DE10047918A1 - Surface temperature determination method involves rotating a cylindrical probe about its axis creating surface section on lateral area - Google Patents
Surface temperature determination method involves rotating a cylindrical probe about its axis creating surface section on lateral areaInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer O berflächentemperatur zumindest eines Oberflächenabschnitts eines Probekörpers während eines Temperierens des Probekör pers, wobei der Oberflächenabschnitt durch Rotieren des Pro bekörpers um eine Rotationsachse des Probekörpers erzeugt wird. Neben dem Verfahren wird eine Vorrichtung zum Durchfüh ren des Verfahrens angegeben. Darüber hinaus wird eine Ver wendung der mit Hilfe des Verfahrens bestimmten Oberflächen temperatur angegeben.The invention relates to a method for determining an O surface temperature of at least one surface section of a test specimen during tempering of the test specimen pers, the surface section by rotating the Pro body generated about an axis of rotation of the specimen becomes. In addition to the method, a device for performing ren of the procedure. In addition, a ver application of the surfaces determined using the method temperature specified.
Der Probekörper ist beispielsweise ein keramisches Bauteil mit einem keramischen Werkstoff. Der keramische Werkstoff ist beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid. Wegen ei ner hohen Festigkeit bis zu einer Temperatur von weit über 1000°C und wegen einer hohen Korrosionsbeständigkeit kann der keramische Werkstoff in einem weiten Temperaturbereich einge setzt werden.The test specimen is, for example, a ceramic component with a ceramic material. The ceramic material is for example silicon nitride or silicon carbide. Because of egg high strength up to a temperature far above 1000 ° C and because of its high corrosion resistance ceramic material used in a wide temperature range be set.
Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass ein derartiger ke ramischer Werkstoff relativ spröde ist. Dies führt dazu, dass bei einer starken mechanischen und/oder thermischen Belastung im keramischen Bauteil eine mechanische Spannung auftritt, die vornehmlich durch Rissbildung und/oder Risswachstum abge baut wird. Wird eine kritische Belastung des Bauteils über schritten, führt dies zum Ausfall des Bauteils.The disadvantage, however, is that such a ke ramischer material is relatively brittle. This leads to with a strong mechanical and / or thermal load mechanical stress occurs in the ceramic component, which are mainly caused by crack formation and / or crack growth is built. Will a critical load on the component steps, this leads to component failure.
Um eine Aussage zur Zuverlässigkeit eines Bauteils aus einem keramischen Werkstoff treffen zu können, wird oftmals ein Zu verlässigkeitstest (Prooftest) durchgeführt. Bei dem Proof test wird das Bauteil mit einer Prüfspannung belastet, die größer ist als eine maximale im Betrieb des Bauteils auftre tende mechanische Spannung. Nur wenn das Bauteil der Prüf spannung Stand hält, wird es bestimmungsgemäß verwendet. Bei Versagen des Bauteils, wenn also das Bauteil der Prüfspannung nicht Stand hält, wird es verworfen.To make a statement about the reliability of a component from a Being able to meet ceramic material often becomes an issue reliability test (proof test). With the proof test, the component is loaded with a test voltage that is greater than a maximum in the operation of the component ting mechanical tension. Only if the component of the test voltage withstands, it is used as intended. at Failure of the component, i.e. if the component of the test voltage does not stand up, it is discarded.
Ein derartiges Verfahren geht beispielsweise aus US A 5 647 667 hervor. Dabei wird zur Erzeugung der Prüfspannung ein Temperieren eines Oberflächenabschnitts des Bauteils aus ei nem keramischen Werkstoff durch Einwirken von Wärmestrahlung durchgeführt. Durch das Temperieren wird im Bauteil ein Tem peraturgradient beziehungsweise eine Temperaturverteilung er zeugt. Der Temperaturgradient induziert im Bauteil die Prüf spannung. Mit Hilfe eines orts- und zeitauflösenden Tempera tursensors wird während des Temperierens die Oberflächentem peratur des Oberflächenabschnitts, also die Ist- Temperaturverteilung entlang des Oberflächenabschnitts gemes sen. Die gemessene Ist-Temperaturverteilung wird mit einer vorgegebenen, die Prüfspannung definierenden Soll- Temperaturverteilung verglichen. Dauer und/oder Ort des Ein wirkens der Wärmestrahlung werden so geregelt, dass die ge messene Ist-Temperaturverteilung der Soll- Temperaturverteilung entspricht. Ein durch die Prüfspannung hervorgerufener Riss im Bauteil und damit das Versagen des Bauteils wird durch Schall-Emissionsanalyse detektiert.Such a method is known, for example, from US Pat. No. 5,647,667 out. It is used to generate the test voltage Tempering a surface section of the component from egg ceramic material by exposure to heat radiation carried out. By tempering a tem temperature gradient or a temperature distribution testifies. The temperature gradient induces the test in the component tension. With the help of a location and time-resolved tempera tursensors the surface temperature during tempering temperature of the surface section, i.e. the actual Temperature distribution along the surface section measured sen. The measured actual temperature distribution is shown with a predetermined target voltage defining the test voltage Temperature distribution compared. Duration and / or place of on the heat radiation are regulated so that the ge measured actual temperature distribution of the target Temperature distribution corresponds. One by the test voltage caused crack in the component and thus the failure of the Component is detected by sound emission analysis.
Anwendung findet dieses Verfahren beispielsweise bei einem rotationssymmetrischen Bauteil. Mit Hilfe einer fokussierten Wärmestrahlung, deren Quelle beispielsweise ein Nd:YAG-Laser ist, und durch Rotieren um einen Rotationsmittelpunkt einer Oberfläche des Bauteils wird ein Oberflächenabschnitt mit ei ner radialen Temperaturverteilung erzeugt. Es entsteht ein Oberflächenabschnitt mit einem bezüglich des Rotationsmittel punkts radialen Temperaturgradienten.This method is used, for example, in a rotationally symmetrical component. With the help of a focused Heat radiation, the source of which is, for example, an Nd: YAG laser and by rotating around a center of rotation one The surface of the component becomes a surface section with egg ner radial temperature distribution generated. It arises Surface section with a with respect to the rotational means radial temperature gradients.
Das keramische Bauteil kann im Betrieb einem Thermoschock ausgesetzt werden, also einer abrupten, schnellen und großen Änderung einer Temperatur des Bauteils. Die Änderung der Tem peratur des Bauteils erfolgt dabei inhomogen, so dass sich im Bauteil ein relativ großer Temperaturgradient einstellen kann. Die dadurch hervorgerufene Spannung wird als thermo elastische Spannung bezeichnet.The ceramic component can undergo thermal shock during operation exposed, that is, an abrupt, fast and large one Change in a temperature of the component. The change in tem The temperature of the component is inhomogeneous, so that in the Set the component a relatively large temperature gradient can. The resulting voltage is called thermo called elastic tension.
Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise eine Turbinenschau fel einer Gasturbine. Die Turbinenschaufel kann im Betrieb einer abrupten, sehr starken Temperaturschwankung (Tempera turdifferenz pro Zeit) ausgesetzt sein. Daher ist es notwen dig, eine Thermoschockbeständigkeit des keramischen Werk stoffs des Bauteils zu kennen. Als Maß für die Thermoschock beständigkeit wird beispielsweise die Temperaturdifferenz he rangezogen, bei der ein deutlicher Abfall einer Restfestig keit beziehungsweise eines Elastizitätsmoduls (E-Modul) des Werkstoffs festgestellt wird. Die Restfestigkeit ist diejeni ge Belastung, der ein Bauteil aus dem Werkstoff ausgesetzt werden kann, ohne dass es zu einer merklichen Rissbildung und/oder Rissfortpflanzung kommt.Such a component is, for example, a turbine show a gas turbine. The turbine blade can be in operation an abrupt, very strong temperature fluctuation (tempera difference per time). Therefore it is necessary dig, a thermal shock resistance of the ceramic work to know the material of the component. As a measure of thermal shock The temperature difference, for example, becomes constant range, where there is a clear drop in residual strength speed or a modulus of elasticity (modulus of elasticity) of the Material is determined. The residual strength is that load to which a component made of the material is exposed can be without causing noticeable cracking and / or crack propagation.
In der Veröffentlichung in "Berichte der Deutschen Kerami schen Gesellschaft", Band 55 (1978), Nr. 12, Dezember, Seiten 507 bis 510, wird ein Verfahren zur Bestimmung der Thermo schockbeständigkeit eines keramischen Werkstoffs diskutiert. Das Verfahren wird als Thermoschockverfahren bezeichnet. Da bei wird ein Probekörper in Form eines Hohlzylinders aus dem keramischen Werkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), über eine Innenseite des Hohlzylinders mittels Wärmeleitung auf beispielsweise 1000°C erwärmt. Durch abruptes Abkühlen eines Oberflächenabschnitts einer Mantelfläche des Hohlzylin ders wird ein großer Temperaturgradient im Hohlzylinder er zeugt. Das Abkühlen wird mit Hilfe eines Temperiergases (Luftstrom) durchgeführt und erfolgt innerhalb weniger Sekun den. Aufgrund des dabei erzeugten Temperaturgradienten kommt es zu mechanischen Spannungen und damit zu Rissen im Hohlzy linder. Die Risse werden durch Schall-Emissionsanalyse nach gewiesen. Es zeigt sich, dass mit dem angegebenen Verfahren eine experiment-unabhängige Aussage zur Thermoschockbestän digkeit eines keramischen Werkstoffs nicht getroffen werden kann. Die Ergebnisse zur Thermoschockbeständigkeit hängen sehr stark von einer Versuchsbedingung ab, beispielsweise ei nem Durchmesser des Hohlzylinders oder einem Druck des Luft stroms.In the publication in "Reports of the German Ceramic Society", Volume 55 ( 1978 ), No. 12, December, pages 507 to 510, a method for determining the thermal shock resistance of a ceramic material is discussed. The procedure is known as the thermal shock procedure. Since a test specimen in the form of a hollow cylinder made of the ceramic material, for example aluminum oxide (Al 2 O 3 ), is heated via an inside of the hollow cylinder by means of heat conduction to, for example, 1000 ° C. By abruptly cooling a surface section of a lateral surface of the hollow cylinder, a large temperature gradient in the hollow cylinder is generated. The cooling is carried out with the aid of a temperature gas (air flow) and takes place within a few seconds. Due to the temperature gradient generated, mechanical stresses and therefore cracks in the hollow cylinder occur. The cracks are verified by sound emission analysis. It can be seen that an experiment-independent statement on the thermal shock resistance of a ceramic material cannot be made with the specified method. The results for thermal shock resistance depend very much on a test condition, for example a diameter of the hollow cylinder or a pressure of the air stream.
Aus Fusion Technology, 23 (1993) No. 4, Seiten 426 bis 434, geht ebenfalls ein Thermoschockverfahren zur Bestimmung der Thermoschockbeständigkeit eines keramischen Werkstoffs her vor. Dazu wird ein Probekörper aus SiO2-MgO-Al2O3 in Form ei nes Zylinders verwendet. Es wird ein abruptes Erhitzen eines Oberflächenabschnitts einer Grundfläche und/oder einer Deck fläche des Zylinders mit Hilfe eines CO2-Lasers innerhalb ei ner Sekunde durchgeführt. Ein Strahlungsfleck des Laser strahls des CO2-Lasers ist kreisrund und zeichnet sich durch eine gleichmäßige Leistungsdichte aus. Nach dem Erhitzen er folgt ein Abkühlen durch Konvektion. Aufgrund der durch das Erhitzen und das Abkühlen hervorgerufenen thermoelastischen Spannungen kommt es zur mechanischen Belastung des Zylinders. Wird eine kritische Belastung überschritten, kommt es zur Rissbildung am Oberflächenabschnitt des Zylinders. Ein Riss wird mit Hilfe eines Mikroskops festgestellt. Auch dieses Thermoschockverfahren alleine eignet sich nicht dazu, eine experiment-unabhängige Aussage zur Thermoschockbeständigkeit eines keramischen Werkstoffs zu machen. Die im Zylinder her vorgerufenen thermoelastischen Spannungen hängen stark von den Versuchsbedingungen (z. B. Durchmesser und Leistungsdichte des Strahlungsflecks des Laserstrahls) ab.From Fusion Technology, 23 ( 1993 ) No. 4, pages 426 to 434, a thermal shock method for determining the thermal shock resistance of a ceramic material also proceeds. A test specimen made of SiO 2 -MgO-Al 2 O 3 in the form of a cylinder is used for this. An abrupt heating of a surface section of a base area and / or a cover area of the cylinder is carried out with the aid of a CO 2 laser within one second. A radiation spot of the laser beam from the CO 2 laser is circular and is characterized by a uniform power density. After heating, it is cooled by convection. Due to the thermoelastic stresses caused by the heating and cooling, the cylinder is mechanically stressed. If a critical load is exceeded, cracks form on the surface section of the cylinder. A crack is detected using a microscope. This thermal shock method alone is also not suitable for making an experiment-independent statement about the thermal shock resistance of a ceramic material. The thermoelastic stresses caused in the cylinder strongly depend on the test conditions (e.g. diameter and power density of the radiation spot of the laser beam).
In der zuletzt zitierten Veröffentlichung wird aufgezeigt, wie das zuvor beschriebenen Thermoschockverfahren simuliert werden kann. Durch einen Vergleich der theoretischen Berech nungen und der experimentellen Ergebnisse soll eine standar disierte, also experiment-unabhängige Aussage zur Thermo schockbeständigkeit eines keramischen Werkstoffs möglich sein. The last cited publication shows as simulated the thermal shock procedure previously described can be. By comparing the theoretical comp and the experimental results should be a standard dised, i.e. experiment-independent statement about thermo shock resistance of a ceramic material possible his.
