Wärmeflussmessgerät
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeflussmessgerät zum Messen des Wärmeflusses, der durch die Oberfläche oder die Innenseite eines Körpers oder einer pulverförmigen Masse hindurchgeht.
Zum Messen eines Wärmeflusses wurde die Tatsache ausgenützt, dass beim Durchgang eines Wärmeflusses durch einen Körper von bekannter Wärmeleitfähig- keit ein Temperaturunterschied zwischen den zwei Seiten des Körpers erzeugt wird, welcher diesem Wärmefluss proportional ist. Wenn jedoch der Messteil eines Instrumentes in Berührung mit einem Messkörper für das Messen des Wärmeflusses gebracht wird, tritt in diesem Falle eine Änderung des thermischen Zustandes auf dem Messkörper auf und verändert die Wärmebindung der Umgebung stark, was das genaue Messen des Wärmeflusses des Messkörpers verunmöglicht. Ferner ist es wegen der Wärmekapazität des Messkörpers technisch schwierig, ein rasch ansprechendes Gerät zu erhalten und bisher ausgeführte Geräte können für Messung auf Temperaturen über 1000 "C aus Material gründen nicht benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung hat im Hinblick auf die vorerwähnte Tatsache den Zweck der Schaffung eines Wärmeflussgerätes, das sehr zuverlässig ist und den Wärmefluss rasch messen kann und ist gekennzeichnet durch einen Wärmeflussmessteil, der mit einer Platte und wenigstens einem Paar von miteinander verbundenen Temperaturfühlern versehen ist, die auf beiden Seiten der genannten Platte angeordnet sind, um den durch diese hin durchgehenden Wärmefluss zu messen, und durch einen auf dem Wärmeflussmessteil angeordneten Deckteil, der mit einer Wärmeausgleichsschicht zum Ausgleichen des durch die wärmebeständige Platte hindurchgehenden Wärmeflusses versehen ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher
Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsforan eines Wärmeflussmessteiles eines Wärmeflussmessgerätes ist;
Fig. 2 ein Querschnitt nadh der Linie 11-11 der Fig.
1 ist;
Fig. 3 eine Ansicht eines Beispiels des Wärmeflussmessgerätes ist;
Fig. 4 ein Querschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3 ist;
Fig. 5 ein Erläuterungsschema ist, welcher die Schaltungsverbindung des Wärmeflussmessteiles der Fig.
1 und 2 veranschaulicht;
Fig. 6 eine Einbauzeichnung ist, im Fall dass das Wärmeflussmessgerät nach Fig. 3 und 4 mit einem metallischen, schalenförmigen Gehäuse ist;
Fig. 7 eine Ansicht zur Erläuterung einer anderen Ausführungsform des Wärmeflussmessteiles eines Wärmeflussmessgerätes ist;
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Teiles einer weiteren Ausführungsform eines Wärmeflussmess- teiles eines Wärmeflussmessgerätes ist;
Fig. 9 eine Ansicht des in Fig. 8 gezeigten Wärmeflussmessteiles ist; und
Fig. 10 ein Diagramm ist, welches das Messergebnis der Empfindlichkeit eines Wärmeflussmessgerätes zeigt, das mit dem in Fig. 8 und 9 gezeigten Wärmeflussmessteil versehen ist.
Das erfindungsgemässe Gerät benützt die Tatsache, dass ein Wärmefluss durch Messen der Temperaturdifferenz durch eine Platte bestimmt werden kann, die auf die Oberfläche eines Körpers oder ins Innere eines pulverförmigen Körpers gebracht wird, wenn ein Wärmefluss durch diese Oberfläche oder durch das Innere des pulverförmigen Körpers gemessen werden soll.
Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Messgerät wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des Wärmeflussmessteiles eines Wärmeflussmessgerätes. Ein oder mehr Paare von Differential-Theinioelementen, die aus Teilen 2, 3 und 2a, 3a (2, 2a und 3, 3a sind aus dem gleichen Metall) bestehen, sind als Temperaturfühler auf beiden Seiten einer dünnen Platte 1 angeordnet, welche eine willkürliche Form (in der Zeichnung ist eine kreisförmige Platte gezeigt) hat, und ein metallischer Verbindungsteil 4 aus dem gleichen Material wie die Teile 2, 2a verbindet die Thermoelemente an den zwei Seiten. Diese Baueinheit bildet den aktiven Wärmeflussmessteil A.
