Einrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeflusses
Die vorliegende Erfindung betrifft eiine Einrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeflusses, das heisst der Wärmemenge, welche in Zeiteinheit durch die Flächeneinheit eines K¯rpers, insbesondere durch Wände und Isolatibnsschichten von Maschinen- einrichtungen hindurchtritt, mit Hilfe elektrischer Tem peraturfühler, welche eine schnelle und direkte Bestim- mung der genannten Messgrössen in Betriebs-und Laboratorienbedingungen erm¯glichen soll.
Zur Reduktion von Wärme-und Kälteverqusten durch Wärmeübergang von der OberflÏche van beispiels- weise Maschiheneinrichtungen in die Umgebung sind verschiedene Arten von Isolationen gebräuchlich, welche solche Verluste auf ein wirtschaftlich ertrÏgliches Ma¯ vermindern sollen. Die Qualität der Isol'ationsschicht'ist vor allem durch die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials gegeben. Mit Rücksicht darauf, dass sich diese Eigenschaft im Laufe des Betriebes verschlechtern, ist es notwendig, von Zeit zu Zeit eine ¯berpr fung der Qualität der Wärmeisolation während des Betriebes durchzuführen, um rechtzeitig mange ! ! haft gewordene Isolationen austauschen oder ausbessern zu können.
Zum Messen des Wärmeflusses und zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der Isol'ation während des Betriebes wird meistens das bekannte Verfahren der Anlegung von Messplatten oder Messgürtel mit bestimmter Wärmeleitfähigkeit angewendet. Die Nachteile beste'hen hierbei vor allem darin, d'ass man zur Durchführung einer Messung infolge der WÏrmetrÏgheit der Messplatte oder des MessgürteW's langeMesszeitenbenötigt.Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass nur ein Mittelwert der Iso lationswärmeleitfähigkeit oder des Wärmeflusses resul- tiert, die WÏrmeleitfÏhigkeit aber oft in unterschiedliichen Richtungen - etwa bei einem Rohrquerschnitt - verschieden ist.
Zudem beansprucht der Auf- und Abbau der Me¯vorrichtung viel Zeit. Im weiteren gestatten die bekannten Verfahren nicht das direkte Ablesen der Messgrössen, sondern erfordern eine nachträgl'iche Umrechnung der gemessenen Werte. Ferner verfangen die bekannten Verfahren eine Einrich, tung zur Aufrech't- erhaltung einer konstanten Vergleichstemperatur.
Eine Ausf hrungsform der bekannten Verfahren zur Bestimmung des Wärmeflusses benutzt z. B. eine anlegbare Messprlatte, die von der zu messenden Wand durch eine geringe eingeschlossene Luftschicht distanziert ist, und vergleicht die Temperatur dieser auf die Temperatur der zu messenden Wand erwärmten Luftschicht mit der Temperatur der Umgebungsluft. Dieses Verfahren vermindert zwar die Messzeit durch schnelleres Herstellen des Wärmegteichgewichtszustandes, aber es beseitigt nicht die anderen angeführten Nachteile und Mängel.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die Nachteile bekannter Einrichtungen zum Messen der WÏrme leitfähigkeiit und des Wärmeflusses von Körpern zu vermeiden, was erfindungsgemäss dadurch erreicht wird, dass ein MeBgerät, ein Hilfsmessgerät und ein Auswertungs- gerÏt vorgesehen ist, wobei das Messgerät einen elektri- schen Temperaturf hler als Quelle einer elektrischen, vom WÏrmebefall ?tp zwischen zwei Stellen in Nach barschaft des in einem ruhenden Medium in einem ge schqossenen Raum angeordneten, zu messenden Körpers abhängigen Spannung sowie mindestens einen weiteren elektrischen Temperaturfüh.Ior (4)
als Quelle einer elek trischen, von der Oberflächentemperatur des zu messen denKörpersabhängigenSpannungumfasst,wobeidas Hilfsme¯gerÏt einen elektrischen Temperaturf hler als Quelle einer elektrischen, von der Innenflädhentempera- tur des zu messenden Körpers abhängigen Spannungum- fa¯t und wobei das Auswertungsgerät ein Potentiometer, eine Skalia zum ditekten Ablesen der Werte der Wärme leitfÏhigkeit γ und eine Skala zum direkten Ablesen des Wärmeflusses q, einen Nullstromindikator, einen Doppelumschalter fur das Umschalten des Auswertungs- gerätes zum Messen der WÏrmeleitfÏhigkeit γ
oder zum Messen des Wärmeflusses q, eine Quelllle einer Ver gledchsspannung, einen veränderlichen Widerstand zum Einstellen der Vergleichsspannung und einen Indikator der Vergleichsspannung umfa¯t.