Zur Simulation des Thermoschockverfahrens wird in einem ers ten Schritt das Temperieren des Oberflächenabschnitts und darüber mit Hilfe bekannter Materialdaten wie Dichte oder Wärmeleitfähigkeit die Temperaturverteilung im Zylinder wäh rend des Temperierens simuliert. Es wird eine zeitliche Ent wicklung der Temperaturverteilung erhalten. Im nächsten Schritt wird aus der simulierten, zeitlichen Entwicklung der Temperaturverteilung mit Hilfe einer Finite-Elemente(FEM)- Analyse eine zeitliche Entwicklung der thermoelastischen Spannungen im Zylinder berechnet.To simulate the thermal shock process, an ers temperature step of the surface section and about it with the help of known material data such as density or Thermal conductivity select the temperature distribution in the cylinder simulated during tempering. It will be a temporal ent Obtained winding of the temperature distribution. In the next The step is based on the simulated, temporal development of Temperature distribution using a finite element (FEM) - Analysis of a temporal development of the thermoelastic Stresses in the cylinder are calculated.
Sowohl die experimentellen Ergebnisse als auch die theoreti schen Berechnungen werden beispielsweise in Form einer soge nannten kritischen Bruchkurve des keramischen Werkstoffs un ter Thermoschockbedingungen ausgewertet. Dabei wird die Leis tungsdichte des Strahlungsflecks des Lasers gegen den Durch messer des Strahlungsflecks aufgetragen. Es zeigt sich, dass nur qualitative Übereinstimmung zwischen den experimentellen Ergebnissen und den theoretischen Berechnungen besteht. Um aber zu einer eindeutigen, standardisierten und damit experi ment-unabhängigen Aussage zur Thermoschockbeständigkeit des keramischen Werkstoffs zu gelangen, sollten experimentelle Ergebnisse und theoretische Berechnungen auch quantitativ gut übereinstimmen.Both the experimental results and the theoretical calculations are for example in the form of a so-called called the critical fracture curve of the ceramic material ter thermal shock conditions evaluated. The leis tation density of the radiation spot of the laser against the through knife of the radiation spot. It shows, that only qualitative agreement between the experimental Results and the theoretical calculations. Around but to a clear, standardized and thus experi ment-independent statement on the thermal shock resistance of the ceramic material should be experimental Results and theoretical calculations are also quantitatively good to match.
Eine Eingangsgröße der FEM-Analyse ist die simulierte Tempe raturverteilung beziehungsweise deren zeitliche Entwicklung. Die simulierte Temperaturverteilung beruht auf idealisierten Bedingungen im keramischen Werkstoff. Vorteilhaft wäre es, als Eingangsgröße eine Temperatur beziehungsweise eine Tempe raturverteilung zu verwenden, die einer realen Temperaturver teilung während eines Thermoschocks möglichst nahe kommt. Am besten ist es, wenn die tatsächliche Temperaturverteilung be kannt wäre. An input variable of the FEM analysis is the simulated temp ratur distribution or their temporal development. The simulated temperature distribution is based on idealized ones Conditions in the ceramic material. It would be advantageous as an input variable a temperature or a tempe ratur distribution to use that a real Temperaturver division as close as possible during a thermal shock. At the it is best if the actual temperature distribution be would be known.
Zum Bestimmen der Temperaturverteilung beim Abkühlen ist bei spielsweise ein Verfahren ungeeignet, bei dem der Probekörper einfach in Wasser eingetaucht wird (Wasser-Abschreck- Versuch). Bei einem derartigen Versuch kann eine Abkühlge schwindigkeit und/oder die Temperaturverteilung nicht ohne Weiteres sicher und reproduzierbar bestimmt werden. Bei spielsweise kann es zu Blasenbildung an dem Oberflächenab schnitt. Es kann einem stark ortsabhängigen Wärmeübergang kommen. Die Wärmeübergänge sind inhomogen.To determine the temperature distribution during cooling is at for example, a method unsuitable in which the test specimen is simply immersed in water (water quenching Attempt). In such an attempt, a cooling speed and / or the temperature distribution not without More can be determined safely and reproducibly. at for example, bubbles may form on the surface cut. There can be a highly location-dependent heat transfer come. The heat transfers are inhomogeneous.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie die Temperatur beziehungsweise die Temperaturverteilung eines Oberflächenabschnitts eines Probekörpers während des Temperierens des Probekörpers zuverlässig und reproduzierbar bestimmt werden kann.The object of the present invention is therefore to demonstrate like the temperature or the temperature distribution a surface portion of a specimen during Tempering the specimen reliably and reproducibly can be determined.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Oberflächentemperatur zumindest eines Oberflächenabschnitts eines Probekörpers während eines Temperierens des Probekör pers angegeben. Der Oberflächenabschnitt wird durch Rotieren des Probekörpers um eine Rotationsachse des Probekörpers er zeugt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Probekörper ein Zylinder mit einer Rotationsachse entlang ei ner Höhe des Zylinders verwendet und der Oberflächenabschnitt auf einer Mantelfläche des Zylinders erzeugt wird.To solve the problem, a method for determining a Surface temperature of at least one surface section of a test specimen during tempering of the test specimen pers specified. The surface section is made by rotating of the test specimen around an axis of rotation of the test specimen testifies. The method is characterized in that as Test specimen a cylinder with an axis of rotation along egg used the height of the cylinder and the surface section is generated on a lateral surface of the cylinder.
Neben dem Verfahren wird zur Lösung der Aufgabe eine Vorrich tung zum Durchführen des Verfahrens angegeben. Die Vorrich tung verfügt über ein Mittel zum Erzeugen des Oberflächenab schnitts auf einer Mantelfläche des Zylinders, ein Mittel zum Temperieren des Zylinders und ein Mittel zum Bestimmen der Oberflächentemperatur des Oberflächenabschnitts während des Temperierens des Zylinders.In addition to the procedure, a Vorrich is used to solve the task tion specified for performing the method. The Vorrich device has a means of creating the surface deposition cut on a lateral surface of the cylinder, a means for Tempering the cylinder and a means of determining the Surface temperature of the surface section during the Tempering the cylinder.
Der Probekörper besteht beispielsweise aus einem spröden Pro bematerial. Das Probematerial ist insbesondere ein kerami scher Werkstoff wie Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid. Der Oberflächenabschnitt besteht vorzugsweise ebenfalls aus dem Probematerial. Der Oberflächenabschnitt ist ein Teil der O berfläche des Probekörpers. Der Probekörper ist ein Zylinder. Der Zylinder ist vorzugsweise ein Vollzylinder. Denkbar ist aber auch ein Hohlzylinder. Der Zylinder zeichnet sich durch eine Grundfläche, eine Deckfläche, eine Mantelfläche und eine Höhe (Längsausdehnung) aus. Entlang der Höhe ist der Zylinder vorzugsweise rotationssymmetrisch. Dabei kann der Zylinder eine runde Grundfläche (Deckfläche) aufweisen. Denkbar ist aber auch ein Zylinder in Form eines Prismas mit einer ecki gen Grundfläche. Beispielsweise verfügt das Prisma über eine sechseckige Grundfläche. Denkbar ist dabei ein flacher Zylin der. Der flache Zylinder ist eine Scheibe. Bei einem flachen Zylinder ist die Höhe kleiner als eine laterale Ausdehnung. Die laterale Ausdehnung ist eine Ausdehnung einer Grundfläche des Zylinders.The test specimen consists, for example, of a brittle pro bematerial. The sample material is in particular a kerami material such as silicon carbide or silicon nitride. The Surface section preferably also consists of the Sample material. The surface section is part of the O surface of the test specimen. The test specimen is a cylinder. The cylinder is preferably a full cylinder. Is conceivable but also a hollow cylinder. The cylinder stands out a base area, a cover area, a lateral area and a Height (longitudinal extension). Along the height is the cylinder preferably rotationally symmetrical. The cylinder can have a round base (top surface). Is conceivable but also a cylinder in the form of a prism with an ecki towards the floor space. For example, the prism has one hexagonal base. A flat cylinder is conceivable the. The flat cylinder is a disc. With a flat Cylinder height is less than a lateral extent. The lateral extension is an extension of a base area of the cylinder.