Ein Differentialthermometer kann als Temperaturfühler anstelle des Differential-Thermoelementes benutzt werden. Nachfolgend wird, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, eine dünne elektrisch isolierende Platte 5 auf beide Oberflächen des Wärmeflussmessteiles A aufgebracht, eine Wärmeausgleichsschicht aus einem Metallfilm 6 wird auf den Platten 5 angebracht, eine Schicht 7 eines Films wird dann auf den Metallfilmen 6 gebildet und weiter sind die dünne Platte 5, der Metallfilm 6 und der zur Farbanpassung an die Messkörperoberfläche dienende Film 7 durch einen Schutzfilm 8 bedeckt. Um mit dem so erhaltenen Wärmeflussmessgerät B einen Wärmefluss zu messen, wird dieses Gerät in Kontakt mit der Oberfläche eines Messkörpers gebracht,
um den durch diese Oberfläche hindurchtretenden Wärmefluss aus der Temperaturdifferenz zwischen den zwei Flächen der Platte 1 zu ermitteln. Das heisst, die durch die Temperaturdifferenz zwischen den Lötstellen 9 und 9a des Thermoelementes erzeugte Spannung wird, wie in Fig. 2 und 5 gezeigt ist, mit einem über Leiter L angeschlossenen Voltmeetr V gemessen, um den Wärmefluss zu be stimmen.
In dem oben gezeigten Wärmeflussmessgerät besteht die Platte 1 aus anorganischem Material, wie Glimmer oder Quarz mit einer Dicke von 10 bis 500 Mikron. Die
Platte 1 kann auch aus einer Metallplatte (z. B. Tantal, Aluminium, usw.) hergestellt sein, die durch einen durch anodische Oxydation gebildeten Film isoliert ist.
In dem in Fig. 1 und 2 gezeigten Thermoelement bestehen die Teile 2 und 2a aus Konstantan und die Teile 3 und 3a aus Kupfer; beide werden durch
Vakuumverdampfung als Film aufgebracht.
Das Material für die isolierende dünne Platte 5 ist das gleiche wie das der Platte 1. Der Metallfilm 6 ist als Wärmeausgleichsschicht für das Ausgleichen des durch die wärmebeständige Platte hindurchgehenden Wärme flusses vorgesehen und ein gutes Wärmeleitmaterial, wie
Silber, Kupfer oder Aluminium wird für ihn benutzt.
Dieser Metallfilm wird mittels Vakuumplattierung oder Metallplattierung gebildet.
Der Film 7 beeinflusst die Absorption und Emission der Strahlung von oder zur Aussenseite. Vorzugsweise wird ein schwarzer Film verwendet, dessen Emissions vermögen nahe bei 1 liegt, z. B. ein vakuumplattierter
Kohlefilm. In dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel ist auf beiden Seiten des Wärmeflussmessteiles A der Deckteil C vorgesehen. In dem Fall jedoch, in dem der Einfluss der durch Strahlung von der Aussenseite aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge klein ist, kann der Deckteil C nur über der Seite des Wärmeflussmessteiles A vorgesehen sein, die an dem Messkörper anliegt.
In dem Fall, in dem der Einfluss der Strahlung gross ist, muss der Deckteil -C, wie in Fig. 4 gezeigt ist, auf beiden Seiten des Wärmeflussmessteiles A vorgesehen sein, um den Einfluss des Wärmeaustausches durch Strahlung nicht nur vom Messkörper sondern auch von der Aussenseite herabzusetzen. Aus diesem Grund ist es für die Verbesserung der Genauigkeit des Wärmeflussmessgerätes notwendig, einen Film 7 des Deckteiles C zu bilden, indem ein Material gewählt wird, das ähnliche Strahlungseigenschaften wie die Oberfläche des Messkörpers hat. Der Schutzfillm 8 besteht vorzugsweise aus Siliziummonoxyd (SiO), oder Siliziumdioxyd (SiO2).
