HU201404B

HU201404B - Process and device for determining power engineering quantities characteristic of energy transport

Info

Publication number: HU201404B
Application number: HU399185A
Authority: HU
Inventors: Imre Benkoe; Laszlo Bolyo; Arpad Faludi; Gyula Grof; Laszlo Kiss
Original assignee: Budapesti Mueszaki Egyetem
Priority date: 1985-10-15
Filing date: 1985-10-15
Publication date: 1990-10-28
Also published as: HUT45147A

Abstract

A találmány tárgya eljárás és berendezés energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiségek meghatározására, amikoris mérendő hőmérsékletű objektum felületének legalább egy pontján hőmérsékletmérést végzünk, a hőmérsékletmérés helye mögött ismert nagyságú hőáramot generálunk, azt kiválasztott irányban az objektumra továbbítjuk, miközben a kiválasztott iránnyal ellentétesen haladó hőáramot kompenzáljuk, a kiválasztott irányra merőleges hőáram útjában hőszigetelést rendezünk el, a hőmérsékletmérés helyén a hőmérsékletet meghatározott értékre szabályozzuk vagy a generált hőáramot előre meghatározott értéken tartjuk, majd a megmért hőmérséklet alapján a kijelölt hőtechnikai mennyiséget meghatározzuk. Az eljárás lényege, hogy az objektum felületén a hőmérsékletet hőmérő lappal mérjük meg és a hőszigetelést a kiválasztott irányra merőleges irányban ugyancsak kompenzációval biztosítjuk. A berendezés legalább egy, hőmérő egységet (2), a hőmérő egység mögött egymással párhuzamos elrendezetten adott A leírás terjedelme: 12 oldal, 3 ábra -1-SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a method and apparatus for determining thermal energy quantities characteristic of energy transport at which temperature is measured at at least one point on the surface of an object having a temperature to be measured; In the direction of the heat flow perpendicular to the direction of the heat, a thermal insulation is arranged, the temperature is adjusted to a certain value at the place of the temperature measurement, or the generated heat flow is kept at a predetermined value, and the assigned amount of thermal technology is determined based on the measured temperature. The essence of the method is to measure the temperature on the surface of the object with a thermometer plate and to provide thermal insulation in a direction perpendicular to the selected direction. The apparatus has at least one thermometer unit (2) provided in parallel with the thermometer assembly parallel to each other.

Description

irányban terjedő hőáram mérésére szolgáló hőárammérőt (5), kiválasztott irányban hőáramot generáló lap alakú első fűtőegységet (6), a hőáram axiális komponensét mérő hőáramérzékelőt (7), valamint a kiválasztott iránnyal ellentétes irányban keletkező hőveszteséget kompenzáló lap alakú második fűtőegységet (8) tartalmazó mérőeszközzel van ellátva, ahol a mérőeszköz (1) a kiválasztott irányra merőleges irányban szükséges hőszigetelést biztosító egységgel van kialakítva. Lényege, hogy a mérőeszközben (1) a hőmérő egység hőmérő lapként (2) van kialakítva, a kiválasztott irányra merőleges irányban hőszigetelést bizosító egység gyűrű alakú fűtőelemként (3) van kiképezve, amely a hőmérő lapot (2), a hőárammérőt (5), az első fűtőegységet (6), a hőáramérzékelőt (7) és a második fűtőegységet (8) körbevevően van elrendezve, valamint a hőárammérő (5) és a hőáramérzékelő (7) lapszerű elemként van kiképezve. (1. ábra)a heat flow meter (5) for measuring directional heat flow, a plate-shaped first heater (6) for generating heat flow in a selected direction, a heat flow sensor (7) for measuring the axial component of the heat stream and a plate-shaped second heater (8) for counteracting heat loss in the opposite direction. wherein the measuring device (1) is provided with the necessary thermal insulation unit perpendicular to the selected direction. Essentially, in the measuring device (1), the thermometer unit is formed as a thermometer plate (2), a thermally insulating unit in the perpendicular direction is formed as an annular heating element (3) which comprises the thermometer plate (2), the thermometer (5), the first heating unit (6), the heat flow sensor (7) and the second heating unit (8) being arranged in a circumferential manner, and the heat flow meter (5) and the heat flow sensor (7) being formed as a flat element. (Figure 1)

HU 201404 ΒHU 201404 Β

A találmány tárgya eljárás és berendezés energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiségek meghatározására. A találmány szerinti eljárásnál mérendő hőmérsékletű objektum felületének legalább egy pontján hőmérsékletmésért végzünk, a hőmérsékletmérés helye mögött ismert nagyságú hőáramot generálunk, azt kiválasztott irányban az objektumra továbbítjuk, miközben a kiválasztott iránnyal ellentétesen haladó hőáramot kompenzáljuk, a kiválasztott irányra merőleges hőáram útjában hőszigetelést rendezünk el, a hőmérsékletmérés helyén a hőmérsékletet meghatározott értékre szabályozzuk vagy a generált hőáramot meghatározott értéken tartjuk, majd a megmért hőmérséklet és a hőáram fenntartásához szükséges teljesítmény alapján a kijelölt hőtechnikai mennyiséget meghatározzuk. Az eljárás foganatosítására alkalmas találmány szerinti berendezés hőmérő egységet, a hőmérő egység mögött egymással párhuzamosan elrendezett adott irányban terjedő hőáram mérésére szolgáló hőárammérőt, kiválasztott irányban hőáramot generáló lap alakú első fűtőegységet, a hőáram axiális komponensének mérésére szolgáló és annak kompenzációját biztosító hőáramérzékelőt, valamint a kiválasztott iránnyal ellentétes irányban keletkező hőveszteséget kompenzáló lap alakú második fűtőegységet tartalmaz, és amely a kiválasztott irányra merőleges irányban szükséges biztosító egységgel van kialakítva.The present invention relates to a method and apparatus for determining the amount of thermal technology characteristic of energy transport. In the method of the present invention, the object of the temperature object to be measured is subjected to at least one point on the surface of the object to be measured, generating a heat stream of known magnitude behind the position of temperature measurement, transmitting it to the object in a selected direction, compensating for a heat flow in the opposite direction. at the site of the temperature measurement, the temperature is controlled to a specified value or the generated heat flux is kept at a specified value, and then, based on the measured temperature and the power required to maintain the heat flux, the designated thermal amount is determined. The apparatus of the present invention for carrying out the process comprises a thermometer unit, a thermometer for measuring directional flow parallel to each other, a plate-shaped first heater for generating a heat stream in a selected direction, and a temperature sensor for measuring and compensating for the axial component of the heat stream. comprising a plate-shaped second heater compensating for heat loss in the opposite direction and having a fusing unit perpendicular to the selected direction.

