DE2758994A1 - Messfuehler zum bestimmen von waermestroemen durch ein festes medium - Google Patents
Messfuehler zum bestimmen von waermestroemen durch ein festes mediumInfo
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Description
KERNFORSCHUNGSZENTRUM KARLSRUHE GMBH
Karlsruhe, den 30.12. 1977 PLA 777 5 Sdt/jd
Meßfühler zum Bestimmen von Wärmeströmen durch ein festes Medium.
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Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zum Bestimmen von Wärmeströmen
durch ein festes Medium wie z. B. die gekühlte Wandung eines Heizstabes nach dem Verfahren, bei welchem unter Anordnung von zwei in definiertem
Abstand angeordneten Thermoelementen ein Temperaturgradient des Mediums gemessen und daraus der Wärmestrom ermittelt wird.
Bei vielen Aufgaben müssen Wärme ströme im Inneren oder an der Oberfläche
von Körpern experimentell bestimmt werden. Sieht man von der sehr integralen Methode der Wärmebilanzierung ab, so kommen grundsätzlich zwei
verschiedene Verfahren zum Einsatz:
a) Messung des Temperaturgradienten.
Soll z.B. der Wärmestrom bestimmt werden, der von der Rohrwand auf das im Inneren des Rohres strömende Medium übertragen wird,
so werden üblicherweise zwei getrennte Thermoelemente in verschiedenem Abstand von der inneren Rohroberfläche in die Rohrwand eingebaut.
Aus der Differenz der beiden Temperaturen, dem Abstand der Meßstellen und der Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand, wird der Wärmestrom berechnet. In vielen Fällen scheitert jedoch diese Methode an zu kleinen Abmessungen und an der erzielbaren Genauigkeit.
einem Millimeter angeordneter Thermoelemente bestimmt werden, so
beträgt in einer Edelstahlwand die zu messende Temperatur ca. 2, 5 K. Wird bei einer Temperatur von 500 C jede der beiden Temperaturen
mit einer Genauigkeit von _ 1 /oo bestimmt, so entsteht durch diese Toleranz alleine eine Unsicherheit im Wärmestrom von t 40 %. Eine
zusätzliche Ungenauigkeit entsteht bei der Bestimmung des Abstandes
der Meßstellen, welche sich zerstörungsfrei nur grob und auch beim
Anfertigen eines Querschliffs der Rohrwand höchstens auf - 0, 05 mm
bestimmen läßt. Hierzu kommt noch die Störung des Wärme flusses durch die Thermoelemente. Aus diesen Gründen ist das Verfahren nur bei
großen Wärmeströmen und relativ dickwandigen Rohren mit ausreichender Genauigkeit anwendbar.
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b) Messung der Temperatur an einer Stelle und Bestimmung des Wärmestroms
durch Lösen des sogenannten inverslven Wärmeleitproblems.
Dieses Verfahren ist nur bei eindimensionalen Problemen anwendbar.
Soll z. B. der instationäre Wärmestrom an der Oberfläche eines Stabes bestimmt werden, so wird meistens ein Thermoelement In die äußere
Schicht des Stabes eingebaut und hiermit der zeitliche Temperaturverlauf dicht unter der Staboberfläche gemessen. Das Temperaturprofil im Stab
wird berechnet unter Berücksichtigung des Stabaufbaues einschließlich evtl. Kontaktzahlen zwi sehen verschiedenen Schichten. Durch zeitschrittweise
Variation des Wärmestromes wird derjenige Wärmestrom bestimmt, bei dem die für den Ort des Thermoelementes berechnete Temperatur
mit der gemessenen übereinstimmt. Bei der Lösung dieses inversiblen Wärmeleitproblems treten häufig numerische Instabilitäten auf, deren
Vermeidung einen beträchtlichen Aufwand erfordert und die Genauigkeit beeinträchtigt.