Insbesondere wird der Zylinder aus der Gruppe Stab und/oder Prisma ausgewählt. Der Stab ist beispielsweise ein Rundstab mit einer runden Grundfläche. Bei einem Zylinder in Form ei nes Stabes entspricht der Höhe des Zylinders einer Länge des Stabes. Die Länge ist dabei wesentlich größer als eine late rale Ausdehnung des Stabes.In particular, the cylinder from the group rod and / or Prism selected. The rod is a round rod, for example with a round base. With a cylinder in the shape of an egg The height of the cylinder corresponds to a length of the Rod. The length is much longer than a latex rale expansion of the rod.
Durch Rotieren des Probekörpers um eine Rotationsachse wird der Oberflächenabschnitt erzeugt. Bei einem rotationssymmet rischen Zylinder verläuft die Rotationsachse vorzugsweise durch einen Mittelpunkt der Grundfläche und durch einen Mit telpunkt der Deckfläche. Das Rotieren erfolgt beispielsweise mit einer Umdrehungsrate von einer Umdrehung pro Sekunde. Vorzugsweise ist die Umdrehungsrate ausgewählt aus dem Be reich von einschließlich 1 Umdrehung pro Sekunde bis ein schließlich 10 Umdrehungen pro Sekunde.By rotating the test specimen around an axis of rotation the surface section creates. With a rotation symmetry rical cylinder, the axis of rotation is preferably by a center of the base area and by a Mit center of the top surface. The rotation takes place, for example at a rate of one revolution per second. The rate of rotation is preferably selected from the Be ranging from 1 turn per second to one finally 10 revolutions per second.
Das Rotieren des Zylinders wird durch das Mittel zum Herstel len des Oberflächenabschnitts ermöglicht. Das Mittel besteht beispielsweise aus einer Drehvorrichtung, die über zwei Drehlager mit den Mittelpunkten der Grund- und der Deckfläche verbunden ist. Durch die Mittelpunkte der Grund- und der Deckfläche führt die Rotationsachse. Komplettiert wird das Mittel zum Herstellen des Oberflächenabschnitts beispielswei se durch ein Mittel zum Temperieren des Oberflächenab schnitts. Dabei wird während des Rotierens die Mantelfläche des Stabes an einer bestimmten Stelle mit Wärmestrahlung be strahlt. Denkbar ist auch, dass die Mantelfläche des rotie renden Stabes an der bestimmten Stelle mit einem Temperiergas in Kontakt gebracht wird. In beiden Fällen wird auf der Man telfläche ein zylindrischer (ringförmiger) Oberflächenab schnitt aktiv erzeugt. Das Mittel zum Herstellen des Oberflä chenabschnitts kann aber auch durch das Mittel zum Bestimmen der Oberflächentemperatur des Oberflächenabschnitts komplet tiert werden. Das Mittel ist auf eine bestimmte Stelle der Mantelfläche gerichtet, um an der Stelle die Oberflächentem peratur zu bestimmen. Durch das Rotieren des Stabes wird ein Oberflächenabschnitt in Form eines zylindrischen Ausschnitts der Mantelfläche des Stabes erzeugt. Das Erzeugen erfolgt quasi passiv.The rotation of the cylinder becomes a means of manufacture len of the surface section allows. The remedy is there for example from a rotating device that has two rotary bearings with the center of the base and the top surface connected is. Through the centers of the basic and the Cover surface leads the axis of rotation. This is completed Means for producing the surface section, for example se by a means for tempering the surface -section. The circumferential surface becomes during the rotation of the rod at a certain point with heat radiation shine. It is also conceivable that the outer surface of the rotie bar at the specified point with a tempering gas is brought into contact. In both cases, the man a cylindrical (ring-shaped) surface cut actively generated. The means of making the surface However, the section can also be determined by the means the surface temperature of the surface section is complete be animals. The remedy is at a specific point in the Lateral surface directed to the surface at the point to determine temperature. Rotating the rod turns one Surface section in the form of a cylindrical cutout the outer surface of the rod. The creation takes place quasi passive.
Das Temperieren des Probekörpers umfasst beispielsweise ein Erhitzen und/oder ein Abkühlen des Oberflächenabschnitts des Probekörpers. Es kann der gesamte Probekörper abgekühlt oder erhitzt werden. Das Temperieren kann homogen (gleichmäßig) oder inhomogen (ungleichmäßig) über den Oberflächenabschnitt erfolgen. Es können aber auch mehrere Oberflächenabschnitte unterschiedlich temperiert werden. Das Temperieren erfolgt inhomogen entlang der Oberfläche des Probekörpers.The tempering of the specimen includes, for example Heating and / or cooling the surface portion of the Specimen. The entire test specimen can be cooled or be heated. Tempering can be homogeneous (even) or inhomogeneous (uneven) over the surface section respectively. However, several surface sections can also be used be tempered at different temperatures. The tempering takes place inhomogeneous along the surface of the test specimen.
Das Temperieren kann in mehreren Temperierschritten erfolgen. Das bedeutet beispielsweise, dass der Probekörper in einem ersten Temperierschritt erhitzt und in einem darauf folgendem Temperierschritt abgekühlt wird. Während des Erhitzens und während des Abkühlens kann die Oberflächentemperatur bestimmt werden. Denkbar ist aber auch, dass zunächst der Oberflächen abschnitt des Probekörpers auf eine Ausgangstemperatur erhitzt und nachfolgend abgekühlt wird, wobei nur beim Abkühlen die Oberflächentemperatur des Oberflächenabschnitts bestimmt wird. Ein einmaliges Erhitzen und Abkühlen entspricht einem einzigen Temperierzyklus. Denkbar sind aber auch mehrere Tem perierzyklen.The tempering can be done in several tempering steps. This means, for example, that the specimen is in one heated in the first tempering step and in a subsequent one Temperature control step is cooled. During heating and the surface temperature can be determined during cooling become. But it is also conceivable that initially the surfaces section of the test specimen heated to an initial temperature and subsequently cooled, only when cooling determines the surface temperature of the surface section becomes. A single heating and cooling corresponds to one single tempering cycle. However, several temperatures are also conceivable perierzyklen.
