DE2047171B2 - Waermestrommesser - Google Patents
WaermestrommesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmestrommesser, der aus mehreren Schichten verschiedener Wärmeleitfähigkeit
aufgebaut ist, wobei die Temperaturdifferenz zweier Schichten mit differentiell in Serie geschalteten
Thermoelementen gemessen wird.
Ein derartiger Wärmestrommesser ist aus der US-PS 94 071 bekannt Bei diesem bekannten Wärmestrommesser
wird die Temperaturdifferenz zwischen den Kupferplatten, die an den oberen und unteren Flächen
einer wärmeisolierenden Platte befestigt sind, mit Hilfe von Thermoelementen zwischen Abgriffspunkten gemessen,
die in zwei verschiedenen Ebenen liegen. Mit Hilfe der Messung der Temperaturdifferenz wird der
Wärmestrom quantitativ bestimmt. Da die Abgriffspunkte zur Bestimmung der Tcmperarurdiffferenz und
zur quantitativen Ermittlung des Wärmestroms in zwei verschiedenen Ebenen liegen, führen Wärmestromturbulenzen
zwischen den Ebenen der Abgriffspunkte zu Meßfehlern, so daß eine solche quantitative Bestimmung
sehr ungenau ist. Zusätzlich nimmt der an sich bekannte Wärmestrommesser viel Platz in Anspruch.
Die Temperaturdifferenz wird zwischen den zwei Oberflächen einer Platte hohen Wärmewiderstands
bestimmt, die senkrecht zum vom Meßkörper abgestrahlten Wärmestrom angeordnet ist. Die Meßkörper
müssen hierbei unter geringem Abstand an den beiden Oberflächen der dünnen Platte hohen Wärmewiderstands
angeordnet und verankert werden, so daß der Wärmestrommesser zur Aufnahme der Kräfte eine
ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen muß.
Ferner müssen die Thermoelemente an den zwei Oberflächen der Platte zur Verbindung mit entsprecheaden
Temperaujinmeßinstrumenten zur Ermittlung
der Temperaturdifferenz überentsprechende I .eitungen
verbunden werden, die störend sind und deshalb leicht bei der Handhabung des Wärmestrommessers abbrechen.
Aufgrund der Verankerung des Meßkörpers mit dem Wärmestrommesser sind die Materialdicke und die
Mäterialwahl für die Platte aufgrund einer ausreichenden
mechanischen Festigkeit begrenzt, so daß bei der Messung unvermeidlich Wärmeturbulenzen auf treten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Wärmestrommesser der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß er bezüglich des Aufbaus unter
Beibehaltung der erforderlichen Meßgenauigkeit und unter Vermeidung von thermischen Turbulenzen
vereinfacht, kompakter und bedienungsfreundlicher ausgelegt ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß wenigstens an einer Oberfläche zweier dünner
Schichten mit guter Wärmeleitfähigkeit flache Vertiefungen ausgebildet sind, daß die beiden dünnen
Schichten derart angeordnet sind, daß die Vertiefungen an der Oberfläche einer Schicht der anderen Schicht
zugewandt sind, daß die Vertiefungen mit einem Material hohen Wärmewiderstands ausgefüllt sind, daß
zwischen den einander gegenüberliegenden Schichten elektrisch isolierende Schichten vorgesehen sind, und
daß die Temperaturabgriffspunkte der zwischen den isolierenden Schichten in einer gemeinsamen Ebene
angeordneten Thermoelemente paarweise den aus der Schicht mit hohem Wärmewiderstand in den Vertiefungen
und der an diese anschließenden Schicht guter Wärmeleitfähigkeit gebildeten Abschnitten zugeordnet
Bevorzugte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen wiedergegeben.
Bei dem Wärmestrommesser gemäß der Erfindung wird die Temperaturdifferenz zwischen zwei paarweise
angeordneten Abgriffspunkten bestimmt, die entsprechend einem Abschnitt des Wärmestrommessers, der
eine Vertiefung besitzt und einem Abschnitt, der keine Vertiefung besitzt zugeordnet sind. Auf diese Art und
Weise können die Schichten guter Wärmeleitfähigkeit sehr dünn bemessen sein, und da die Abgriffspunkte in
ein und derselben Ebene liegen, sind Wärmestromturbulenzen bei der Messung des Wärmestroms ausgeschaltet.