Am wesentlichsten beeinträchtigt wird jedoch die Genauigkeit dieses Verfahrens
durch eine mangelhafte Kenntnis des thermischen Verhaltens des Stabes. Besonders die Kontaktzahlen sind mit einer großen Unsicherheit
behaftet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen möglichst kleinen
Meßfühler zu schaffen, welcher in eine Wand eingebaut werden kann, den Wärmestrom in der Wand möglichst wenig stört und eine elektrische Spannung
liefert, die proportional dem Temperaturabfall über eine definierte Schichtstärke
ist. Dabei soll der Fühler vor dem Einbau eichbar sein. Vorzugsweise soll der Meßfühler zur Messung des instationären Wärmestroms an der Oberfläche
von ballonförmigen Verdickungen an elektrisch beheizten Brennstab- .
simmulatoren verwendbar sein.
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' Τ*
Diese Aufgabe wird bei einem Meßfühler der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Meßfühler aus einem, in das vom Wärmestrom durchsetzte Medium bzw. in die Wandung einsetzbaren und mit dieser bündigen
Körper besteht, dessen integrierte Wärmeleitzahl gleich der Wärmeleitzahl des für den Einbau aus dem Körper entnommenem Materialvolumens
ist und innerhalb welchem mindestens zwei thermoelektrisch wirksame Berührungsstellungen zweier thermoelektrischer Materialien mit den entsprechenden elektrischen Zu* und Ableitungen vorhanden sind, die in
Richtung des Temperaturgefälles bzw. des Wärmestromes in Abstand voneinander angeordnet sind und daß die Mantelfläche des Körpers gegenüber
der Wand isoliert ist.
Wesentlich für die Erfindung ist weiterhin, daß sich zwischen den thermoelektrischen Berührungsstellen eine*, das Temperaturgefälle im Fühlerkörper beeinflussende Materialschicht befindet und daß diese Materialschicht für beide thermoelektrische Stellen den einen Materialpartner
gemeinsam bildet.
Von Vorteil ist es weiterhin, daß auf die Materialschicht als gemeinsamem
Materialpartner auf beiden Seiten -in Richtung des Wärme stromes gesehen- jeweils eine Schicht des anderen Materialpartners mittels Explosions-,
Reib schweißung oder dergleichen aufplattiert ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Körper des Meßfühlers von kreiszylindrischer Form ist,
aus mehreren, übereinanderliegenden Schichten der thermoelektrischen
Materialien zusammengesetzt ist und daß im Inneren des Körpers eine längszylindrische Bohrung vorhanden ist, in welcher die Zuleitungen zu
dem Meßfühler an die beiden äußeren Schichten angeschlossen sind. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die Zuleitungen aus einem seitlich
oder durch die Stirnwände in die Bohrung geführten mehrleitrigen, ummantelten Thermoelement bestehen, dessen Schenkel aus dem selben
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Material bestehen, aus dem die Schichten aufgebaut sind. Dabei bestehen
in vorteilhafter Weise zwei Schenkel des Thermoelements aus dem Material, aus dem die beiden äußeren thermoelektrischen Schichten bzw. Partner im
Fühlerkörper sind und sind an diese angeschlossen.
Zur Bildung einer weiteren Meßstelle im Fühler, mittels welchem die
Temperatur im Fühler zusätzlich bestimmt werden kann,wird vorgeschlagen,
daß im Thermoelement ein weiterer Leiter vorgesehen ist, der aus einem anderen thermoelektrischen Material, vorzugsweise aus dem der mittleren
Schicht besteht und der an einen der beiden anderen thermoelektrischen Partner bzw. Schichten thermoelektrisch unter Bildung einer weiteren
thermoelektrischen Stelle angeschlossen ist.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Eichbarkeit
des Meßfühlers. Dafür schlägt die Erfindung eine Eichvorrichtung vor, die aus einem Vakuumgefäß besteht, in welchem sich eine Heizung befindet und
in welches der Meßfühler einbringbar ist, wobei die Anschlüsse desselben aus dem Gefäß geführt sind. Besonders vorteilhaft an dieser Vorrichtung
ist dabei, daß der Fühler auf die Stirnfläche eines, die Heizung bildenden Heizstabes aufsetzbar ist, daß Fühler und Heizstab von einem zusätzlichen
Strahlungsschild im Inneren des Vakuumgefäßes umgeben sind und daß
ein Stab zur Wärmeableitung aus dem Gefäß nach außen vorhanden ist, der mit dem Fühler auf dessen, dem Heizstab abgewendeten Ende bzw. dessen
obeTeT Schicht in Verbindung steht.