A találmány szerinti eljárás és berendezés segítségével az energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiségek mérhetők, amelyek közé többek között a hővezetés, a hőátadási tényező, a hőtranszport, a termikus ellenállás, a termikus érintkezési ellenállás, a sugárzó és konduktív hőáram nagysága, az emissziós és abszorpciós folyamatokra jellemző együtthatók és állandók tartoznak.The method and apparatus of the present invention measure the amount of thermal energy characteristic of energy transport, including heat conduction, heat transfer coefficient, heat transport, thermal resistance, thermal contact resistance, radiative and conductive heat flux, emission and absorption processes. coefficients and constants.

A mérendő hőtechnikai mennyiség meghatározásának alapfeltétele a hőárammérés lehető legpontosabb elvégzése. Ezt a különböző hővezetési és sugárzási folyamatok zavarják.The prerequisite for determining the quantity to be measured is to perform the heat flow measurement as accurately as possible. This is interrupted by various thermal conductivity and radiation processes.

A hőárammérés első megoldásaiban ismert termikus jellemzőket mutató anyag rétegében bekövetkező hőmérsékletcsökkenést, illetve ismert hőkapacitású anyagban a hőmérsékletnövekedés ütemét mérik. Ezeknél a megoldásoknál, amelyek kézikönyvekből is megismerhetők, szükség van az anyagra jellemző termikus paraméterek mellett a felületi emissziós tényező ismeretére. Gondot jelent, hogy a hőmérsékletkülönbség megállapítására szolgáló eszközök a felülettől kisebb-nagyobb mértékben elválhatnak, ami a pontosságot tovább rontja.In the first embodiments of heat flow measurement, the temperature decrease in a layer of material exhibiting known thermal properties and the rate of temperature increase in a material having a known heat capacity are measured. These solutions, which can be found in manuals, require knowledge of the surface emission factor in addition to the material-specific thermal parameters. The problem is that the temperature difference detection devices may be detached from the surface to a greater or lesser extent, which further reduces accuracy.

Ennek a problémának a megoldására az US-A 3 720 103 lsz. US szabadalmi leírás olyan elrendezést javasol, amelyben mérendő két felületéhez hőmérséklet érzékelő elemeket illesztenek, az egyik felületet hevítik, miközben felületről távozó hőáram megjelenését megakadályozzák, ugyancsak megakadályozzák a hevítést biztosító berendezés hőáramának veszteségét, mégpedig egy további fűtőegység beépítésével. A környezettől megfelelő visszaverő felülettel választják el a hevített felületet, az ahhoz csatlakozó első futőegységet. Ezzel a berendezéssel a hőveszteségek keletkezését nem passzív, tehát hőszigetelést igénylő úton akadályozzák meg, hanem aktív eszközökkel, vagyis a mérendő felületre ugyanakkora hőáramot juttatnak, amekkora egy további érzékelés szerint abból eltávozik. így az anyagi minőségtől függetlenül végezhető a mérés. Az ismertté vált megoldás hiányossága azonban az, hogy továbbra is tartalmaz passzív szigetelőelemeket, amelyek miatt a pontosság leromlik. A szerkezet felépítése miatt nem egészíthető ki oly módon, hogy azzal a teljes aktív szigetelés (kompenzáció) lehetővé váljon.To solve this problem, U.S. Pat. U.S. Pat. No. 5,122,115 proposes an arrangement in which two surfaces to be measured are fitted with temperature sensing elements, one surface being heated while preventing the emergence of a heat stream leaving the surface, and also preventing heat loss of the heating device by installing an additional heater. The heated surface, the first running unit attached to it, is separated from the environment by a suitable reflecting surface. With this device, heat loss is not prevented by passive means, that is, requiring thermal insulation, but by means of active means, i.e., the same heat flux is applied to the surface to be measured, which, according to a further sensation, is removed. This allows the measurement to be carried out independently of the material quality. A disadvantage of the known solution, however, is that it still contains passive insulating elements, which results in a loss of accuracy. Due to the structure of the structure, it cannot be supplemented in such a way as to allow complete active insulation (compensation).

A Dynatech R/D vállalat (Cambridge, MA, USA) k-Matic márkanéven 1977-ben olyan berendezést hozott forgalomba hővezetési tényező mérésére, amelyben többrétegű, aktív hőszigetelést megvalósító szerkezetet alkalmaznak. Az aktív hőszigetelés a fellépő hőveszteségek kompenzációját jelenti. Ehhez két fűtőlapot használnak, amelyek közé a mérendő minta kerül. A két fűtőlapnak a mérendő minta hatásától elválasztott felületét hűtik, és ezzel hőcsapdát hoznak létre. A berendezés leírása szerint mintegy ae 5 %-os mérési pontosság érhető el. Ennél a megoldásnál a ténylegesen biztosítható mérési pontosságot csökkenti, hogy a fűtött és hűtött lapok között szigetelés van, illetve az oldalirányú hőáramok kompenzációja nem történik meg.In 1977, Dynatech R / D (Cambridge, MA, USA), under the trade name k-Matic, introduced a device for measuring the thermal conductivity coefficient using a multi-layer active thermal insulation structure. Active thermal insulation means compensation for heat loss. For this, two heating plates are used, between which the sample to be measured is placed. The surface of the two heating plates, separated from the effect of the sample to be measured, is cooled to form a heat trap. According to the description of the apparatus, an accuracy of about 5% can be achieved. With this solution, the actual measurement accuracy is reduced by the fact that there is insulation between the heated and cooled panels and that there is no compensation for lateral heat flows.