Fig. 6 zeigt ein Wärmeflussmessgerät B, das mit Hilfe eines äusseren, metallischen schalenförmigen Gehäuses 10 und einem Innenring 11 für leichte Handhabung als Einheit zusammengebaut ist.
Fig. 7 zeigt einen Wärmeflussmessteil, bei welchem zehn Paar Differential-Thermoelemente auf beiden 5eiten der Platte 1 angeordnet sind. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines kombinierten Thermometers und mit S ist eine Metaliplafte auf dem Thermometer und mit S1 sind die Zuleitungsdrähte für das Thermometer bezeichnet. Der Grund für die Verwendung eines besonderen Thermometers ist das folgende: Die thermische Eigenschaft ändert sich etwas mit der Temperatur, und die Empfindlichkeit des Wärmeflussmessgerätes ändert sich bisweilen in gewissem Ausmass entsprechend, sodass es u. U. wichtig sein kann, auch die Temperatur selbst zu kennen. Bei dem in Fig. 3 und 4 gezeigten Wärmeflussmessgerät sind die Platte 1 und die Differential-Thermoeiemente sehr dünn und klein in der Abmessung.
Daher ist diese Bauart thermisch sehr empfindlich und bewirkt eine sehr geringe Störung der Temperaturverteilung des Messkörpers. Das Gerät kann leicht einen konstanten Wert in weniger als einer Zehntelsekunde anzeigen. Es ist daher möglich nicht nur einen konstanten Wärmefluss, sondern auch rasche Änderungen des Wärmeflusses zu erfassen.
Dadurch, dass der Wärmeflussmessteil mit dem aus mehreren Lagen bestehenden Deckteil bedeckt ist, ist es möglich, die thermische Gleichförmigkeit zu erhöhen und die Absorption und Streuung von IStrahllungswärme einzustellen, insbesondere um Messwerte von hoher
Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erhalten. Ferne dient dieser Deckteil dazu, den Wärmeflussmessteil beim
Messen zu schützen.
Fig. 8 und 9 zeigen einen Wärmeflussmessteil mit gegenüber dem oben beschriebenen höherer Empfindlichkeit. In Fig. 8 bezeichnen die Zahlen 15 und 16 je eine elektrisch isolierende dünne Platte. 17 bezeichnet eine wärmeisolierende Platte, z. B. aus Glimmer. 18,
18a, 19, 19a bezeichnen Thermoelemente. Die Schenkel
18 und 18a bestehen aus einer Alumininmlegierung, die
Schenkel 19 und 19a aus einer Chromlegierung. 20 und
21 stellen Luftschichten dar, 22 bezeichnet einen festen
Ring für die Abstützung der elektrisch isolierenden, dünnen Platten 15 und 16, der Platte 17 und der
Thermoelemente 18, 19, 18a und 19a. Fig. 9 zeigt die
Verbindung der Thermoelemente unter sich und mit den
Zuleitungen L.
Das Wärmeflussmessgerät mit dem so gebauten Wärmeflussmessteil enthält die hochisdlierende Luftschicht um die Differential-Thermoelemente, was im Vergleich mit einer Platte, z. B. aus Glimmer allein, einen grösseren thermischen Widerstand ergibt, so dass das Wärmeflussmessgerät von höherer Empfindlichkeit ist. An einem solchen Wärmeflussmessgerät mit zwei elektrisch isolierenden dünnen Platten 15 und 16 von 80 bzw. 65 /1 Dicke einer wärmebeständigen Platte 17 von 100 jt Dicke, und zwei Luftschichten 20 und 21 von je 130 ,ct Dicke wurde eine Empfindlichkeitsmessung durchgeführt. Das Resultat ist durch die Kurve a in Fig.
10 gezeigt, wobei die Oberflächentemperatur in "C auf der Abszissenachse und die Empfindlichkeit in mV/103 Kcal Std. m-2 auf der Ordinatenachse aufgetragen sind.
Zum Vergleich wurde eine Empfindlichkeitsmessung an einem Wärmeflussmessgerät durchgeführt, Ibei welchem die Luftschichten 20 und 21 durch Glimmer ersetzt waren. Das Resultat ist durch die Linie b in Fig.
10 gezeigt. Ein Vergleich der Kurve a und Linie b zeigt klar, dass die Empfindlichkeit durch Anordnen der Luftschichten in dem Wärmeflussmessteil verbessert werden kann.