Durch die Bildung von zwei Thermopaaren mit metallischerVerbindung
mehrerer Schichten ist es möglich, somit den Potentialunterschied zwischen zwei Schichten abzugreifen und daraus ein direktes Maß für die
integral durch den Fühler strömende Wärmemenge zu erhalten. Der Raumbedarf des Fühlers und der Aufwand zum Einbau sind wesentlich geringer *
als bei den eingangs beschriebenen Methoden. Da der Temperaturabfall
direkt gemessen und nicht mehr aus der Differenz zweier gemessener Temperaturen bestimmt werden muß, ist die Genauigkeit vor allem bei
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• a ·
kleinen Wärmeströmen entscheidend größer. Darüber hinaus läßt sich der
Fühler sehr einfach und genau eichen.
Weitere Einzelheiten werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert:
Die Figur 1 zeigt das Prinzip des Meßfühlers,
die Figur 2 den Einbau desselben in eine Wand bzw. in einen Körper und
die Figur 3 eine schematische Eichvorrichtung für den Fühler.
In der Figur 1 ist das Prinzip eines erfindungsgemäßen Meßfühlers dargestellt. Der Körper 1 des Fühlers ist vorzugsweise von kreiszylindrischer
Form und aus den drei übereinanderliegenden Schichten 2, 3 und 4 auf gebaut. Bei einem Fühler für den Einsatzbereich bis zu etwa 1000 besteht
die mittlere Schicht 3 aus einer Nickel-Chrom-Legierung, die beiden äußeren Schichten 2 und 4 aus Reinnickel. Ein solcher Fühler ist für die
Wärme strommessung in Brennelement-Hüllrohren für Schnelle Brutreaktoren vorgesehen, welche aus Chrom-Nickel-Stählen gefertigt sind.
Die drei Schichten 2, 3 und 4 des Fühlers sind durch Explosions schweißen
miteinander verbunden, so daß an den Verbindungsstellen der äußeren Schichten . 2 und 4 mit der mittleren 3, zwei thermoelektrisch wirksame
Stellen bzw. Berührungsschichten 5 und 6 entstehen. Die Verbindung der einzelnen Schichten kann auch durch Aufdampfen sowie durch Reibschweißen
erfolgen.
Die drei Schichten können sehr dünn gehalten werden, es sind Abmessungen
von ca. 1 mm gesamtintegraler Dicke möglich. Werden nun die drei Schichten 2 und 4 aus Nickel an Nickeldrähten 7 und 8 angeschlossen, so läßt sich
an diesen eine Thermospannung U messen, die einem A T entspricht,
aus welchem wiederum,bei bekannter Geometrie und Wärmeleitzahl des Körpers 1, der Wärmeetrom 9 (Q) durch den Fühler ermittelt werden kann.
Der Wärmestrom 9 kann entweder über eine Eichung in einer Eichvorrichtung gemäß Figur 3 oder aber durch Rechnung ermittelt werden.
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. ID-
Wichtig ist aber, daß die integrale Wärmeleitzahl des Führers 1 über
alle Schichten einschließlich seiner Stirnwände der Wärmeleitzahl entspricht, die das aus der Wand 10 für den Einbau des Fühlers 1 entnommene
Mate rial volumen in etwa aufweisen würde. Der Temperaturverlauf im
Fühler ist ist durch die Linie 11 dargestellt, der Temperaturverlauf der
ungestörten Wand durch die Linie 12. Voraussetzung für das Funktionieren
des Fühlers ist, daß die Endpunkte 13 und 14 der beiden Linien 11 und 12 zusammenfallen und der Fühlerkörper 1 über seinen Umfang bzw. seinen
Mantel 15 (siehe Figur 2) gegenüber der Wand 10 isoliert ist. Diese Isolierung kann aus einem Luftspalt 16 bestehen, der zusätzlich mit Isoliermaterial gefüllt
ist.
Ist der Fühlerkörper 1 in dieser Weise ausgebildet, so ist es gleichgültig,
welches Temperaturgefälle 1 7 an der inneren Fühlerschicht 3 auftritt, es wird immer der durch den Fühler in Richtung des Wärmegefälles 18
fließende Wärmestrom 9 bzw. Q gemessen.
