DE2047171C3 - Wärmestrommesser - Google Patents

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 Temperaturdifferenz 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 Wärmewide'rstands 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 entsprechenden Temperaturmeßinstrumenten zur Ermittlung der Temperaturdifferenz über entsprechende Leitungen verbunden werden, die störend sind und deshalb leicht bei der Handhabung des Wärmestromiiriessers abbrechen. Aufgrund der Verankerung des Meßkörpers mit dem Wärmestrommesser sind die Materialdicke und die Materialwahl für die Piatte aufgrund einer ausreichenden mechanischen Festigkeit begrenzt, so daß bei der Messung unvermeidlich Wärmeturbulenxen auftreten.

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 erfindungsgemaß 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 dir 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 sind.

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 verein lachten 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;

Fig.2 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Wärmestrommesser;

Fig.3 ist eine Draufsicht auf einen Temperaturmeßkörperund

Fig.4 ist ein Diagramm, in dem die Empfindlichkeiten bei der Messung des WärmeM.rommessers aufgezeigt sind. s

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 dünne Schichten mit guter Wärmeleitfähigkeit, die aus einem Metall, wie Kupfer, Aluminium, Zink oder ihren Legierungen, bestehen. An einer Oberfläche der Schichten 1 und 2 sind flache Vertiefungen 3 und 4 durch ίο 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 5 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 6 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-Lcgierung 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 R_m und der Wärmewiderstand des Materials mit hohem Wärmewiderstand mit A_n dann läßt sich die Temperaturdifferenz ΔΤ bestimmen, die zwischen einer Gruppe differentiell geschalteter Thermoelemente auftritt, d. h. zwischen den Temperaturabgriffspurkten 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 Temperaiurabfall, 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 Wärmewiderstand auftritt, wenn die Differenz Δ Tbeträgt. Da die Metallschicht 13 und die Schicht 5 aus Material mit hohem Wärmewiderstand stets gleich in der Tiefe sind, gilt die folgende Näherungsgleichung:

AT = Q(R,-RJd,

wobei mit c/die Tiefe der Vertiefung 4 bezeichnet ist. Da R_r sehr groß gegen R_n, ist, folgt aus Gleichung (1)

/I T = Q R_r d .

Falls d und R_r praktisch temperaturunabhängig sind, ergibt sich der folgende proportionale Zusammenhang:

AT-Q.

Daher kann Q leicht aus Δ Τ 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 Xa 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 Temperaturabgriffspunkte 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 Wärmestrommesser. Vertiefungen 4 sind nur in einer dünnen Metallschicht 2 ν,οη 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 Gruppe von differential 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.

Fig.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 Wärmestrommesseirs wurde bestimmt, und die Ergebnisse sind in einem Diagramm in F i g. 4 gezeigt. Wie aus dem DiagramriijZU erkennen ist, ist die Empfindlichkeit geringfügig von der Temperatur abhängig, jedoch kann die durchströmende

ίο 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 temeraturab-

is hängig 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)

Patentansprüche:

1. Wärmestrommesser, der aus mehreren Schichten verschiedener Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist, wobei die Temperaturdifferenz zweier Schichten mit differential 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 zugewandt 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.

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