DE3900478A1

DE3900478A1 - Waermeflussmessgeraet

Info

Publication number: DE3900478A1
Application number: DE19893900478
Authority: DE
Inventors: Dietrich Busch; Juergen Dr Thuerk; Wolfgang Dipl Ing Pr Borkowetz
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1989-01-10
Filing date: 1989-01-10
Publication date: 1990-07-12
Also published as: DE3900478C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeflußgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wärmeflußgeräte sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Ihr Aufbau ist mitunter verhälltnismäßig kompliziert, wie bei den in DE-PS 20 64 292 oder DE-OS 33 24 664 beschriebenen Ausführungsformen. Einfachere Meßgeräte, wie zum Beispiel die dem bis vor kurzem noch im Handel erhält lichen Meßsonde nach Dr. Topf bestechen zwar durch ihren unkomplizierten Aufbau, sind aber noch mit Meßungenauigkeiten behaftet. Bei diesen einfachen Ausführungsformen befinden sich die Wärmefühler in einem inneren Gehäuse, das seinerseits in einem äußeren Gehäuse angeordnet ist. Das innere Gehäuse ist an einen Kühlkreislauf angeschlossen, durch den es mit einem Kühlmittel von konstanter Temperatur versorgt wird. Die beiden Wärmefühler, die in Differenzschaltung gegeneinander geschaltet sind, befinden sich inner halb des inneren Gehäuses, jedoch von diesem weitgehend thermisch isoliert. Bei der üblicherweise erfolgenden Verwendung von Thermoelementen als Wärme fühler reicht es zur thermischen Isolierung aus, wenn die (möglichst dünnen) Anschlußdrähte der Thermoelemente eine ausreichende Distanz zwischen dem Thermo element und dem Gehäuse sicherstellen. Das Thermoelement selbst ist in Rich tung auf die Strahlungsquelle hin mit einem geschwärzten Goldplättchen versehen, das als eigentliches Meßelement dient und dessen Temperatur durch die Thermo elemente gemessen wird. In dem inneren Gehäuse ist eine Blende vorgesehen, durch die ein mit dem Thermoelement verbundenes Goldplättchen bestrahlt werden kann und den Meßfühler bildet, während das andere identisch aufge baute Thermoelement von der Strahlung abgeschirmt ist und den Vergleichs fühler bildet. Zur weiteren Abschirmung ist das innere Gehäuse noch in einem innen geschwärzten äußeren Gehäuse untergebracht, das ebenfalls mit einer Blende versehen ist. Durch das Zusammenwirken zwischen innerer und äußerer Blende entsteht eine Blendenoptik, durch die die Größe der Fläche, deren Wärmefluß gemessen werden soll, unter Berücksichtigung der Entfernung zwischen Meßobjekt und Meßgerät festgelegt ist.

Obwohl mit dieser Meßeinrichtung bereits gute Meßergebnisse erzielbar sind, treten unter manchen Meßbedingungen, so zum Beispiel bei längeren Messungen bei hohen Strahlungsleistungen, doch gewisse Systemfehler auf. So kann sich zum Beispiel das äußere Gehäuse erwärmen, wobei die von dem Gehäuse, insbesondere der Frontblende des äußeren Gehäuses ausgehende Strahlung eine zusätzliche Wärmequelle darstellt und das Meßergebnis be einträchtigen kann. Des weiteren wird zwar das innere Gehäuse mit einem Kühlmedium konstanter Temperatur versorgt, jedoch kann, ebenfalls bei er höhten Strahlungsleistungen, auch die Temperatur des inneren Gehäuses anstei gen und dadurch zu Fehlmessungen Anlaß geben, da die Kühlflüssigkeit ledig lich mit konstanter Temperatur angeliefert wird, der tatsächliche Kühlungs bedarf jedoch nicht berücksichtigt wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wärmeflußmeßgerät zu finden, daß einfach im Aufbau ist und mit dem sich auch bei längerdauernden Messungen bei hohen Strahlungsintensitäten sehr genaue und gut reproduzierbare Meß werte ergeben.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Wärmeflußmeß gerät gelöst.