Das Temperieren des Probekörpers erfolgt beispielsweise mit einer Temperierrate von mehreren 100°C/s. Es kann dabei zu einem Thermoschock des Probekörpers mit den oben angesproche nen Auswirkungen kommen. Während des Temperierens findet das Bestimmen der Oberflächentemperatur statt. Es wird eine Tem peraturverteilung des Oberflächenabschnitts und eine zeitli che Entwicklung der Temperaturverteilung aufgenommen. Das Bestimmen der Oberflächentemperatur erfolgt somit orts- und zeitaufgelöst. Eine Ortsauflösung beträgt beispielsweise we nige mm. Eine Zeitauflösung ist so gewählt, dass die zeitli che Entwicklung der Temperaturverteilung während des Thermo schocks bestimmt werden kann. Die Zeitauflösung orientiert sich beispielsweise an der Temperierrate des Temperierens. Insbesondere ist die Zeitauflösung des Bestimmens der Ober flächentemperatur aus dem Bereich von einschließlich 100 ns bis 1 s ausgewählt.The specimen is tempered, for example, with a tempering rate of several 100 ° C / s. It can be too a thermal shock of the test specimen addressed with the above effects. This takes place during tempering Determine the surface temperature instead. It will be a tem temperature distribution of the surface section and a temporal che development of the temperature distribution included. The The surface temperature is thus determined locally and time resolution. A spatial resolution is, for example, we few mm. A time resolution is chosen so that the time che Development of the temperature distribution during thermo shocks can be determined. The time resolution is oriented the tempering rate of tempering, for example. In particular, the time resolution of determining the super is surface temperature in the range of 100 ns inclusive up to 1 s selected.
In einer besonderen Ausgestaltung werden der Probekörper und das Mittel zum Bestimmen der Oberflächentemperatur des Ober flächenabschnitts in einem festen Abstand zueinander gehal ten. Dies bedeutet, dass der Probekörper und das Mittel zum Bestimmen der Oberflächetemperatur zueinander ortsfest wäh rend des Temperierens gehalten werden. Das Mittel zum Bestim men der Oberflächentemperatur ist ein Temperatursensor. Der Temperatursensor ist beispielsweise ein Thermoelement, das auf dem Oberflächenabschnitt angebracht ist und das mittels Wärmeleitung die Oberflächentemperatur bestimmen kann.In a special embodiment, the test specimen and the means for determining the surface temperature of the surface surface section at a fixed distance from each other This means that the test specimen and the means for Determine the surface temperature to each other be maintained during tempering. The means of determination The surface temperature is a temperature sensor. The Temperature sensor is, for example, a thermocouple that is attached to the surface section and by means of Heat conduction can determine the surface temperature.
In einer besonderen Ausgestaltung wird zum Bestimmen der O berflächentemperatur des Oberflächenabschnitts mindestens ein Infrarotdetektor zur Detektion der von dem Oberflächenabschnitt ausgesandten Infrarotstrahlung verwendet. Die Bestim mung der Oberflächentemperatur findet pyrometrisch statt. Der Infrarotdetektor kann dabei ein Halbleiterdetektor sein. Eine vom Infrarotdetektor detektierbare Wellenlänge ist beispiels weise aus dem Bereich zwischen 0,8 µm bis 10 µm ausgewählt. Vorteilhaft an dem Infrarotdetektor ist, dass die Oberflä chentemperatur indirekt bestimmt wird und somit auf einen Wärmeübergang am Oberflächenabschnitt direkt kein Einfluss genommen wird. Die Wärmeübergange können unabhängig vom Inf rarotdetektor und damit reproduzierbar stattfinden.In a special embodiment, the O surface temperature of the surface section at least one Infrared detector for the detection of the surface section emitted infrared radiation used. The determinations The surface temperature is measured pyrometrically. The The infrared detector can be a semiconductor detector. A Wavelength detectable by the infrared detector is an example selected from the range between 0.8 µm to 10 µm. An advantage of the infrared detector is that the surface temperature is determined indirectly and thus to a Heat transfer at the surface section has no direct influence is taken. The heat transfers can be independent of the Inf infrared detector and thus take place reproducibly.
Als Infrarotdetektor kann ein Detektorarray zum Einsatz kom men. Ein Detektorelement des Detektorarrays zeichnet sich beispielsweise durch eine Zeitauflösung im Bereich von weni gen µs. Eine Ortsauflösung eines Detektorelements des Detek torarrays bewegt sich beispielsweise im Bereich von wenigen mm (z. B. 1 mm bis 10 mm). Denkbar ist aber auch, dass zum Bestimmen der Temperaturverteilung des Oberflächenabschnitts kein Detektorarray, sondern ein einziges Detektorelement ver wendet wird. Dabei wird beispielsweise der zu untersuchende Oberflächenabschnitt mit Hilfe des Detektorelements während des Temperierens abgetastet. Dies erfordert eine erhöhte Zeitauflösung. Die Zeitauflösung beträgt beispielsweise unter 0,1 µs.A detector array can be used as an infrared detector men. A detector element of the detector array stands out for example by a time resolution in the range of weni gen µs. A spatial resolution of a detector element of the Detek Torarrays, for example, are in the range of a few mm (e.g. 1 mm to 10 mm). But it is also conceivable that for Determine the temperature distribution of the surface section no detector array, but a single detector element ver is applied. For example, the one to be examined Surface section using the detector element during of the tempering sensed. This requires increased Time resolution. For example, the time resolution is below 0.1 µs.
Das Temperieren umfasst beispielsweise ein Erhitzen. Insbe sondere wird dabei der Oberflächenabschnitt mit Wärmestrah lung bestrahlt. Als Energiequelle dient dabei insbesondere ein Laser. Vorzugsweise ist der Laser ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge 1064 nm. Der Laser kann im Dauerstrichbe trieb oder gepulst betrieben werden. Denkbar ist aber auch jede andere energiereiche Quelle für Wärmestrahlung, die das Probematerial des Probekörpers absorbieren kann. Eine derar tige Quelle ist beispielsweise eine Quecksilberdampflampe.Tempering includes, for example, heating. in particular special is the surface section with heat radiation irradiated. It serves in particular as an energy source a laser. The laser is preferably an Nd: YAG laser a wavelength of 1064 nm. The laser can be in continuous wave driven or operated pulsed. But it is also conceivable any other high energy source of heat radiation that the Can absorb sample material of the test specimen. A derar The source is, for example, a mercury vapor lamp.
In einer besonderen Ausgestaltung wird der Oberflächenab schnitt zum Temperieren mit einem aus der Gruppe Temperierflüssigkeit und/oder Temperiergas ausgewählten Temperiermedi um in Kontakt gebracht. Mit dem Temperiermedium kann der O berflächenabschnitt sowohl erhitzt als auch abgekühlt werden. Der Oberflächenabschnitt kann sowohl durch Wärmestrahlung als auch durch Wärmeleitung und/oder Konvektion temperiert wer den. Bei Verwendung des Temperiermediums ist darauf zu ach ten, dass das Temperiermedium gegenüber dem Probematerial des Probekörpers und/oder des Oberflächenabschnitts reaktionsträ ge ist. Es sollte während des Temperierens keine chemische Reaktion ablaufen.In a special embodiment, the surface is cut for tempering with one from the group bath fluid and / or tempering gas selected tempering medium to be contacted. The O surface section are both heated and cooled. The surface section can be both by heat radiation also tempered by heat conduction and / or convection the. When using the temperature control medium, care should be taken that the temperature control medium compared to the sample material of the Test specimen and / or the surface section inert ghost. There should be no chemical during tempering Reaction run off.
