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Wärmestrommesser
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von kurzzeitigen
Wärmeströmen mit einem flachen Körper mit geringer Wärmeleitfähigkeit, einem darauf
angeordneten Probekörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit und definierter Oberfläche
zur Wärmeaufnahme sowie einem innerhalb des Probekörpers angeordneten Thermoelement.
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Eine bekannte Methode zur Messung von Wärmeströmen besteht darin,
daß die Erwärmungsgeschwindigkeit eines dem Wärmestrom ausgesetzten Probekörpers
gemessen wird. Eine derartige Sonde ist beispielsweise aus der DE-PS 679 495 bekannt.
Als Probekörper dient eine flache Scheibe aus gut leitendem Material, z.B. Kupfer,
welche von einem Schutzkörper mit geringer Leitfahigkeit, z.B.
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aus keramischem Material,umgeben ist, so daß bei Wärmezufuhr in dem
Probekörper ein Wärmestau entsteht. Die Erwärmungsgeschwindigkeit, welche mit einem
innerhalb des Probekörpers angeordneten Thermoelement gemessen wird, stellt dann
ein Maß für den Wärmestrom dar.
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Zur Messung von kurzzeitigen Wärmeströmen, die beispielsweise von
einem explosionsartig ablaufenden Verbrennungsprozeß ausgehen, sind die bisher bekannten
Wärmestrommesser nicht geeignet, das deren Reaktionszeiten für derartig kurze Wärmestromimpulse
zu lang sind, und sich bei konstanter Wärmestromdichte in dem Probekörper keine
konstante Erwärmungsgeschwindigkeit einstellen kann. Erreicht jedoch die Erwärmungsgeschwindigkeit
keinen konstanten Wert, so ist eine Ermittlung des Wärmestromes nur dann möglich,
wenn der theoretische Verlauf der Erwärmungsgeschwindigkeit bekannt ist.
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Derartige theoretische Abschätzungen können jedoch Fehler von mehreren
Größenordnungen beinhalten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmestrommesser zu schaffen,
mit dem extrem kurzzeitige Wärmeströme genauer als bisher gemessen werden können
und der den thermischen und mechanischen Belastungen von explosionsartig ablaufenden
Verbrennungsprozessen standhält. Diese Aufgabe löst ein nach Patentanspruch 1 ausgebildeter
Wärmestrommesser.
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Besondere Ausgestaltungen dieses Wärmestrommessers können den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Die Erfindung nützt das Verhalten einer Platte aus, deren ebene Fläche
in bezug auf ihre Dicke als unendlich groß betrachtet werden kann und deren eine
Seite thermisch isoliert ist, während die andere Seite mit einem konstanten Wärmefluß
beaufschlagt wird. Die Temperaturerhöhung in der Platte läßt sich für diesen Fall
mathematisch lösen. Es zeigt sich dabei, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit - also
die Ableitung der Temperatur nach der Zeit - der Wärmestromdichte direkt proportional
ist, sobald ein charakteristischer Einschwenkvorgang abgeschlossen ist. Diese Proportionalität
gilt für alle Schichten konstanter Höhe innerhalb der Platte. Für die Messung von
kurzzeitigen Wärmestromimpulsen ist es nun erforderlich, den Einschwenkvorgang möglichst
kurz zu halten. Die mathematische Betrachtung zeigt, daß innerhalb der Platte auf
der Höhe der halben Schichtdicke eine optimale Reaktionszeit erreicht wird.
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Aus diesem Grund ist ein Wärmestrommesser der obengenannten Art besonders
genau und reaktionsschnell, wenn der Probekörper dem mathematischen Modell einer
unendlichen Platte mit konstanter Dicke möglichst nahekommt und das Thermoelement
auf der Höhe der halben Schichtdicke derart angeordnet ist, daß da'; thermische
Verhalten des Probekörpers möglichst ungestört bleibt. Dies wird durch den erfindungsgemäßen
Wärmestrommesser weitestgehend realisiert.
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Das Funktionsprinzip sowie ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
Werdenanhand der folgenden Figuren erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Wärmestrommessers im Querschnitt; Fig.2a,2b den Verlauf der Erwärmungsgeschwindigkeit
des Probekörpers in Abhängigkeit von der Höhe des Thermoelementes innerhalb des
Probekörpers; Fig. 3 einen in einer Grundplatte integrierten Wärmestrommesser.