M. Cvetkovic az „Archív fúr technisches Messen” c. folyóirat 1970. júniusi számának 125. oldalán ismertet olyan mérőelrendezést, amely hőáram mérésére szolgáló hőelemeket zárt házban tartalmaz. A hőelemek felületete a mérendő anyaghoz illeszkedik, mögöttük fűtő fólia helyezkedik el, amelyet oldalról és felülről hőszigetelő réteg botír be. Itt is problémaként jelentkezik, hogy az oldalirányú veszteségek kompenzációját nem biztosítják.M. Cvetkovic in "Archive drill technisches Messen". June 1970, p. 125, describes a measuring arrangement which contains thermocouples in a closed housing for measuring heat flow. The surface of the thermocouples is adapted to the material to be measured, and behind them is a heating foil, which is stuck on the sides and top by a heat-insulating layer. Here, too, the problem arises that compensation for lateral losses is not provided.

Továbbra is fenáll az igény a hőtechnikai mennyiségek lehető legpontosabb meghatározására, ami az energetikai, energetikai technológiai feladatok igényes és energiatakarékos megoldásához elengedhetetlenül szükséges. Ennek az igénynek a kielégítésére született meg a jelen találmány.There remains a need to determine the exact amount of heat technology required for the demanding and energy-efficient solution of energy and energy technology tasks. To meet this need, the present invention has been invented.

Jelen találmány alapja az a felismerés, hogy az energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiség mérését a hőáram és a hőáramot hajtó erők összefüggéseinek mérésére kell visszavezetni. Figyelembe vettük azokat a termodinamikai alapelveket, amelyek megállapítják, hogy minden energiatranszport a hőmérséklet térbeli inhomogenitásából adódik. Ezért az energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiségek meghatározása általában két hőmérsékletérték, és a hőáram mérése alapján történhet. Ha a linearizálhatóság feltételei fennállnak, a hőátadási folyamatokra jellemző hőellenállás a mért hőmérsékletkülönbség és a hőáram hányadosaként határozható meg. Felismerésünk szerint az eddig aktív hószigeteléses, azaz kompenzációs eljárások hiányosságai az, hogy a parazita, tehát veszteségként jelentkező hőáramok kompenzációja pontatlan, a méréshez kapcsolódó jelfeldolgozást terhelő hibánál nagyobb hibát okoz.The present invention is based on the recognition that the measurement of the amount of thermal energy characteristic of energy transport must be traced back to the measurement of the relationship between heat flow and forces driving heat flow. We have taken into account the thermodynamic principles which state that all energy transport is due to the spatial inhomogeneity of temperature. Therefore, the thermal energy quantities characteristic of energy transport are usually determined by measuring two temperature values and measuring the heat flux. If the conditions for linearizability are met, the thermal resistance characteristic of the heat transfer process can be defined as the quotient of the measured temperature difference and the heat flux. It has been found that the deficiencies of hitherto active snow-isolation, i.e., compensation methods, are that the compensation of the parasite, i.e. heat loss in the form of loss, results in an inaccurate error greater than the measurement-related signal processing error.

A találmány feladata a fentieknek megfelelően olyan, a felismerésre támaszkodó eljárás és berendezés létrehozása, amely a hőáram mérését a lehető legnagyobb pontossággal teszi lehetővé. A hőmérséklet mérése itt mellékfeladatként adódik, hiszen ennek eszközei jól ismeretek.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method and apparatus based on recognition which enables the measurement of the heat flux to be as accurate as possible. Measuring the temperature here is an ancillary task, as the tools are well known.

A kitűzött feladat megoldásaként energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiség meghatározására szolgáló eljárást dolgoztunk ki, amikoris mérendő hőmérsékletű objektum felületének legalább egy pontján 3In order to solve this problem, we have developed a method for determining the amount of thermal energy characteristic of energy transport, whereby at least one point on the surface of an object with a temperature to be measured 3

HU 201404 Β hőmérsékletmérést végzünk, a hőmérsékletmérés helye mögött ismert nagyságú hőáramot generálunk, azt kiválasztott irányban az objektumra továbbítjuk, miközben a kiválasztott iránnyal ellentétesen haladó hőáramot kompenzáljuk, a kiválasztott irányra merőleges hőáram útjában hőszigetelést rendezünk el, a hőmérsékletmérés helyén a hőmérsékletet meghatározott értékre szabályozzuk vagy a generált hőáramot előre meghatározott értéken tartjuk, majd a megmért hőmérséklet és a hőáram fenntartásához szükséges teljesítmény alapján a kijelölt hőtechnikai mennyiséget meghatározzuk, ahol a találmány értelmében az objektum felületén a hőmérsékletet sík felületű, az objektummal érintkezésben tartott hőmérőlappal mérjük meg és a hőszigetelést a kiválasztott irányra merőleges irányban ugyancsak kompenzációval biztosítjuk.HU 201404 Β performs a temperature measurement of a known magnitude behind the temperature measurement location, transmits it in the selected direction to the object while compensating for the heat flow going in the opposite direction, adjusting the temperature measurement to the temperature or temperature in the direction perpendicular to the selected direction. maintaining the generated heat flux at a predetermined value and determining a selected thermal amount based on the measured temperature and the power required to maintain the heat flux, wherein, according to the invention, the surface temperature of the object is measured with a flat surface in the perpendicular direction is also compensated.

A találmány szerinti eljárás egy célszerű foganatosítási módjában az objektumot két egymással párhuzamos hőmérő lap közé helyezzük és a lapok felületére merőlegesen legalább egy irányban hőáramot generálunk. Előnyösen a hőáramokat az objektum mindkét oldalán generáljuk.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the object is placed between two parallel thermometer plates and generates a heat flow in at least one direction perpendicular to the surface of the plates. Preferably, heat flows are generated on both sides of the object.