Durch diese Massnahmen ist es nunmehr möglich, die Messzeiten erheblich zu verkiirzen und die in jeder Richtung an einem K¯rper gemessenen Werte direkt zu ermitteln bzw. abzulesen.
Eine beispielsweise Ausf hrungsform des Erfindungsgegenstandes soll anhand der Zeichnung nachfolgend erläutert werden. Es zeigen :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine zu messende Trennwand und d
Fig. 2 ein Schema einer Messeinrichtung.
In Fig. 1 ist der Verlauf des Temperaturabfalles an einer mit einer Isolationsschicht 2 versehenen Wand 1 dargestellt, wobei tm die Mediumstemperatur, beispielsweise von Dampf oder Hei¯wasser, t1 die Temperatur an der inneren Oberfläche der Isolationsschicht 2, t2 d'ie Temperatur an der äusseren Oberfläche der Isolations sehicht 2 und t3 und t4 die Temperaturen zweier Stellen in Nachbarschaft der Isolationsschicht 2 darstellen, wobei sich der zu messende Körper in einem ruhenden Medium, meistens Luft, in einem geschlossenen Raum befindet@ Wie aus Fig.
1 ersichtlich ist, kann man den Verlauf des Temperaturabfalls m Nachbarschaft des Körpers im umgebenden Medium als linear abhÏngig von der Entfernung der Isolationsoberfläche ansehen, unter der Bedingung, dass dieses Medium ruht.
Die Einrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmefl'usses ist in Fig. 2 scbematisch dargestellt, wobei A ein Messgerät bezeichnet, das einen elek trischen Temperaturfühler 3, der in der Regel ein vielfaches Thermoelement ist, zum Messen des durch den Unterschied zwischen den Temperaturen tg und t4 gegebenen Temperaturabfalles if tp enthält. Mit B ist ferner ein Hilfsmessgerät bezeichnet, das wenigstens einen elektrischen Temperaturf hler 5 enthält, der zusammen mit dem elektrischen Temperaturf hler 4 den Temperaturabfall d ti an der zu messenden Wand 1 oder der Isolationsschicht 2 feststellt.
Mit C ist ein Auswertungsgerät bezeichnet, das eine Messapparatur für das direkte Ablesen der gemessenen Grossen enthÏlt, wie nachfol- gend noch näher erläutert wird.
Das Messgerät A umfasst eine bezüglich der Messstelle offene Dose 6, in welcher der den Temperatur- abfall J tp angebende el'ektrische Temperaturfühler 3 angebracht ist. In Seitenräumen 7 sind die Temperatur- fühler 4 symmetrisch zur Messstelle des Temperaturfühlers 3 eingebaut und parallel geschaltet.
Die Oberflächentemperatur t2 kann somit als mittlere Temperatur der Temperaturen symmetrischer Mess- stellen der Temperaturf hler 4 f r die sonst unzugäng- liche Stelle der IsolationsschichtoberflÏche unterhalb des elektrischen Temperaturf hlers 3 ermittelt werden. Die Berührung der elektrischen Temperaturfühler 4 mit der Oberfläche der Isoldtionsschicht 2 gewährleisten hierbei Federn 8, welche sich mit ihrem einen Ende an der Dose 6 abstützen und mit ihrem anderen Ende an ein kdben- artiges Endstück 9 drücken, in welchem die elektrischen Temperaturfühler 4 eingesetzt sind. Die Seitenwände der Dose 6 sind mit abklappbaren Lüftungsdeckem 10 zum Mediumsaustausch versehen.
Das Hiltsmessgerät B wird durch eine Büchse 11 gebildet, die den elektrischen Temperaturfühler 5, der die Oberflächentemperatur ti angibt, und eine Feder 12, die die Berührung des elektrischen Temperaturf hlers mit der Oberfläche der Wand 1 gewÏhrleistet, enthält.
Die Feder 12 stützt sich mit einem Ende gegen de Büchse 11 ab und drückt mit ihrem anderen Ende gegen ein kolbenartiges Endst ck 13, in welchem der elek- trische Temperaturf hler 5 eingesetzt ist.
Das Auswertungsgerät C umfasst einen Potentio- meter 14 mit einer nicht nÏher gezeigten nomographi- schen Skal'a f r ein direktes Ablesen der Wärmeleit- fÏhigkeit γ und mit einer weiteren Skala f r ein direktes Ablesen des Wärmeflusses q ; ferner einen Nullstromindikator 15, einen Doppellumschalter 16 f r das Umschal- ten des Auswertungsgerätes C zum Messen der WÏrmeleitfähigkeit mit Stellung V des Umschalters oder zum Messen des Wärmeflusses mit Stellung T des Umschal- ters, eine elektrische Batterie als Quelle einer Vergleichsspannung U0, einen verÏnderlichen.