In einer besonderen Ausgestaltung wird ein für die Tempera turstrahlung transparentes Temperiermedium verwendet und das Temperiermedium zwischen dem Oberflächenabschnitt und dem Infrarotdetektor angeordnet. Das Temperiermedium zeigt eine bestimmte Transmission für die Infrarotstrahlung, die vom O berflächenabschnitt ausgesandt und vom Infrarotdetektor re gistriert wird. Dies bedeutet, dass durch das Temperiermedium genügend Infrarotstrahlung bis zum Infrarotdetektor gelangt. Das Temperiermedium weist einen kleinen Absorptionskoeffi zienten für die Infrarotstrahlung auf. Es wird relativ wenig Infrarotstrahlung durch das Temperiermedium absorbiert. Die Transmission des Temperiermediums beträgt beispielsweise für eine bestimmte Wellenlänge der Infrarotstrahlung 60% - 90%.In a special embodiment, one for the tempera used a transparent tempering medium and that Temperature control medium between the surface section and the Infrared detector arranged. The temperature control medium shows one certain transmission for the infrared radiation emitted by the O surface section emitted and right by the infrared detector is registered. This means that through the temperature control medium enough infrared radiation reaches the infrared detector. The temperature control medium has a small absorption coefficient target the infrared radiation. It will be relatively little Infrared radiation absorbed by the temperature control medium. The Transmission of the temperature control medium is, for example a certain wavelength of infrared radiation 60% - 90%.
Beispielsweise wird am Oberflächenabschnitt das Temperiergas vorbeigeleitet. Ein Temperiergas hat den Vorteil, dass eine Absorptionsbande im Wellenlängenbereich der Infrarotstrahlung relativ schmal und damit ein Transmissionsbereich, der der Detektion der Infrarotstrahlung zur Verfügung steht, relativ breit ist. Bei einer Temperierflüssigkeit, bei der eine rela tiv breite Absorptionsbande im Wellenlängenbereich der Infra rotstrahlung vorliegen kann, wird eine geringe Absorption da durch erreicht, dass eine kleiner Abstand zwischen Oberflä chenabschnitt und dem Infrarotdetektor gewählt wird. Inner halb des Abstands ist die Temperierflüssigkeit angeordnet. For example, the tempering gas is at the surface section bypasses. A temperature control gas has the advantage that a Absorption band in the wavelength range of infrared radiation relatively narrow and thus a transmission range that the Detection of infrared radiation is available, relatively is wide. With a bath fluid where a rela tiv broad absorption band in the wavelength range of the infra red radiation, there will be little absorption achieved by a small distance between surface Chen section and the infrared detector is selected. inner the bath fluid is arranged half the distance.
In einer besonderen Ausgestaltung wird das Temperiermedium in einem Temperierbehälter mit einer für die Infrarotstrahlung transparenten Behälterwandung angeordnet. Dies ist insbeson dere bei der Verwendung einer Temperierflüssigkeit vorteil haft. Die Behälterwandung ist zwischen dem Oberflächenab schnitt und dem Infrarotdetektor angeordnet. Auch durch die Behälterwandung sollte möglichst wenig Infrarotstrahlung ab sorbiert werden. Dies gelingt beispielsweise dadurch, dass die Behälterwandung sehr dünn ist. Insbesondere wird aber ein Behältermaterial für die Behälterwandung verwendet, das einen kleinen Absorptionskoeffizienten für die Infrarotstrahlung aufweist. Die Behälterwandung besteht beispielsweise aus ei nem speziellen Quarzglas.In a special embodiment, the temperature control medium is in a tempering tank with one for infrared radiation arranged transparent container wall. This is in particular which is advantageous when using a bath fluid way. The container wall is between the surfaces cut and arranged the infrared detector. Even through the The container wall should emit as little infrared radiation as possible be sorbed. This is achieved, for example, by the fact that the container wall is very thin. In particular, however, a Container material used for the container wall, the one small absorption coefficient for infrared radiation having. The container wall consists, for example, of egg special quartz glass.
In einer besonderen Ausgestaltung wird die Temperierflüssig keit aus der Gruppe Wasser und/oder deuteriertes Wasser aus gewählt. Da Wasser eine beträchtliche Absorption der für den Infrarotdetektor benötigten Infrarotstrahlung aufweist, wird hier insbesondere für eine kleine Wegstrecke der Infrarot strahlung von dem Oberflächenabschnitt durch die Temperier flüssigkeit bis hin zum Infrarotdetektor gesorgt. Der Infra rotdetektor kann dabei möglichst nahe dem Oberflächenab schnitt gegenüberliegend angeordnet werden. Denkbar ist ins besondere, dass die Infrarotstrahlung nicht direkt, sondern indirekt mit Hilfe eines Lichtleiters zum Infrarotdetektor gelangt. Deuteriertes Wasser ist aber zu bevorzugen, da des sen Absorptionskoeffizienten im fraglichen Wellenlängenbe reich wesentlich kleiner sind als die von Wasser.In a special embodiment, the bath fluid becomes liquid from the group of water and / or deuterated water selected. Because water has a considerable absorption for the Infrared detector required infrared radiation is here especially for a short distance of infrared radiation from the surface section through the tempering liquid up to the infrared detector. The infra red detector can be as close as possible to the surface cut to be arranged opposite. It is conceivable special that the infrared radiation is not direct, but indirectly using an optical fiber to the infrared detector arrives. Deuterated water is preferred, however, because of the absorption coefficient in the wavelength in question rich are much smaller than that of water.
Als Temperiergas kann jedes beliebige Gas oder Gasgemisch verwendet werden. Beispielsweise wird als Temperiergas eine Edelgas oder Luft verwendet. In einer besonderen Ausgestal tung wird das Temperiergas aus der Gruppe Kohlendioxid und/oder Stickstoff ausgewählt.Any gas or gas mixture can be used as temperature gas be used. For example, a Noble gas or air is used. In a special design the tempering gas from the group of carbon dioxide and / or nitrogen selected.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zy linder mit einem keramischen Werkstoff verwendet. Der keramische Werkstoff ist beispielsweise ein Siliziumkarbid oder Si liziumnitrid. Denkbar ist aber auch ein beliebiger Werkstoff wie Kunststoff oder Glas.In a special embodiment of the invention, a Zy linder used with a ceramic material. The ceramic The material is, for example, a silicon carbide or Si liziumnitrid. Any material is also conceivable like plastic or glass.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Oberflä chentemperatur, die nach einem zuvor beschriebenen Verfahren bestimmt wird, zur Bestimmung einer mechanischen Spannung in einem Probekörper während des Temperierens des Probekörpers verwendet. Die bestimmte Oberflächentemperatur und/oder die bestimmte Temperaturverteilung beziehungsweise deren jeweili ge Entwicklung dienen beispielsweise als Eingangsgröße einer FEM-Analyse. Mit Hilfe der FEM-Analyse kann die zeitliche Entwicklung der mechanischen Spannungen im Probekörper simu liert werden.According to a further aspect of the invention, the surface chentemperature by a previously described method is determined to determine a mechanical stress in a test specimen during the tempering of the test specimen used. The certain surface temperature and / or the certain temperature distribution or their respective Development serve as an input variable for example FEM analysis. With the help of the FEM analysis, the temporal Development of mechanical stresses in the test specimen simu be lated.