Ugyancsak a találmány kitűzött feladatának megoldását teszi lehetővé az az energiatranszportra jellemző hőtechnikai mennyiség meghatározására szolgáló, különösen a már ismertetett eljárás foganatosítására is alkalmas berendezés, amely legalább egy, hőmérő egységet, a hőmérő egység mögött egymással párhuzamosan elrendezetten adott irányban terjedő hőáram mérésére szolgáló hőárammérőt, kiválasztott irányban hőáramot generáló lap alakú első fűtőegységet, a hőáram axiális komponensének mérésére szolgáló és annak kompenzációját biztosító hőáramérzékelőt, valamint a kiválaszott iránnyal ellentétes irányban keletkező hőveszteséget kompenzáló lap alakú fűtőegységet tartalmazó mérőeszközzel van ellátva, ahol a mérőeszköz a kiválasztott irányra merőleges irányban szükséges hőszigetelést biztosító egységgel van kialakítva, ahol a találmány értelmében a mérőeszközben a hőmérő egység hőmérő lapként van kialakítva, a kiválasztott irányra merőleges irányban hőszigetelést biztosító egység gyűrű alakú fűtőelemként van kiképezve, amely a hőmérő lapot, a hőárammérőt, az első fűtőegységet, a hőáramérzékelőt és a második fűtőegységet körbevevően van elrendezve, valamint a hőárammérő és a hőáramérzékelő lapszerű elemként van kiképezve.Another object of the present invention is to provide an apparatus for determining the amount of thermal energy characteristic of energy transport, in particular for carrying out the method described above, which comprises at least one thermometer unit for measuring a heat flow in parallel to each other. a first-stage heater generating a directional heat flow, a heat flow sensor for measuring and compensating for the axial component of the heat stream, and a plate-shaped heater compensating for heat loss in the opposite direction; wherein, according to the invention, the thermometer is in the measuring device the unit is formed as a thermometer plate, the unit for insulating in a direction perpendicular to the selected direction is formed as an annular heating element which is arranged around the thermometer plate, the thermometer, the first heater, the thermometer and the second heater, and is trained as an element.

A találmány szerinti berendezés egy előnyös kiviteli alakjában a hőárammérő hőáram axiális és radiális komponenseit mérő részegységekkel van kiképezve, ahol célszerűen a fűtőelem gyűrű alakú testet alkot és a hőáramérzékelő alatt fűtőlapként kialakított második fűtőegység van elrendezve.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the heat meter is provided with components for measuring the axial and radial components of the heat flow, wherein the heater is preferably an annular body and a second heater is arranged below the heat sensor.

A találmány szerinti berendezés egy további előnyös kiviteli alakjában a hőáramérzékelő alatt Peltier-elem van elrendezve, amely a hőáramérzékelő oldalán rézből vagy más nagy hővezetésű anyagból álló lappal van összekötve, míg másik oldalán hűtőrudakkal ellátott levehető gyűrűvel van összekapcsolva. Ugyancsak igen célszerű az a kiviteli alak, amelynél a hőárammérő és a hőáramérzékelő hőelemekkel van kiképezve, amelyek a mérési irányban lapos hordozógyűrűn elrendezett fomasztási pontokkal vannak kiképezve és célszerűen műgyantába vannak beágyazva.In a further preferred embodiment of the device according to the invention, a Peltier element is arranged beneath the heat detector, which is connected on the side of the heat detector with a sheet of copper or other high heat conductive material and on the other side with a detachable ring. It is also very advantageous to have an embodiment in which the heat flow meter and the heat flow detector are provided with thermocouples, which are formed in the measuring direction by means of massing points arranged on a flat carrier ring and are preferably embedded in a resin.

A találmány szerinti berendezés egy még további előnyös kiviteli alakjában a hőmérő egység párhuzamos síkfelületekkel határolt lapként van kiképezve, amely nagy hővezetésű anyagból, célszerűen rézből áll. Ugyancsak igen előnyös az a kiviteli alak, amelynél a lapként kialakított hőmérő egységhez objektumként a külső felületre felvitt vékony réteg van illesztve, amely vákuumtömören lezárt edény belső falával szemben van elrendezve, míg az edény állandó szinten tartott hőmérsékletű fürdőben van merítve.In a further preferred embodiment of the device according to the invention, the thermometer unit is formed as a plate bounded by parallel planar surfaces, which consists of a high heat conductive material, preferably copper. It is also very advantageous to have a thin layer applied to the outer surface of the thermometer unit as an object and facing the inside wall of a vacuum-sealed vessel while immersed in a bath maintained at a constant temperature.

Felületi méréseknél igen előnyös az a kiviteli alakja a javasolt berendezéseknek, amikor az első és a második fűtőegység műveleti erősítő egyik kimenetére csatlakoztatott tápegységre van vezetve, míg a műveleti erősítő bemenetel a lapszerűen kialakított hőmérő egység kimenetére, valamint külső hőmérőre vannak kapcsolva.For surface measurements, a preferred embodiment of the proposed apparatus is when a power supply is connected to one of the outputs of the first and second heater units, while the operational amplifier input is connected to the output of a flat thermometer unit and an external thermometer.

A találmány szerinti berendezés különösen hitelesítő méréseknél igen előnyös kiviteli alakját nyerjük, ha a javasolt berendezés mérősíkhoz rendelten, a mérősíkhoz képest szimmetrikusan elrendezett két azonos felépítésű mérőeszközzel van kiképezve. Ennél a kialakíttásnál igen célszerű, ha a mérősíkban szigeteléssel legalább részben körülvett objektum van elrendezve, ahol az objektum előnyösen hőárammérőként van kiképezve. Egy másik előnyös lehetőség az, hogy a lapszerűen kialakított hőmérőegységek a mérősíkhoz vannak illesztve és egymással teljes felületükön érintkeznek.A particularly advantageous embodiment of the device according to the invention for calibration measurements is obtained when the proposed device is provided with two measuring devices of the same construction, which are arranged symmetrically to the measuring plane. In this configuration, it is highly desirable that the measuring plane is provided with an object at least partially surrounded by insulation, the object being preferably configured as a heat flow meter. Another advantageous feature is that the flat-shaped thermometer units are aligned with the measuring plane and contact each other over their entire surface.

