DE3822164A1

DE3822164A1 - Heat flow sensor

Info

Publication number: DE3822164A1
Application number: DE19883822164
Authority: DE
Inventors: Josef Glaser
Original assignee: COM GES fur COMPUTERORIENTIER
Current assignee: COM GES fur COMPUTERORIENTIER
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1990-01-11

Abstract

The invention relates to a heat flow pick-up on which at least two temperature sensors are so arranged that the difference of the temperatures detected by these represents a measure of the heat flow. The solid basic body of the sensor is produced from a material whose thermal properties are as similar to those of the object to be measured as possible. On the surface of this basic body there is a very thin measuring layer or a small region of different thermal conduction, on which temperature gradients proportional to heat flow are very rapidly established upon heating, said gradients being measured with the aid of closely neighbouring temperature sensors as temperature differences proportional to heat flow. The temperature sensors and the measuring layers can be designed so that they do not need to be self-supporting, that is to say they can be very thin and thus of very low mass. This results in a low inertia of the measuring arrangement. Thin-layer techniques such as sputtering or vacuum deposition would be suitable production methods.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmestromsensor gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a heat flow sensor according to the Oberbe handle of claim 1.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmestromsensor, insbeson dere einen Wärmestromaufnehmer zur Bestimmung von Wärmeströmen durch die Oberfläche von Gegenständen durch Messung von Tempera turdifferenzen.The invention relates to a heat flow sensor, in particular another a heat flow sensor for the determination of heat flows through the surface of objects by measuring tempera door differences.

Aus der DE-PS 4 01 050 und CH-PS 5 18 535 sind Wärmestromsensoren bekannt, die den Temperaturabfall an einer dünnen Schicht messen, um den Wärmestrom zu bestimmen. Bei diesen Wärmestromsensoren erfolgt keine Messung von zeitlich rasch veränderlichen Wärme strömen, vielmehr lassen sich nur stationäre Wärmeströme oder Wärmeströme messen, die sich sehr langsam verändern. Zeitlich rasch veränderliche Wärmeströme lassen sich deswegen nicht messen, weil die bekannten Wärmestromsensoren nicht sehr geringe Wärmekapazitäten haben, d.h., eine sehr geringe Dicke der Meßschicht zwischen den beiden Temperaturmeßstellen. Hierbei bedeutet der Ausdruck "sehr geringe Dicke" z. B. für die periodische Beheizung, daß die Dicke der Meßschicht sehr klein ist im Vergleich zur Eindringtiefe des Wärmemeßstroms, der gemessen werden soll. Die Eindringtiefe ist die Tiefe ab der beheizten Fläche, bis zu welcher merkliche Temperaturänderungen auftreten.DE-PS 4 01 050 and CH-PS 5 18 535 are heat flow sensors known that measure the temperature drop on a thin layer, to determine the heat flow. With these heat flow sensors there is no measurement of rapidly changing heat flow, rather only stationary heat flows or Measure heat flows that change very slowly. Temporally This means that rapidly changing heat flows cannot be achieved measure because the known heat flow sensors are not very low Have thermal capacities, i.e. a very small thickness of the Measuring layer between the two temperature measuring points. Here the expression "very small thickness" means e.g. B. for the periodic heating that the thickness of the measuring layer is very small is in comparison to the penetration depth of the heat measurement current to be measured. The depth of penetration is the depth from heated surface, up to which noticeable temperature changes occur.

Die vorgenannten Wärmesensoren betreffen nur universell verwend bare Sensoren zur Messung mehr oder weniger stationärer Wärme ströme, wobei "dünne" Meßschichten nur insoweit angestrebt sind, als dadurch ein geringer Wärmewiderstand erzielbar ist, ohne auf geringe Masse bzw. Wärmekapazität zu achten.The aforementioned heat sensors only affect universal use bare sensors for measuring more or less stationary heat currents, whereby "thin" measuring layers are aimed only to the extent than a low thermal resistance can be achieved without low mass or heat capacity.

Der Wärmesensor gemäß der CH-PS 5 18 535 weist als Meßschichten Glas- bzw. Kautschukplatten mit mehreren mm Dicke auf, so daß dieser Wärmesensor ungeeignet ist für die Messung instationären Wärmeströme, die bei entsprechend kurzer Dauer bzw. hoher Frequenz nur bis in Tiefen von einigen 1/10 mm merkliche Temperaturänderungen hervorrufen. Eine Messung von Wärmeströmen, wie sie z. B. in Brennkammern von Verbrennungsmotoren auftreten, ist mit solchen Wärmesensoren nicht möglich.The heat sensor according to CH-PS 5 18 535 has measuring layers Glass or rubber plates with a thickness of several mm so that this heat sensor is unsuitable for measurement transient Heat flows with a correspondingly short duration or high Frequency noticeable only to depths of a few 1/10 mm Cause changes in temperature. A measurement of heat flows, as they e.g. B. occur in combustion chambers of internal combustion engines, is not possible with such heat sensors.

