DE3835895A1

DE3835895A1 - Vorrichtung zur bestimmung der waermeleitfaehigkeit metallischer koerper

Info

Publication number: DE3835895A1
Application number: DE3835895A
Authority: DE
Inventors: Dieter Opitz; Thomas Fritzsche; Horst Glaeser; Georg Schebiella
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: Nagema VEB
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1989-07-06
Also published as: IT1224809B; DD266646A1; IT8848640A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper, insbesondere von großvolumigen Hohlwalzen.

Diese Vorrichtung besteht aus Thermoelementen zur Messung von Temperaturdifferenzen, deren Thermoschenkel getrennt und federbelastet am Prüfling anliegen, einer Heizung zur Abgabe einer definierten Wärmemenge und einer elektronischen Auswerteeinheit.

Aus der DE-OS 29 19 571 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Meßprobe mit einer Vergleichsprobe in Kontakt gebracht wird. Mit Hilfe von Thermoelementen wird der Temperaturgang in der Kontaktfläche zwischen den beiden Proben gemessen. Die Messung erfolgt an mindestens einer Stelle der Vergleichsprobe und an einer oder zwei Stellen in der Meßprobe. Es wird eine feste Wärmemenge zugeführt und über einen längeren Zeitraum periodisch abgelesen. Die Auswertung erfolgt durch Laplace-Integration nach dem Simpson-Verfahren.

Eine andere technische Lösung ist in der DE-OS 34 25 561 dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus einer Impulsbetrieb- Wärmequelle, einem Gestell zur Aufnahme der Meßprobe und einer auswertenden elektronischen Schaltung. Die eigentliche Meßeinheit besteht aus zwei Meßfühlern, die gegen die Stoffprobe gedrückt werden. Die Meßfühler besitzen nadelförmige Enden, die einen innigen Kontakt mit der Oberfläche der Stoffprobe eingehen. Die Meßfühler bestehen aus verschiedenen Metallen und bilden dadurch mit der Stoffprobe ein Thermopaar. In einem Vorverstärker werden nach Einschaltung der Impulsbetrieb-Wärmequelle die Temperaturänderung als Spannungsabläufe erfaßt. Zwischen den beiden Meßfühlern wird die Spannung des Thermopaares gemessen, die für die Temperaturänderung der Stoffprobe charakteristisch ist und davon praktisch linear abhängig ist.

Die Weiterverarbeitung erfolgt auf rechentechnischem Weg, auf den hier nicht näher eingegangen wird.

Obwohl die Anmelder die industrielle Anwendung dieser Einrichtung bejahen, ist jedoch das Einsatzgebiet auch dort stark eingeschränkt. Für die routinemäßige Kontrolle von Zwischen- oder Endprodukten unter den Bedingungen der Produktion sind die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen nicht geeignet. Vor allem bei großvolumigen Körpern unterschiedlicher Abmessungen werden die Grenzen des Anwendungsgebietes erreicht. Die Ursache ist, daß die Proben immer in eine speziell angepaßte Vorrichtung gebracht werden müssen, d. h. sie müssen in einem Gestell gelagert werden bzw. fixiert werden.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit großvolumiger metallischer Körper, geeignet für die routinemäßige Kontrolle von Zwischen- und Endprodukten während des Fertigungsprozesses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizquelle und Temperatursensoren an die Oberfläche der zu prüfenden Werkstücke so anzukoppeln, daß aus der Heizleistung und dem zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur die Wärmeleitfähigkeit berechnet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Temperatursensoren als Träger der Thermoelemente vorgesehen sind, die in regelmäßigen Abständen auf einem Trägerband angebracht sind, wobei ein Heizband mit dem Trägerband verbunden ist, am Prüfling anliegt und zu den beiden Spitzen der Thermoschenkel den gleichen Abstand hat.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Messung an Zwischen- und Endprodukten bei laufender Produktion erfolgen kann. Der Prüfling muß in keine Vorrichtung gespannt oder gar bearbeitet werden.

Damit erweitert sich das Einsatzgebiet derartiger Vorrichtungen auf großvolumige metallische Körper.

Die Erfindung soll nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die dazugehörigen Zeichnungen haben folgende Bedeutung:

Fig. 1 Darstellung des Trägerbandes mit Temperatursensoren

Fig. 2 Schematischer Aufbau eines Temperatursensors

Fig. 3 Darstellung eines Temperatursensors während der Messung

Fig. 4 Verlauf der Meßkurve

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, sind auf einem Trägerband 1 in regelmäßigen Abständen Temperatursensoren 3 angeordnet. Das Trägerband 1 ist mit einem in Fig. 2 erkennbaren, mit Heizbandanschlüssen 2 a, 2 b ausgestatteten Heizband 13 integriert. Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich, besteht der Temperatursensor 3 aus einem Grundkörper 4, in dem pro Grundkörper 4 zwei Zylinderbohrungen 8 a, 8 b eingebracht sind. In jeder Zylinderbohrung 8 a, 8 b befindet sich ein Gleitkörper 9, der durch eine Feder 11 gegen den Prüfling 15 gedrückt wird.