Widerstand 18 für das Einstellen der Vergleichsspannung U0 und einen Vergleichsspannungsindikator 19.
Der elektrische Temperaturfühler 3 ist durch ZuDei- tungen 20 mit den Klemmen a, c des Auswerttungsgerä- tes C verbunden, und zwar einerseits über den Nuls- stromindikator 15 mit einem verschiebbaren Abgriff des Potentiometers 14 und anderseits mit der Klemme X des Doppelumschalters 16 und somit mit dem einen Ende des Potentiometers 14, dessen zweites Ende an die Klemme Y des Umschalters 16 angeschlossen ist.
Die parallel geschalteten elektrischen Temperaturf hler 4 sind durch Zuleitungen 21 mit den Klemmen b, d des Auswertungsgerätes C verbunden und liegen somit einer seits über die Klemme e an der Zuleitung gleicher Polari tät des elektrischen Temperaturfühlefs 5, anderseits an der Klemme Vt des Doppelschatters 16. Der elektrische Temperaturfühler ist durch Zuleitungen 22 mit den Klemmen e, f des AuswertungsgerÏtes C verbunden und liegt somit einerseits über Klemme b an der Zuleitung gleicher Polarität des elektrischen Temperaturf hlers 4, anderseits an der Klemme Va des Doppelumschalters 16.
Die Quelle 17 der Vergleichsspannung Uo ist über einen veränderlichen Widerstand 18 an die Klemme T1 und Ts des Umschatters 16 angeschlossen. Der Vergleichsspan- nungsindikator 19 ist gleichfalls an die Klemmen Ti und T2 des Doppelumschal'ters 16 und somit parallel des Potentiometers 14 angeschlossen.
Der Vorgang beim Messen der r WÏrmeleitfÏhigkeit γ ist folgender :
Der Doppelumschalter 16 wird in die Stellung V und Va gebracht ; das Hilfsmessgerät B wird dann in eine vorbereitete Öffnung in der Isolationsschicht so einge- steckt, dass der elektrische Temperaturfühler 5 die Wand 1 bers'hart ; das Messgerät A wird mit der offenen Seite auf den ebenen oder geebneten Oberflächenteill der Iso lationsschicht 2 angeordnet ;
der Läufer des Potentio- meters 14 wird so eingestellt, da¯ der Nullstromindi kator 15 den NulRwert anzeigt, worauf an der nomogra- phischen Skala 14 der Wert der Wärmeleitfähigkeit ent sprechemd der Isolationsschichtdicke direkt abgelesen werden kann. Die nomographische Skala bildet hierbei ein Diagramm mit der Wärmeleitfähigkeit an der Ab szissenachse und der Schichtdicke an der Ordinaten- achse. Der Zeiger des Potentiometerläufers zeigt die Werte auf der Abszissenachse.
Im Hinblick darauf, dass die Temperatur tl der Wand 1 auf grossen Abschnitten einer Rohrleitung oder einer Wand annähernd konstant bleibt, ist es möglich, mit einer einzigen Anbringung des Hilfsmessgerätes B das Messen der Wärmeleitfähigkeit mit dem Messgerät A in einer grossen Umgebung des Anbringungsortes des Hilfsme¯gerÏtes B mit genügender Genauigkeit durchzuführen.
Der Vorgang beim Messen des Wärmeflusses ist folgender :
Der Doppelumschalter 16 wird in Stellung T1 und T2 eingestell't ; der Läufer des veränderlichen Widerstandes
18 wird so eingestellt, dass der Vergteichsspaninungsihdi- kator 19 einen bestimmten Wert der Vergleichsspannung Un anzeigt ; dais Messgerät A wird an der Oberfläche der Isol'altionsschicht 2 wie im Falle der Messung der WÏrmeleitfÏhigkeit angeordnet ;
der Läufer des Potentio meters 14 wird wieder eingestellt, so da¯ der Nullstromindikator 15 den Nullwert anzeigt, worau± an der weiteren Skalla, des Potentiometers 14 der Wert des Wärmeflusses q nach d'er Lage des Läufers des Potentiometers 14 abgelesen werden kann.