Bei dem Wärmestromsensor nach der DE-PS 4 01 050, der aus mechanisch zunächst getrennten Schichten hergestellt wird, die zusammengefügt werden, läßt sich kein ausreichend dünnes Meßelement verwirklichen. Entsprechend ist bei dem bekannten Wäremstromsensor jede einzelne Isolierschicht zwangsläufig dicker als dies für die Messung rasch veränderlicher Wärmeströme zulässig ist.In the heat flow sensor according to DE-PS 4 01 050, the mechanically separate layers is first produced, the can be joined together, can not be sufficiently thin Realize measuring element. The same applies to the known Heat flow sensor inevitably thickens every single insulation layer than this for measuring rapidly changing heat flows is permissible.

Rasch veränderliche Wärmeströme werden mit Hilfe von Oberflä chentemperaturmessungen bestimmt, wobei durch relativ aufwendige Verfahren zuerst das instationäre Temperaturfeld im Sensor berechnet wird und anschließend festgestellt wird, welcher Wärmestrom notwendig war, um den gemessenen Temperaturverlauf hervorzurufen.Rapidly changing heat flows are with the help of surfaces determined temperature measurements, whereby by relatively complex First move the transient temperature field in the sensor is calculated and then it is determined which Heat flow was necessary to measure the measured temperature to evoke.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Wärmestromsensor zu schaffen, mit dem sehr rasch veränderliche Wärmeströme, wie insbesondere die Wärmeflüsse in den Wänden der Brennkammern von Verbrennungsmotoren direkt meßbar sind.The invention is based on the object, one Create heat flow sensor with the very quickly changing Heat flows, such as in particular the heat flows in the walls of the Combustion chambers of internal combustion engines are directly measurable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of Characteristic part of claim 1 solved.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further configurations result from the subclaims.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Wärmestrom sensors anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigtThe following are preferred embodiments of the heat flow sensors described using the drawings. It shows

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Wärmestromsensor, Fig. 1 is a sectional view through a heat flow sensor,

Fig. 1a eine Ansicht des Wärmestromsensors nach Fig. 1, von oben gesehen, Fig seen. 1a is a view of the thermal flow sensor according to Fig. 1, from above,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines abgewandelten Wärmestrom sensors, Fig. 2 is a partial sectional view of a modified heat flow sensor,

Fig. 3 bis 7 Teilansichten auf den Wärmestromsensor zur Veranschau lichung verschiedener Ausführungsformen, und Fig. 3 to 7 are partial views of the heat flow sensor for illustrating lichung various embodiments, and

Fig. 8 bis 11 Teilschnittansichten weiterer Ausgestaltungen des Wärmestromsensors. Fig. 8 to 11 are partial sectional views of further embodiments of the heat flow sensor.

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf einem Grundkörper 1 eine Isolier schicht 2. Auf der Isolierschicht 2 ist ein Thermoelement angeordnet, das aus Leitungen in Form von zwei dünnen Schichten 3, 4 gebildet ist und wobei diese Schichten 3, 4 aus Thermomateria lien bestehen. Über den Schichten 3, 4 befindet sich eine weitere Isolierschicht 8 und darüber ein weiteres dünnes Thermoelement, das aus Schichten 9, 10 besteht. Der Grundkörper 1 ist mit Aussparungen versehen, die durch Isoliermaterial 5 ausgefüllt sind. Das Isoliermaterial 5 dient zur Aufnahme von Zuleitungen 6, 7 und 11, wobei diese Zuleitungen 6, 7 und 11 aus Thermomaterial bestehen. Wie Fig. 1 zeigt, verlaufen die Zuleitungen 6, 7, 11 im wesentlichen vertikal innerhalb des Isoliermaterials 5. Die Leitung 6 ist an der Oberfläche des Isoliermateriales 5 mit der Schicht 3, die Leitung 7 mit der Schicht 4 und die Leitung 11 mit der Schicht 10 verbunden. Die Schicht 3, die Leitung 6 und die Schicht 9 bestehen jeweils aus einem ersten, gleichen Material 1, während die Schicht 4, die Leitung 7, die Schicht 10 und die Leitung 11 aus einem zweiten gleichen Material bestehen.According to Fig. 1 is located on a base body 1, a insulating layer 2. On the insulating layer 2 , a thermocouple is arranged, which is formed from lines in the form of two thin layers 3 , 4 and which layers 3 , 4 are made of Thermomateria lines. There is a further insulating layer 8 above the layers 3 , 4 and another thin thermocouple consisting of layers 9 , 10 above it. The base body 1 is provided with cutouts which are filled with insulating material 5 . The insulating material 5 is used to hold leads 6 , 7 and 11 , these leads 6 , 7 and 11 being made of thermal material. As shown in FIG. 1, the feed lines 6 , 7 , 11 run essentially vertically within the insulating material 5 . The line 6 is connected to the layer 3 on the surface of the insulating material 5 , the line 7 to the layer 4 and the line 11 to the layer 10 . Layer 3 , line 6 and layer 9 each consist of a first, identical material 1 , while layer 4 , line 7 , layer 10 and line 11 consist of a second identical material.

