DE3707819A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von fuer den energietransport charakteristischen waermephysikalischen kenngroessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von für den Energietransport charakteristischen Kenngrößen, welche aus einem breiten Bereich ausgewählt werden können. Derartige Kenngrößen sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeübergabe, der Wärmetransport, der thermische Widerstand (von Sandwichstrukturen), der thermische Kontaktwiderstand, strahlende und konduktive Wärmeströme, Emissionsprozesse sowie Absorptionsprozesse kennzeichnende Koeffizienten und Konstanten.

Im Verfahren gemäß der Erfindung wird zumindest ein für ein zu prüfendes Objekt charakteristischer Temperaturwert gemessen. Ferner wird in einer ausgewählten Richtung ein Wärmestrom bekannter Größe erzeugt und auf das zu prüfende Objekt gerichtet. Das zu prüfende Objekt wird dann der Einwirkung des Wärmestromes ausgesetzt, der Verlust des Wärmestromes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzen Richtung während der Erzeugung kompensiert und danach aufgrund des gemessenen Temperaturwertes und des Wärmestromes die erwünschte wärmephysikalische Kenngröße bestimmt.

In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung, die auch zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, sind eine thermometrische Einheit, ein Heizblatt zur Erzeugung und ein Wärmestrommesser zur Messung eines Wärmestromes in einer ausgewählten Richtung sowie eine Heizeinheit zur Kompensierung der Wärmestromverluste in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung vorgesehen.

Zwecks energiesparender Lösung von energetischen bzw. energotechnischen Aufgaben ist die Kenntnis der genauen Werte der wärmetechnischen Parameter für die in den Anlagen verwendeten Stoffe und Teileinheiten unbedingt notwendig. Das betrifft ebenso die Prüfung der Arbeitsbedingungen der schon verwirklichten Anlagen, als auch die Projektierung von neuen Einrichtungen. Es ist bekannt, daß die Eingangsdaten der wärmetechnischen oder energetischen Projektierung (wie z.B. die Wärmeleitzahl, die Wärmeübergabezahl, die die Strahlungsprozesse charakterisierenden Parameter usw.) in vielen Fällen mit sehr hoher Ungenauigkeit zur Verfügung stehen. Es kann dabei vorkommen, daß zwei Messungen Ergebnisse erbringen, die sich um 100% unterscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der den Energietransport kennzeichnende wärmetechnische Kenngrößen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können, wobei Meßergebnisse mit hoher Wiederholbarkeit erreichbar sein sollen.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Bestimmung einer wärmephysikalischen Kenngröße, welche für den Energietransport charakteristisch ist, lediglich die Messung von Parametern erfordert, welche in den den Wärmestrom bestimmenden wärmephysikalischen Formeln enthalten sind. Die Grundgesetze der Thermodynamik beinhalten die Aussage, daß jeder Energietransport infolge der räumlichen Inhomogenität der Temperatur auftritt. Die die verschiedenen Stoffe und Anlagen charakterisierenden und mit dem Wärmetransport verbundenen Kenngrößen sind dabei durch die Abhängigkeit des Wärmestromes von der Inhomogenität der Temperatur bestimmt. Gemäß den Grundgesetzen können solche Formeln entwickelt werden, die aufgrund von zwei Temperaturwerten und eines Wärmestromwertes die notwendigen wärmetechnischen Kenngrößen des Energietransportes vermitteln. In einfacheren Fällen kann die Beziehung zwischen dem Wärmestrom und dem Temperaturunterschied als eine lineare Funktion betrachtet werden. Dabei wird der Begriff des Thermowiderstandes, der "Thermokonduktanz", der Wärmeübergabezahl oder des Wärmedurchlaßkoeffizienten zur Vereinfachung der Bestimmungen verwendet.

In solchen vereinfachten Anwendungen kann der linearisierte Wärmewiderstand als das Verhältnis des Temperaturunterschiedes zum Wärmestrom definiert werden.