Abweichend von dem bisherigen Aufbau des inneren Gehäuses ist der Referenz fühler nicht mehr von dem Gehäuse thermisch isoliert und identisch wie der Meßfühler aufgebaut, sondern er befindet sich in wärmeleitender Ver bindung mit dem Gehäuse. Bevorzugt ist er an der der Strahlung abgewandten Seite des Gehäuses, d. h. an dessen Rückseite angeordnet. Um unter allen Umständen eine konstante Temperatur des Gehäuses sicherzustellen, ist das Gehäuse mit einem weiteren Temperaturfühler thermisch leitend verbunden, wobei dieser Temperaturfühler dazu dient, die Gehäusetemperatur zu ermitteln und danach die Temperatur des Kühlkreislaufs entsprechend der abzuführenden Wärmemenge zu steuern. Diese Steuerung soll so genau sein, daß die Tempe raturschwankungen des inneren Gehäuses nicht größer als 0,5°C sind.

Eine weitere Fehlerquelle wird dadurch ausgeschaltet, daß auch das äußere Gehäuse an einen Kühlkreislauf angeschlossen ist. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Wände des Gehäuses doppelschalig ausge bildet sind und in dem sich ergebenden Hohlraum ein Kühlmittelfluß auf recht erhalten wird. Sofern die Fläche der Strahlungseintrittsblende klein genug ist, genügt es, sie aus einem wärmeleitenden Stoff, zum Beispiel Metall, herzustellen und die in ihnen freiwerdende Wärme über die gekühlten Wandungen des äußeren Gehäuses abzuführen. Eine solche Lösung empfiehlt sich insbesondere auch dann, wenn die äußere Blende leicht abnehmbar sein soll, zum Beispiel um verschiedene Strahlungsoptiken zu erreichen. Es kann aber auch, insbesondere bei sehr hohen Strahlungsleistungen der zu messenden Wärmequelle von Vorteil sein, die Blende ebenfalls doppelwandig auszubilden oder sie mit einer aufgelöteten Kühlschlange oder dergleichen zu versehen und ebenfalls zu kühlen. Die Anforderungen an die Konstanthaltung der Temperatur des äußeren Gehäuses sind nicht so groß, wie es für das innere Gehäuse erforderlich ist. Es genügt, wenn die Temperatur des Gehäuses wäh rend der Messung nicht aus dem Bereich zwischen 15°C und 25°C herauswandert. In den meisten Fällen ist es somit möglich, als Kühlmedium für das äußere Gehäuse Leitungswasser zu benutzen.

In der Abbildung wird ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeflußmeßgerätes in schematischer Weise dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht auf die Rückseite eines Gerätes,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie A-A von Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Strahlungseintrittsseite der inneren Kammer.

Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt gemäß Linie A-A von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt gemäß Linie B-B von Fig. 3 und

Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht des inneren Gehäuses.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man das äußere Gehäuse 1, mit dem daran angeordneten inneren Gehäuse 2 sowie der Strahlungseintrittsblende 3 des äußeren Gehäuses. Die Wände des äußeren Gehäuses mit Ausnahme der Strah lungseintrittsblende 3 sind doppelwandig ausgeführt und mit Kühlwasser anschlüssen in Form von Schlaucholiven zum Anschluß an den Kühlkreislauf versehen. Es ist natürlich auch möglich, mit weniger Anschlüssen für den Kühlkreislauf auszukommen, wenn die einzelnen Hohlräume innerhalb des doppelwandigen Gehäuses in entsprechender Weise miteinander verbunden werden. Das an der Rückwand des äußeren Gehäuses 5 gegenüber der Strahlungs eintrittsblenden 3 angeordnete innere Gehäuse 2 kann durch ein Loch in der Rückwand 5 mit der durch die Strahlungseintrittsblende des 3 des äußeren Gehäuses mit der Strahlung beaufschlagt werden. Das innere Gehäuse 2 ist ebenfalls mit zwei Anschlüssen 6 und 6′ in Form von Schlaucholiven zum Anschluß an den Kühlkreislauf versehen.