Der erfindungsgemäße Wärmestrommesser ermöglicht neben einem wesentlich vereinfachten Aufbau eine
wesentlich bessere Meßgenauigkeit des zu messenden Wärmestroms, und die zur Bestimmung der Temperaturdifferenz
vorgesehenen Thermoelemente lassen sich fest und sicher anbringen und entsprechend zur
Messung schalten, ohne daß die Verbindungsleitungen bei der Handhabung stören. Der erfindungsgemäße
Wärmestrommesser ist demzufolge wesentlich handlicher und bedienungsfreundlicher. Zudem läßt sich der
erfindungsgemäße Wärmestrommesser wesentlich einfacher herstellen, wobei auch eine für die Meßgenauigkeit
erforderliche Fertigungsgenauigkeit eingehalten werden kann.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
F i g. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Wärmestrommessers;
F i g. 2 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wärmestrommessers;
F i g. 3 ist eine Draufsicht auf einen Temperaturmeßkörperund
F i g. 4 ist ein Diagramm, in dem die Empfindlichkeiten
bei der Messung des Wärmestrommesser aufgezeigt sind.
In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2
dünne Schichten mit guter Wärmeleitfähigkeit, die aus einem Metgü, wie Kupfer, Aluminium, Zink oder ihren
Legierungen, bestehen. An einer Oberfläche der Schichten 1 und 2 sind flache Vertiefungen 3 und 4 durch
chemisches Ätzen, wie z. B. Fotoätzen, ausgebildet Die
mit Vertiefungen versehenen Oberflächen der dünnen Schichten 1 und 2 sind so angeordnet, daß die Vertiefung
3 der dünnen Schicht 1 und die Vertiefung 4 der dünnen Schicht 2 zugewandt sind. Die Vertiefungen 3 und 4 sind
mit einem Material S hohen Wärmewiderstands ausgefüllt Wenn eine Luftschicht als ein Material hohen
Wärmewiderstands vorgesehen ist, brauchen die Vertiefungen 3,4 nicht ausgefüllt zu werden.
Eine ausreichende mechanische Festigkeit ist insbesondere bei der Wahl des Materials hohen Wärmewiderstands
beim Ausfüllen nicht zu berücksichtigen, und zahlreiche Festkörper oder Pulver können je nach
der Anwendung als Material hohen Wärmewiderstands verwendet werden.
Zwischen den einander gegenüberliegend angeordneten dünnen Schichten 1 und 2 sind elektrisch isolierende
Schichten β und 7 vorgesehen, wie z.B. dünne Aluminiumschichten, die durch anodische Oxidation an
ihrer Oberfläche isoliert sind, oder Glimmer. An diese elektrisch isolierende, dünne Aluminium- oder
Glimmerschichten sind dünne Thermoelemente angeordnet, die differentiell in Serie geschaltet sind. Sie
bestehen beispielsweise aus Alumel-Legierung 8 und Chromel-Legierung 9, die durch Vakuumplattieren
hergestellt sind. Wenn es erforderlich ist, kann auch ein
folienförmiges Thermoelement verwendet werden.
In jedem Fall sind die Temperaturabgriffspunkte in ein und derselben Ebene angeordnet Die Temperaturabgriffspunkte
10 oder 11 der Thermoelemente sind paarweise den aus der Schicht 5 mit hohem Widerstand
in den Vertiefungen 3, 4 und der an diese anschließenden Schicht 1, 2 guter Wärmeleitfähigkeit gebildeten
Abschnitten zugeordnet
Es wird nun angenommen, daß die Schichten 1 und 2 die gleiche Dicke und die Vertiefungen 3 und 4 auch die
gleiche Tiefe besitzen. Wird die durch die Flächeneinheit fließende Wärmemenge mit Q bezeichnet der
Wärmewiderstand der Metallplatten mit Rn, und der
Wärmewiderstand des Materials mit hohem Wärmewiderstand mit Rn dann läßt sich die Temperaturdifferenz
ΔΤ bestimmen, die zwischen einer Gruppe differentiell geschalteter Thermoelemente auftritt, d. h.
zwischen den Temperaturabgriffspunkten 10 und 11, wenn der Wärmestrommesser an den zu messenden
Körper 12 gebracht wird. Am Temperaturabgriffspunkt 10 gelangt der Wärmestrom vom zu messenden Körper
12 zu der Schicht 5 aus Material mit hohem Wärmewiderstand der dünnen Schicht 2, um Wärme zu
übertragen. Am Temperaturabgriffspunkt 11 tritt der Wärmestrom nicht durch eine Schicht 5 aus hohem
Material mit hohem Wärmewiderstand, sondern tritt nur durch die Metallschicht 13, um Wärme zu
übertragen. So bildet sich eine Temperaturdifferenz Δ Τ zwischen den Temperaturabgriffspunkten 10 und 11.