Der Grundkörper 1 besteht aus einem bezüglich Wärmeleitung und Wärmekapazität dem Meßobjekt möglichst ähnlichem Material, um die Temperatur an der Oberfläche des Meßobjektes nicht durch den Wärmestromsensor zu verändern. Im Idealfall ist das Material des Grundkörpers identisch mit dem Material des Meßobjektes.The base body 1 consists of a material that is as similar as possible to the test object with regard to heat conduction and heat capacity, in order not to change the temperature on the surface of the test object by the heat flow sensor. Ideally, the material of the base body is identical to the material of the measurement object.

Die Isolierschicht 2 ist nur dann notwendig, wenn der Grundkörper 1 aus leitendem Material ausgeführt ist, um das erste temperatur messende Thermoelement, bestehend aus den Schichten 3 und 4, elektrisch gegenüber dem Grundkörper 1 zu trennen. Die thermi schen Eigenschaften der Isolierschicht 2 ähneln vorzugsweise denen des Grundkörpers 1, sind aber wegen der geringen Dicke der Isolierschicht 2 nur von geringem Einfluß. Durch Dünnschichttech niken wie Sputtern oder Aufdampfen sind Dicken unter 1/1000 mm erreichbar.The insulating layer 2 is only necessary if the base body 1 is made of conductive material in order to electrically separate the first temperature-measuring thermocouple, consisting of the layers 3 and 4 , from the base body 1 . The thermal properties of the insulating layer 2 are preferably similar to those of the base body 1 , but are of little influence because of the small thickness of the insulating layer 2 . Using thin-film technologies such as sputtering or vapor deposition, thicknesses below 1/1000 mm can be achieved.

Die die eigentliche Meßschicht darstellende Isolierschicht 8 bestimmt durch ihre Dicke bzw. Stärke, ihre Wärmeleitfähigkeit und ihre Wärmekapazität die wesentlichen Eigenschaften des Wärmestromsensors, nämlich die Größe des wärmestromproportionalen Temperaturabfalls sowie die Geschwindigkeit, mit der der Temperaturabfall bzw. die Temperaturänderung der Änderung des Wärmestromes folgt. Bei einer Dicke der Isolierschicht 8 von z.B. 1/1000 mm folgt der Temperaturabfall an der Isolierschicht 8 dem in sie eintretenden und wegen ihrer geringen Dicke praktisch zur Gänze durch sie durchfließenden Wärmestrom innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde. Damit werden auch sich sehr rasch verändernde Wärmeströme direkt meßbar. Ein einem solchen Wärmestrom entsprechender Spannungswert tritt bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 1 und 1a als Thermospannung zwischen den Leitungen 7 und 11 auf.The insulating layer 8 , which represents the actual measuring layer, determines the essential properties of the heat flow sensor by its thickness or strength, its thermal conductivity and its heat capacity, namely the size of the temperature drop proportional to the heat flow and the speed at which the temperature drop or the temperature change follows the change in the heat flow. With a thickness of the insulating layer 8 of, for example, 1/1000 mm, the temperature drop at the insulating layer 8 follows the heat flow entering it and, owing to its small thickness, practically entirely flowing through it within fractions of a millisecond. This means that rapidly changing heat flows can be measured directly. Such a heat flow corresponding voltage value occurs in the embodiment according to FIGS . 1 and 1a as a thermal voltage between lines 7 and 11 .