Obwohl die Erkenntnis an sich als eine einfache offensichtliche Aussage erscheint, liegt das Wesen der Lösung der gestellten Aufgabe in der zuverlässigen Messung des Wärmestromes und der Temperaturwerte. In der Wärmetechnik ist es den Fachleuten gut bekannt, daß ein Wärmestrom von genau meßbarem bestimmten Wert (oder eine genau bestimmte Wärmestromdichte) nur durch Überwindung großer Schwierigkeiten herstellbar ist, da die Isolierung der Wärmequelle von der Umgebung praktisch unmöglich ist. Die einfachste Lösung zur Vermeidung der erwähnten Schwierigkeiten liegt in der Verwendung einer aktiven Thermoisolierung, d.h. einer Kompensation. Nach sorgfältigen Analysen und Untersuchungen ist die Kompensation lediglich dann effektiv, wenn sie zu allen "parasitären" Wärmeströmen verwendet wird, da widrigenfalls mit hohen und oft nicht einschätzbaren Fehlern bei der Verarbeitung der Meßergebnisse gerechnet werden muß.

Bei der Herstellung von als Etalon oder Referenz anwendbaren Wärmeströmen besteht eine weitere Schwierigkeit darin, daß die Richtung des Wärmestromes auch eine wichtige Rolle spielen kann und gleichfalls ist es nicht ohne Wichtigkeit, bei welchem Temperaturniveau der Wärmestrom gewährleistet werden kann. Aus diesem Grund ist sicherzustellen, daß sowohl die Richtung, als auch die Größe des Temperaturniveaus und des Wärmestromes in einem vorbestimmten Wertbereich beliebig einstellbar sind, abhängig von den Bedingungen entweder durch eine Heizung oder durch eine Kühlung.

Die Erkenntnis kann daher in der Weise zusammengefaßt werden, daß eine Meßfläche auszubilden ist, worauf ein Wärmestrom bekannter Dichte bei Einstellbarkeit der Temperatur gewährleistet werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung von für den Energietransport charakteristischen wärmephysikalischen Kenngrößen vorgeschlagen, wobei zumindest ein für ein zu prüfendes Objekt charakteristischer Temperaturwert gemessen, ein Wärmestrom bekannter Größe erzeugt und auf das zu prüfende Objekt in einer ausgewählten Richtung gerichtet wird, das zu prüfende Objekt der Einwirkung des Wärmestromes ausgesetzt und der Verlust des Wärmestromes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung kompensiert werden und danach aufgrund des gemessenen Temperaturwertes und des Wärmestromes die erwünschte wärmephysikalische Kenngröße bestimmt wird.

Erfindungsgemäß wird dabei das zu prüfende Objekt mit einem zur Temperaturmessung geeigneten Blatt in thermischen Kontakt gebracht, hinter der Oberfläche des Blattes ein Wärmestrom bekannter Dichte bei gleichzeitiger Kompensierung des Wärmestromes in der ausgewählten Richtung und einer dazu senkrechten Richtung erzeugt, die Temperatur des vorteilhaft dünnen und mit geraden Ebenen begrenzten Blattes gemessen und auf einen bestimmten Wert geregelt oder der Wärmestrom bei einem bestimmten Pegel gehalten.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens wird das zu prüfende Objekt zwischen zwei zueinander parallelen, zur Temperaturmessung geeigneten Blättern angeordnet und die Erzeugung und Ausrichtung der Wärmeströme derart durchgeführt, daß sie senkrecht zur Oberfläche der Blätter an einer oder zwei Seiten des zu prüfenden Objektes erfolgt.

Daher liegt das Wesen der Erfindung in der Verwendung eines relativ intensiven Wärmestromes zur Einstellung erwünschter Meßbedingungen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die insbesondere zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens bei Inanspruchnahme einer Meßfläche geeignet ist, welche eine thermometrische Einheit, ein Heizblatt zur Erzeugung und einen Wärmestrommesser zur Messung eines Wärmestromes in einer ausgewählten Richtung sowie eine Heizeinheit zur Kompensierung des Wärmestromverlustes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung aufweist. Erfindungsgemäß ist bei dieser Vorrichtung ein vorteilhaft durch parallele gerade Ebenen bestimmtes und aus Kupfer oder einem anderen Metall hergestelltes Blatt zur Temperaturmessung vorgesehen, hinter welchem parallel zueinander und nacheinander der Wärmestrommesser, die Heizeinheit, ein Wärmestromprüfer zur Messung der axialen und radialen Komponenten eines zu kompensierenden Wärmestromes mit einem Heizelement angeordnet sind, wobei die Heizeinheit und das Heizelement mit einer den Ausgängen des Wärmestromprüfers angeschlossenen Regeleinheit verbunden sind, welche zur unabhängigen Regelung der Heizeinheit und des Heizelementes dienen.

Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, zwei Vorrichtungen des dargestellten Aufbaus einander gegenüber, einer gemeinsamen Ebene oder einem gemeinsamen und vorteilhaft mit geraden parallelen Flächen begrenzten Raumteil anliegend anzuordnen und nötigenfalls mit unabhängigen Regeleinheiten zu versehen. Derart können die Messungen auf zwei Meßflächen bei günstig einstellbaren Bedingungen vorgenommen werden.

Eine vorteilhafte, eine extrem hohe Genauigkeit sicherstellende Weiterbildung der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin, daß der Wärmestrommesser zur Messung der radialen und axialen Komponenten des Wärmestromes vorgesehene Meßeinheiten aufweist.

Eine besonders einfache Herstellung wird dadurch erreicht, daß die Vorrichtungen axialsymmetrisch, und insbesondere das Heizelement ringförmig ausgebildet sind.

Für die Einstellbarkeit einer Referenztemperatur für die gesamte Vorrichtung ist es vorteilhaft, wenn unterhalb des Wärmestromprüfers ein Heizblatt oder ein von oben mit einem aus Kupfer oder einem anderen Stoff hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellten Blatt und von unten ein mit Kühlstangen begrenztes und durch einen Rung umgebenes Peltier-Element angeordnet sind, wobei der Ring einen Teil eines äußeren Gehäuses bildet. Der Ring ist vorteilhafterweise von dem Gehäuse abtrennbar (z.B. mit einem Bajonettverschluß oder einem Schraubgewinde) mit einem hochwärmeleitfähigen Stoff verbunden.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ergibt sich die einfachste Lösung der Wärmestrommessung und -prüfung in einem solchen Falle, wenn der Wärmestrommesser und der Wärmestromprüfer mit Thermoelementen ausgebildet sind, welche in Meßrichtung auf einem flachen Trägerring angeordnete Lötpunkte aufweisen, und vorteilhafterweise gemeinsam mit dem Ring in Kunstharz eingegossen sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in Ausbildung mit einer Meßfläche zur Messung des Emissionskoeffizienten verwendet werden, wenn das Blatt als das zu prüfende Objekt eine dünne zu messende Schicht auf der Außenfläche trägt, welche gegenüber inneren Wänden eines vakuumdicht verschlossenen Gefäßes angeordnet ist, wobei das Gefäß in einem Bad ständig geregelter Temperatur eingetaucht ist.

Bei der Prüfung der Wärmeübergabeprozesse ist es vorteilhaft, wenn die Heizblätter mit einer an einen Ausgang eines Operationsverstärkers angeschlossenen Speiseeinheit verbunden sind, wobei die Eingänge des Operationsverstärkers mit dem Blatt der thermometrischen Einheit sowie mit einem äußeren Thermometer gekoppelt sind.

Bei einer mit zwei Meßflächen ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung sind verschiedene Messungen durchführbar, wenn in der Meßebene entweder eine von einer Isolierung umgebenen Stoffprobe aufgenommen, ein zu prüfender Wärmestrommesser, oder die Blätter der Vorrichtungen angeordnet sind, welche sich einander auf ihrer gesamten Oberfläche berühren.

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, wodurch die den Energietransport charakterisierenden verschiedenen wärmetechnischen Kenngrößen unter Verwendung geregelter Wärmeübergabe und/oder geregelten Wärmestromes mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden an beispielsweisen Ausführungen näher erläutert, wobei Bezug auf die beiliegende Zeichnung genommen wird. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Meßgerätes der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht der zur Wärmestrommessung geeigneten Teileinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt I-I der in Fig. 2 dargestellten Teileinheit,

Fig. 4 einen Querschnitt einer vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Verwirklichung des Meßgerätes der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 ein Schema einer anderen vorteilhaften Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 7 eine weitere Verwirklichung der in Fig. 6 dargestellten Verwendung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (Fig. 1 bis 6) besteht aus zwei Teilen, und zwar aus einem Meßgerät (1), sowie einer in den Fig. 1 bis 5 nicht dargestellten und in den Fig. 6 und 7 lediglich durch einen Operationsverstärker (25) angedeuteten Regeleinheit. Das Meßgerät (1) dient zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches unter Hinweis auf Beispiele später noch näher erläutert wird. Die Regeleinheit beinhaltet unabhängige oder voneinander abhängige Regelkreise für jedes später darzustellende Kühl- oder Heizelement, sowohl für die Kompensierung, als auch zur Erzeugung eines Wärmestromes.