A találmány szerinti eljárás és berendezés segítségével a hőáram nagy pontosságú mérése válik lehetővé.The method and apparatus of the present invention make it possible to accurately measure the heat flux.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti foganatosítási módok, illetve kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon azThe present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, with reference to exemplary embodiments and embodiments. In the drawing it is

1. ábra a találmány szerinti berendezés alapv áltozatának oldalnézete, aFigure 1 is a side view of a basic embodiment of the apparatus of the invention, a

2. ábra a találmány szerinti berendezésben hőáram mérésére szolgáló rész felülnézete, aFigure 2 is a plan view of a portion for measuring heat flow in the apparatus of the present invention, a

3. ábra a 2. ábrán látható rész I-I keresztmetszete, aFigure 3 is a cross-sectional view I-I of the section shown in Figure 2, a

4. ábra a találmány szerinti berendezést hasznosító előnyös mérési eljárás vázlata, azFigure 4 is a schematic diagram of a preferred measurement method utilizing the apparatus of the present invention

5. ábra a találmány szerinti berendezést hasznosító másik mérési elrendezés vázlata oldalnézetben, aFigure 5 is a side elevational view of another measuring arrangement utilizing the apparatus of the invention, a

6. ábra a találmány szerinti berendezést hasznosító egy további előnyös mérési eljárás vázlata, míg aFigure 6 is a schematic diagram of another preferred measurement method utilizing the apparatus of the present invention;

7. ábra a 6. ábrán vázolt eljárás egy továbbfejlesztett változatának megvalósítására szolgáló elrendezés oldalnézete.Figure 7 is a side view of an arrangement for implementing an improved version of the method outlined in Figure 6.

A találmány szerinti berendezés (1-4. ábra) lényegében két részből áll, mégpedig 1 mérőeszközből, valamint az 1-5. ábrán nem látható, a 6. és 7. ábrán vázlatosan bejelölt, ott 25 műveleti erősítővel képviselt szabályozóegységből. Az 1 mérőeszköz segítségével a találmány szerinti eljárás foganatosítható, amire a továbbiakban még visszatérünk. A szabályozóegység egymástól függetlenül vagy egymástól függően is működtetett szabályozó köröket tartalmaz az 1 mérőeszközben működtetett hűtő és fűtő elemek, a kompenzáló eszközök és a hőáramot keltő egységek részére.The apparatus according to the invention (Figs. 1-4) consists essentially of two parts, namely a measuring device 1 and a device 1-5. 6 and 7, schematically marked with an operational amplifier 25 therein. With the help of the measuring device 1, the method according to the invention can be carried out, which will be described below. The control unit comprises control circuits actuated independently or independently of each other for the cooling and heating elements, the compensating means and the units generating the heat flow in the measuring device 1.

Az 1. ábrán bemutatott 1 mérőeszközt felülről lapszerűen kialakított 2 hőmérő egység zárja le, mígThe measuring device 1 shown in Figure 1 is closed from above by a flat thermometer unit 2, while

HU 201404 Β alulról 11 gyűrű határolja. A 11 gyűrű külső oldalán külön jelöléssel el nem látott hűtőrudak vannak elrendezve. A lapszerűen kialakított 2 hőmérő egység alatt 5 hőárammérő helyezkedik el, ezt 6 első fűtőegység követi, amellyel szabályozott módon ismert nagyságú hőáramot lehet előállítani. Ez alatt egymást követően 7 hőáramérzékelő, 8 második fűtőegység, jó hővezetésű anyagból álló 9 lap és 10 Peltier-elem helyezkedik el. Ez utóbbi all gyűrű belső oldalával érintkezik. Az egész elrendezést célszerűen tengelyszimmetrikus hengerszerű alakban hozzuk létre, külső felületét 4 ház alkotja. A 4 házzal koaxiálissan, a 2 hőmérő egység szintjétől lefelé haladóan 3 fűtőelem van elrendezve, amely hengerszerűen körbefogja a 2 hőmérő egység lapját, az 5 hőárammérőt, a 6 első fűtőegységet, a 7 hőáramérzékelőt, a 8 második fűtőegységet, továbbá a 9 lapot. A 4 ház és a 11 gyűrű között a jó hővezetés feltételeit ismert módon kell és lehet biztosítani. Célszerű, ha a 4 ház alatt elhelyezett összes elem igen kis hőtehetetlenségű testként van kialakítva, aminek előnyös megoldása az, ha ezek az elemek vékony, jó hővezetésű anyagból készült korongokat alkotnak.HU 201404 Β Bordered by 11 rings. On the outside of the ring 11 there are provided cooling rods which are not marked separately. Underneath the flat-shaped thermometer unit 2 is a heat flow meter 5, followed by a first heater unit 6 for producing a controlled heat flow of known magnitude. Below this is located a succession of heat flow sensors 7, a second heater 8, a sheet 9 of good heat conducting material and a Peltier element 10. The latter contacts the inner side of the all ring. The entire arrangement is preferably made in the form of an axially symmetrical cylindrical shape, the outer surface of which is formed by 4 housings. A heating element 3 is disposed coaxially with the housing 4, extending downwardly from the level of the thermometer unit 2, which cylindrically encircles the face of the thermometer unit 2, the thermometer 5, the first heater 6, the heat sensor 8, and the second heater 9. The conditions of good heat conduction between the housing 4 and the ring 11 must and can be provided in a known manner. It is preferable that all the elements placed under the housing 4 are formed as a body with a very low heat inertia, the advantage being that these elements form thin discs made of a material with good thermal conductivity.