Die als Temperaturmeßelemente vorgesehenen zwei Thermoelemente, jeweils bestehend aus den Schichten 3, 4 und 9, 10 lassen sich so dünn ausführen, beispielsweise mit einer Stärke von weniger als 1/1000 mm vorzugsweise 1/10000 mm, daß ihr Wärmewiderstand im Vergleich zu der sehr dünnen Isolierschicht 8 vernachlässigbar ist.The two thermocouples provided as temperature measuring elements, each consisting of layers 3 , 4 and 9 , 10 can be made so thin, for example with a thickness of less than 1/1000 mm, preferably 1/10000 mm, that their thermal resistance compared to the very thin insulating layer 8 is negligible.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eines Wärmestromsen sors befinden sich die Schicht 2, die Leitungen 3, 4 , die Schicht 8 und die Leitungen 9, 10 in dieser Reihenfolge überein ander oberhalb des Grundkörpers 1, während die Leitungen 6, 7, 11 praktisch senkrecht zu den Schichten und Leitungen 3, 4, 2, 8, 9, 10 vorgesehen sind. Zur Veranschaulichung weiterer Einzelheiten wird ausdrücklich auf Fig. 1 und 1a Bezug genommen. Anstelle der in Fig. 1 gewählten Ausführungsform können als Thermoelemente auch z.B. Widerstandsfühler vorgesehen werden. Die vom Grundkör per 1 entfernter liegende Temperaturmeßstelle wird vorteilhaf terweise als Oberflächentemperaturmeßstelle ausgebildet.In the embodiment of a heat flow sensor shown in FIG. 1, the layer 2 , the lines 3 , 4 , the layer 8 and the lines 9 , 10 are one above the other in this order above the base body 1 , while the lines 6 , 7 , 11th are provided practically perpendicular to the layers and lines 3 , 4 , 2 , 8 , 9 , 10 . To illustrate further details, reference is expressly made to FIGS. 1 and 1a. Instead of the embodiment selected in FIG. 1, resistance sensors, for example, can also be provided as thermocouples. The farther from the Grundkör per 1 underlying temperature measuring is formed is advantageously at a Oberflächentemperaturmeßstelle.

Eine gegebenenfalls zum Schutz des Temperaturmeßelementes erforderliche Schicht vor dieser Meßstelle nimmt einen Teil des zu messenden Wärmestroms auf und vermindert damit die Ansprechge schwindigkeit des Wärmestromsensors.If necessary, to protect the temperature measuring element required layer before this measuring point takes part of the heat flow to be measured and thus reduces the response speed of the heat flow sensor.

Die Breite der "Meßschicht" ist gemäß der dargestellten Ausfüh rungsform sehr groß gegenüber der Dicke. Dadurch ist der quer zum zu messendenden Wärmestrom auftretende Wärmefluß innerhalb der Meßschicht vernachlässigbar. Der zu messende Wärmestrom ergibt sich damit praktisch nur aus dem Temperaturabfall an der Isolierschicht 8 in Richtung des Wärmestromes und einer Konstan ten, welche die Dicke der Isolierschicht 8 sowie deren Wärmeleit fähigkeit enthält.The width of the "measuring layer" is approximately large compared to the thickness according to the embodiment shown. As a result, the heat flow occurring transversely to the heat flow to be measured within the measuring layer is negligible. The heat flow to be measured thus results practically only from the temperature drop at the insulating layer 8 in the direction of the heat flow and a constant which contains the thickness of the insulating layer 8 and its thermal conductivity.

Ungenauigkeiten der Messungen, die aus Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht 8 mit der Temperatur bzw. aus Ungenauigkeiten der Thermoelementcharakteristik herrühren, lassen sich beseitigen, wenn die Absoluttemperatur wenigstens einer Temperaturmeßstelle mitgemessen wird, die in Fig. 1 durch die Thermospannung zwischen den Leitungen 6 und 7 repräsentiert ist.Inaccuracies in the measurements that result from changes in the thermal conductivity of the insulating layer 8 with the temperature or from inaccuracies in the thermocouple characteristics can be eliminated if the absolute temperature is also measured at least one temperature measuring point, which is shown in FIG. 1 by the thermal voltage between the lines 6 and 7 is represented.

Durch Simulationsrechnungen hat sich ergeben, daß der beschriebe ne Wärmestromsensor eine optimale Anordnung der notwendigen Elemente hinsichtlich Ansprechgeschwindigkeit und mathematischer Beschreibung seines Verhaltens zeigt, da mit eindimensionalem Wärmestrom gerechnet werden kann. Der Wärmestromsensor besteht aus relativ vielen, sehr dünnen Schichten, deren Herstellung schwierig und teuer ist und die zudem leicht verletzbar sind.Simulation calculations have shown that the described ne heat flow sensor an optimal arrangement of the necessary Elements in terms of response speed and mathematical Description of his behavior shows that with one-dimensional Heat flow can be expected. The heat flow sensor exists of relatively many, very thin layers, their production is difficult and expensive and which are also easily vulnerable.