Das in Fig. 1 dargestellte Meßgerät (1) ist von oben durch ein thermometrisches Blatt (2) und von unten mit durch einen Ring (11) aufgenommenen Kühlstangen begrenzt. Unterhalb des thermometrischen Blattes ist ein Wärmestrommesser (5) mit einer darunter angeordneten Heizeinheit (6) zur Erzeugung eines Wärmestromes bekannter oder regelbarer Leistung vorgesehen. Unterhalb der letzteren folgen nacheinander angeordnet: ein Wärmestromprüfer (7), ein Heizblatt (8), ein aus wärmeleitfähigem Stoff vorbereitetes Blatt (9), ein Peltier-Element und der Ring (11). Mit dem Ring (11) kann ein äußeres Gehäuse (4) verbunden sein. Koaxial zum Gehäuse (4) ist ein Heizelement (3) eingebaut, welches am Rand des thermometrischen Blattes (3), des Wärmestrommessers (5) der Heizeinheit (6), des Wärmestromprüfers (7), des Heizblattes (8) und des Blattes (9) angeordnet ist. Zwischen dem Gehäuse (4) und dem Ring (11) sollen die Bedingungen einer guten Wärmeleitung mit an sich bekannten Maßnahmen gewährleistet sein. Es ist vorteilhaft, wenn alle unter dem Gehäuse (4) angeordneten Elemente des Meßgerätes (1) als Strukturen sehr niedriger Wärmeträgheit, z.B. als dünne wärmeleitfähige scheibenförmige Elemente ausgebildet sind.

Der Wärmestrommesser (5) und der Wärmestromprüfer (7) sind vorteilhaft nach den Fig. 2 und 3 ausgebildet, wobei auf einem ringförmigen Träger (32) in axialer Richtung Lötpunkte (14, 14′), in radialer Richtung Lötpunkte (15, 15′) eingebaut sind. Zwischen den Lötpunkten (14, 14′ sowie 15, 15′) sind je ein erster Leiter (12) und je ein zweiter Leiter (13) vorhanden, die aus verschiedenen, Thermopaare bildenden Metallen bestehen. Die Thermopaare sind den Richtungen entsprechend in zwei Reihengliedern angeordnet. Der ringförmige Träger (32) ist als eine dünne, zwischen den Lötpunkten (14, 14′, 15, 15′) keine elektrische Verbindung herstellende, z.B. aus Kunststoff vorbereitete Scheibe mit zentraler Öffnung ausgebildet, wobei vorteilhaft die Scheibe, in Kunstharz (31) eingebettet ist. Diese Lösung stellt die richtige Anordnung der Lötpunkte (14, 14′, 15, 15′) auch unter harten Benutzungsbedingungen sicher.

Die Heizeinheit (6) ist als ein sehr dünnes scheibenförmiges Element ausgebildet, das eine elektrische Beheizung, z.B. mit Widerstandselementen gewährleistet.

Das Heizblatt (8) ist in Anwendungsfällen wichtig, bei denen die Vorrichtung unter die Umgebungstemperatur überschreitenden Bedingungen arbeiten muß. Widrigenfalls wird ein relativ teueres Peltier-Element (10) verwendet, das zur Einstellung des Temperaturniveaus des Meßgerätes (1) im Ganzen, oder zur Kompensationsheizung dient. Das Peltier-Element (10) und das Heizblatt (9) sind an ein Schaltgerät angeschlossen, wodurch im Bedarfsfalle ein gleichzeitiges Arbeiten ermöglicht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer Meßfläche (Fig. 3, 6, 7) sowie mit zwei Meßflächen (Fig. 5) ausgebildet werden, wobei den durch das (die) thermometrische(n) Blatt (Blätter) (2) verwirklichten Meßflächen im allgemeinen je ein Kontaktthermometer (Widerstandsthermometer) hoher Meßgenauigkeit angepaßt werden kann.

Ein Beispiel einer Vorrichtung mit einer Meßfläche stellt die in Fig. 4 dargestellte Anlage zur Messung des Emissionsvermögens einer zu messenden Schicht (16) dar, welche auf der Oberfläche des vorteilhafterweise mit einer geraden Oberfläche ausgebildeten thermometrischen Blattes (2) aufgetragen ist. Das Meßgerät (1) ist in einer Vertiefung eines vakuumdicht verschließbaren Gefäßes (17) angeordnet, wobei das Gefäß (17) in einem Bad (18) eingetaucht ist und auf mit Thermoisolierung vom Behälter (20) und dem Gefäß (17) getrennten Füßen steht. Das Bad (18) füllt den Innenraum eines Behälters (20) aus. Die Vorrichtung weist ein Thermometer (19) auf, das zur Messung der Temperatur des Bades (18) dient.

