DE2162584B2 - Instrument zur Messung der Wärmeeindringzahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Instrument zur Messung der Wärmeeindringzahl von festen Körpern, d. h. der durch folgende Gleichung definierten Größe:

s = ]/ Xc ρ

s = Wärmeeindringzahl,
λ = Wärmeleitfähigkeit,
c = spezifische Wärme,
ρ — spezifische Masse.

Eine ausführlichere Darstellung dieser Größe ist in den beiden Literaturstellen Jean Martinet, Contribution ä l'etude de la thermocinetique, Publications Scientifiques et Techniques du Ministere de Γ Air, Nr. 108, 1962, und Pierre Vernotte, Thermocinetique generate, Publications Scientifiques et Techniques du Ministere de l'Air, Nr. 379, 1961, zu entnehmen.

Wenn zwei auf verschiedene Temperaturen gebrachte feste Körper miteinander in Berührung gebracht werden, ist die vor sich gehende Wärmeübertragung unter sonst gleichen Umständen eine Funktion der betreffenden Werte dieser Wärmeeindringzahl für jeden dieser Körper.

Für ein gegebenes Material hängt der örtliche Wert dieser Wärmeeindringzahl nicht nur von der Zusammensetzung und dem Aufbau des Materials ab, sondern auch von seiner Kompaktheit. Die Bestimmung

ίο dieser Wärmeeindringzahl, d. h. der Fähigkeit des Materials, durch Berührung Wärme mit einem anderen Material auszutauschen, kann daher eine zerstörungsfreie Kontrollmethode bilden, insbesondere bei zusammengesetzten Materialien, welche sich durch die bekannten Methoden schlecht kontrollieren lassen. Außerdem kann die Messung dieser Wärmeeindringzahl 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 der Wärmeeindringzahl hergestellt worden. Ein derartiges Instrument, welches von Pierre Vernotte in seinem Beitrag »Theimocinetique«, Publications Scientifiques et Techniques du Ministere de l'Air, Nr. 224, 1949, »Taster« genannt wurde, weil es durch Berührung mit dem zu prüfenden oder zu kontrollierenden festen Körper arbeitet, ist in F i g. 1 dargestellt. Es ist ein Taster, dessen aktiver Teil eine Meßmasse genannte Masse 11 aus einem gut wärmeleitenden Metall, z. B. Kupfer, ist. Diese ist auf allen Seiten, mit Ausnahme einer Seite 14, von einer Schutzmasse genannten 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 Schutzmasse, von welcher es elektrisch isoliert ist, und seine warme Lötstelle 18 tritt in die Meßmasse ein.

Es ist außerdem aus der Zeitschrift Soviet Inventions Illustrates, Oktober 1962, bekannt, örtliche Wärmeübertragungskoeffizienten mitteis eines Geräts zu bestimmen. Hierzu wird ein Metallnetz auf den zu messenden heißen Körper aufgebracht und der Wärmedurchgang durch eine zweistufige Heizung zu Null kompensiert. Die erfolgte Kompensation wird durch zwei in Differenzschaltung angeordnete Thermoelemente bestimmt. Die diesem Gerät zugrunde liegende technische Lehre besteht kurz darin, daß die Wärmeabgabe einer rauhen Oberfläche durch die Wärmeabgabe einer glatten Oberfläche ersetzt wird. Ein solches Gerät kann nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn die zu messende Oberfläche durch Rippen, Nuten od. dgl. so uneben wird, daß die üblichen Meßverfahren zu ungenau wären.

Weiterhin ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 573 308 eine Anordnung zur Messung des Wärmeaustritts aus Körpern bekannt, bei der an der zu messenden Stelle ein Teil der Oberflächenschicht entfernt und durch ein Einsatzstück des Meßgeräts ersetzt wird. Wenn die Temperatur der zu messenden Oberfläche zu gering ist. dann wird das Einsatzstück durch eine besondere Heizeinrichtung erwärmt. Benutzt man diese Heizeinrichtung, so wird nicht unter

echten Betriebsbedingungen gemessen. Abgesehen davon hat diese bekannte Anordnung den Nachteil, daß die zu messende Oberfläche an der Meßstelle zerstört wird. Zur Messung werden Thermoelemente in Differenzschaltung verwendet.

