Strahlungswärmefluss-Messgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlungswärmefluss-Messgerät, das mit hoher Genauigkeit die tÇbertra- gung von Strahlungswärme zwischen den Oberflächen verschiedener Körper messen kann.
In einer Vielzahl von chemischen, mechanischen oder Bauapparaten, welche bei relativ hohen Temperaturen benutzt werden, wie elektrische Öfen oder elektrolytische Zellen, ist es im Entwurf und Betrieb von sehr grosser Wichtigkeit, die Übertragung von Strahlungsenergie zwischen den Oberflächen von verschiedenen Körpern mit verschiedenen Temperaturen genau zu erfassen.
Demgemäss ist ein Zweck der Erfindung, ein verbessertes Strahlungswärmefluss-Messgerät zu schaffen, das mit hoher Genauigkeit die Übertragung von Strahlungswärme zwischen den Oberflächen von verschiedenen Körpern messen kann. Diese Bauart ist gekennzeichnet durch eine dünne Platte von hoher Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragungsplatten, die beidseits der dünnen Platte angeordnet sind, wenigstens ein Paar von zusammenwirkenden Temperatur-Messfühlern, die auf der Oberfläche der Wärmeübertragungsplatten angeordnet sind, schwarze Platten, die in Berührung mit den Temperatur-Messfühlern angeordnet sind, und strahlungsdurchlässige dünne Platten, die mit Abstand über den schwarzen Platten angeordnet sind, so dass ruhende Luftschichten auf der Aussenseite der schwarzen Platten gebildet sind.
Die Erfindung ist aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung besser verständlich, in welcher
Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, welche das Grundprinzip der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, ein Ausführungsbeispiel eines Strahlungswärmefluss-Messgerätes ist;
Fig. 3 eine Seitenansicht der Fig. 2, teilweise im Schnitt, ist;
Fig. 4 ein Erläuterungsschema ist, das die Schaltungsverbindung des Strahlungswärmefluss-Messgerätes der Fig. 2 und 3 veranschaulicht;
Fig. 5 eine Ansicht ist, welche die Anordnung der Strahlungsquellen und des Strahlungswärmefluss-Messgerätes veranschaulicht; und
Fig. 6 ein Diagramm ist, das die Resultate der gemäss der Anordnung der Fig. 5 gemachten Strahlungswärmemessungen zeigt.
Anhand von Fig. 1 wird das Messprinzip eines erfindungsgemässen Strahlungswärmefluss-Messgerätes beschrieben.
Es sei angenommen, dass eine Platte C mit einem ungefähr 100prozentigen Reflexionsfaktor, einer hohen Wärmeleitfähigkeit undWärmeabführungsmitteln (Kühlflächen) E an beiden Enden zwischen zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet ist, welche die absoluten Temperaturen ( K) T0 und T1 haben.
Dünne Platten R mit je einer schwarzen Oberfläche sind auf beiden Seiten der Platte C angeordnet. Dann ist die Temperatur der Platte C ungefähr gleich der Raumtemperatur TR. Von den Oberflächen A, bzw. B ausgesendete Strahlungsenergie tritt in die schwarzen Oberflächen S0 und Sj der Platte R ein, wird dort absorbiert und geht durch Wärmeleitung durch die Platten R und C zu den Kühlflächen E, von wo sie durch Konvektion auf die umgebende Atmosphäre übertragen wird.
Daher werden die Temperaturen der schwarzen Oberflächen S0 und S, um ATo und tWTt gegenüber der Raumtemperatur TR ansteigen, welche Temperaturerhöhung proportional dem momentanen Wärmefluss ist.
Es kann jedoch angenommen werden, dass, wenn die Dicke jeder Platte R genügend klein ist, die Werte ATo und AT1 im Vergleich zu den Temperaturen T,, Tr, TR vernachlässigbar klein sind.
Wenn Q0 die von der Flächeneinheit der Oberfläche A zu der der Platte C ausgestrahlte Strahlungswärme bezeichnet und Q, die von der Flächeneinheit der Oberfläche B zu der Platte C ausgestrahlte Strahlungswärme bezeichnet und wenn Eo und E, das Emissionsvermögen der Oberflächen A, bzw. B bezeichnen, dann werden Q0 und Q1 gegeben durch Qo = EO a {T04-(Tu + A TO)4} = {To4-TR4} = Ko A To . . (1) Q1 = E, (T,4(TR Lot1)4} = El {T,4TR4} = K1 A T1 (2) wobei d die Stefan-Botzmann-Konstante bezeichnet und Ko und Kt den Strahlungskoeffizienten bezeichnen. Wenn beide Platten R die gleiche Dicke haben und aus gleichem Material bestehen, dann ist Ko = K1 = K.