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Der erfindungsgemäße Wärmestrommesser besteht im Prinzip (Querschnitt
in Fig. 1) aus einer als Probekörper dienenden galvanischen Schicht 2, z.B. aus
Kupfer oder Silber, einem in die Schicht 2 eingebetteten Thermoelement 3 und einer
thermischen Isolation 1, z.B. aus Zirkondioxid. Die galvanische Schicht 2 wird den
Wärmestromimpulsen der Dichte F ausgesetzt, welche bei explosionsartigen Verbrennungsprozessen
einige Millisekunden andauern und dabei Drücke von einigen 1000 bar und Tempera-turen
von einigen 10000 C entwickeln können. Aus diesem Grund ist es wichtig, daß die
Bestandteile des Wärmestrommessers eine kompakte Einheit bilden und beispielsweise
in die Wandung des den Explosionsraum umgebenden Behälters integriert werden können.
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In Fig. 2a sind die geometrischen Verhältnisse eines erfindungsgemäßen
Wärmestrommessers nochmals im Querschnitt dargestellt.
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Dabei wird die Grenzfläche zwischen dem Isolierkörper 1 und der galvanischen
Schicht 2 mit x = 0 bezeichnet, die Fläche, auf die der Wärmestrom mit der Dichte
F einwirkt,mit x = 1 und die Höhe, auf der sich der wirksame Teil des Thermoelementes
3 befindet, mit x.
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Fig. 2b zeigt die Erwärmungsgeschwindigkeit dT in Abhängigkeit Wt
von der Zeit t für einen nach Fig. 2a ausgebildeten Wärmestrommesser, wenn auf diesen
ein sprunghaft ansteigender Wärmestrom
einwirkt. Wie der Fig. 2b
zu entnehmen ist, erreicht das zeitlich differenzierte Signal des Thermoelementes
nach einer Zeit von ca. 3 T - wobei T dem extrapolierten Anstieg der Anfangserwärmungsgeschwindigkeit
bis zum Wert v entspricht - einen konstanten Wert v , wenn es sich auf der Höhe
x =2 befindet. Das 0 2 Thermoelement zeigt danach für die Dauer des Wärmestromimpulses
eine konstant ansteigende Temperatur an. Befindet sich das Thermo-1 1 element über
der Höhe x = 2' d.h. x > 2' so führt dies zu einem "überschwingen" der Erwärmungsgeschwindigkeit
über den Wert v 0 Die Erwärmungsgeschwindigkeit erreicht dann zwar nach einer kürzeren
Zeit als im vorhergehenden Fall ihren konstanten Wert v , jedoch verursacht das
"überschwingen'§ einen Meßfehler, der um so größer wird, je näher sich das Thermoelement
an der Stelle x = 1 befindet. Für den Fall x = 1 wird der Meßfehler während des
Einschwingens theoretisch unendlich groß.
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Befindet sich das Thermoelement unter der Höhe x = 2 d.h.
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1 2' x < 2 verlagert sich der Einschwenkvorgang' d.h. die konstante
Erwärmungsgeschwindigkeit v wird erst nach einer längeren Zeit -l erreicht als für
den obigen Fall x = 2. Für x = 0 vergrößert sich der Einschwenkvorgang um eine GröAenordnung.
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Fig. 3 zeigt einen in eine Grundplatte 4 integrierten Wärmestrommesser.
Die Grundplatte 4 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. aus Kupfer
oder Silber und weist eine senkrechte Bohrung 4.1 sowie eine zylindrische Aussparung
4.2 zur Aufnahme des Isolierkörpers 1 auf. Der kreisscheibenförmige Isolierkörper
1, z.B. aus Zirkondioxid, wird auf der freien Oberfläche 1.1 mit einer gut haftenden
metallischen Schicht, z.B. aus Silberpalladium, versehen. Ein durch die öffnung
4.1 gezogenes Thermoelement 3 wird mit seiner Meßperle über der Mitte der metallisierten
Oberfläche des Isolierkörpers 1 positioniert. Anschließend wird die Oberfläche der
Grundplatte und des Isolierkörpers mit einer das Thermoelement einschließenden galvanischen
Schicht, z.B. aus Kupfer, versehen. Die Dicke dieser galvanischen Schicht wird so
bemessen, daß die Meßperle des Thermoelementes sich möglichst
genau
in der Schichtmitte befindet. Die relative Höhe des Thermoelementes innerhalb der
galvanischen Schicht läßt sich also durch Aufbringen oder Abtragen der Schicht verändern
und, falls erforderlich, auch nachträ-glich korrigieren. Die mit dem Wärmestrommesser
verbundene Grundplatte kann dann an den gewünschten Meßorten eines Brennraumes u.
dgl. eingebaut werden.
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Die typische Reaktionszeit für einen Wärmestrommesser mit den erfindungsgemäßen
Merkmalen und einem Durchmesser des Isolierkörpers bzw. des Probekörpers von ca.
10 mm, einer Sehichtdicke des Probekörpers (Kupfer) von ca. 1 mm und einem Durchmesser
des Thermoelementes von ca. 0,2 mm beträgt etwa 1 msec, d.h.
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3lg msec (s.a. Fig. 2b).