Heat flow meter
The present invention relates to a heat flow meter for measuring the heat flow that passes through the surface or the inside of a body or a powdery mass.
In order to measure a heat flux, the fact has been used that when a heat flux passes through a body of known thermal conductivity, a temperature difference is generated between the two sides of the body which is proportional to this heat flux. However, if the measuring part of an instrument is brought into contact with a measuring body for measuring the heat flow, in this case a change in the thermal state occurs on the measuring body and changes the thermal bond of the environment greatly, which makes it impossible to measure the heat flow of the measuring body precisely. Furthermore, because of the heat capacity of the measuring body, it is technically difficult to obtain a device that responds quickly and devices that have been implemented so far cannot be used for measurements at temperatures above 1000 ° C. for reasons of material.
The present invention has in view of the aforementioned fact the purpose of providing a heat flow device which is very reliable and can measure the heat flow quickly and is characterized by a heat flow measuring part which is provided with a plate and at least one pair of interconnected temperature sensors which are arranged on both sides of said plate in order to measure the heat flux passing through them, and by a cover part which is arranged on the heat flow measuring part and which is provided with a heat equalizing layer for equalizing the heat flux passing through the heat-resistant plate.
Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing, in which
Fig. 1 is a view of an embodiment of a heat flow meter part of a heat flow meter;
FIG. 2 is a cross section taken along line 11-11 of FIG.
1 is;
Fig. 3 is a view of an example of the heat flow meter;
Figure 4 is a cross-section on the line IV-IV of Figure 3;
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the circuit connection of the heat flow measuring part of FIG.
1 and 2 illustrated;
6 is an installation drawing in the event that the heat flow meter according to FIGS. 3 and 4 has a metallic, shell-shaped housing;
Fig. 7 is a view for explaining another embodiment of the heat flow measuring part of a heat flow meter;
8 is a schematic representation of part of a further embodiment of a heat flow measuring part of a heat flow measuring device;
Fig. 9 is a view of the heat flow measuring part shown in Fig. 8; and
10 is a diagram showing the measurement result of sensitivity of a heat flow meter provided with the heat flow measuring part shown in FIGS. 8 and 9.
The device according to the invention makes use of the fact that a heat flow can be determined by measuring the temperature difference through a plate which is placed on the surface of a body or inside a powdery body when measuring a heat flow through this surface or through the inside of the powdery body shall be.
A measuring device working according to this principle is explained with reference to the drawing. 1 and 2 show an embodiment of the heat flow measuring part of a heat flow measuring device. One or more pairs of differential theory elements consisting of parts 2, 3 and 2a, 3a (2, 2a and 3, 3a are made of the same metal) are arranged as temperature sensors on both sides of a thin plate 1, which is an arbitrary one Shape (a circular plate is shown in the drawing), and a metallic connecting part 4 made of the same material as the parts 2, 2a connects the thermocouples on the two sides. This unit forms the active heat flow measuring part A.
A differential thermometer can be used as a temperature sensor instead of the differential thermocouple. Subsequently, as shown in Figs. 3 and 4, a thin electrically insulating plate 5 is applied to both surfaces of the heat flow measuring part A, a heat balancing layer made of a metal film 6 is applied to the plates 5, a layer 7 of a film is then applied to the metal films 6 and furthermore the thin plate 5, the metal film 6 and the film 7 serving for color matching to the measuring body surface are covered by a protective film 8. In order to measure a heat flow with the heat flow meter B obtained in this way, this device is brought into contact with the surface of a measuring body,
in order to determine the heat flux passing through this surface from the temperature difference between the two surfaces of the plate 1. That is, the voltage generated by the temperature difference between the soldering points 9 and 9a of the thermocouple is, as shown in Fig. 2 and 5, measured with a voltmeter V connected via conductor L in order to determine the heat flow.
In the heat flow meter shown above, the plate 1 is made of an inorganic material such as mica or quartz with a thickness of 10 to 500 microns. The
Plate 1 can also be made of a metal plate (e.g. tantalum, aluminum, etc.) which is insulated by a film formed by anodic oxidation.
