DE2162584A1 - Apparat zur Messung des Wärmeentzugskoeffizienten - Google Patents

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenigsüerger - Dipl. Phys. R.,Holzbau«

Dr. F. Zumstein jun. Patentanwalt«

β Mönchen 2, Bräuhauuiraß· 4/til

3774-71

OFFICE NATIONAL D¹ETUDBS ET DE RECHERCHE3 AEROSPATIALES (abgekürzt O.N.E.R.A.)

Apparat zur Measiing. des Wäraieentzugekoeff izienten.

Gegenstand der Erfindung int ein Apparat

zur Messung des Wärmeentzugskoeffizientun von feisten Körpern_f d.h. der durch folgende Gleichung definierten Grosse :

s =γΙ c

-s : der betreffende Koeffizient.

λ : die Wärmeleitfähigkeit . "

c : die spezifische Wärme

P : die spezifische Masse.

Wenn zwei auf verschiedene Temperaturen ge-.

brachte feste Körper miteinander in Berührung gebracht werden, ist die vor sich gehende Wärmeübertragung unter sonst gleichen Umständen eine Funktion der betreffenden Werte dieses Koeffizienten für jeden dieser Körper.

Für ein gegebenes Material hängt der örtliche Wert dieses Koeffizienten nicht nur von der Zusammensetzung

209828/0657 _MMA1

BAD ORIGINAL

... ;. : ^: 216258Λ

- 2 - 5774-71

und dem Aufbau des Materials ab, sondern auch von seiner Kompaktheit. Die Bestinnung dieses Koeffizienten, d.h. der Fähigkeit des Materials, durch Berührung Wärme mit einem anderem Material auszutauschen, kann daher eine Methode zur Kontrolle ohne Zerstörung bilden, insbesonder bei zusammengesetzten Materialien, welche sich durch die bekannten Methoden schlecht kontrollieren lassen. Ausserdem kann die Messung dieses Koeffizienten an sich ein offensichtliches industrielles Interesse bieten, wenn die zu kontrollierenden Werkstücke oder Elemente bei ihrer Benutzung zu Wärmeübertragungen beitragen sollen·

Es sind bereits Instrumente zur Messung des Wärmeentzugskoeffizienten hergestellt worden. Ein derartige« Instrument, .welches von Pierre VERNOTTE "Taster" genannt wurde, weil es durch Berührung mit dem zu prüfenden oder zu kontrollierenden festen Körper arbeitet, ist in Pig· 1 dargestellt» Ea ist ein Taster, dessen aktiver Teil eine Messmaase genannte !•lasse 11 aus einem gut wärmeleitenden Metall, z.B. Kupfer, ist. Diese ist auf allen Seiten, mit Ausnahme einer Seite 14, von einer Schutzmasse genannten anderen Masse 12 umgeben, welche ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht. Die beiden Massen sind mechanisch fest z.B. mittels eines Zwischenrings 13 aus Isolierstoff verbunden, aber thermisch durch den Ring und den nicht von dem Ring eingenommenen Zwischenraum isoliert. Die Seite 14 der Messmasse liegt in einer Ebene mit der Ringfläche 15 der Schutzmasse. Ein Thermoelement 16 tritt durch die entgegengesetzte Seite 17 der Schutzmaase, von welcher es elektrisch isoliert ist, und seine warme Lötstelle 18 tritt in die Messmasse ein.

Nachstehend ist beispielshalber die Arbeitsweise dieso3 Instruments ohne Berücksichtigung der zahlreichen zu treffenden Vorsichtsmaßnahmen kurz beschrieben. Wenn z.B. der Waraieentzugskoeffizient eines festen Körpers bestimmt werden soll, wird zunächst der Taster in einem Ofen erwärmt, um ihn auf eine über der Temperatur der Temperatur des festen Körpern liegende Temperatur zu bringen, z.B. auf 50 C, wenn sich dor feste Körper auf Raumtemperatur befindet. Nachdem man sich vergewissert hat, dass die Erv/ärmungszuit lang genug war, um ■ tie gleichmässige Tmnperatur des Tasters herzustellen» 3efc;-.t