Die Figur zeigt nun schematisch ein Ausführungsbeispiel des Fühlers im
Einbauzustand. In die Wandung 10 eines beheizten Stabes, der von einem Kühlmedium 19 gekühlt wird, ist in einem Hohlraum vorzugsweise einer
Bohrung, der Fühlerkörper 1 so eingesetzt, daß seine Oberfläche 20 bündig mit der Oberfläche der Wand 10 ist. Der Fühlerkörper 1 besteht
aus der Nickel-Chrom-Schicht 3, auf welche stirnseitig die beiden Nickelschichten 2 und 4 aufplattiert sind. Die untere Schicht 4 ist mittels
der Nickellotschicht 21 auf die Wandung 10 am Grunde des Hohlraumes bzw. der Bohrung gelötet, so daß eine gute Wärmeverbindung zwischen
Fühler und Wand entsteht. Die Mantelfläche 15 ist gegenüber der Wand 10
mittels des Ringspaltes 16 isoliert.
Durch geeignete Wahl der Wärmeleitzahlen der drei Schichten 2, 3 und 4
kann die Gesamtwärmeleitzahl des Fühlers unterBerücksichtigung der Lotschicht 21, des Ringspaltes 15 sowie sonstiger Unstetigkeiten und
Inhomogenitäten geometrischer und materialmäßiger Art der Anschlüsse
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im Inneren des Fühlerkörpers 1 genau oder möglichst genau der Wärmeleitzahl angepaßt werden, die das ungestörte Material der Wandung 10 aufweisen würden.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des Fühlers ist In diesem
eine hohle Längsbohrung 22 vorgesehen, die mit keramischem Isoliermaterial gefüllt ist." Ein Dreileitermantelthermoelement 26 ist von der
Seite her in den Körper 1 bis in den Innenraum 21 geführt, welches zwei Leiter 23 und 24 aus Nickel und einen weiteren Leiter 25 aus einer Nickel-Chrom-Legierung aufweist. Die beiden Nickelleiter 23 und 24 sind in der
Längsbohrung 22 an die beiden äußeren Nickelschichten 2 und 4 des Fühlers angeschlossen, der Nickel-Chrom-Leiter 25 ebenfalls an eine dieser beiden
Schichten. Dadurch kann eine zusätzliche Temperaturmessung neben der Messung des Temperaturgefälles erfolgen, so daß mit dem Fühler auch
eine Bestimmung der Wärmeübergangszahl vom Rohr 10 auf das Kühlmedium 19 möglich Ist. Die Zuleitung zu dem Fühler in Form des Thermoelementes 16 kann sowohl nach der Seite als auch nach unten durch die
Stirnwände des Fühlers erfolgen. Zweckmäßig ist eine seitliche Nut in der Wandung 10, die durch Löten verschlossen wird.
Wie bereits erwähnt kann der Wärmestrom im Fühler 1 aus der gemessenen
Spannung mit Hilfe der Dicke der mittleren Schicht 3, deren Wärmeleitfähigkeit und den Thermospannungen für die verwendeten Materialpaarungen
berechnet werden. Genauer Ist jedoch eine Eichung mit der in der Figur
schematisch dargestellten Eichvorrichtung.
Diese besteht aus einem Vakuumgefäß 30, welches dicht verschlossen Ist
und Im Inneren eine Heizung 31 aufweist, die von einem Strahlungsschild
32 umgeben ist. Innerhalb des Schildes 32 wird auf den Heizstab 31 der Fühlerkörper 1 mit seiner unteren Schicht 4 aufgesetzt, die obere Schicht
2 des Fühlers wird mit einem Stab 33 verbunden, der aus dem Vakuumgefäß 30 nach außen geführt ist und der die vom Heizstab auf den Fühler 1
übertragene Wärme nach außen hin ableitet. Die Meßleitung 34 des
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Fühlers 1 und die Stromzuführung 35 für den Heizstab 31 werden aus dem
Gefäß 30 herausgeführt. Durch Verändern der Heizleistung im Heizer 31
sowie durch Kühlung des aus dem Gefäß 30 herausgeführten Stabes 33 kann nun der interessierende Wärmestrom und der Temperaturbereich untersucht
bzw. der Fühler 1 genau geeicht werden. Diese Eichung ist besonders wichtig für die spätere Funktion des Fühlers, es muß in der Eichbarkeit
desselben ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung gesehen werden.