In the thermocouple shown in Figures 1 and 2, parts 2 and 2a are made of constantan and parts 3 and 3a are made of copper; both will go through
Vacuum evaporation applied as a film.
The material for the insulating thin plate 5 is the same as that of the plate 1. The metal film 6 is provided as a heat balancing layer for balancing the heat flow passing through the heat resistant plate and is a good heat conductive material such as
Silver, copper or aluminum are used for it.
This metal film is formed by vacuum plating or metal plating.
The film 7 influences the absorption and emission of the radiation from or to the outside. Preferably, a black film is used whose emission capacity is close to 1, z. B. a vacuum clad
Carbon film. In the example shown in FIG. 4, the cover part C is provided on both sides of the heat flow measuring part A. In the case, however, in which the influence of the amount of heat absorbed or emitted from the outside by radiation is small, the cover part C can only be provided over the side of the heat flow measuring part A which rests against the measuring body.
In the case where the influence of the radiation is great, the cover part -C, as shown in FIG. 4, must be provided on both sides of the heat flow measuring part A in order to prevent the influence of the heat exchange by radiation not only from the measuring body but also from on the outside. For this reason, in order to improve the accuracy of the heat flow meter, it is necessary to form a film 7 of the cover part C by choosing a material which has similar radiation properties as the surface of the measuring body. The protective film 8 is preferably made of silicon monoxide (SiO) or silicon dioxide (SiO2).
6 shows a heat flow measuring device B which is assembled as a unit for easy handling with the aid of an outer, metallic, shell-shaped housing 10 and an inner ring 11.
7 shows a heat flow measuring part in which ten pairs of differential thermocouples are arranged on both sides of the plate 1. Fig. 7 shows an embodiment of a combined thermometer and S is a metal plate on the thermometer and S1 is the lead wires for the thermometer. The reason for using a particular thermometer is as follows: the thermal property changes somewhat with temperature, and the sensitivity of the heat flow meter sometimes changes to some extent accordingly, so that it may change. It can be important to know the temperature yourself. In the heat flow meter shown in Figs. 3 and 4, the plate 1 and the differential thermal elements are very thin and small in size.
Therefore this type of construction is thermally very sensitive and causes very little disruption of the temperature distribution of the measuring body. The device can easily display a constant value in less than a tenth of a second. It is therefore possible to detect not only a constant heat flow but also rapid changes in the heat flow.
Since the heat flow measuring part is covered with the cover part consisting of several layers, it is possible to increase the thermal uniformity and to adjust the absorption and scattering of radiant heat, in particular to obtain measured values of high
Maintain accuracy and reliability. This cover part is also used to control the heat flow measuring part
Measure to protect.
Figs. 8 and 9 show a heat flow measuring part with higher sensitivity than that described above. In Fig. 8, numerals 15 and 16 each denote an electrically insulating thin plate. 17 denotes a heat insulating plate, e.g. B. made of mica. 18
18a, 19, 19a denote thermocouples. The thigh
18 and 18a are made of an aluminum alloy that
Legs 19 and 19a made of a chrome alloy. 20 and
21 represent air layers, 22 denotes a solid one
Ring for supporting the electrically insulating, thin plates 15 and 16, the plate 17 and the
Thermocouples 18, 19, 18a and 19a. Fig. 9 shows the
Connection of the thermocouples among themselves and with the
Leads L.
The heat flow meter with the so built heat flow measuring part contains the high-level air layer around the differential thermocouples, which in comparison with a plate, e.g. B. from mica alone, results in a greater thermal resistance, so that the heat flow meter is more sensitive. A sensitivity measurement was carried out on such a heat flow meter with two electrically insulating thin plates 15 and 16 of 80 and 65/1 thickness, a heat-resistant plate 17 of 100 ct thickness, and two air layers 20 and 21 of 130 ct each. The result is given by curve a in Fig.
10, with the surface temperature in "C on the abscissa axis and the sensitivity in mV / 103 Kcal hours m-2 on the ordinate axis.
For comparison, a sensitivity measurement was carried out on a heat flow meter in which the air layers 20 and 21 were replaced by mica. The result is shown by the line b in Fig.
10 shown. A comparison of the curve a and line b clearly shows that the sensitivity can be improved by arranging the air layers in the heat flow measuring part.