Mit anderen Worten, falls der Wärmestrom durch eine Metallschicht und eine Schicht aus Material mit hohem
Wärmewiderstand, die beide in der Tiefe gleich der Vertiefung 4 sind, tritt, ist der Temperaturabfall, der
senkrecht zu dem zu messenden Körper zwischen den zwei Oberflächen der Metallschicht 13 auftritt, nicht
gleich dem, der senkrecht zum zu messenden Körper zwischen den Oberflächen der Schicht 5 aus Material
mit hohem Wärmewidersiand auftritt, wenn die Differenz Δ T beträgt Da die Metallschicht 13 und die
Schicht 5 aus Material mit hohem Wärmewiderstand stets gleich in der Tiefe sind, gilt die folgende
Näherungsgleichung:
ΔΤ = Q(I^-RJd,
wobei mit ddie Tiefe der Vertiefung 4 bezeichnet ist
Da Ärsehr groß gegen Rn, ist folgt aus Gleichung (1)
Da Ärsehr groß gegen Rn, ist folgt aus Gleichung (1)
AT =
Falls d und Rr praktisch temperaturunabhängig sind,
ergibt sich der folgende proportionale Zusammenhang:
AT«Q. (3)
Daher kann Q leicht aus ΔΤ gemäß Gleichung (3)
berechnet werden.
Beim obigen erfindungsgemäßen Wärmestrommesser besteht der Hauptkörper aus einer dünnen Platte aus
einem Metall oder einer Legierung mit guter Wärmeleitfähigkeit und die Schicht hohen Wärmewiderstands
ist aus einer Substanz zusammengesetzt, die in eine sehr flache Vertiefung eingefüllt ist wodurch die thermische
Turbulenz des zu messenden Körpers beim Anbringen des Wärmestrommessers weitgehend ausgeschaltet ist.
Der Teil der dünnen Schicht 1, der der in der dünnen Schicht 2 vorgesehenen Schicht 5 mit hohem Wärmewiderstand
gegenüber liegt ist eine metallische Schicht, und der Teil der dünnen Schicht 1, der der an die Schicht
5 mit hohem Wärmewiderstand anliegenden metallischen Schicht 13 gegenüber liegt, ist eine Schicht mit
hohem Wärmewiderstand. Daher ist der Wärmewiderstand zwischen der Unterfläche 2a der dünnen Schicht 2
und der oberen Fläche la der dünnen Schicht 1 in jedem
Teil gleich. Demzufolge wird der Wärmestrom vom zu messenden Körper 12 gleichmäßig über die Oberfläche
1 der dünnen Schicht 1 übertragen, und es besteht keine Temperaturdifferenz an irgendeinem Teil der Oberfläche
la. Als Folge davon entsteht keine Wärmestromturbulenz,
die im Wärmestrommesser fließt, und die Messung kann mit hoher Genauigkeit durchgeführt
werden.
Da weiter zur Herstellung der obenerwähnten Vertiefungen 3 und 4 die Technik des Foto-Ätzens
angewendet wird, wird es möglich, die Vertiefungen so flach, wie einige 10 bis einige 100 μ mit guter
Fertigungsgenauigkeit herzustellen, und dadurch lassen sich Güteschwankungen bei den Wärmestrommessern
ausschließen oder verringern. Da alle Temperaturabs[riffspunkte
oder Thermoelemente in einer gemeinsamen Ebene liegen, sind nur zwei Plattiervorgänge, wie
z. B. auch Vakuumplattieren, erforderlich, und ein mühsames Verbinden ist nicht notwendig. Daher ist
dieser Wärmestrommesser einfach, handlich und praktisch.