Um einen Bezug der auf diese Weise bestimmten mechanischen Spannungen im Probekörper und der Thermoschockbeständigkeit des Probematerials des Probekörpers herzustellen, kann bei spielsweise nach beendetem Temperieren des Probekörpers die Restfestigkeit des Probematerials bestimmt werden. Dazu wird bei einem Probekörper in Form eines Stabes beispielsweise ein Vier-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Der Stab wird mecha nisch bis zum Brechen des Stabes mit einer Belastung (Biege belastung) beaufschlagt. Dies Belastung wird als kritische Biegebelastung bezeichnet. Die kritische Biegebelastung hängt von der Temperaturdifferenz ab, der der Stab und/oder der O berflächenabschnitt des Stabes beim Temperieren ausgesetzt war.To reference the mechanical determined in this way Tensions in the test specimen and thermal shock resistance of the test material of the test specimen can be produced at for example after the temperature of the test specimen has ended Residual strength of the sample material can be determined. This will in the case of a test piece in the form of a rod, for example Four-point bending test carried out. The stick becomes mecha until the rod breaks with a load (bending load). This burden is considered critical Bending load referred to. The critical bending load depends on the temperature difference that the rod and / or the O surface section of the rod exposed during tempering was.
Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vor
teile:
In summary, the following parts result with the invention:
- - Es wird ein Verfahren angegeben, mit dessen Hilfe die Oberflächentemperatur eines Oberflächenabschnitts eines Probekörpers während des Temperierens sicher und repro duzierbar bestimmt werden kann. - A procedure is specified by means of which the Surface temperature of a surface section of a Test specimen safely and repro during tempering can be determined.
- - Durch die Form und das Rotieren des Probekörpers ist ge währleistet, dass lokale Unregelmäßigkeiten des Oberflä chenabschnitts statistisch eliminiert werden.- The shape and rotation of the test specimen is ge ensures that local surface irregularities section are statistically eliminated.
- - Mit Hilfe des Verfahrens kann der Probekörper auch mit einer Temperierflüssigkeit abgekühlt werden, ohne dass eine die Messergebnisse beeinträchtigende Bläschenbil dung auftritt. Es kommt zu reproduzierbaren Wärmeüber gangen am Oberflächenabschnitt.- With the help of the method, the test specimen can also be used a bath liquid can be cooled without a small vesicle impairment of the measurement results dung occurs. There is reproducible heat transfer went to the surface section.
- - Das Verfahren eignet sich als Standard-Temperatur- Messverfahren zum Bestimmen der Thermoschockbeständig keit beliebiger Probematerialien. Ein Freiheitsgrad des Verfahrens (beispielsweise Form und Größe des Probekör pers und des Oberflächenabschnitts, Temperierrate, Wär meübergänge) lassen sich festhalten, so dass als einzi ger Freiheitsgrad das Probematerial selbst verbleibt.- The process is suitable as a standard temperature Measuring method for determining the thermal shock resistance any sample materials. A degree of freedom of the Procedure (for example, shape and size of the test specimen pers and the surface section, tempering rate, heat transitions) can be held so that as the only one degree of freedom the sample material itself remains.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird im Folgenden die Erfindung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Using several exemplary embodiments and the associated The invention is explained in more detail below. The Figures are schematic and do not represent to scale Illustrations.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Probe körpers. Fig. 1 shows a perspective view of a sample body.
Fig. 2 und 3 zeigen jeweils eine Vorrichtung zum Durchfüh ren des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figs. 2 and 3 each show an apparatus for imple ren the inventive method.
Der Probekörper 1 ist ein Zylinder in Form eines Stabes aus dem keramischen Werkstoff Siliziumkarbid (Fig. 1). Der Stab 1 ist ein Rundstab. Er verfügt über eine runde Grund- und Deckfläche 19 mit einem Durchmesser von 1 cm. Eine Länge 18 des Stabes 1 (Höhe des Zylinders) beträgt etwa 10 cm. Entlang seiner Längsachse ist der Stab rotationssymmetrisch. Die Längsachse 18 und Rotationsachse 3 des Stabes 1 sind iden tisch. Durch Rotieren 4 des Stabes 1 um seine Längsachse 18 wird der Oberflächenabschnitt 2 auf der Mantelfläche 5 des Stabes 1 erzeugt. Dazu ist der Stab 1 um seine Längsachse 16 drehbar gelagert. Die Mittelpunkte von Grund- und Deckfläche 19 sind jeweils über ein Lager 151 mit einer Drehvorrichtung 152 verbunden.The test specimen 1 is a cylinder in the form of a rod made of the ceramic material silicon carbide ( FIG. 1). The rod 1 is a round rod. It has a round base and top surface 19 with a diameter of 1 cm. A length 18 of the rod 1 (height of the cylinder) is approximately 10 cm. The rod is rotationally symmetrical along its longitudinal axis. The longitudinal axis 18 and axis of rotation 3 of the rod 1 are identical. By rotating 4 the rod 1 about its longitudinal axis 18 , the surface section 2 is produced on the lateral surface 5 of the rod 1 . For this purpose, the rod 1 is rotatably mounted about its longitudinal axis 16 . The center points of base and top surface 19 are each connected to a rotating device 152 via a bearing 151 .
Dem Oberflächenabschnitt 2 gegenüber liegend ist in einem be stimmten Abstand 20 zum Oberflächenabschnitt 2 ein Mittel 7 zum Bestimmen der Oberflächentemperatur angeordnet. Dieses Mittel ist ein Infrarotdetektor in Form eines Detektorarrays. Der Infrarotdetektor 7 detektiert die von dem Oberflächenab schnitt 2 abgestrahlte Infrarotstrahlung 6. Mit Hilfe des Infrarotdetektors wird die Oberflächentemperatur des Oberflä chenabschnitts 2 orts- und zeitaufgelöst bestimmt. Der Stab 1 und der Infrarotdetektor 7 sind zueinander ortsfest angeord net.The surface section 2 opposite is at a certain distance 20 to the surface section 2 means 7 for determining the surface temperature is arranged. This means is an infrared detector in the form of a detector array. The infrared detector 7 detects the infrared radiation 6 emitted by the surface portion 2 . With the help of the infrared detector, the surface temperature of the surface section 2 is determined in a spatially and time-resolved manner. The rod 1 and the infrared detector 7 are fixed to each other net angeord.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der Oberflächenab schnitt 2 durch Rotieren 4 und gleichzeitiges Erhitzen des Stabes 1 mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung 8 auf der Mantelfläche 5 erzeugt. Das Rotieren 4 wird mit einer Rate von 10 Umdrehungen pro Sekunde durchgeführt. Während des Er hitzens wird die Oberflächentemperatur des Oberflächenab schnitts 2 bestimmt. Das Erhitzen erfolgt mit einer Tempe rierrate von 500°C/s.In a first process step, the surface section 2 is produced by rotating 4 and simultaneously heating the rod 1 with the aid of electromagnetic radiation 8 on the outer surface 5 . The rotation 4 is carried out at a rate of 10 revolutions per second. During the heating, the surface temperature of the surface section 2 is determined. The heating takes place at a tempering rate of 500 ° C / s.