Ein weiteres Beispiel derselben Ausbildung ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, wobei ein Meßgerät (1) entweder auf der Oberfläche eines Meßmediums (23) liegt oder in das Meßmedium (23) eingebaut ist und mit der Oberfläche des thermometrischen Blattes (2) in der Oberfläche oder auf der Oberfläche des Meßmediums (23) beruht. Das thermometrische Blatt (2) ist mit einem Eingang eines Operationsverstärkers (25) gekoppelt, wobei der andere Eingang derselben mit einem äußeren Thermometer (24) verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers (25) ist mit der steuerbaren Speisung der Heizeinheit (6) unmittelbar oder mittelbar durch eine weitere Regeleinheit verbunden.

Ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Meßflächen ist in Fig. 5 dargestellt, wobei zwei Meßgeräte (1) einander gegenüber angeordnet sind. Zwischen den Meßgeräten ist eine diese trennende Ebene vorgesehen, in der sich entweder die thermometrischen Blätter (2) berühren können oder eine Stoffprobe (22) angeordnet ist, die mit einer Thermoisolierung (21) umgeben sein kann.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Wärmestromprüfer (7) zur Messung des radialen und des axialen Wärmestromes unterhalb des Wärmestrommessers (5) eingesetzt. Die die Heizung gewährleistenden Elemente (Heizelement (3), Heizeinheit (6), Heizblatt (8), Peltier-Element (10)) sind in unabhängigen Regelkreisen geschaltet, wodurch gewährleistet wird, daß die die Hauptheizung leistende Heizeinheit (6) und das die Kompensationsheizung gemeinsam mit dem Heizblatt (8) oder dem Peltier-Element (10) sicherstellende Heizelement (3) einen lediglich in Richtung des thermometrischen Blattes (2) fließenden Wärmestrom erwünschter Dichte erzeugen. Das bedeutet, die Meßelemente des Wärmestromprüfers (7) sollen sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung keinen Wärmestrom erfassen und keinen Temperaturunterschied anzeigen. Die radialen Meßelemente des Wärmestrommessers (5) können dabei zur Kontrolle der richtigen Einstellung dienen.

Der Querschnitt des Meßgerätes (1) ist im allgemeinen kreisförmig, jedoch sind andere Gestaltungen ebenso möglich und auch anwendbar.

Die Thermopaare können entlang zwei Gewindelinien auf dem ringförmigen Träger (32) aufgewickelt sein.

Mit Hinweis auf die beiliegende Zeichnung werden im folgenden Beispiele der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Diese Beispiele stellen lediglich Ausführungsmöglichkeiten zur Realisierung des vorgeschlagenen Verfahrens dar, wobei dadurch keine Beschränkung des Wesens der Erfindung vorgenommen wird.

BEISPIEL 1

Die Messung des Emissionsvermögens einer Schicht (16) kann auf folgende Weise durchgeführt werden:

Die zu messende Schicht (16) wird auf die Oberfläche des Meßgerätes (1), genauer gesagt des thermometrischen Blattes (2) aufgetragen. Nach der Entfernung der Luft aus dem Innenraum des Gefäßes (17) wird das Bad (18) auf einer Temperatur T ₂ gehalten. Die Innenfläche des Gefäßes (17) wird mit einer Schicht von Emissionsvermögen epsilon₂ bedeckt, die am besten eine möglichst vollständig schwarze Schicht (schwarzer Körper) ist. Die Oberfläche der Schicht (16) hat die Größe A ₁, die Oberfläche des Gefäßes die Größe A ₂. Aufgrund dieser Vorgaben ergibt sich nachfolgende Formel:

wobei ₁₂ den Wärmestrom, der durch Stromaufnahme der Heizung des Meßgerätes (1) bestimmt wird, sigma₀ die Boltzmannsche Konstante und T ₁ die Temperatur der Schicht (16) ist. Falls die Fläche A ₁ viel kleiner als A ₂ und epsilon₂ größer als 0,95 ist, bewirkt die innere Oberfläche des Gefäßes (17) praktisch keinen Einfluß auf den Wert des obigen Wärmestromes. Dieser Einfluß kann durch einen kleinen Spitzenwinkel des Gefäßes (17) (gegenüber der Schicht (16), unter 30°) verstärkt werden. Die obige Formel lautet daher vereinfacht wie folgt:

bestimmt, so daß alle Größen zur Bestimmung des Emissionsvermögens epsilon₁ zur Verfügung stehen.

BEISPIEL 2

Zur Bestimmung der Wärmeleitzahl soll eine Vorrichtung nach Fig. 5 zusammengestellt werden, wobei die Stoffprobe zwischen den parallelen thermometrischen Meßblättern der Meßgeräte (1) angeordnet wird. Vorteilhaft ist es, sowohl die Blätter (2), als auch die Stoffprobe (22) scheibenförmig auszubilden und eine Thermoisolierung (21) zur Verminderung der am Rande der Stoffprobe (22) auftretenden Wärmeverluste vorzusehen. Die Bestimmung kann auf zweifache Weise durchgeführt werden:

• a) Eines der Meßgeräte (1), z.B. das rechtsseitige, gibt einen ständigen Wärmestrom ab, d.h. dient als Wärmequelle und heizt die Stoffprobe (22) auf. Das andere Meßgerät (1) dient in diesem Falle als Wärmeaufnehmer, während das Peltier-Element (10) zur Kühlung des Blattes (2) vorgesehen ist. Die Wärmeleitzahl kann in diesem Falle aufgrund der zugeführten elektrischen Leistung (die zur Konstanthaltung des Wärmestromes notwendig ist), zweier Temperaturwerte und der Dicke der Stoffprobe (22) bestimmt werden.
• b) Die Temperaturen der thermometrischen Blätter (2) der Meßgeräte (1) werden jeweils auf ein verschiedenes Niveau eingestellt und gehalten. Die Wärmeströme werden in diesem Fall - unter Kompensierung der Wärmestromverluste in axialer und radialer Richtung - so geregelt, daß die Temperaturen ständig erhalten bleiben. Aufgrund der Temperaturwerte, der Dicke der Stoffprobe, sowie der Leistungsaufnahmen kann die Wärmeleitzahl bestimmt werden.

BEISPIEL 3

Zur Bestimmung des resultierenden Thermowiderstandes einer Sandwichstruktur (einer aus mehreren Schichten verschiedener Stoffe bestehenden Struktur) wird die Vorrichtung nach Fig. 5 aufgebaut. Anstatt der homogenen Stoffprobe (22) wird in diesem Falle die zu prüfende Struktur zwischen den Meßgeräten (1) angeordnet. Die Messung wird durch die im Beispiel 2 dargestellte Methode durchgeführt.

BEISPIEL 4

Zur Bestimmung der Wärmeübergangszahl wird die Vorrichtung in einer Anordnung nach den Fig. 6 und 7 zusammengestellt. Das Meßgerät (1) wird in einer Vertiefung oder auf der zu messenden Oberfläche angeordnet. In einem bestimmten Abstand von dem thermometrischen Blatt (2) wird das äußere Thermometer (24) in einem durch das Meßgerät nicht gestörten Bereich angeordnet. Beide Werte der Thermometerstellen werden einem Operationsverstärker (25) zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers (25) dient zur Einstellung der Temperatur des Blattes (2) auf den durch das Thermometer (24) gemessenen "ungestörten" Wert. Durch Messung des Wärmestromes, der in diesem Falle zuzuführen oder abzuführen ist, kann die erwünschte Kenngröße bestimmt werden.

BEISPIEL 5

Zur Justierung eines Wärmestrommessers soll die Vorrichtung in einer Anordnung nach Fig. 5 verwirklicht werden, wobei anstelle der Stoffprobe (22) sowie der Thermoisolierung (21) ein Wärmestrommesser eingesetzt wird. Das Meßgerät (1) wird in diesem Falle als eine kontrollierte Wärmequelle (bei Abgabe eines ständigen Wärmestromes) verwendet, wodurch die Transmissionskonstante des Wärmestrommessers bestimmbar ist.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß ein Wärmestrom bekannter Dichte durch den zu prüfenden Wärmestrommesser hindurchgeleitet wird, um eine ständige Temperatur einstellen zu können.

BEISPIEL 6

Falls das Meßgerät (1) an eine Wand angepaßt wird, kann bei Verwendung eines ständigen Wärmestromes die Effusivitätszahl (das Mass der Wärmeeindringung) bestimmt werden. Dazu wird die Temperatur der Wand zu verschiedenen Zeitpunkten beim Berührungspunkt gemessen. Aufgrund der zeitlichen Änderung der Temperatur kann diese Zahl bestimmt werden, wobei die Geschwindigkeit der Vergrößerung der Temperatur in Betracht gezogen wird. Die Bestimmung basiert auf der Formel

wobei K die gesuchte Zahl, A eine Konstante, den Wärmestrom, t die seit Anfang der Messung vergangene Zeit und T die Temperatur ist, welche die Temperatur der Wand zum Zeitpunkt der Messung ausdrückt.

BEISPIEL 7

Das thermometrische Blatt (2) des Meßgerätes (1) kann auch der Einwirkung einer Temperaturstrahlung unmittelbar ausgesetzt werden. Durch innere aktive Kühlung (das Peltier-Element (10)) kann die Temperatur des Blattes (2) auf die mittels eines äußeren Thermometers bestimmte Umgebungstemperatur eingestellt werden. Zur Aufrechterhaltung der ständigen Temperatur kann daher ein Wärmestrom gewährleistet werden und die Stromaufnahme ist zur Intensität der Strahlung proportional. Diese Information ist zur Bestimmung der Kenngröße notwendig und ausreichend.

BEISPIEL 8

Zur Bestimmung der Abstrahlung einer Oberfläche wird das Meßgerät (1) mit seinem thermometrischen Blatt (2) parallel zu dieser Oberfläche ausgerichtet, wobei das thermometrische Blatt (2) in Richtung der Umgebung, d.h. in Strahlungsrichtung, angeordnet wird. Die Temperatur des thermometrischen Blattes (2) wird auf die mit einem äußeren Thermometer gemessene Temperatur der abstrahlenden Oberfläche eingestellt. Dazu ist ein Wärmestrom notwendig, der von der Temperatur der Oberfläche, der Entfernung des Meßgerätes (1) von der Oberfläche abhängig ist. Der Wärmestrom ist zu dem von der Oberfläche abgestrahlten Wärmestrom proportional.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem vorgeschlagenen Verfahren - wie es den oben angeführten Beispielen zu entnehmen ist - wird ein Wärmestrom durch das zu prüfende Objekt hindurchgeleitet. Die Regelung ist derart einzustellen, daß bei der Messung alle Verluste des Wärmestromes praktisch kompensiert werden. Dies ermöglicht eine genaue Messung der gesuchten Kenngröße. Die Regelung bedarf einer Regeleinheit, die von bekanntem Aufbau sein kann, und keiner speziellen Erläuterung bedarf.

Die Erfindung offeriert eine Lösung für eine hochgenaue Messung von verschiedenen, den Energietransport kennzeichnenden Kenngrößen.

Die Vorrichtung kann mit einer zentralen Rechner- und Steuereinheit, z.B. mit einem Computer, gekoppelt werden, wodurch die Automatisierung der Messungen und die programmierte Regelung der Heizelemente des Meßgerätes erreichbar sind. Eine derartige Vorrichtung ist insbesondere für Serienmessungen vorteilhaft. Die Programmierung der Rechnereinheit erfolgt nach üblichen Gesichtspunkten und kann, falls erforderlich, auch die zur Bestimmung der Ergebnisse notwendigen Formeln umfassen. Obwohl die Automatisierung zur Erhöhung der Genauigkeit nicht beiträgt, bildet sie jedoch eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung.

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung von für den Energietransport charakteristischen wärmephysikalischen Kenngrößen, wobei zumindest ein für ein zu prüfendes Objekt charakteristischer Temperaturwert gemessen, ein Wärmestrom bekannter Größe erzeugt und auf das zu prüfende Objekt in einer ausgewählten Richtung gerichtet wird, das zu prüfende Objekt der Einwirkung des Wärmestromes ausgesetzt und der Verlust des Wärmestromes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung kompensiert, und danach aufgrund des gemessenen Temperaturwertes und des Wärmestromes die erwünschte wärmephysikalische Kenngröße bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Objekt mit einem zur Temperaturmessung geeigneten Blatt in thermischen Kontakt gebracht wird, hinter der Oberfläche des Blattes ein Wärmestrom bekannter Dichte bei gleichzeitiger Kompensierung des Wärmestromes in der ausgewählten Richtung und einer dazu senkrechten Richtung erzeugt wird, wobei die Temperatur des Blattes auf einen bestimmten Wert geregelt oder der erzeugte Wärmestrom bei einem bestimmten Pegel gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturmessung ein Blatt mit gerader Oberfläche verwendet wird, welches mit dem zu prüfenden Objekt in mechanische Berührung gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Objekt zwischen zwei zueinander parallelen, zur Temperaturmessung geeigneten Blättern angeordnet wird und zumindest ein Wärmestrom senkrecht zur Oberfläche der Blätter erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeströme an beiden Seiten des zu prüfenden Objektes erzeugt werden.