Az 5 hőárammérőt és a 7 hőáramérzékelőt célszerűen a 2. és 3. ábrán bemutatott módon hozzuk létre. Itt 32 hordozón axiális irányban 14 és 14’, radiális irányban 15 és 15’ forrasztási pontok vannak kiképezve. A 14 és 14’, illetve a 15 és 15’ forrassztási pontokat rendre 12 első és 13 második vezetékek kötik össze és egymással érintkezőén mindig két különböző anyagú, tehát páronként hőelemeket alkotó 12 első és 13 második vezeték van a 14, 15, 14’, 15’ forrasztási pontok között elrendezve. Az axiális és radiális irányban kiképzett hőelemek sorba vannak kapcsolva. A gyűrű alakú 32 hordozó szigetelő anyagból álló vékony tárcsaként van kiképezve, tehát a 14, 14’, 15, 15’ forrasztási pontok között az elektromos áram vezetését a 12 első és a 13 második vezetékek teszik lehetővé. Ezt például a műanyagból történő kialakítás biztosítja. A gyűrű alakú 32 hordozót előnyösen műgyantából álló 31 tárcsába ágyazzuk be. A műgyantás beágyazás révén elkerülhető, hogy akár a legnehezebb mérési feltételek között is a 14, 14’, 15, 15' forrasztási pontok helyükről eltolódjanak.The heat flow meter 5 and the heat flow sensor 7 are preferably constructed as shown in Figures 2 and 3. Here, soldering points 14 and 14 'and radially 15 and 15' are formed on the substrate 32. The soldering points 14, 14 'and 15 and 15' are connected by first and second conductors 12 and 13, respectively, and there are always two first and second conductors 12, 13, 14 ', 15 'arranged between soldering points. The thermocouples formed in the axial and radial directions are connected in series. The annular substrate 32 is formed as a thin disc of insulating material, so that the electrical conductivity between the soldering points 14, 14 ', 15, 15' is provided by the first and second wires 12 and 13 respectively. This is ensured, for example, by the design of plastic. The annular support 32 is preferably embedded in a resin disk 31. By using resin embedding, solder points 14, 14 ', 15, 15' can be displaced even under the most difficult measuring conditions.

A 6 első fűtőegység szintén igen vékony tárcsaszerű elem, amely árammal tápláva hőt fejlesztő vezetékekkel van kialakítva.The first heater 6 is also a very thin disc-like element, which is provided with heat-generating lines fed by current.

A 8 második fűtőegység akkor fontos, amikor a találmány szerinti berendezést a környezeti hőmérsékletet túllépő feltételek között kell alkalmazni. Ehhez a viszonylag költséges 10 Peltier-elemet használjuk, amely az 1 mérőeszköz egész térfogatában vagy csak alsó részében a kompenzációs fűtést lehetővé teszi. A 10 Peltier- elem és a 9 lap szükség szerint egyidejűleg is üzemeltethető, amit a vezérlés biztosít.The second heating unit 8 is important when the apparatus according to the invention is to be used under conditions exceeding the ambient temperature. For this purpose, the relatively expensive Peltier element 10 is used, which allows compensating heating in the whole volume or only in the lower part of the measuring device 1. The Peltier element 10 and the plate 9 can be operated simultaneously as required by the control.

A találmány szerinti berendezés egy vagy két mérőfelülettel hozható létre (az egy mérőfelületes megoldást a 3., 6. és 7. ábra, a két mérőfelületes elrendezést az 5. ábra mutatja). Ezekben a mérési elrendezésekben a 2 hőmérő egységgel meghatározott mérőfelületen nagy mérési pontosságú kontakt hőmérőt (ellenálláshőmérőt) helyezünk el.The apparatus according to the invention may be provided with one or two measuring surfaces (one measuring surface solution is shown in Figures 3, 6 and 7 and the two measuring surface arrangement is shown in Figure 5). In these measuring arrangements, a high-precision contact thermometer (resistance thermometer) is placed on the measuring surface defined by the thermometer unit 2.

A találmány szerinti berendezésnek a 4. ábrán bemutatott megvalósításában 16 mérendő réteg emiszszióképességét követjük. Ezt a réteget célszerűen a hőmérő egység lapjára viszük fel. Az 1 mérőeszköz vákuumtömören lezárható 17 edény bemélyedésébe kerül, és az edényt 18 fürdőbe merítjük, miközben 20 tartálytól és a 17 edénytől hőszigeteléssel elválasztott lábakon támasztjuk meg. A 18 fürdő a 20 tartály belső terét tölti ki, hőmérsékletét 19 hőmérővel követjük.In the embodiment of the apparatus according to the invention, as shown in Figure 4, the emissivity of the 16 layers to be measured is monitored. This layer is preferably applied to the sheet of the thermometer unit. The gauge 1 enters a recess 17 of a vacuum-sealed vessel 17 and is immersed in a bath 18 while resting on legs separated from the vessel 20 and the vessel 17 by heat insulation. The bath 18 fills the interior of the tank 20 and its temperature is monitored by a thermometer 19.

A találmány szerinti berendezés két további megvalósítási lehetőségére a 6. és 7. ábra utal, ahol az 1 mérőeszközt 23 mérendő közegből álló test felületéhez, vagy felületében kiképzett nyílásba illesztjük. A 2 hőmérő egység lapja ilyenkor a 23 mérendő közeggel érinkezően van elrendezve, a felületen vagy azon belül annak anyagához illeszkedik. A 2 hőmérő egység kimenete 25 műveleti erősítő egyik bemenetére van csatlakoztatva, míg a másik bemenetre 24 külső hőmérő kapcsolódik. A 25 műveleti erősítő kimenete a 6 első fűtőegység vezérlésére kapcsolódik, mégpedig közvetett vagy közvetlen úton és így lehetővé teszi annak szabályozását.Two and other embodiments of the apparatus according to the invention are illustrated in Figures 6 and 7, wherein the measuring device 1 is inserted into the surface of a body of 23 media to be measured or in a hole formed in its surface. The panel of the thermometer unit 2 is then arranged in contact with the medium 23 to be measured and fits on or within the surface thereof. The output of the thermometer unit 2 is connected to one of the inputs of the operational amplifier 25, while the other input is connected to an external thermometer 24. The output of the operational amplifier 25 is coupled to the control of the first heater 6, either directly or indirectly, and thus allows it to be controlled.

