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.
Radiant heat flux meter
The invention relates to a radiant heat flux measuring device which can measure the transfer of radiant heat between the surfaces of different bodies with high accuracy.
In a variety of chemical, mechanical or construction apparatus used at relatively high temperatures, such as electric ovens or electrolytic cells, it is of very great importance in the design and operation of the transmission of radiant energy between the surfaces of different bodies at different temperatures capture.
Accordingly, it is an object of the invention to provide an improved radiant heat flux meter which can measure with high accuracy the transfer of radiant heat between the surfaces of various bodies. This type of construction is characterized by a thin plate of high thermal conductivity and heat transfer plates which are arranged on both sides of the thin plate, at least one pair of cooperating temperature sensors which are arranged on the surface of the heat transfer plates, black plates which are in contact with the temperature Measuring sensors are arranged, and radiation-permeable thin plates, which are arranged at a distance above the black plates, so that static layers of air are formed on the outside of the black plates.
The invention can be better understood from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawing, in which
Figure 1 is a schematic diagram illustrating the basic principle of the invention;
Fig. 2 is a front view, partly in section, of one embodiment of a radiant heat flux meter;
Figure 3 is a side view of Figure 2, partly in section;
Fig. 4 is an explanatory diagram illustrating the circuit connection of the radiant heat flux meter of Figs. 2 and 3;
Fig. 5 is a view illustrating the arrangement of the radiation sources and the radiant heat flux meter; and
FIG. 6 is a graph showing the results of the radiant heat measurements made according to the arrangement of FIG.
The measuring principle of a radiant heat flux measuring device according to the invention is described with reference to FIG. 1.
It is assumed that a plate C with an approximately 100% reflection factor, a high thermal conductivity and heat dissipation means (cooling surfaces) E at both ends is arranged between two opposing surfaces which have the absolute temperatures (K) T0 and T1.
Thin plates R each with a black surface are arranged on both sides of the plate C. Then the temperature of the plate C is approximately equal to the room temperature TR. Radiant energy emitted by surfaces A and B enters the black surfaces S0 and Sj of plate R, is absorbed there and passes through the plates R and C to the cooling surfaces E by conduction, from where it is transferred to the surrounding atmosphere by convection is transmitted.
Therefore, the temperatures of the black surfaces S0 and S, will increase by ATo and tWTt compared to the room temperature TR, which temperature increase is proportional to the instantaneous heat flow.
It can be assumed, however, that if the thickness of each plate R is sufficiently small, the values ATo and AT1 are negligibly small compared to the temperatures T1, Tr, TR.
When Q0 denotes the radiant heat radiated from the unit area of the surface A to that of the plate C and Q denotes the radiant heat radiated from the unit area of the surface B to the plate C, and when Eo and E denote the emissivities of the surfaces A and B, respectively , then Q0 and Q1 are given by 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) where d denotes the Stefan-Botzmann constant and Ko and Kt denote the radiation coefficient. If both Boards R have the same thickness and consist of the same material, then Ko = K1 = K.
Hence Q1-Q0K (LT1 - LT0). (3) (3)
In FIG. 1, a static layer of air is indicated by the dashed lines over the areas S 1 and S 0. This layer of air serves to reduce the convection heat transfer from the black surfaces S0 and S to a negligible level.
A radiant heat flux measuring device designed according to the invention will now be described with reference to the drawing. According to FIGS. 2 and 3, a highly thermally conductive carrier plate 1 is provided with a plurality of cooling fins 2 on its circumference. Plates 3, each with a black surface, are arranged on both sides of the carrier plate 1. One or more pairs of interconnected thermocouples 4 are arranged on the surfaces of the plates 3 in such a way that the temperature difference between the blackened surfaces of the plates 3 can be measured by them. The thermocouples shown in Fig. 2 are made of constantan and copper and are made as a thin film by vacuum evaporation.
5 denotes black plates placed in contact with the thermocouples. For example, a thin plate coated with a vacuum-clad carbon film is well suited for the plate 5. Over these black plates 5, thin transparent plates 6 or 6a are arranged at a distance in such a way that two static air layers 7 and 7a are formed on the outside of the black plates 5. For example, transparent, thin quartz plates each about 10 microns thick are useful as transparent, thin plates 6 and 6a. These transparent, thin plates 6 and 6a are advantageously designed so that, if they are pitted, they can easily be replaced by two new ones.
The stationary air layers 7 and 7a serve to prevent heat from being dissipated from the surface of the black plates by convection. 8 are the lead wires of the differential thermocouples connected to a microvoltmeter.
4 illustrates a circuit diagram of the differential thermocouples. The soldering points 9 and 9a of the thermocouples 4 lie alternately on the surfaces of the plates 3 on both sides of the carrier plate 1, so that the temperature difference between the surfaces of these plates 3 can be measured by the microvoltmeter 10. In Figs. 2, 3 and 4, like reference numerals denote like parts.
It should be noted that a resistor bridge or the like can also be used instead of the thermocouples in order to measure the temperature difference between the surfaces of the plates 3.
5 shows an arrangement for measuring the radiation flux flowing between radiation sources H and Ha, which are designed as cavity radiators. The radiant heat flow meter M with thermocouples was inserted between these two radiation sources. In this measuring device, the carrier plate 1 is a silver plate with a thickness of 0.1 mm and a diameter of 40 mm; the plates 3 are mica plates each having a thickness of 80 microns and a diameter of 40 mm; and the thermocouples are made of constantan and copper.
By varying the temperatures T0 and T, the radiation sources H and Ha, respectively, measurements were made to establish the relationship between the radiant heat flux Q and the measured thermal voltage mV. The measurement result is shown by the straight line in FIG. 6.
This radiant heat flux meter was found to display a constant value in less than a minute.