Die Zeitdauer, bis zu welcher sich der Wärme gteichgewichtszustand am Messgerät A bzw. am Me¯gerät B eingestellt hatt, reicht hierbei aus, um das Einstellen des Nullstromes am Nullstromindikator 15 vor- nehmen zu können.
Die Richtigkeit der Ergebnisse beim Messen der r WÏirmeleitfÏhigkeit ? und des WärmeSusses q in vorbeschriebener Weise lϯt sich wie fotgt ableiten :
Bekanntlich. lϯt sich die Wärmeleitfähigkeit einer Isolation nach folgendem Ausdruck berechnen: ?i =?p ?tp si ?ti sp wobei ?i die WÏrmeleitfÏhigkeit der zu messenden Isolation, ?p die bekannte WÏrmeleitfÏhigkeit des die Iso lation umgebenden Mediums, ?ti = t1-t2,? tp = tg-tt, si die Dicke der Isol'ationsschicht bzw. s1, 2 im Falle einer ebenen Wand, gegebenenfalls (log ru-long rl) im Falle einer Rohrleitung, sp die Entfernung der Messstellen mit der Tempetraur tg und t4 bzw.
S3, 4 im Falle einer ebenen Wand, gegebenenfalls (log r4-log r3) im Falle einer Rdhrleitung bedeuten.
Nachdem sp durch die Me¯vorrichtung gegeben ist und ?p als konstant angenommen werden kann, ergibt sich durch Vergleich der Temperaturunterschiede A tl und ?tp die entsprechenden thermoelektrischen Spannungen Ui und Up mittels der bekannten Kompensa- tionsmethode für den Wert der Wärmeleitfähigkeit in bezug auf die LÏngeneinheit der Isolationsdicke ?1 =?p = ?tp = ?p Up=?p Rp si ?p ?ti sp Ui sp R wobei R der Wert des Potentiometerwiderstandes und Rp der Wert des Potentiometerabgriffes ist, f r den Fall, dass der durch den Nullsttromindikator 19 fliessende Strom gleich Null ist.
So ist die WÏrmeleitfÏhigkeit ?i in bezug auf die LÏngeneinheit der Isolationsdicke si direkt propoftional dem Werte des Widerstandes Rp, wobei die Proportiona'litätskonstante die Kontakte K der Me¯vorrichtung ist ?i=K.Rp Si
Es ist also möglich, an einer geeichten Skala des Potentiometers 14 direkt die WÏrmeleitfÏhigkeit ?i in bezug auf die Längeneinheit der Dicke Si der gemessenen Isolation abzulesen.
Den Wärmefluss q durch eine Isolation kann man nach folgender Beziehung berechnen : q= ?I ?ti=?p ?tp
Si sp
Beim Vergleich der dem Temperaturunterschied ?tp entsprechenden thermoelektrischen Spannung Up mit einer Hilfsvergleichsspannung U? unter Verwendung der gleichen Kompensationsmethode ergibt sich für den Wert des WÏirmeflusses q: q=?p ?tp=?p Up U?=?p UpU?=?p Rxp sp 1 sp 1 U? sp U? sp R wobei R wieder der Wert des Potentiometerwiderstandes und Rxp wieder der Wert des Potentiometerabgriffes ist, f r den Fall, dal3 der durch den Nulltstromindikator 19 fliessende Strom gleich Null ! ist.
So ist also der Wäirme- flu¯ q direkt proportional dem Werte des Widerstandes RNp, wobei die ProportionalitÏtskonstante dieselbe Kon- stante K der Me¯vorrichtung ist wie im Falle d'es Messens der Wärmeleitfähigkeit : q = k-Rp.
Es ist aliso möglieh, an einer weiteren geeichten Skala desselben Potentiometers 14 direkt den Wärmefluss q durch die gemessene Isolation abzulesen.
Es ist ein GrenzfaN möglich, bei dem der Messpunkt mit der Temperatur t3 mit dem Messpunkt an der Isola tionsschichtoberfl'äche mit der Temperatur t2 zusam menfällt, das heisst, dass die einen Enden der Thermo- elemente gerade die Isolationsschichtobejrfläche berüh- ren. Ferner können die elektrischen Temperaturf hler 3, 4 und 5 gleichfalls durch wärmeabhängige Vider- stände mit Hilfsspannungsquellen in Serienschaltung ge bildet worden. Der Messvorgang bleibt dabei unver- Ïndert.
Die vorbesdhiriebene Einrichtung kann mit Vorteil zum Messen der Wärmeisolation an Dampf- oder HeiBwasserrohrleitungen wie auch zum Messen des WÏrmedurchganges durch WÏnde isolierter oder nichtisolierter Wärmeeinrichtungenherangezogenwerden.