A találmány szerinti berendezés két mérési felülettel kialakított változatának oldalnézete az 5. ábrán látható. Ennél két 1 mérőeszköz egymással szembefordulva van elrendezve, csatlakoztatási síkjukban 22 minta van elhelyezve, amelyet célszerűen 21 hőszigeteléssel veszünk körbe. Lehetséges a két 1 mérőeszköz csatlakoztatása oly módon is, hogy a 2 hőmérő egységek egymáshoz illeszkednek.A side view of the device according to the invention with two measuring surfaces is shown in Figure 5. In this case, two measuring devices 1 are arranged facing each other, in their connection plane there is arranged a pattern 22, which is preferably surrounded by heat insulation 21. It is also possible to connect the two measuring devices 1 in such a way that the thermometer units 2 fit together.

A találmány szerinti berendezés működése a következő:The operation of the apparatus according to the invention is as follows:

Az 5 hőárammérő alatt elhelyezkedő 7 hőáramérzékelővel a hőáram radiális és axiális összetevőit mérjük. A fűtőelemet, a 6 első és a 8 második fűtőegységet, valamint a 10 Peltier-elemet egymástól függetlenül szabályozó körökbe kapcsoljuk, amivel biztosítjuk, hogy az alapvető fűtési feladatot ellátó 6 első fűtőegység és a kompenzációs fűtést biztosító fűtőelem, amely a 8 második fűtőegységgel vagy a 10 Peltier-elemmel működik együtt, adott esetben jól meghatározható nagyságú és sűrűségű hőáramot biztosít a 2 hőmérő egység irányában. A 7 hőáramérzékelőknek, illetve a benne elrendezett mérőelemeknek nem szabad axiális vagy radiális irányban hőáramot érzékelniük és így forrasztási pontjaik között hőmérsékletkülönbség nem lehet. Az 5 hőárammérővel így a jó beállítás szintén ellenőrizhető.The radial and axial components of the heat flow are measured with the heat flow sensor 7 located below the thermometer 5. The heater, the first heater 6 and the second heater 8, and the Peltier element 10 are independently connected to control circuits to ensure that the primary heater 6 and the heating element providing the compensatory heater which is connected to the second heater 8 or It cooperates with 10 Peltier cells, providing a heat flow of well-defined size and density towards the thermometer unit 2 where appropriate. The heat flux sensors 7 and the measuring elements arranged therein must not detect heat flux in the axial or radial direction and thus there should be no temperature difference between their soldering points. The thermometer 5 can thus also be used to check the correct setting.

A 4. ábrán látható elrendezésben célszerűen emiszszióképességet mérünk oly módon, hogy a 16 mérendő réteget a 2 hőmérő egység felszínére visszük fel. A 17 edényt kiürítjük, benne lényegében vákuumot hozunk létre, majd a 18 fürdőbe merítjük. Ennek hőmérsékletét és a 16 mérendő réteg hőmérsékletét mérjük, és ezekből kiindulva a Boltzmann-törvény alapján kapjuk az emisszióképességet.In the arrangement shown in Figure 4, it is desirable to measure the emissivity by applying the layer 16 to be measured on the surface of the thermometer unit 2. The vessel 17 is evacuated, substantially vacuum-formed and immersed in the bath 18. Its temperature and the temperature of the 16 layers to be measured are measured and based on these, the emission potential is obtained according to Boltzmann's law.

Az 5. ábrán látható berendezéssel a hővezetési tényező határozható meg, amikoris a 22 mintát a 2 hőmérő egységek lapjai közé illesztjük. A 22 mintát célszerűen a 21 hőszigeteléssel védjük meg a radiális irányú hőveszteségektől. A meghatározásnak két módja is lehetséges. Az egyik során a 22 minta egyik oldalán elrendezett 1 mérőeszköz állandó nagyságú hőáramot szolgáltat, amivel a mintát melegíti. A másik 1 mérőeszköz ebben az esetben fogadja a hőáramot és a 10 Peltier-elemmel a 2 hőmérő egységet 5With the apparatus of Fig. 5, the thermal conductivity can be determined by inserting the sample 22 between the sheets of the thermometer units 2. The sample 22 is suitably protected by heat insulation 21 against radial heat loss. There are two ways to determine. In one embodiment, the measuring device 1 provided on one side of the sample 22 provides a constant heat flow to heat the sample. In this case, the other measuring device 1 receives the heat flow and the thermometer unit 5 with the Peltier element 10

HU 201404 Β hűtjük. Ilyenkor a két hőmérő egységgel mért hőmérsékletből és a hűtéshez szükséges elektromos teljesítményből a 22 minta vastagságának ismeretében a hővezetési tényező meghatározható. A másik lehetőség az, hogy a 2 hőmérő egységek hőmérsékletét eltérő szintre állítjuk be. A különböző fűtőegységek működtetésével biztosítjuk ezeknek az eltérő szinteknek az állandóságát. Ebben az esetben is az elektromos teljesítményfelvételből, a beállított hőmérsékletekből kiindulva, a 22 minta vastagságának ismeretében a kívánt jellemző meghatározható. Az 5. ábra szerinti berendezéssel hasonló módon hőellenállás ugyancsak mérhető.HU 201404 Β cooled. In this case, the thermal conductivity can be determined from the temperature measured with the two thermometer units and the electrical power required for cooling to determine the thickness of the sample 22. Alternatively, the temperature of the thermometer units 2 may be set at a different level. By operating different heating units, we ensure the stability of these different levels. Again, starting from the electrical power consumption at the set temperatures, the desired characteristic can be determined by knowing the thickness of the sample 22. Similarly to the apparatus of Fig. 5, the thermal resistance can also be measured.