F i g. 2 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmestrommessers. Vertiefungen
4 sind nur in einer dünnen Metallschicht 2 von guter Wärmeleitfähigkeit vorgesehen, aber nicht in der
anderen dünnen Schicht 1. Gleiche oder ähnliche Teile
sind in den F i g. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.. Bei dieser Ausführungsform treten bis zu
einem gewissen Grad Wärmestromturbulenzen auf, die im Wärmestrommessser fließen, und die Genauigkeit
und die Temperaturabhängigkeit sind daher etwas schlechter als die bei dem in F i g. 1 gezeigten
Wärmestrommesser. Ein Wärmestrommesser dieser Art kann jedoch in der Praxis verwendet werden, wenn
die Gesamtdicke der Schichten ausreichend klein ist
Fig.3 zeigt als Beispiel eine Draufsicht auf eine "o
Gruppe von differentiell geschalteten Thermoelementen, die durch Vakuumplattieren hergestellt sind. Eine
dünne Schicht 8 aus Alumel und eine dünne Schicht 9 aus Chromel sind auf der Oberfläche einer elektrisch
isolierenden dünnen Platte 7 ausgebildet und bilden 14 Tempera turabgriffspunktpaare.
F i g. 4 zeigt beispielsweise die Empfindlichkeit eines Wärmestrommessers, der in F i g. 1 gezeigt ist Bei
dieser Ausführungsform ist eine Aluminiumlegierung von 0,8 mm Dicke für die Metallschichten 1 und 2
vorgesehen, und 28 Alumel-Chromel-Thermoelemente von etwa 50 μ Dicke sind differentiell in Serie
geschaltet um als Thermoelementkette zu dienen, wobei eine Luftschicht von etwa 200 μ Dicke als Schicht
5 hohen Wärmewiderstands vorgesehen ist. Die Empfindlichkeit eines derartigen Wärmestrommessers
wurde bestimmt, und die Ergebnisse sind in einem Diagramm in F i g. 4 gezeigt Wie aus dem Diagramm zu
erkennen ist, ist die Empfindlichkeit geringfügig von der Temperatur abhängig, jedoch kann die durchströmende
Wärmemenge mit genügender Genauigkeit gemessen werden, wenn man eine Eichkurve verwendet.
Die obigen Werte beziehen sich auf einen Wärmestrommesser, der relativ dick bemessen ist, ebenso eine
dicke Luftschicht aufweist und geringfügig temeraturabhängig ist obwohl seine Empfindlichkeit hoch ist Durch
Verringerung der Dicke ist es jedoch möglich, einen Wärmestrommesser zu erhalten, der dadurch ausgezeichnet
ist, daß die Temperaturabhängigkeit gering ist und keine thermische Turbulenz im zu messenden
Körper auftritt, obwohl seine Empfindlichkeit etwas geringer ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Wärmestrommesser, der aus mehreren Schichten verschiedener Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist,
wobei die Temperaturdifferenz zweier Schichten mit differentiell in Serie geschalteten Thermoelementen
gemessen wird, dadurch 'gekennzeichnet, daß wenigstens an einer Oberfläche zweier dünner
Schichten (1,2) mit guter Wärmeleitfähigkeit flache Vertiefungen (3,4) ausgebildet sind, daß die beiden
dünnen Schichten (1,2) derart angeordnet sind, daß
die Vertiefungen (3, 4) an der Oberfläche einer Schicht (1; 2) der anderen Schicht zügewaadt sind,
daß die Vertiefungen (3,4) mit einem Material hohen Wärmewiderstands ausgefüllt sind, daß zwischen
den einander gegenüberliegenden Schichten (1, 2) elektrisch isolierende Schichten (6, 7) vorgesehen
sind, und daß die Temperaturabgriffspunkte (10,11)
der zwischen den isolierenden Schichten (6, 7) in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Thermoelemente
paarweise den aus der Schicht (5) mit hohem Wärmewiderstand in den Vertiefungen (3,4)
und der an diese anschließenden Schicht (1,2) guter Wärmeleitfähigkeit gebildeten Abschnitten zugeordnet
sind.
2. Wärmestrommesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung von
Vertiefungen an der Oberfläche beider Schichten (1,
2) mit guter Wärmeleitfähigkeit die Vertiefungen (3, 4) einander versetzt zugeordnet sind.
3. Wärmestrommesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (5)
hohen Wärmewiderstands Luftschichten sind.
35
Applications Claiming Priority (2)
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Publications (3)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103926023A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-07-16 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法 |
DE102013206406B4 (de) * | 2013-04-11 | 2017-11-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Raumklimamessgerät und Regelungseinrichtung |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013206406B4 (de) * | 2013-04-11 | 2017-11-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Raumklimamessgerät und Regelungseinrichtung |
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CN103926023B (zh) * | 2014-03-24 | 2017-04-12 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种用于高温大热流测量的热流传感器及其制备方法 |
Also Published As
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JPS499996B1 (de) | 1974-03-07 |
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GB1257589A (de) | 1971-12-22 |
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Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |