämtemom L =: / sl Teatperatnriettfämsieeh Λ [W / miq WSraeHtfSüugjcoi o fke / nr3 Dient c [ΙTriet / w]] * ^ Wiiucet ^ se0wmdi; icest ft? -1] Prequens T 1 * 3 periods thereafter

Tafel 1: Gleichungen (i) (2) (3) (4) ; (s) l i I I i iTable 1: Equations (i) (2) (3) (4); (s) l i I i i i

I II I

II.

I 50 \I 50 \

Formelzeichen und Indizes 55 Formelzeichen A [-] Materialbezeichnung a [m2/s] Temperaturleitf&quot; ahigkeit 6Formula symbols and indices 55 Formula symbols A [-] Material designation a [m2 / s] Temperaturleitf &quot; ability 6

Claims (6)

AT 399 777 B B [-] Materialbezeichnung c [J/kg K] spezifische Wärmekapazität, c = dqrev/dT n' [] bezogene Drehzahl (verschiedene Dimensionen möglich) q [J/kg] spezifische Wärme s [m] Schichtdicke (des Gaskörpers, der Ramme) 7 [K] Temperatur f[*C] Temperatur f[s] Zeit a [W/m2 K] Wärmeübergangszahl e [-] Emissionszahl, -Verhältnis f [-] exergetischer Wirkungsgrad x [-] Isentropenexponent λ [W/m K] Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitzahl p [kg/m3] Dichte ω [s~'] Winkelgeschwindigkeit Indizes und Abkürzungen A Werkstoff A B Werkstoff B / Ordnungszahl der Fourieranalyse Patentansprüche 1, Meßsystem zur Messung instationärer Oberflächentemperaturverläufe einer Wand, mit wenigstens einem Aufnehmer mit in die Wand einsetzbarem Grundkörper mit einem Trägerkörper aus elektrisch isolierendem Material, auf dem ein oder mehrere dünnflächige Temperaturmeßelemente, insbesondere Thermopaar·'.-.gen oder Meßwiderstände aus dünnen Schichten, in einer mit ihrer freien Oberfläche zumindest im wesentlichen mit der Wandoberfläche fluchtenden Meßstellung anbringbar sind, und einer Auswertungs- oder Anzeigeeinrichtung für die Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4; 4a; 4b) in der Meßfläche (5; 5a; 5b) über die Meßstelle bzw. Meßstellen hinausreicht und am Umfang thermisch abgeschirmt ist, so daß an der bzw. den Meßstellen zumindest im wesentlichen nur ein eindimensionaler, in das Trägermaterial gerichteter Wärmestrom auftreten kann, daß die Mindestdicke (Xtb) des Trägerkörpers (4; 4a; 4b) entsprechend den auftretenden zyklischen Temperaturschwankungen nach der GleichungAT 399 777 BB [-] Material designation c [J / kg K] specific heat capacity, c = dqrev / dT n '[] related speed (different dimensions possible) q [J / kg] specific heat s [m] layer thickness (of the gas body , the ram) 7 [K] temperature f [* C] temperature f [s] time a [W / m2 K] heat transfer coefficient e [-] emission number, ratio f [-] exergetic efficiency x [-] isentropic exponent λ [W / m K] thermal conductivity, thermal conductivity p [kg / m3] density ω [s ~ '] angular velocity indices and abbreviations A material AB material B / atomic number of Fourier analysis claims 1, measuring system for measuring transient surface temperature profiles of a wall, with at least one transducer with in the wall insertable base body with a support body made of electrically insulating material on which one or more thin-surface temperature measuring elements, in particular thermocouples or measuring resistors made of thin layers, in one with their free surface can be attached at least substantially in alignment with the wall surface, and an evaluation or display device for the measurement signals, characterized in that the carrier body (4; 4a; 4b) in the measuring surface (5; 5a; 5b) extends beyond the measuring point or measuring points and is thermally shielded on the circumference, so that at the measuring point (s) at least essentially only a one-dimensional heat flow directed into the carrier material can occur that the minimum thickness (Xtb) of the carrier body (4; 4a; 4b) according to the cyclical temperature fluctuations according to the equation bestimmt ist, wobei a&gt; die niedrigste, bei der Messung zu berücksichtigende Winkelgeschwindigkeit, die sich aus den entsprechenden Werten der Frequenz f bzw. der Periodendauer T der auftretenden zyklischen Temperaturänderung nach der Gleichung errechnet, i die Zählvariable der Summenfunktion und a die Temperaturleitfähigkeit des Materials des Trägerkörpers (4; 4a; 4b) sind, so daß diese Temperaturschwankungen im Trägerkörper (4; 4a; 4b) abklingen können, und daß die Auswertungseinrichtung das an den Temperaturmeßelementen gemes- 7 AT 399 777 B sene, der Oberflächentemperatur am Trägerkörper (4; 4a: 4b) entsprechende Signal nach einem die Unterschiede von Wandmaterial und Trägerkörpermaterial berücksichtigenden Umrechnungsfaktor einer Umrechnung unterzieht und daß die Oberflächentemperatur des Trägerkörpers (4; 4a; 4b) über Kühl- oder Heizeinrichtungen an die Oberflächentemperatur der Wand (1) angleichbar ist und/oder Oberflächentemperaturunterschiede durch entsprechende Faktoren bei der Umrechnung des Meßsigna-les berücksichtigbar sind.where a &gt; the lowest angular velocity to be taken into account in the measurement, which is calculated from the corresponding values of the frequency f or the period T of the cyclical temperature change occurring according to the equation, i the count variable of the sum function and a the temperature conductivity of the material of the carrier body (4; 4a ; 4b), so that these temperature fluctuations in the carrier body (4; 4a; 4b) can subside, and that the evaluation device corresponds to the temperature measured on the temperature measuring elements and corresponds to the surface temperature on the carrier body (4; 4a: 4b) Signal according to a conversion factor taking into account the differences between wall material and support body material and that the surface temperature of the support body (4; 4a; 4b) can be adjusted to the surface temperature of the wall (1) via cooling or heating devices and / or surface temperature differences by corresponding factors can be taken into account when converting the measurement signal. 2, Meßsystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Temperatursignal nach der Gleichung2, measuring system according to claim 1, characterized in that the measured temperature signal according to the equation 33rd umgerechnet wird, wobei ΔΤΑ die Temperaturamplitude auf dem Wandmaterial, ΔΤβ die Temperaturamplitude auf dem Trägerschichtmaterial, XA die Wärmeleitfähigkeit, pA die Dichte, cA die spezifische Wärmekapazität des Wandmaterials und Xe die Wärmeleitfähigkeit, pB die Dichte und cB die spezifische Wärmekapazität des Trägerschichtmaterials sind.is converted, where ΔΤΑ is the temperature amplitude on the wall material, ΔΤβ the temperature amplitude on the carrier layer material, XA the thermal conductivity, pA the density, cA the specific thermal capacity of the wall material and Xe the thermal conductivity, pB the density and cB the specific thermal capacity of the carrier layer material. 3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerschichtmateriai ein kleineres Produkt aus Wärmeleitfähigkeit ( Xb). Dichte (pB) und spezifischer Wärmekapazität (Cb) und dadurch eine größere Oberflächentemperaturschwingung aufweist als das Material der Wand (1; 1a; 1b), deren Oberflächentemperatur zu messen ist.3. Measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier layer material is a smaller product of thermal conductivity (Xb). Density (pB) and specific heat capacity (Cb) and thus has a larger surface temperature vibration than the material of the wall (1; 1a; 1b), the surface temperature of which is to be measured. 4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet daß als Umfangsabschirmung des Trägerkörpers (4; 4a; 4b) eine thermisch isolierende, gegebenenfalls mit Isoliermaterial ausgefüllte Nut (8; 8a; 8b) vorgesehen ist und die Meßstellen an der Oberfläche des Trägerkörpers örtlich getrennt von den zu den Meßelementen führenden Anschlußleitungen vorgesehen sind.4. Measuring system according to one of claims 1-3, characterized in that a thermally insulating, possibly filled with insulating material groove (8; 8a; 8b) is provided as the peripheral shield of the carrier body (4; 4a; 4b) and the measuring points on the surface of the Carrier body are provided separately from the connecting lines leading to the measuring elements. 5. Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Dünnschicht-Widerstandselemente (15) ausgebildeten Meßelemente im Bereich der Anschlußleitungen (7a) einen mehrfach größeren Leitungsquerschnitt als im Bereich der eigentlichen Meßstellen aufweisen.5. Measuring system according to claim 4, characterized in that the measuring elements designed as thin-film resistance elements (15) in the area of the connecting lines (7a) have a multiple cross-section than in the area of the actual measuring points. 6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßelemente (15) vorgesehen und in radialer Richtung verteilt auf der Oberfläche des Trägerkörpers (4a) aufgebracht sind, wobei die Kühlung dieser Oberflächenbereiche über Kühleinrichtungen (13, 14) gesondert einstellbar und über die Auswerteeinrichtung nach den von den Meßelementen erfaßten Temperaturunterschieden regelbar ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 86. Measuring system according to one of claims 1-5, characterized in that a plurality of measuring elements (15) are provided and distributed in the radial direction on the surface of the carrier body (4 a), the cooling of these surface areas via cooling devices (13, 14) separately is adjustable and can be regulated via the evaluation device according to the temperature differences detected by the measuring elements. Including 3 sheets of drawings 8
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DE10136738A1 (en) * 2001-07-27 2003-02-13 Univ Ilmenau Tech Temperature sensor for measuring the wall temperature of a pipe, and therefore of liquid or gas flowing through it, has a sensor mounting arrangement that ensures that there is good thermal contact between wall and sensor
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