> o 9 a 2 e / ü f, s

BAO ORIGINAL

- 3 - ' 3774-71

man dieaen mit seiner Flache 14-15 auf eine ebene Flache des festen Körpers auf, welche vorher leicht eingefettet wurde, um die Zwischenschaltung einer Luftschicht zu verhindern, worauf die von dem mit dem Thermoelement 16 verbundenen Galvanometer angezeigten Temperaturen notiert oder registriert werden. Hierbei wird angenommen, dass sich die Schutzmasse in der gleichen Weise abkühlt wie die Kessmasse, und dass die . einander gegenüberliegenden Wände derselben auf der gleichen Temperatur bleiben, so dass die Messmasse ihre Warme nur über die Grenzschicht mit dem zu prüfenden festen Korper verliert, wodurch insbesondere die für eine richtige Messung unerlässlichen Bedingungen, insbesondere die gegenseitige senkrechte Lage der Wärmeflusslinien und der Grenzschicht, sichergestellt werden» Die erhaltene Temperaturkurve kann auf verschiedene Weiee ausgewertet werden, z.B. durch Vergleich mit gegebenen Kurven für Körper mit bekanntem Wärmeentzugskoeffizienten, oder durch Benutzung zur Berechnung dieses Koeffizienten unter Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften des Tasters·

In Wirklichkeit sind die obigen Hypothesen optimistisch, und der Apparat besitzt Nachteile, welche ihn für genaue und insbesondere wiederholte Messungen unbrauchbar machen. Er ist zunächst ungenau und nicht getreu, weil einerseits die Schutzmasse, welche Wärme durch Strahlung ihrer Aussenwände verliert, sich schneller abkühlt als die Messmaeae und ihre Aufgabe eines Schutzschirms sehr schlecht erfüllt, und weil andererseits die Berührung zwischen dem Taster und dem festen Körper nur wirklich sichergestellt ist, wenn die in Berührung stehenden Flächen genau komplementäre Formen haben und der feste Körper einen ausgezeichneten Oberflächenzustand hat. Ausserdem hängt die richtige Ausführung der verschiedenen Arbeitsschritte des Messverfahrens, welche für richtige Messungen unerlässlich ist, in zu hohem Maße von der Sachkenntnis und der Geschicklichkeit der Bedienungsperson ab und ist schlecht reproduzierbar.

Die Erfindung bezweckt die Herstellung eines

yerbesr. -rten Apparats zur Kessung des Wärmeentzugßkoeffizienten, welcher die obigen Kachteile nicht aufweist und insbesondere gestattet, ohne Eingreifen von Hand sohneile, genaue und ge-

208828/0657

BAD ORIGINAL

■ ' - 4 - .3774-71

treue Messungen vorzunehmen, ohne ein geschultes Personal zu erfordern. Der erfindungsgemässe Apparat i3t also gut für die industrielle Kontrolle ohne Zerstörung geeignet.

Der erfindungsgemässe Apparat zur Messung

des Wärmeentzugskoeffizienten enthalt einen Taster, welcher wie bei der bekannten Technik eine Messmasse aufweist, bei welcher alle Seiten mit Ausnahme der Seite zur Berührung mit dem zu prüfenden Körper von einer Schutzmasse umgeben sind, welche mit der Messmasse fe3t verbunden aber von dieser thermisch isoliert ist, eine Temperatursonde, deren aktiver Teil ■ in die Messmasse eingeführt ist, Mittel zur Anzeige der von der Sonde gemessenen Temperaturen sowie eine Differentialtemperatursonde zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen diesen Massen, einen die Schutzmasse umgebenden Heizwiderstand, ein Traggestell für den Taster mit Mitteln, um diesen mit dem zu prüfenden Körper in Berührung zu bringen, und Mitteln, welche den Taster aus dieser Stellung bringen, Mittel zur Speisung des Heizwiderstands, Mittel zur Steuerung der Heizleistung durch den Wert der von der Differentialtemperatursonde gemessenen Tempera^urdifferenz, und Mittel, welche zur gegebenen Zeit automatisch folgende Arbeiteschritte auslösen :

- Speisung des Heizwiderstands des Tasters,

- Steuerung der Heizleistung durch die Angaben der Differentialtemperatursonde des Tasters,

- Anzeige und/oder Registrierung der Temperaturen des ^agters,

- Anlegung des '-^asters an den zu prüfenden Körper,

- Abheben de3 Tasters und Abstellung des Apparats.