Nachstehend ist beisplilshalber die Arbeitsweise dieses Instruments ohne Berücksichtigung der zahlreichen zu treffenden Vorsichtsmaßnahmen kurz beschrieben. Wenn z. B. die Wärmeeindringzahl eines festen Körpers bestimmt werden soll, wird zunächst e'er Taster in einem Ofen erwärmt, um ihn auf eine über der Temperatur des festen Körpers liegende Temperatur zu bringen, z. B. auf 50° C, wenn sich der feste Körper auf Raumtemperatur befindet. Nachdem man sich vergewissert hat, daß die Erwärmungszeit lang genug war, um eine gleichmäßige Temperatur des Tasters herzustellen, setzt man diesen mit seiner Fläche 14-15 auf eine ebene Fläche 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 Meßmasse und daß die einander gegenüberliegenden Wände derselben auf der gleichen Temperatur bleiben, so daß die Meßmasse ihre Wärme nur über die Grenzschicht mit dem zu prüfenden festen Körper verliert, wodurch insbesondere die für eine richtige Messung unerläßlichen Bedingungen, insbesondere die gegenseitige senkrechte Lage der Wärmefiußlinien und der Grenzschicht, sichergestellt werden. Die erhaltene Temperaturkurve kann auf verschiedene Weise ausgewertet werden, z. B. durch Vergleich mit gegebenen Kurven für Körper mit bekannter Wärmeeindringzahl oder durch Benutzung zur Berechnung dieser Wärmeeindringzahl 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 alp die Meßmasse 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.

Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines verbesserten Instruments zur Messung der Wärmeeindringzahl, welches die obigen Nachtc'le nicht aufweist und insbesondere gestattet, ohne Eingreifen von Hand schnelle, genaue und zuverlässige Messungen vorzunehmen, ohne ein geschultes Personal zu erfordern. Das erfindungsgemäße Instrument soll als gut für die industrielle zerstörungsfreie Kontrolle geeignet sein.

Ausgehend von einem Instrument zur Messung der Wärmeeindringzahl nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Schnittansicht eines

ίο bekannten Instruments zur Messung der Wärmeeindringzahl;

F i g. 2 ist ein schematischer Schnitt eines Tasters des erfindungsgemäßen Instrument?;

Fig. 3 ist eine Skizze des den Taster tragenden Stativs;

F i g. 4 zeigt schematisch die Mittel zur Verwirklichung des automatischen Arbeitens des Instruments.
Der in Fig. 2 dargestellte Taster weist eine Meß-

xo masse 201 aus einem gut wärmeleitenden Metall auf, z. B. Kupfer, bei welcher alle Seiten außer der Unterseite 202 von der Umfangsmasse 203 umgeben sind, deren Unterseite 204 mit der Seite 202 in einer Ebene liegt. Die beiden Massen sind durch zweckmäßig aus Epoxydharz bestehende isolierende Ringe oder Plättchen 205 fest miteinander verbunden, aber thermisch voneinander isoliert. Die Umfangsmasse 203 ist von einem Heizwiderstand 206 umgeben, welcher in einen Epoxydmantel 207 eingebettet ist, welcher gleichzeitig zur Isolierung und zum mechanischen Schutz des Widerstands 206 sowie zum Fassen 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 Ausgangsdrähte treten durch den Mantel 207, wobei eine Bohrung in der Umfangsmasse 203 ausgebildet ist, um jeden elektrischen Kontakt zwischen der Masse und den Drähten zu verhindern.

Eine kleine Körnerschraube 210 aus einer mit dem Metall der Massen ein gutes Thermoelement bildenden Legierung, z. B. Konstantan, ist in einer in der Seitenwand der Umfangsmasse 203 ausgebildeten Gewindebohrung angeordnet und stößt gegen die Masse 201. Die in die Massen 201 und 203 eingebördelten Leiter 211 bzw. 212 bilden die Anschlüsse eines Differentialthermoelements zur Anzeige der etwaigen Temperaturunterschiede zwischen den beiden Massen.

Der so gebildete Taster kann in das Gestell der F i g. 3 eingesetzt werden. Er wird dann dui"ch seine Hülle 208 an der beweglichen Stange 301 eines doppeltwirkenden Druckluftarbeitszylinders befestigt, welcher seinerseits an einem Flansch 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 Magnetventile 306 und 307 ermöglichen die gegensinnige Betätigung des Kolbens des Arbeitszylinders, d. h. das Anheben des Tasters bzw. seine Andrückung an den zu prüfenden festen Körper mit einer durch die Einstellung des Luftdrucks bestimmten Kraft. Eine ähnliche Anordnung, bei der eine Probe einstellbaren Belastungen über einen durch Magnetventile gesteuerten und mit Druckluft angetriebenen Kolben unterworfen wird, ist aus der Zeitschrift American Society for Testing and Materials, Vol. 63, 1968, S. 1207 und 1208 bekannt.
Die in Fig. 4 dargestellte Meß- und Steuereinheit

eimöglicht die Benutzung des Tasters unter den günstigsten Bedingungen.

Man findet in dieser Figur den Taster mit den Massen 201 und 203, den Heizwiderstand 206, das Thermoelement 209, die mit diesen Massen ein Differentialthermoelement bildende Schraube 210 und die Anschlüsse 211 und 212 wieder. Ferner sieht man die den Arbeitszylinder des Gestells steuernden Magnetventile 306 und 307.