Wird zugunsten einfacherer Herstellung oder größerer Robustheit darauf verzichtet, stets eine praktisch ungestörte Oberflächen temperatur zu haben, so bieten sich verschiedene Abwandlungen an, die ebenfalls für die Messung rasch veränderbarer Wärmeströme geeignet sind.Is in favor of simpler production or greater robustness dispenses with it, always a practically undisturbed surface to have temperature, there are various variations, the also for the measurement of rapidly changing heat flows are suitable.

Gegenüber der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform eines Wärmestromsensors, bei dem im wesentlichen ein Temperaturabfall in Wärmestromrichtung, d.h. normal zur Oberfläche, im praktisch ungestörten, eindimensionalen Temperaturfeld gemessen wird, enthalten Abwandlungen des erfindungsgemäßen Wärmestromsensors, wie sie nachfolgend erläutert werden, eine bewußt eingebrachte Störung des Grundmaterials in Oberflächennähe. Bei Beheizung entsteht hierbei eine Störung des eindimensionalen Temperaturfel des im Bereich der Oberfläche. Temperaturdifferenzen können hier durch ausschließlich an der Oberfläche angeordnete Tempera tursensoren gemessen werden.Compared to the embodiment of a heat flow sensor described in FIG. 1, in which a temperature drop in the heat flow direction, ie normal to the surface, is measured in the practically undisturbed, one-dimensional temperature field, modifications of the heat flow sensor according to the invention, as will be explained below, contain a deliberately introduced disturbance of the basic material near the surface. When heated, the one-dimensional temperature field in the area of the surface is disturbed. Temperature differences can be measured here only by temperature sensors arranged on the surface.

Diese mehrdimensionale Temperaturverteilung bildet sich an sehr kleinen Störbereichen sehr rasch und in seinen Temperaturdiffe renzen proportional zur Größe des eintretenden Wärmestroms aus, ähnlich dem Temperaturabfall an der äußeren Schicht bei einer eindimensionalen Temperaturverteilung. Bei weiterer Beheizung mit gleichbleibendem Wärmestrom wird das Störfeld in praktisch gleichbleibender Größe der normalerweise weiter steigenden Wandtemperatur überlagert.This multidimensional temperature distribution forms very much small interference areas very quickly and in its temperature differences exclude proportional to the size of the incoming heat flow, similar to the temperature drop on the outer layer of one one-dimensional temperature distribution. With further heating with constant heat flow, the interference field becomes practical constant size of the normally increasing Wall temperature overlaid.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform eines Wärmestromsen sors besteht eine derartige Störung beispielsweise aus einem kleinen Bereich 12 mit gegenüber dem Grundmaterial veränderter Wärmeleitfähigkeit. Der Bereich 12 ist nach Fig. 2 an der Oberfläche des Wärmestromsensors oder gemäß Fig. 8 sehr nahe der Oberfläche angeordnet. Liegt über diesem Bereich 12 eine Temperaturmeßstelle 13 und eine zweite Temperaturmeßstelle 14 nahe diesem Bereich 12 über dem Grundmaterial, so ist die zwischen diesen Meßstellen 13, 14 auftretende Temperaturdifferenz proportional zu dem in die Oberfläche des Wärmestromsensors eintretenden Wärmestrom.In the embodiment of a heat flow sensor shown in FIG. 2, such a disturbance consists, for example, of a small area 12 with a changed thermal conductivity compared to the base material. The area 12 is arranged according to FIG. 2 on the surface of the heat flow sensor or according to FIG. 8 very close to the surface. Is above this range 12 is a temperature measuring point 13 and a second temperature measuring point 14 near this region 12 to the base material, then the occurring between these measuring points 13, 14 temperature difference is proportional to the entering the surface of the heat flow sensor heat flow.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 kann der Bereich 12 punktförmig oder gemäß Fig. 4 linienförmig sein. Entscheidend für die rasche Ausbildung der Meß-Temperaturdiffenz ist die geringe Größe des Bereichs 12 und der geringe Abstand zwischen den Temperaturmeßstellen 13, 14.According to the embodiment according to FIG. 3, the area 12 can be point-shaped or linear according to FIG. 4. Decisive for the rapid formation of the measuring temperature difference is the small size of the area 12 and the small distance between the temperature measuring points 13 , 14 .