A 6. és 7. ábrán bemutatott berendezés alkalmas hőátadási tényező mérésére. Az 1 mérőeszközt ilyenkor bemélyedésben helyezzük el és a 2 hőmérő egységtől elválasztottan 24 külső hőmérőt építünk be. A két hőmérsékletértéknek megfelelő elektromos jeleket a 25 műveleti erősítő fogadja, kimenete biztosítja, hogy a 2 hőmérő egység a 24 külső hőmérő által érzékelt hőmérsékletre állhasson be. Itt is a hőáramok mérése teszi lehetővé a kívánt jellemző meghatározását.The apparatus shown in Figures 6 and 7 is suitable for measuring the heat transfer coefficient. In this case, the measuring device 1 is placed in a recess and an external thermometer 24, separated from the thermometer unit 2, is installed. The electrical signals corresponding to the two temperature values are received by the operational amplifier 25, and its output ensures that the thermometer unit 2 can adjust to the temperature sensed by the external thermometer 24. Again, the measurement of the heat flux allows the desired characteristic to be determined.

Az 5. ábrán látható elrendezésben hőárammérő hitelesítése is végrehajtható, amikoris az egyik 1 mérőeszköz szabályozott teljesítményű hőforrásként működik.In the arrangement shown in Figure 5, it is also possible to perform the calibration of the heat meter, whereby one of the measuring devices 1 acts as a controlled heat source.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása és a berendezés alkalmazása során a vizsgálandó objektumot ismert nagyságú hőáram hatásának tesszük ki. Ehhez olyan szabályozó kört alkalmazunk, amely a hőáram veszteségeit lényegében kompenzálja. így a keresett jellemzők pontos meghatározása válik lehetővé. A szabályozás önmagában véve ismert módon hajtható végre, ez nem a jelen találmány tárgya.In carrying out the method of the present invention and operating the apparatus, the object to be tested is subjected to a known amount of heat flow. For this purpose, a control circuit is used which essentially compensates for the losses in the heat flow. Thus, the desired characteristics can be precisely defined. The control can be carried out in a manner known per se and is not the subject of the present invention.

A találmány szerinti berendezés célszerűen egészíthető ki mikroprocesszoros vagy más szabályozó berendezésekkel, amelyek a különböző részegységek programozott vezérlését biztosítják, illetve lehetővé teszik a mérési eredmények kijelzését. A szükséges programozási feladatok lényegében a kézikönyvekből is megismerhető képletekre támaszkodó szabályozás és számítás megvalósítását jelentik.Conveniently, the apparatus of the present invention may be supplemented with microprocessor or other control devices that provide programmed control of the various components and allow measurement results to be displayed. The necessary programming tasks are essentially the implementation of control and calculation based on formulas that can be found in manuals.

Claims

PATENT CLAIMS

A method for determining thermoelectric quantities characteristic of energy transport, comprising measuring a temperature of at least one point on the surface of an object having a temperature to be measured, generating a heat stream of known magnitude behind the position of temperature measurement and transmitting it to the object in a selected direction. by isolating the temperature, adjusting the temperature at the point of temperature measurement or keeping the generated heat flow at a predetermined value, and then determining the selected thermal amount based on the measured temperature and the power required to maintain the heat flow, characterized by: measure and the insulation in the direction perpendicular to the selected direction k ompensation.

Method according to claim 1, characterized in that the temperature measurement is carried out with a flat surface thermometer plate which is brought into contact with the object surface.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the object is placed between two parallel thermometer plates and generates a heat flow in at least one direction perpendicular to the surface of the plates.

The method of claim 3, wherein the heat flows are generated on both sides of the object.

5. Apparatus for determining the amounts of thermal energy characteristic of energy transport, in particular:

A method according to claim 1, which comprises at least one thermometer unit, a thermometer for measuring a flow in a given direction arranged parallel to each other behind the thermometer, a plate-shaped first heater for generating a heat stream in a selected direction, and for measuring its axial component. provided with a measuring device comprising a plate-shaped second heater compensating for the heat loss in the opposite direction, the measuring device being provided with the necessary thermal insulation unit perpendicular to the selected direction, characterized in that the measuring device (1) formed, the insulating unit perpendicular to the selected direction is formed as an annular heating element (3) which a heat plate (2), a heat meter (5), a first heater (6), a heat detector (7) and a second heater (8) being arranged around, and the heat meter (5) and heat detector (7) being in the form of a plate element formed.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the heat flow meter (5) is provided with components for measuring the axial and radial components of the heat flow.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the heating element (3) is formed as an annular body and a second heating unit (8) arranged as a heating plate under the heat flow sensor (7).

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that a Peltier element (10) is arranged below the heat flow sensor (7), which is connected to a plate (9) of copper or other high-temperature conductive material on the side of the heat flow sensor (7). on the other side it is connected to a detachable ring (11) provided with radiator rods.

9. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the heat flow meter (5) and the heat flow sensor (7) are formed by thermocouples having soldering points (14, 14 ', 15, 15') arranged in a measuring direction on a flat carrier ring (32) and preferably embedded in a resin.

10. Figures 5-9. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the thermometer unit (2) is formed as a sheet delimited by parallel planar surfaces, consisting of a high-temperature conductive material, preferably copper.

HU 201404 Β

11. Apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a thin layer (16) applied to the outer surface is disposed on the outer surface of the thermometer unit (2), which is arranged opposite the inner wall 5 of the vacuum sealed vessel (17) is immersed in a temperature-controlled bath.

12. Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first and second heating units (6, 8) are connected to a power supply connected to one of the 10 outputs of the operational amplifier (25), while the operational amplifier (25) and connected to an external thermometer (24).

13. Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises two measuring devices (1) associated with the measuring plane, wherein the measuring devices (1) are arranged symmetrically on the measuring plane.

Apparatus according to claim 13, characterized in that the object (22) is at least partially surrounded by insulation (21) in the measuring plane, wherein the object (22) is preferably designed as a heat flow.

Apparatus according to claim 13, characterized in that the flat-shaped thermometer units (2) are connected to the measuring plane and contact each other over their entire surface.