Diese Einheit enthält:

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 Meßvorgangs auslöst.
Die Speisekette enthält:

einen Verstärker 401, dessen Eingänge an die Anschlüsse 211 bzw. 212 angeschlossen sind ;nd welcher an seinem Ausgang eine zu der Spannung an den Eingangsklemmen proportionale Spannung liefert;

eine Regelstufe, welche aus dieser Ausgangsspannung das Spannungssignal bildet, welches zur Regelung dient und die erforderlichen Dämpfungsglieder enthält. Diese Stufe weist drei parallele Verstärker 402, 403 und 404 auf, welche ein abgeleitetes Spannungssignal bzw. ein proportionales Spannungssignal bzw. ein integriertes Spannungssignal liefern, deren Summe von einer Summierstufe 405 gebildet wird;
eine Gleichrichterstufe 406, welche nur die Spannungssignale überträgt, deren Zeichen einer positiven Temperaturdifferenz zwischen der Meßmasse und der Umfangsmasse entspricht;
und schließlich eine Leistungsverstärkerstufe 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 Umfangsmasse 203, wenn diese eine Temperatur annimmt, welche merklich unter der der Masse 201 liegt, wobei diese Leistung jedoch den Umständen angepaßt ist.

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

Das Gestell wird auf den ?:u prüfenden Körper aufgesetzt, wobei das Magnetventil 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, welchei 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 Null 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 Umfangsmasse 203 abgestrahlten Wärme annimmt, einen bestimmten Wert erreicht, bringt sie über eine Steuerstufe 420 das Relais 421 zum Ansprechen, welches den Kontakt 422 einer nicht dargestellten Vorrichtung schließt, welche die von dem Thermoelement 209 gemessenen Temperaturen registriert, und öffnet den Kontakt 423, welcher den Enegerstrom 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 Funktion der Temperaturunterschiede der Massen 201 und 203 zu regeln.

Wenn 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 uem Integrierverstärker verbundene Steuerstufe 431 das Kippen des Relais 432 aus. Dieses durch den Kontakt 433 selbstcrregtc Relais löst das Kippen des Kontakts 434 aus, was die Schließung des Magnetventils 306 und die Öffnung des Magnetventils 307 bewirkt, so daß der Arbeitszylinder 302 den Taster auf die Oberfläche des zu prüfenden Körpers drückt.

Es beginnt dann die Meßphase, und die weiter registrierte Temperatur der Meßmasse 201 nimmt schnell ab.

Wenn sie unter einen bekannten Wert fällt, für welchen die Steuerstufe 420 eingestellt wurde, bewirkt diese das Kippen des Relais 421, d. h. die Öffnuns di> Kontakts 422, was das Aufhören der Registrierung und die Schließung des Kontakts 423 bewirkt.

Es genügt, auf den Druckknopf 436 zu drücken, um die Erregung des Relais 432 zu unterbrechen, was die Öffnung des Kontakts 433 und das Kippen des Kontakts 434 be\virkt. Der Taster entfernt sich, und das Instrument ist für einen neuen Versuch bereit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Instrument zur Messung der Wärmeeindringzahl von festen Körpern mit einem Taster, der durch zwei Massen aus einem gut wärmeleitenden Metall gebildet wird, von denen eine, die Umfangsmasse, die andere, mittlere Meßmasse, in einer geringen Entfernung umgibt, und von ihr durch eine dünne Schicht eines thermisch isolierenden Materials getrennt ist, wobei jede der beiden Massen eine Berührungsfläche mit dem zu messenden Körper aufweist, die beide auf der gleichen kontinuierlichen Oberfläche liegen, und mit einer Einrichtung zur Messung der Temperatur der Meßmasse sowie einer Vorv/ärmeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Einrichtungen (402 bis 407) zur Messung der Temperaturdifferenz der beiden Massen (201, 203) und eine die Umfangsmasse umgebende elektrische Heizeinrichtung (206) vorhanden sind, die auch die zum Vorwärmen erforderliche Energie liefert, wobei diese Energie durch eine Steuereinrichtung entsprechend der Temperaturdifferenz der beiden Massen gesteuert wird.

2. Instrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Gestell (303, 304, 305) zum Halten des Tasters, das eine Einrichtung (302, 306, 307) enthält, durch die der Taster mit dem zu messenden Körper mit einer bestimmten Kraft in Berührung gebracht und aus dieser Stellung entfernt wird, sowie durch eine automatisch arbeitende Einrichtung, deren eine Stufe (401 bis 407) die Heizeinrichtung (206) der Umfangsmasse (203) speist und die Heizleistung mit den Angaben der Sonde zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen den Massen (203, 201) steuert und deren andere Stufe (431) die Bewegungseinrichtung (306, 307) des Gestells (303 bis 305) steuert.

3. Instrument nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Berührungsfläche mit einer Schicht aus einem Elastomer überzogen ist, dem ein Pulver aus einem gut wärmeleitenden Material zugesetzt ist.