Die Temperaturdifferenz kann als Differenz zweier separat gemessener Temperaturen gemäß den Ausführungsformen nach Fig. 3 Fig. 4 und Fig. 7 gebildet werden oder mittels der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform unmittelbar gemessen werden. Zu der Art und Weise der Ausgestaltung der Meßstellen 13, 14 sowie des Bereiches 12 wird auf die entsprechenden zeichnerischen Darstel lungen gemäß den Fig. 3 bis 7 ausdrücklich hingewiesen.The temperature difference may be the difference of two separately measured temperatures according to the embodiments of FIG. 3 FIG. 4 and FIG. 7 are formed, or the embodiment shown 5 be measured directly by means of the in Fig.. The manner in which the measuring points 13 , 14 and the area 12 are designed is expressly indicated in the corresponding graphic representations according to FIGS . 3 to 7.

Bei der in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform wird die Temperaturdifferenz unmittelbar gemessen. Die beiden Zuleitungen 15 zu den Meßstellen 13 und 14 bestehen aus einem Thermomaterial und die Verbindung 16 zwischen den beiden Meßstellen 13, 14 aus einem anderen Thermomaterial. An den Zuleitungen 15 liegt ein Signal an, das die Differenz der Thermospannungen an den Meßstellen 13 und 14 darstellt und temperaturdifferenzproportional und damit wärmestromproportional ist.In the embodiment described in connection with FIG. 5, the temperature difference is measured directly. The two supply lines 15 to the measuring points 13 and 14 consist of a thermal material and the connection 16 between the two measuring points 13 , 14 from a different thermal material. A signal is present at the supply lines 15 , which represents the difference in the thermal voltages at the measuring points 13 and 14 and is proportional to the temperature difference and thus proportional to the heat flow.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 sind Serienschaltungen von Thermoelementen solcher Art, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben sind, besonders einfach möglich.According to the embodiment according to FIG. 6, series connections of thermocouples of the type described in connection with FIG. 1 are particularly simple.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Temperaturmeßele mente als Widerstandfühler ausgebildet sind. Fig. 7 shows an embodiment in which the Temperaturmeßele elements are designed as a resistance sensor.

Anstelle durch die Einbringung eines unterschiedlichen Materials kann eine Störung der Oberflächentemperatur auch durch einen kleinen Hohlraum 17 nahe der Sensoroberfläche hervorgerufen werden. Fig. 8 zeigt eine Teilschnittansicht eines entsprechenden Wärmestromsensors, bei welchem der Hohlraum 17 nahe der Oberflä che und unterhalb der Meßstellen 13, 14 ausgebildet ist. Die eine Temperaturmeßstelle 13 befindet sich dabei genau über dem Hohlraum 17, die zweite Meßstelle 14 ist über dem angrenzenden Vollmaterial angeordnet.Instead of introducing a different material, a disturbance in the surface temperature can also be caused by a small cavity 17 near the sensor surface. Fig. 8 shows a partial sectional view of a corresponding heat flow sensor, in which the cavity 17 near the surface and below the measuring points 13 , 14 is formed. One temperature measuring point 13 is located exactly above the cavity 17 , the second measuring point 14 is arranged above the adjacent solid material.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform eines Wärmesensors, der nach einer Beschädigung der Sensoroberfläche für eine Wiederherstel lung geeignet ist. Bei diesem Wärmesensor wird die Störung an der Oberfläche durch einen dünnen Bereich bzw. eine dünne Schicht geänderten Materials 18 hervorgerufen, die aus einer größeren Tiefe bis an die Oberfläche des Sensors sich erstreckt, wie Fig. 9 deutlich zeigt. Bei einer Beschädigung der Sensoroberfläche kann diese nachbearbeitet werden, ohne die die Temperaturdiffe renz erzeugende Struktur zu zerstören. Die Temperaturmeßstellen müssen allerdings in einem solchen Falle erneuert werden. Fig. 9 shows an embodiment of a heat sensor which is suitable for recovery after damage to the sensor surface. In this heat sensor, the disturbance on the surface is caused by a thin area or a thin layer of modified material 18 , which extends from a greater depth to the surface of the sensor, as FIG. 9 clearly shows. If the sensor surface is damaged, it can be reworked without destroying the structure producing the temperature difference. In such a case, however, the temperature measuring points must be replaced.