Ausserdem kann der Taster mit Berührungsplättohen versehen werden, welche aus einem Elastomer mit einem Zusatz eines Pulvers eines gut wärmeleitenden Körpers · bestehen, um einen gu-en Wärmekontakt mit dem zu prüfenden Körper sicherzustellen, selbst wenn die miteinander in Berührung kommenden Flächen nicht zu einander komplementäre Formen haben, oder wenn der Körper eine rauhe Oberfläche hat.

Es ist' zu bemerken, dass der Taster des er-

20982 8/0657

BAD ORIGINAL

- . - 5 - 3774-71

findimgsgemassen Apparats an sich einen von Hand benutzbaren verbesserten. Taster bildet. ■ _ ■ ·

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Sennittansicht

eines bekannten Apparats zur Messung des Warmeentzugskoeffizi— enten.

Pig« 2 ist ein schematischer Schnitt eines.' Tasters des erfindungsgemässen Apparats. - - ·

Pig. 3 ist eine Skizze des den Taster tragenden Stativs.

Pig. 4 zeigt schematisch die Mittel zur Yerwirklichung des automatischen Arbeitens des Apparats·

Der in Fig. 2 dargestellte Taster weist eine Messmasse 201 aus einem gut wärmeleitenden Metall auf, z.B. Kupfer, bei welcher alle Seiten ausser der Unterseite 202 von der Schutzmasse 203 umgeben sind, deren Unterseite 204 mit der Seite 202 in einer Ebene liegt. Die beiden Massen sind durch zweckmässig aus Epoxyharz bestehende, isolierende Ringe oder Plättchen 205 fest miteinander verbunden aber thermisch voneinander isoliert. Die Masse 203 ist von einem Heizwiderstand 206 umgeben, welcher in einen Epoxymantel 207 eingebettet ist, welcher gleichzeitig zur Isolierung und zum mechanischen Schutz des Widerstands 206 sowie zum Passen der Anordnung in einem Rohr 208 aus rostfreiem Stahl dient.

Eine thermische Sonde 209, z.B. ein Thermoelement, ist in die Messmasse 201 eingesetzt, und ihre Ausgangsdrahte treten durch den Mantel 207, wobei eine Bohrung in der Masse 203 ausgebildet ist, um jeden elektrischen Kontakt zwischen der Kasse und den Drähten zu verhindern.

Eine kleine Körnerschraube 210 aus einer

mit dein Metall der Massen ein gutes Thermoelement bildenden Legierung, a„B. Konatantan, ist in einer in dqr Seitenwand der Maaae 203 ausgebildeten Gevrindebohrung angeordnet und atb'asit gegen die Masse 201. Die in die Massen 201 und 203 eingebördelten Leiber 211 bzw. 2!2 bilden die Anschlüsse eines DifferentiEilthurrjooiementa zur Anzeige der etwaigen Temperaturunterechieds zwischen d-sn beiden Masaen.

2O93.2.J/0857 BAD owginal

- 6 - 3774-71

Der 80 gebildete Taster kann in das Gestell der Pig· 3 eingesetzt werden. Er wird dann durci). seine Hülle 208 an der beweglichen Stange 301 eines doppeltwirkenden Druckluftarbeitszylinders befestigt, welcher seineresits an einem Plansch 303 befestigt ist, welcher fest mit einer Plattform 305 mittels einer Muffe 304 verbunden ist, in welcher eine Bohrung das freie Gleiten der Hülle 208 ermöglicht. Zwei Blektroventile 306 und 307 ermöglichen die gegensinnige Betätigung des Kolbens des Ar be its Zylinders, d.h. das Anheben des Tasters bzw. seine Andrückung an den zu prüfenden festen Körper mit einer durch die Einstellung des Luftdrucks bestimmten Belastung.

Die in Pig· 4 dargestellte Mess- und Steuereinheit ermöglicht die Benutzung des erfindungsgemässen Tasters unter den günstigsten Bedingungen.

