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Wärmefühler, insbesonders für die Messung von Lokalwerten der Wärmeübergangszahlen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmefühler, insbesonders für die
Messung der Lokalserte der Wärmeübertragungszahlen.
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Die bisher bekannten Einrichtungen messen nicht genau. Die Arbeit
mit ihnen ist sehr zeitraubend. Die Unkenntnis der tatsächlichen Werte der Wärmeübergangszahlen,
zum Beispiel an den einzelnen Kühlungsoberflächen von elektrischen Maschinen, bildet
ein bedeutendes Hindernis in der Entwicklung von wirksameren Kühlungssystemen bei
neuen Typen von elektrischen Maschinen mit hoher Ausnutzung der aktiven Materialien.
In der technischen Praxis wird bisher das Schmidtsche System der Messung von Wärmeverlusten,
zum Beispiel von Wandverlusten des Kessels, der Dampfleitungen usw. angewandt, bei
welchem der Wärmefluß mit Hilfe einer an die zu messende Stelle angelegten Platte
oder eines Bandes mit bekannter Wärmeleitfähigkeit gemessen wird. Beim Durchgang
der Wärme durch die zu messende Wand geht ein bestimmter Teil des Wärmeflusses auch
durch die angelegte Platte, wo sich ein Wärmeabfall ausbildet, welcher der durch
die Platte durohgehenden Wärme proportional ist. Die Mesepiatte ist auf beiden Seiten
mit Fühlern versehen,
die zum Abtasten (Abnahme) der Temperaturdifferenz
zwischen der abgedeckten Oberfläche der zu messenden Stelle und der äusseren Oberfläche
der Platte dienen. Aus der gegebenen Wärmeleitfähigkeit der angelegten Platte, aus
den geometrischen Abmessungen und aus dem gemessenen Wärmeabfall wird dann nummerisch
die durch die Platte durchfließende Wärmemenge errechnet. Die Schmidt'sche Methode
der Platten oder Bänder in bisher bekannter und angewendeter Ausführung kann aber
nicht bei elektrischen Maschinen angewandt werden, bei welchen die von den Kühlungsoberflächen,
welche recht komplizierte Bestandteile von unregelmäßiger Form (wie zum Beispiel
Stirnverbindungen der Wicklungen uOäO) bilden, abgeführte Wärmemenge bestimmt werden
soll.
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Falls der Wärmezutritt bei den von dem Kühlungsmedium umflossenen
Oberflächen in der Grenzschicht stattfindet, darf der angelegte Fühler durch seine
Anwesenheit keine Änderung in dieser Grenzschicht sowie durch seinen Wärmewiderstand
keine merkbare Änderung im Wärmekreis der zu messenden Stelle verursachen0 Der Fühler
muß biegsam sein, damit er auch bei runden Gegenständen verwendet werden kann. Er
muß so gestaltet sein, daß er gegen Beschädigung bei mehrfacher Verwendung und bei
Kontrolleichungen Beständigkeit aufweist.
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Die erwähnten Nachteile der bisher bekannten Einrichtungen werden
durch die Erfindung beseitigt. Der Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde,
einen robusten flexiblen Wärmefühler hoher Raum- und Flächenausnutzung zur direkten
Ermittlung der Wärmeübergangszahl an der betreffenden Meßstelle zu schaffen.
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Das Wesen der Erfindung beruht darin, daß die Tragkonstruktion des
Wärmefühlers aus Streifen gebildet ist, welche aus einer elektrisch isolierenden
Folie hergestellt sind, während das eigentliche Meßelement durch eine Kette abwechselnd
aneinander gelöteter Lamellen aus verschiedenen Metallen gefertigt wird, so daß
die diesbezüglichen Lötstellen Thermoelemente in Reihenschaltung darstellen, welche
durch Verweben dieser Kette mit den erwähnten Streifen an beiden Seiten dieser Streifen
angeordnet sind. Die Wendepunkte der durchwebten Lamellenkette umfassen die äusseren
Kanten des aus mehreren Streifen gebildeten Gefüges. Die genannte Lamellenkette
kann beispielsweise derart gefertigt werden, daß eine Folie, welche durch kettenförmig
aneinander gelötete Lamellen jeweils aus einem von zwei Metallen entsteht, mit Ansciinitten
versehen wird.
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Der so angefertigte Wärmefühler kann an beiden Flächen mit je einer
Deckfolie versehen werden. Unter einer dieser Deckfolien wird mindestens ein Thermoelement
angeordnet, dessen kalte Lötstelle sich außerhalb des Wärmefühlers befindet.
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Der erfindungsgemäße Wärmefühler ermöglicht das Messen der Wärmeabführung
an einzelnen Stellen verschiedener Kühlungsoberflächen,
zum Beispiel
einer elektrischen Maschine, während des Betriebes. Die Mitbenutzung des letzterwähnten
Thermoelementes (Differentialthermoelementes) ermöglicht dann die direkte Ermittlung
der Wärmeübergangszahlenwerte an der gegebenen Stelle aus seinem Meßwerte (Erwärmung
der Oberfläche des untersuchten Objektes), sowie aus dem Meßwerte des eigentlichen
Fühlers.