Das in den Fig. 3-6 näher dargestellte innere Gehäuse ist mit einer Bohrung 7 versehen, durch die über die Kühlflüssigkeitsanschlüsse 6 und 6' das Kühlmedium fließen kann. Das innere Gehäuse ist mit zwei Kammern 8 und 9 versehen, wobei die Kammern 8 mit einer Blende 10 versehen ist und die Kammer 9 mit einem Deckel 11 abgeschlossen ist. Die Kammer 8 enthält den Meßfühler 12, der aus einem unter einem Goldplättchen befindlichen Thermoelement besteht. Der Meßfühler 12 wird durch seine Anschlußdrähte 16 und 17 auf Distanz von dem inneren Gehäuse gehalten und ist damit thermisch isoliert. Die Kammer 9 enthält den Referenzfühler 13 sowie das Thermoelement 14, mit Hilfe dessen der Kühlkreislauf geregelt wird. Die Kammer 9 befindet sich in Strahlungs richtung gesehen hinter der Kammer 8 und ist damit ganz sicher dem Einfluß jeglicher Strahlung, die auf die Vorderseite des inneren Gehäuses fallen kann, entzogen. Als Meßfühler und Referenzfühler dienen Thermoelemente. Da Meßfühler und Referenzfühler in Differenzschaltung betrieben werden, müssen sie elektrisch miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck ist im inneren Gehäuse seitlich eine Nut 15 angebracht, durch die die beiden Kam mern 8 und 9 angeschnitten werden und durch die dann die Verdrahtung des Meßfühlers mit dem Referenzfühler geführt und die elektrischen Anschluß drähte der Meßstelle sowie die Anschlußdrähte des Fühlers zum Steuern des Kühlkreislaufs nach außen geführt werden können. Nach erfolgter Verdrahtung wird zweckmäßigerweise die Nut 15 mittels eines Klebers verschlossen, wodurch auch die Öffnungen zu den Kammer 8 und 9 wieder verschlossen werden, die in die Rille 15 verlegten Drähte mechanisch gesichert werden und die aus der Rille 15 herausgeführten Anschlußdrähte 18 und 18′ für das Meßinstrument sowie 19 und 19′ für das der Temperaturregelung des Kühlkreislaufs dienende Thermoelement 14 fixiert werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen vor allem in einer größeren Meßgenauigkeit und in einer größeren Unabhängigkeit von den äußeren Bedingungen, insbesondere sind noch sehr gute Meßergebnisse auch bei hohen Strahlungsintensitäten und Umgebungstemperaturen erreichbar.

Claims

1. Wärmeflußmeßgerät bestehend aus

a) einem äußeren Gehäuse, das
- a₁) an seiner Vorderseite mit einer Strahlungseintrittsblende versehen ist und
b) einem im Bereich der Rückwand des Gehäuses angeordneten inneren Gehäuse, das
- b₁) mit einem Kühlkreislauf verbunden ist und
c) mit zwei Wärmefühlern in Differenzschaltung versehen ist, von denen
- c₁) der eine Wärmefühler (Meßfühler) gegenüber dem inneren Gehäuse ther misch isoliert angeordnet ist und über eine Strahlungseintritts blende mit der Wärmestrahlung beaufschlagbar ist und
- c₂) der andere Wärmefühler (Referenzfühler) von der Wärmestrahlung ab geschirmt ist,

dadurch gekennzeichnet,

d) daß die Wärme des äußeren Gehäuses ebenfalls mit einem Kühlkreislauf verbunden sind,
e) daß der Referenzfühler in wärmeleitender Verbindung mit dem inneren Gehäuse steht und
f) daß das innere Gehäuse in wärmeleitender Verbindung mit einem weiteren Temperaturfühler steht, durch den die Temperatur des Kühl kreislaufs regelbar ist.

2. Wärmeflußmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungseintrittsblende des äußeren Gehäuses mit dem Kühlkreis lauf verbunden ist.

3. Wärmeflußmeßgerät nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicnet, daß der Referenzfühler auf der der Strahlung abgewandten Seite des inneren Gehäuses angeordnet ist.

4. Wärmeflußmeßgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmefühler Thermoelemente sind.

5. Wärmeflußmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente Nickel/Konstanten-Elemente sind.