Man findet in dieser Pigur den Taster mit

den Massen 201 und 203, den Heizwideretand 206, das Thermoelement 209, die mit diesen Massen ein Differentialthermoelement bildende Schraube 210 und die Anschlüsse 211 und 212 wieder. Perner sieht man die den Arbeitszylinder des Gestells steuernden Elektroventile 306 und 307. . -

Diese Einheit enthält s

- eine Kette zur Speisung des Heizwiderstands 206, welche eine durch die Angaben des Differentialthermoelements gesteuerte elektrische Leistung liefert ;

- eine Vorrichtung zur Steuerung und zur

Automatisierung, welche zur gegebenen Zeit die verschiedenen Arbeitsschritte eines Mes3Vorgangs auslost.

Die Speisekette enthält :

- einen Verstärker 401, dessen Eingänge an

die Anschlüsse 211 bzw. 212 angeschlossen sind, und welcher an seinem Ausgang eine zu der Spannung an den Eingangskleraaen proportionale Spannung liefert ;

- eine Segelstufe, welche aus dieser Ausgangaspannung das Spannungssignal bildet, welches zur Regelung dient und die erforderlichen Dämpfungsglieder enthält. Diese Stufe weist drei parallele VerstärlceiftO2, 403 und 404 auf, welche ein abgeleitetes Spannungssignal bsw. ein pi'oportionalea SpannungDaigna! bzw» ein infcegrj-erfcee Spannungssignal liefern,

20982S/ÖSS7

' - 7 - 3774-71·

deren Summe von einer Summierstufe 405 gebildet wird ;

- eine Gleichrichterstufe 406, welche nur die Spaanungssignale übertragt, deren Zeichen einer positiven Temperaturdifferenz zwischen der Messmasse und der Schutzmasae entspricht ;

- und schliesslich eine Leistungsveretärker-

stufe 407» welche dem Widerstand 206 eine zu der Amplitude der Spannungssignale proportionale elektrische Leistung liefert.

Im Betriebszustand bewirkt also die obige

Speisekette die Erwärmung der Schutzmasse 203, wenn diese eine Temperatur annimmt, welche merklich unter der der Masse 201 liegt, wobei diese Leistung jedoch den Umstanden angepasst ist,

Nachstehend ist die Vorrichtung zur Steuerung und Automatisierung beschrieben, deren Relais alle in Pig. 4 in der Ruhestellung dargestellt sind, wobei ihre Arbeitsweise während der verschiedenen Arbeitsschritte zur Benutzung des Apparats beschrieben sind.

Das Gestell wird auf den zu prüfenden Korper aufgesetzt, wobei das Ventil 306 offen ist, d.h. der Taster ist entsprechend der dargestellten Stellung des Kontakts 434 entfernt.

Die sogenannte Vorheizphase wird durch einen Druck auf den Druckknopf 411 ausgelöst, welcher das durch den Kontakt 413 selbsterregte Relais 412 steuert. Das Relais 412 bewirkt :

- die Schliessung des Kontakts 414, welcher die Eingänge des Differentialverstärkers 401 kurzschliesst,

- die Schliessung des Kontakts 415, welcher

den Integrierverstärker 404 überbrückt, um die etwa an seinem Ausgang vorhandene Spannung zu Hull zu machen,

- die Schliessung des Kontakts 416, welcher

eine positive Spannung an den Eingang des Verstärkers. 407 anlegt, welcher so den Heizwiderstand 206 ohne Eingreifen der Regelkette mit konstanter Spannung speist.

Wenn die Spannung des Thermoelements 209» welche die Temperatur anzeigt, welche von der Messmasse 201 infolge der von der Masse 203 abgestrahlten Wärme annimmt, einen besticniten Wert erreicht, bringt sie über eine Steuerstufe

209828/0857

• -ST·-· · 3774-71 I

das Relais 421 zum Ansprechen, welches den Kontakt 422 einer .;' nicht dargestellten Vorrichtung schliesst, velche die von des Thermoelement 209 gemessenen Temperaturen registriert, andJoffne t den Kontakt 423, welcher den Erregerstrom des Relais 412 unterbricht. Dieses öffnet die Kontakte 414, 415 und 416* und die Speisekette beginnt zu arbeiten und die dem Heizwiderstand 206 gelieferte Leistung in Punktion der Temperaturunterschiede der Massen 201 und 203 zu regeln.