In den Gleitkörper 9 ist eine Gleitkörperbohrung 10 eingebracht. Zu dieser fluchtend befindet sich im Grundkörper 4 eine Aufnahmebohrung 5. Durch Gleitkörperbohrung 10 und Aufnahmebohrung 5 ist ein Thermoschenkel 6 geführt. Die Spitze 7 des Thermoschenkels liegt außerhalb des Gleitkörpers 9 und wird durch diesen an den Prüfling 15 gedrückt. Mittig zwischen den beiden Gleitkörpern 9 a, 9 b befindet sich eine Aussparung 12, in der das Trägerband 1 angeordnet ist. Bei magnetischen Werkstoffen kann das Trägerband 1 aus Magnetgummi bestehen, um ein Andrücken über die gesamte Länge zu erreichen. Denkbar wäre auch, Federn oder ähnliche elastische Elemente in das Trägerband einzubinden. In Richtung Prüfling 15 ist unterhalb des Trägerbandes und mit diesem fest verbunden das Heizband 13 angeordnet. Damit das Heizband 13 nicht durch den Prüfling 15 elektrisch kurzgeschlossen wird, ist zwischen Heizband 13 und Prüfling 15 eine Isolierschicht 14 angeordnet.

Zur Wirkungsweise

Das Trägerband 1 mit den integrierten Temperatursensoren 3 wird auf den Prüfling 15 aufgelegt. Der Magnetgummi drückt das Heizband auf den Prüfling, so daß auch die Temperatursensoren 3 in innigen Kontakt mit dem Prüfling 15 geraten. Fig. 3 zeigt den Eingriff der Temperatursensoren 3. Dabei ist ersichtlich, daß bei einem konvex gekrümmten Prüfling 15, hier die Oberfläche einer Hohlwalze, ein linienförmiger Kontakt des Heizbandes 13 erfolgt. In Fig. 4 wird der typische Verlauf einer Meßkurve gezeigt.

Ausgehend von der thermo-elektrischen Spannungsreihe ergibt sich die Thermospannung für eine solche Anordnung aus folgender Beziehung:

U _Th = U _N(T₁) - U _M(T₁) + U _M(T₂) - U _p(T₂) + U _p(T _V) - U _N(T _V)

Dabei bedeuten U _Th die meßbare Thermospannung. U _N ist der Wert für den negativen; U _p der Wert für den positiven Thermoschenkel 6. U _M ist der Wert für das zu messende Metall. T₁ ist die Temperatur am Berührungspunkt des Thermoschenkels 6 a zum Prüfling 15, T₂ die Temperatur des Thermoschenkels 6 b zum Prüfling und T _V die Temperatur der Vergleichsstelle. Auf Grund des konstanten Abstandes der Thermoschenkel 6 vom Heizband kann man davon ausgehen, daß T₁ und T₂ im Rahmen der Meßunsicherheit gleiche Werte haben.

Damit ergibt sich

U _M(T₁) = U _M(T₂)

so daß mit der Thermokraft eines üblichen Thermoelementes gerechnet werden kann.

Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings 15 kann dann aus der Beziehung

bestimmte werden.

Hierbei sind P die Heizleistung, l ist die Länge des Heizbandes 13 und t₁ und t₂ sind zwei Zeitpunkte nach dem Einschalten des Heizbandes 13. T₂ und T₁ sind die Temperaturen zu den Zeitpunkten t₂ und t₁.

λ _L ist die Wärmeleitfähigkeit der Luft oder des Dämmstoffes, der sich zwischen Magnetgummi und Grundkörper 4 in der Aussparung 12 befindet.

Da λ _M » λ _L ist, kann λ _L in den meisten Fällen vernachlässigt werden.

Die Auswertung kann mittels eines T-ln t-Diagrammes erfolgen.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper, bestehend aus

- einer Heizung zur Abgabe einer definierten Wärmemenge
- einer elektronischen Auswerteeinheit und
- - Thermoelementen zur Messung von Temperaturdifferenzen, wobei die
- - Thermoschenkel der Thermoelemente
  - - getrennt und
  - - federbelastet
    am Prüfling anliegen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- Temperatursensoren (3) als Träger der Thermoelemente vorgesehen sind, die
- in regelmäßigen Abständen auf einem Trägerband (1) angebracht sind, wobei
- ein Heizband (13) mit dem Trägerband (1) verbunden ist
- am Prüfling (15) anliegt und
- zu den beiden Spitzen (7 a, 7 b) der Thermoschenkel (6 a, 6 b) den gleichen Abstand hat.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (1) mittig zwischen den Thermoschenkeln (6 a, 6 b) angeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Temperatursensor (3)
- aus einem mit zwei Zylinderbohrungen (8) versehenen
- Grundkörper (4) besteht, wobei einer Zylinderbohrung (8)
- ein in Richtung Prüfling (15) federbelasteter Gleitkörper (9) zugeordnet ist,
- - der zur Aufnahme des Thermoschenkels (6) dient

4. Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (1) als Magnetband ausgeführt ist.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Heizband (13) und Prüfling (15) eine Isolierschicht (14) angeordnet ist.