5. Vorrichtung zur Bestimmung von für den Energietransport charakteristischen wärmephysikalischen Kenngrößen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die eine thermometrische Einheit, ein Heizblatt zur Erzeugung und einen Wärmestrommesser zur Messung des Wärmestromes in einer ausgewählten Richtung sowie eine Heizeinheit zur Kompensierung des Wärmestromverlustes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blatt (2) zur Temperaturmessung vorgesehen ist, hinter welchem parallel zueinander und nacheinander der Wärmestrommesser (5), die Heizeinheit (6), ein Wärmestromprüfer (7) zur Messung der axialen und radialen Komponenten eines zu kompensierenden Wärmestromes mit einem Heizelement (3) angeordnet sind, wobei die Heizeinheit (6) und das Heizelement (3) mit einer an den den Ausgängen des Wärmestromprüfers (7) angeschlossenen Regeleinheit verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrommesser (5) zur Messung der radialen und axialen Komponenten des Wärmestromes vorgesehene Meßeinheiten aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (3) ringförmig ausgebildet ist, und daß unterhalb des Wärmestromprüfers (7) ein Heizblatt (8) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärmestromprüfers (7) ein Peltier-Element (10) angeordnet ist, daß auf der Seite des Wärmestromprüfers (7) mit einem aus Kupfer oder einem anderen Stoff hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellten Blatt (9) verbunden ist und auf der anderen Seite mit einem Kühlstangen aufnehmenden, abnehmbaren Ring (11) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrommesser (5) und der Wärmestromprüfer (7) mit Thermoelementen ausgebildet sind, welche in Meßrichtung auf einem flachen Trägerring (32) angeordnete Lötpunkte (14, 14′, 15, 15′) aufweisen, und vorteilhaft mit Kunstharz (31) ausgegossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die thermometrische Einheit mit einem durch gerade parallele Oberflächen begrenzten Blatt (2) hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist, welches vorteilhaft aus Kupfer besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt (2) als das zu prüfende Objekt eine dünne zu messende Schicht (16) auf der Außenfläche trägt, welche gegenüber inneren Wänden eines vakuumdicht verschlossenen Gefäßes (17) angeordnet ist, wobei das Gefäß (17) mit einem Bad ständig geregelter Temperatur eingetaucht ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizblätter (6, 8) mit einer an einen Ausgang eines Operationsverstärkers (25) angeschlossenen Speiseeinheit verbunden sind, wobei die Eingänge des Operationsverstärkers (25) mit dem Blatt (2) der thermometrischen Einheit sowie mit einem äußeren Thermometer (24) gekoppelt sind.

13. Vorrichtung zur Bestimmung von für den Energietransport charakteristischen wärmephysikalischen Kenngrößen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 oder 4, die zumindest eine thermometrische Einheit, ein Heizblatt zur Erzeugung und einen Wärmestrommesser zur Messung eines Wärmestromes in einer ausgewählten Richtung sowie eine Heizeinheit zur Kompensierung des Wärmestromverlustes in der der ausgewählten Richtung entgegengesetzten Richtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten einer Meßebene je ein Blatt (2) zur Temperaturmessung vorgesehen ist, hinter welchem parallel zueinander und nacheinander der Wärmestrommesser (5), die Heizeinheit (6) und ein von einem äußeren Heizelement (3) zumindest teilweise umgebener Wärmestromprüfer (7) zur Messung der axialen und radialen Komponenten eines zu kompensierenden Wärmestromes angeordnet sind, wobei die Heizeinheiten (6) und die Heizelemente (3) mit einer jene von den Ausgängen des Wärmestromprüfers abhängig in unabhängigen Regelkreisen speisenden Regeleinheit verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßebene eine mit einer Isolierung (21) zumindest teilweise umgebene Stoffprobe (22) oder ein zu prüfender Wärmestrommesser angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter (2) in der Meßebene angeordnet sind, und sich einander auf ihrer gesamten Oberfläche berühren.