Y/enn die Ausgangsspannung des Integrierverstärkers 404-einen bekannten Wert erreicht, welcher durch Eichung so bestimmt ist, dass er der wesentlichen Gleichheit der Temperaturen der Massen entspricht, löst eine mit dem Integrierverstärker verbundene Steuerstufe 431 das Kippen des -Relais 432 aus. Dieses durch den Kontakt 433 selbsterregte Relais löst das Kippen des Kontakts 434 aus, was die Schliessung des Elektroventils 306 und die öffnung des Elektroventils 307 bewirkt, so dass der Arbeitszylinder 302 den Taster auf die Oberfläche des zu prüfenden Körpers druckt.

Es beginnt dann die Messphase, und die weiter registrierte Temperatur der Messmasse 201 nimmt schnell ab.

Wenn sie unter einen bekannten Wert fällt,fur welchen die Steuerstufe 420 eingestellt wurde, bewirkt diese das Kippen des Heiais 421, d.h. die öffnung des Kontakts 422, was das Aufhören der Registrierung und die Schliessung des Kontakts 423 bewirkt.

Es genügt, auf den Druckknopf 436 zu drucken, um die Erregung des Relais 432 zu unterbrechen, was die öffnung des Kontakts 433 und das Kippen des Kontakts 434 bewirkt. Der Taster entfernt sich,und der Apparat ist für einen neuen Versuch bereit.

209828/06E7

Claims (5)

- 9 - . 3774-71 a tentanspruche

1.) Instrument zur Messung des Warmeentzugskoeffizienten von-festen Korpern mit einem Taster, welcher durch zwei Massen aus einem gut wärmeleitenden Metall, gebildet wird, nämlich eine mittlere, Hessmasse genannte Masse und eine Schutzmasse genannte Umfangsmasse, welche die mittlere Masse in geringer Entfernung umgibt, von welcher sie durch eine dünne Schicht eines thermisch isolierenden Mittels getrennt ist, wobei jede der beiden Massen eine Fläche zur Berührung mit:dem zu messenden Körper hat, wobei diese Berührungsflächen auf ein und derselben kontinuierlichen Oberfläche liegen, wobei Mittel zur Messung der Temperatur der Messmasse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass ausser^dem Mittel zur Messung der Temperaturdifferenz der beiden Massen (201, 203) und die Schutzmasse umgebende elektrische Heizmittel (206) vorgesehen sind.

2.) Apparat zur Messung des Wärmeentzugskoeffizienten von Körpern, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Instrument gemäss Anspruch 1 und ein Gestell (303» 304» 305 Fig. 3) zum Halten des Tasters aufweist, welches Mittel besitzt» um den Taster mit dem zu prüfenden festen Körper mit einer bestimmten Kraft in Berührung zu bringen, und Mittel, welche den Taster aus dieser Stellung entfernen.

3.) Apparat zur Messung des Wärmeentzugekoeffizienten von Körpern, gekennzeichnet durch ein Instrument gemäss Anspruch 1, Mittel, welche dem die Schutzmasse (203) angebenden Heizwiderstand (206) elektrische leistung liefern, und Mittel zur Steuerung dieser Leistung gemäss dem Wert der Temperaturdifferenz der beiden Massen (201, 203).

4.) Vorrichtung zur Messung des Wärmeentzugskoeffizienten von festen Körpern, gekennzeichnet durch einen Apparat nach Anspruch 2 und 3 und automatische Mittel, welche zu gegebener Zeit die folgenden Arbeitsschritte auslösen. : Speisung des Heizwiderstands (206) der Schutzmasse (203), Steuerung der Heizleistung durch die Angaben der Sonde zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen der Schutzmasse (203) und der Messmasse (201), und Steuerung der Bewegungsmittel (306, 307) des Gestells (303, 304, 305).

5.) Instrument, Apparat oder Vorrichtung nach

209828/0657

- 10 - 3774-71

einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Berührungsfläche mit einer Schicht aus einem Elastomer aberzogen ist, dem ein Pulver aus einem gut wärmeleitenden Korper zugesetzt ist.

209828/065?

Leerseite