Im nächsten Verfahrensschritt findet ein sehr schnelles, ab ruptes Abkühlen des Stabes 1 und damit des Oberflächenab schnitts 2 statt. Das Abkühlen erfolgt ebenfalls mit einer Temperierrate von 500°C/s. Auch während des Abkühlens wird ein Rotieren 4 des Stabes um die Rotationsachse 3 durchge führt. Während des Abkühlens wird die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperatur des Oberflächenabschnitts 2 durch Detektion der Infrarotstrahlung 6 bestimmt, die vom Oberflä chenabschnitt 2 ausgesandt wird. In the next step of the process, a very rapid, from rupture cooling of the rod 1 and thus the surface section 2 takes place. Cooling also takes place at a temperature of 500 ° C / s. Even during cooling, a rotation 4 of the rod about the axis of rotation 3 is performed. During the cooling, the development over time of the surface temperature of the surface section 2 is determined by detection of the infrared radiation 6 which is emitted by the surface section 2 .
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) wird zum Ab kühlen des Oberflächenabschnitts ein Temperiermedium 9 mit dem Oberflächenabschnitt 2 in Kontakt gebracht. Dazu wird ein Temperiergas 11 in Form von Kohlendioxid an der Oberfläche beziehungsweise am Oberflächenabschnitt 2 des Stabes 1 vor beigeleitet. Es kommt zu einem schnellen Abkühlen des Stabes 1 beziehungsweise des Oberflächenabschnitts 2 mittels Konvek tion.According to a first exemplary embodiment ( FIG. 2), a temperature control medium 9 is brought into contact with the surface section 2 in order to cool the surface section. For this purpose, a tempering gas 11 in the form of carbon dioxide is supplied to the surface or to the surface section 2 of the rod 1 before. There is a rapid cooling of the rod 1 or the surface section 2 by means of convection.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 3) wird der Oberflächenabschnitt 2 mit einem Temperiermedium 9 in Form einer Temperierflüssigkeit 10 in Kontakt gebracht. Die Tempe rierflüssigkeit 10 ist deuteriertes Wasser. Das Abkühlen ge lingt dadurch, dass zum rotierenden Stab 1 hin ein Temperier behälter 12 mit dem deuterierten Wasser bewegt wird, so dass der rotierende Stab 1 in das deuterierte Wasser eingetaucht wird. Während eines Eintauchens des rotierenden Stabes in die Temperierflüssigkeit 10 findet ein sehr schnelles Abkühlen des Stabes 1 beziehungsweise des Oberflächenabschnitts 2 statt. Das Abkühlen erfolgt durch Wärmeleitung. Die Behälter wandung 13 des Temperierbehälters 12 mit dem deuterierten Wasser, die im Verlauf des Abkühlens zwischen Oberflächenab schnitt 2 und Infrarotdetektor 7 angeordnet wird, besteht aus einem dünnwandigen Quarzglas. Sowohl das deuterierte Wasser als auch das dünnwandige Quarzglas verfügen über eine für die Detektion der Infrarotstrahlung 6 notwendigen Transmission.According to a further exemplary embodiment ( FIG. 3), the surface section 2 is brought into contact with a temperature control medium 9 in the form of a temperature control liquid 10 . The temperature fluid 10 is deuterated water. The cooling ge lingt in that a tempering is moved toward container 12 with the deuterated water to the rotating rod 1, so that the rotating rod 1 in the deuterated water is immersed. While the rotating rod is immersed in the bath liquid 10 , the rod 1 or the surface section 2 cools down very quickly. The cooling takes place by conduction. The container wall 13 of the temperature control container 12 with the deuterated water, which is arranged in the course of cooling between surface sections 2 and infrared detector 7 , consists of a thin-walled quartz glass. Both the deuterated water and the thin-walled quartz glass have a transmission necessary for the detection of the infrared radiation 6 .
In den beiden voran beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Stab 1 ortsfest rotierend gelagert. Ortsfest bedeutet da bei, dass das Temperiermedium 9 zum Stab 1 gebracht wird. Denkbar ist aber auch, dass der Stab 1 in das Temperiermedium 9 eingebracht wird. Dabei ist dafür zu sorgen, dass der Inf rarotdetektor 7 mit dem Stab 1 bewegt wird, wobei der Abstand 20 zwischen Infrarotdetektor 7 und Stab 1 gleich bleibt.In the two exemplary embodiments described above, the rod 1 is mounted in a stationary, rotating manner. Fixed means that the temperature control medium 9 is brought to the rod 1 . However, it is also conceivable that the rod 1 is introduced into the temperature control medium 9 . It should be ensured that the infra-red detector 7 is moved with the rod 1 , the distance 20 between the infrared detector 7 and rod 1 remaining the same.
Die erhaltene Temperaturverteilung des Oberflächenabschnitts 2 wird als Eingangsgröße zur Berechnung der mechanischen Spannungen im Stab 1 während des Temperierens verwendet.The temperature distribution of the surface section 2 obtained is used as an input variable for calculating the mechanical stresses in the rod 1 during the tempering.
Claims (14)
als Probekörper (1) ein Zylinder mit einer Rotationsach se (3) entlang einer Höhe (18) des Zylinders verwendet
und der Oberflächenabschnitt (2) auf einer Mantelfläche (5) des Zylinders erzeugt wird.1. A method for determining a surface temperature of at least one surface section ( 2 ) of a test specimen ( 1 ) during tempering of the test specimen ( 1 ), the surface section ( 2 ) by rotating ( 4 ) the test specimen ( 19 ) about an axis of rotation ( 3 ) of the test specimen ( 1 ) is produced, characterized in that
used as a test specimen ( 1 ) a cylinder with a Rotationsach se ( 3 ) along a height ( 18 ) of the cylinder
and the surface section ( 2 ) is produced on a lateral surface ( 5 ) of the cylinder.
einem Mittel (15) zum Erzeugen des Oberflächenabschnitts (2) auf einer Mantelfläche (5) des Zylinders (1),
einem Mittel (9, 10, 11, 17) zum Temperieren des Zylin ders und
einem Mittel zum Bestimmen der Oberflächentemperatur des Oberflächenabschnitts während des Temperierens des Zy linders. 13. Device for performing a method according to one of claims 1 to 12 with
a means ( 15 ) for producing the surface section ( 2 ) on a lateral surface ( 5 ) of the cylinder ( 1 ),
a means ( 9 , 10 , 11 , 17 ) for tempering the cylinder and
a means for determining the surface temperature of the surface portion during the tempering of the cylinder.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2000147918 DE10047918A1 (en) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | Surface temperature determination method involves rotating a cylindrical probe about its axis creating surface section on lateral area |
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