Die elektrischen Zuleitungen können für alle vorstehend beschrie benen Wärmestromsensoren so ausgeführt werden, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist; gleiches gilt für notwendige elektrische Isolationen der Temperaturmeßelemente und für die Meßelemente für die Bestimmung der absoluten Oberflächen temperatur.The electrical leads can be performed for all heat flow sensors described above, as described in connection with Fig. 1; the same applies to the necessary electrical insulation of the temperature measuring elements and for the measuring elements for determining the absolute surface temperature.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Wärmestromsen sors, der eine noch höhere Reparaturfreundlichkeit besitzt als die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen. Bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 10 wird die Oberflächentemperaturstörung durch einen aus größerer Tiefe an die Oberfläche führenden Bereich bzw. Schicht 17 verursacht. Zusätzlich sind innerhalb dieses Bereichs zwei Leitungen oder Schichten 19 aus gleichem Thermomaterial bis zur Oberfläche geführt, und zwar derart, daß bei Beheizung die Temperaturdifferenz zwischen diesen Thermomate rial-Leitungen an der Oberfläche maximal ist. Die eine Leitung wird also etwa in der Mitte, die zweite am Rand der Störschicht 17 liegen. Eine dünne Leitung oder Schicht 20 eines weiteren Thermomaterials verbindet an der Oberfläche des Sensors die beiden zur Oberfläche senkrecht stehenden Thermomaterial- Leitungen 19 und erzeugt eine zwischen ihnen abgreifbare Thermospannung, die gemäß Beschreibung der Ausführungsform nach Fig. 9 zur Temperaturdifferenz der Verbindungsstellen und damit dem Wärmestrom proportional ist. Die Meßstellen sind bei der Ausführungsform nach Fig. 10 mit 21 und 22 bezeichnet und durch die Verbindungsschicht 20 miteinander verbunden. Im Reparaturfall muß bei dieser Ausführungsform nur die Oberfläche nachgearbeitet werden und die Verbindungsschicht 20 erneuert werden. Fig. 10 shows a further embodiment of a heat flow sensor, which has an even higher ease of repair than the embodiments described above. When exporting approximate shape shown in FIG. 10, the surface temperature disturbance caused by a leading from a greater depth of the surface zone or layer 17. In addition, two lines or layers 19 are made of the same thermal material to the surface within this area, in such a way that when heated, the temperature difference between these Thermomate rial lines on the surface is maximum. One line is thus approximately in the middle, the second at the edge of the interference layer 17 . A thin line or layer 20 of a further thermal material connects the two thermal material lines 19 perpendicular to the surface on the surface of the sensor and generates a thermal voltage which can be tapped between them and which, according to the description of the embodiment according to FIG is proportional. The measuring points are designated 21 and 22 in the embodiment according to FIG. 10 and are connected to one another by the connecting layer 20 . In the case of repairs, in this embodiment only the surface needs to be reworked and the connecting layer 20 renewed.

Kann der Grundkörper 1 aus demselben Material gebildet sein wie die in den Störbereich 17 eingelagerten Thermomaterial-Leitungen 19, so kann eine dieser beiden Leitungen 19 entfallen und der Aufbau des Wärmestromsensors vereinfacht sich entsprechend. Es ergibt sich dann die in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform mit dem Störbereich 17 und der innerhaib des Störbereichs verlaufenden einzigen Leitung 19, die vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Wärmestromsensors verläuft.If the base body 1 can be formed from the same material as the thermal material lines 19 embedded in the fault area 17 , then one of these two lines 19 can be omitted and the structure of the heat flow sensor is correspondingly simplified. This then results in the embodiment shown in FIG. 11 with the interference area 17 and the single line 19 running inside the interference area, which preferably runs perpendicular to the surface of the heat flow sensor.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist es möglich, mehrere Leitungen 19, die normal zur Oberfläche des Wärmesensors stehen, vorzusehen, um einen aus solchen Leitungen aufgebauten Wärme stromsensor zu schaffen, dessen Wärmestromsensorelemente in Serie geschaltet sind. Für die Herstellung solcher Serienschaltungen wird die Ausbildung sowohl des Störbereiches als auch der zur Wärmestromsensoroberfläche normalen Thermoleitungen als aufeinan derliegende Schicht bevorzugt. Wenn das dann entstehende Schichtpaket einen nennenswerten Teil der Oberfläche des Wärmestromsensors einnimmt, ist darauf zu achten, daß die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Schichtpaketes gleich ist der des Grundmaterials des Wärmestromsensors, um den Wärmeübergang an den Sensor nicht durch eine stark veränderte Oberflächentemperatur zu verfälschen. Durch entsprechende Wahl der Thermomaterialien und des Materials der Störschicht sowie durch geeignete Dickenver hältnisse ist dies in weiten Grenzen möglich.In the embodiment according to FIG. 10, it is possible to provide a plurality of lines 19 which are normal to the surface of the heat sensor in order to create a heat flow sensor constructed from such lines, the heat flow sensor elements of which are connected in series. For the production of such series circuits, the formation of both the interference region and the normal thermal lines to the heat flow sensor surface is preferred as an overlying layer. If the resulting layer package takes up a significant part of the surface of the heat flow sensor, care must be taken to ensure that the average thermal conductivity of the layer package is the same as that of the base material of the heat flow sensor in order not to falsify the heat transfer to the sensor due to a greatly changed surface temperature. By appropriate selection of the thermal materials and the material of the interference layer as well as by suitable thickness ratios, this is possible within wide limits.