Daher ist Q1-Q0K(LT1--LT0) . (3) (3)
In Fig. 1 ist eine ruhende Luftschicht durch die gestrichelten Linien über den Flächen S, und S0 angedeutet. Diese Luftschicht dient dazu, die Konvektionswärmeübertragung von den schwarzen Oberflächen S0 und S, auf ein vernachlässigbares Mass herabzusetzen.
Es wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein gemäss der Erfindung ausgebildetes Strahlungswärmefluss-Messgerät beschrieben. Gemäss Fig. 2 und 3 ist eine gut wärmeleitende Trägerplatte 1 mit einer Mehrzahl von Kühlflossen 2 an ihrem Umfang versehen. Platten 3 mit je einer schwarzen Oberfläche sind zu beiden Seiten der Trägerplatte 1 angeordnet. Eines oder mehrere Paare von miteinander verbundenen Thermoelementen 4 sind auf den Oberflächen der Platten 3 so angeordnet, dass durch sie der Temperaturunterschied zwischen den geschwärzten Oberflächen der Platten 3 gemessen werden kann. Die in Fig. 2 gezeigten Thermoelemente bestehen aus Konstantan und Kupfer und sind durch Vakuumverdampfung als dünner Film hergestellt.
5 bezeichnet schwarze Platten, die in Berührung mit den Thermoelementen angeordnet sind. Zum Beispiel ist eine dünne mit vakuumplattiertem Kohlefilm beschichtete Platte für die Platte 5 gut geeignet. Über diesen schwarzen Platten 5 sind mit Abstand transparente dünne Platten 6, bzw. 6a so angeordnet, dass zwei ruhende Luftschichten 7, bzw. 7a auf der Aussenseite der schwarzen Platten 5 gebildet sind. Zum Beispiel sind transparente, dünne Quarzplatten von je etwa 10 Mikron Dicke als transparente, dünne Platten 6 und 6a zweckmässig. Diese transparenten, dünnen Platten 6 und 6a sind vorteilhaft so ausgebildet, dass, wenn sie angefressen sind, sie leicht durch zwei neue ersetzt werden können.
Die stationären Luftschichten 7 und 7a dienen dazu, um zu verhindern, dass von der Oberfläche der schwarzen Platten Wärme durch Konvektion abgeführt wird. 8 sind die Zuführungsdrähte der Differential-Thermoelemente, die an ein Mikrovoltmeter angeschlossen sind.
Fig. 4 veranschaulicht ein Schaltungsschema der Differential-Thermoelemente. Die Lötstellen 9 und 9a der Thermoelemente 4 liegen abwechselnd auf den Oberflächen der Platten 3 zu beiden Seiten der Trägerplatte 1, so dass der Temperaturunterschied zwischen den Oberflächen dieser Platten 3 durch das Mikrovoltmeter 10 gemessen werden kann. In den Fig. 2, 3 und 4 bezeichnen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile.
Es ist zu beachten, dass anstelle der Thermoelemente auch eine Widerstandsbrücke oder dergl. benutzt werden kann, um den Temperaturunterschied zwischen den Oberflächen der Platten 3 zu messen.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Messung des zwischen als Hohlraumstrahler ausgebildeten Strahlungsquellen H und Ha fliessenden Strahlungsflusses. Das Strahlungswärmefluss-Messgerät M mit Thermoelementen wurde zwischen diese zwei Strahlungsquellen eingesetzt. In diesem Messgerät ist die Trägerplatte 1 eine Silberplatte mit einer Dicke von 0,1 mm und einem Durchmesser von 40 mm; die Platten 3 sind Glimmerplatten, von denen jede eine Dicke von 80 Mikron und einen Durchmesser von 40 mm hat; und die Thermoelemente bestehen aus Konstantan und Kupfer.
Durch Variieren der Temperaturen T0 und T, der Strahlungsquellen H, bzw. Ha wurden Messungen gemacht, um die Beziehung zwischen dem Strahlungswärmefluss Q und der gemessenen Thermospannung mV festzustellen. Das Messresultat ist durch die gerade Linie in Fig. 6 dargestellt.
Es wurde gefunden, dass dieses Strahlungswärmefluss-Messgerät einen konstanten Wert in weniger als einer Minute anzeigt.