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Claims (9)
- Patentansprüche:l.j Meßfühler zum Bestimmen von Wärmeströmen durch ein festes Medium wie z. B. die gekühlte Wandung eines Heizstabes nach dem Verfahren, bei welchem unter Anordnung von zwei in definiertem Abstand angeordneten Thermoelementen ein Temperaturgradient des Mediums gemessen und daraus der Wärmestrom ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus einem, in das vom Wärmestrom durchsetzte Medium bzw. die Wandung einsetzbaren und mit dieser bündigen Körper (1) besteht, dessen integrierte Wärmeleitzahl gleich der Wärmeleitzahl des für den Einbau aus dem Körper entnommen Materialvolumens ist und innerhalb welchem mindestens zwei Thermoeleketrisch wirksame Berührungsstellen (5, 6) zweier thermoelektrischer Materialien mit den entsprechenden elektrischen Zu- und Ableitungen vorhanden sind, die in Richtung des Temperaturgefälles bzw. des Wärmestromes in Abstand voneinander angeordnet sind und daß die Mantelfläche (15) des Körpers (1) gegenüber der Wand (10) isoliert ist.
- 2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den thermoelektrischen Berührungsstellen (5, 6) eine, das Temperaturgefälle im Fühlerkörper (1) beeinflussende Materialschicht (3) befindet.
- 3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (3) für beide thermoelektrische Stellen (5, 6) den einen Materialpartner gemeinsam bildet.
- 4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Materialschicht (3) als gemeinsamer Materialpartner auf beiden Seiten -in Richtung des Wärmestromes gesehen- jeweils eine Schicht (2, 4) des anderen Materialpartners mittels Explosions-, Reibschweißung oder dergleichen aufplattiert ist.909827/0471
- 5. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) des Meßfühlers von kreiszylindrischer Form ist, aus mehreren übereinander liegenden Schichten (2, 3, 4) der thermoelektrischen Materialien zusammengesetzt ist und daß im Inneren des Körpers (1) eine längszylindrische Bohrung (22) vorhanden ist, in welcher die Zuleitungen (23, 24, 25) zu dem Meßfühler an die beiden äußeren Schichten (2, 4) desselben angeschlossen sind.
- 6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen aus einem, seitlich oder durch die Stirnwände in die Bohrung (22) geführten mehrleitrigen ummantelten Thermoelement (26) bestehen, dessen Schenkel (23, 24, 25) aus den selben Materialien sind, aus denen die Schichten (2, 3,4) aufgebaut sind.
- 7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schenkel (23, 24) des Thermoelementes (26) aus den Materialien bestehen, aus denen die beiden äußeren thermoelektrischen Schichten (2, 4) bzw. Partner im Fühlerkärper (1) bestehen und an diese angeschlossen sind.
- 8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Thermoelement (26) ein weiterer Leiter (25) vorgesehen ist, der aus einem anderen thermoelektrischen Material, vorzugsweise aus dem der mittleren Schicht (3) besteht und der an einen der beiden anderen thermoelektrischen Partner bzw. Schichten (4) thermoelektrisch unter Bildung einer weiteren thermoelektrischen Stelle angeschlossen ist.
- 9. Eichvorrichtung für einen Meßfühler nach Anspruch 1 bis 8, bestehend aus einem Vakuumgefäß, in welchem sich eine Heizung befindet und in welches der Meßfühler einbringbar ist, wobei die Anschlüsse desselben aus dem Gefäß geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (1) auf die Stirnfläche eines, die Heizung bildenden Heizstabes (31) aufsetzbar ist, daß Fühler (1) und Heizstab (31) von einem zusätzlichen Strahlungsschild (32) im Inneren des Vakuumgefäßes (30) umgeben sind und daß ein Stab (33)909827/0475zur Wärmeableitung aus dem Gefäß (30) nach außen vorhanden ist, der mit dem Fühler (1) auf dessen, dem Heizstab (31) abgewendeten Ende bzw. dessen oberer Schicht (2) in Verbindung steht.969827/04?!
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- 1978-12-26 JP JP16452478A patent/JPS5497473A/ja active Pending
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