Der elektrische Anschluß der Thermomaterial-Leitungen erfolgt bei den beschriebenen Wärmestromsensoren nicht an der Oberfläche des Wärmestromsensors, sondern in einer Tiefe, in der keine merkli chen Temperaturschwankungen auftreten. Dies ist vorteilhaft, da die Anschlußstellen der Zuleitungen bereits bei geringfügig anderem Leitungsmaterial als zusätzliche Thermoelemente wirken, welche beträchtliche Verfälschungen des Meßsignals bewirken, wenn sie an der Oberfläche des Sensors mit großen Temperaturschwankun gen liegen.The electrical connection of the thermo material lines is made at the heat flow sensors described are not on the surface of the Heat flow sensor, but at a depth where no noticeable Chen temperature fluctuations occur. This is advantageous because the connection points of the supply lines are already slight other wiring material act as additional thermocouples, which cause considerable falsifications of the measurement signal if they on the surface of the sensor with large temperature fluctuations lying.

Claims

1. Heat flow sensor, in particular for determining heat flows flowing through the surface of solid bodies by measuring temperature differences, characterized in that
that a solid base body ( 1 ) is provided, which is formed by the test object itself or consists of a material whose thermal conduction properties largely correspond to the test object,
that on the surface of the base body ( 1 ) or very close to the surface of the base body ( 1 ) and very close to each other at least two temperature measuring points ( 3; 4, 9; 10, 13, 14, 21, 22 ) are arranged such that at Flow of a heat flow through the surface of the heat flow sensor between the temperature measuring points, a temperature difference occurs, and
that the distance between the two temperature measuring points is chosen to be very small compared to the penetration depth of significant temperature changes during the measuring time.

2. Heat flow sensor according to claim 1, characterized in
that two temperature sensors ( 3; 4, 9; 10 ) determining the heat flow are provided, and
that the two temperature sensors are arranged on both sides of a very thin layer ( 8 ) which is provided on the surface of the base body ( 1 ).

3. Heat flow sensor according to claim 1 or 2, characterized in
that a very small area ( 12 ) on the surface or very close to the surface of the heat flow sensor consists of a material which has a significantly different thermal conductivity than the base material ( 1 ) and that the two heat flow-determining temperature measuring points ( 13, 14 ) in the area of are arranged by the different material caused temperature field disturbance, preferably such that a large temperature difference can be measured, for example by one measuring element ( 13 ) over the area with changed material ( 12 ), the other very close to it over the sensor base material ( 1 ) is.

4. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in that
that the area ( 12 ) is formed by a very small cavity ( 17 ) and is provided near the surface of the base body ( 1 ).

5. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in
that the intended for the measurement of a temperature difference ne disturbance of the temperature field on the surface of the heat flow sensor is formed by a thin area ( 18 ) which extends from the depth of the heat flow sensor or its base material to the surface of the heat flow sensor, and
that the thin area ( 18 ) has a different thermal conductivity than the base material ( 1 ).

6. Heat flow sensor according to one of the preceding claims, characterized in
that the two temperature measuring points ( 21, 22 ) through two lines ( 19 ) consist of the same thermal material, and
that the lines extend together with the interference area Festle material ( 18 ) to the surface of the heat flow sensor and there are connected by a layer ( 20 ) of a different thermal material ( Fig. 10).

7. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in that
that one of the thermal material lines ( 19 ) led to the surface of the heat flow sensor is replaced by a base body ( 1 ) made of the same thermal material ( FIG. 11).

8. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in that
that several sensor elements are provided which consist of layers extending to the surface of the heat flow sensor, and
that the sensor elements are layered and connected in series.

9. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in that
that sensor elements ( 13 , 14 , 21 , 22 ) and the interference areas or interference layers ( 12 , 17 , 18 , 19 ) and the base body ( 1 ) are provided as circular or cylindrical structures arranged concentrically to one another.

10. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in
that the sensor elements ( 9 ; 10 , 3 ; 4 , 13 , 14 , 15 , 16 , 19 , 20 , 21 ) and / or the measuring layer ( 8 ) and / or the interference areas ( 12 , 17 , 18 ) by thin-film technology, preferably Sputtering or vapor deposition.

11. Heat flow sensor according to at least one of the preceding claims, characterized in
that the disturbing area ( 12 , 18 ) of changed thermal conductivity is generated by partial conversion of the basic material, preferably by anodizing.