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Das Wesen der erfindungsgemäßen Einrichtung ist an dem Ausführungsbeispiel
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Kette von aneinander gelöteten
Lamellen zweier Metalle, Fig. 2 eine beispielsweise Anordnung von Anschnitten in
dieser Kette, Fig. 3 eine lurchwebung dieser Lamellenkette mit den aus einer isolierenden
Folie hergestellten Tragetreifen, sowie ein weiteres Thermoelement (Differentialthermoelement),
dessen Kaltlötstelle außerhalb des Wärmefühlers angeordnet ist, Fig. 4 einen Schnitt
durch den fertigen Wärmefühler.
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Das eigentliche Meßelement (Fig.2) beateht aus den Lamellen 30 und
40, die aus zwei verschiedenen, jeweils Thermoelemente bildenden Metallen, zum Beispiel
Kupfer und Konstantan, durch Löten hergestellt sind. Die in Reihe geschalteten Thermoelemente
sind durch Anschnitte gemäß Fig. 2, welche quer zu den Verbindunganähten der aneinander
gelöteten Lamellen 3, 4 beider Metalle (Fig.1) verlaufen, gebildet.
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Die aus der elektrisch isolierenden Folie angefertigten Streifes 10
(Fig.3) bilden die Tragkonstruktion der ganzen Einrichtung. Die diesbezügliche Lamellenkette
ist in Bezug auf die Streifen 10 derart angeordnet, daß die durch das Löten der
Lamellen 30, 40 entstandenen Verbindungestellen (Thermoelemente) an beiden Seiten
dieser Streifen 10 liegen.
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Der so zusammengesetzte Wärmefühler ist gemäß Fig. 4 an beiden Seiten
mit angeklebten Deckfolien 50, 51, zum Beispiel aus feinem Glasgewebe, versehen.
Unter einer dieser Deckfolien, zum Beispiel 50, ist ein Thermoelement 60 untergebracht,
denen Kaltlötstelle außerhalb des Wärmefühlers angeordnet ist. Die ragkonstruktionsstreifen
10 sind aus einer sehr dünnen Isolierfolie, zum Beispiel aus einem Glasgewebe mit
Epoxidimprägnierung oder einer anderen, zum Beispiel Silikonimprägnierung, der Dicke
t # 0,1- mm verfertigt. Diese Streifen werden durch das mehrfache Differentialthermoelement,
welches aus engen Lamellen 30, 40 aus der angeschnittenen Folie der Dicke zum Beispiel
von 0,03 mm gebildet ist, die auf beschriebene Art durch abwechselndes Löten der
Lamellen 3, 4 aus beiden Metallen hergestellt wurde, durchtebt.
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Die technologische Ausführung des Fühlers bürgt für seine Pestigkeit,
Zusammenhaltbarkeit und Beständigkeit gegen Beschädigung. Die unzahl und Länge der
Lamellen 3, 4- (Fig. 1) richten sioh nach den erforderlichen Ausmaßen des Fühlers.
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Duroh das Duroliweben der Lamellen 30, 40 mit den Streifen 10
werden
die geraden und ungeraden Verbindungen der Thermoelemente abwechselnd auf beiden
Seiten dieser Streifen untergebracht0 Der so hergestellte Fühler wird zuerst auf
einer elektrisch geheizten Fläche bei verschiedenen bekannten Werten der Wärmeübergangszahl
geeicht, wobei diese Fläche zum Beispiel durch einen Luftstrom gekühlt wird.
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An den Ausführungen des mehrfachen Thermoelementes (des eigentlichen
Keßelementes) wird die Spannung e1 gemessen, welche dem spezifischen Wärmefluß T/m2,
der durch den Wärmefühler durchgeht, proportional ist. An den Ausführungen des Differentialthermoelementes
60, dessen Warmlötstelle unter der genannten Deckfolie an der äußeren gekühlten
Seite des Wärmefühlers untergebracht ist und dessen Kaltlötstelle den Strömen des
Kühlungsmediums ausgesetzt ist, wird die der Erwärmung der Oberfläche (in 0c) des
zu messenden Objektes proportionale Spannung e2 gemessen.
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Das Verhältnis dieser Spannungen e1 zu e2 ist direkt proportional
der Wärmeübergangszahl
Bei der Messung an den eizelnen Stellen des untersuchten Objektes, z.B. einer elektrischen
Maschine, werden immer beide Werte e1 und e2 gemessen und der tatsächliche Lokalvert
der Wärmeübergangs zahl wird dann direkt aus der entoprechenden Eichungscharakteristik
für das Verhältnis ei zu e2 bestimmt.