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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermittlung einer subjektiven
bzw. gefühlten
Temperatur, wobei neben einer Raum- oder Lufttemperatur weitergehende
Umwelteinflüsse
berücksichtigt werden.
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Das
Wohlbefinden und die Gesundheit von Menschen werden in nicht unerheblichem
Maß durch die
Umgebungstemperatur bestimmt. Durch Heizungen und Klimaanlagen ist
der Mensch in der Lage, sich in den Innenräumen ein optimales Klima zu schaffen.
Dieses optimale Klima zeichnet sich durch eine Reihe von Parametern
aus, die prinzipiell einer Regelung durch eine Klimaanlage zugänglich sind. Die
wichtigsten zu regelnden Parameter sind beispielsweise die Temperatur,
die Luftfeuchtigkeit oder die Luftströmung. Dabei ist die Wirkung
dieser einzelnen Parameter auf das Wohlbefinden des Menschen nicht
jeweils für
sich ausreichend, sondern, da sich die Parameter gegenseitig beeinflussen,
muss das Zusammenwirken aller Faktoren betrachtet werden.
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Eine
optimale Regelung eines Raumklimas setzt voraus, dass die zu regelnden
Größen zunächst einer
Messung zugänglich
sind. Für
die Messung der Raumtemperatur sind zahlreiche technische Lösungen verfügbar. Es
ist bekannt zur Steuerung von Heizungsanlagen die bloße Raum-
oder Lufttemperatur zu verwenden. Die Messung der Umgebungstemperatur
beschreibt allerdings nur mangelhaft die von Personen wahrgenommene
Temperatur, die beispielsweise über
den Kontakt zwischen Luft und Haut wahrgenommen wird. Da die damit
zusammenhängende
Temperaturempfindung auf lokal auf der Haut stattfindenden Effekten
beruht, werden insgesamt nicht sämtliche
Parameter, die für
eine subjektiv empfundene Temperatur mit zu berücksichtigen sind, in die Betrachtungen
mit einbezogen.
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Insbesondere
für die
Regelung von Heizungsanlagen wird somit eine Umgebungstemperatur
als Regelgröße herangezogen,
die durch Temperaturmessungen generiert wird, die wesentliche Umgebungseinflüsse nicht
erfasst und damit auch das Wohlbefinden der Personen insgesamt nicht
berücksichtiget.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung bereitzustellen,
die eine subjektive Temperatur erfasst und diese relativ zu der
unbeeinflussten Raum- bzw. Lufttemperaturmessung setzt.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend
Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Über die
bloße
Raumtemperatur bzw. Lufttemperaturmessung hinausgehende Temperaturgrößen ergeben
sich beispielsweise aus der zusätzlichen
Messung der Infrarotstrahlung, die in den betrachteten Raum oder
auf die betrachtete Person einwirkt. Weiterhin kann Luftströmung der
Feuchtigkeit berücksichtigt
werden. Luftströmung
führt zu
einer Verringerung der Oberflächentemperatur
an der Haut und damit zu einer Erniedrigung der subjektiven, gefühlten Temperatur.
Feuchtigkeit auf der Haut führt beispielsweise
zu Erniedrigung der subjektiven, gefühlten Temperatur durch Verdunstungskälte. Auf
der Haut auftreffende Infrarotstrahlung führt zu einer lokalen Erhöhung der
Temperatur auf der Haut und damit zu einer Erhöhung der subjektiven, gefühlten Temperatur.
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Die
Umgebungstemperatur wird allgemein unter Ausschluss anderer, die
Temperaturwahrnehmung beeinflussender Faktoren in einem Bereich von
ca. 18-22°C
als optimal empfunden. Der subjektive Anteil der Temperaturempfindung
kann jedoch direkt nicht als Messgröße erfasst werden.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der etwa
gleichzeitigen Generierung mehrerer Temperatursignale, zum einen
mittels eines ersten Temperatursensors, wobei eine Umgebungs- oder
Raum- bzw. Lufttemperatur wiedergegeben wird, und zum anderen mittels
eines zweiten Temperatursensors, der eine gefühlte Temperatur wiedergibt,
welche neben der bisher bekannten Temperaturermittlung weitergehende
Einflüsse
von Strahlungseinwirkungen, Feuchte-Auswirkungen, Luftströmungseinwirkungen
u. Ä. berücksichtigt.
Eine Sensoranordnung ermittelt ein Differenzsignal zwischen diesen
beiden generierten Temperatursignalen, wobei durch das sich ergebende
Differenzsignal ein Maß für den Einfluss
der aufgenommenen Wärmestrahlung
oder vorhandener Feuchte oder vorhandener Luftströmung auf
die gefühlte
Temperatur angezeigt wird.
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Neben
den drei genannten Wirkungsparametern für Strahlung, Feuchte und Luftströmung können noch
weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden.
Denkbar sind beispielsweise unterschiedliche Beschaffenheiten von
Oberflächen,
Belegung einer Oberfläche
mit Eis oder Kondenswasser oder auch die physiologische Eigenschaft
der Haut.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung bezieht sich auf die Ausführung eines
ersten und eines zweiten Temperatursensors, wobei diese sich hinsichtlich
ihrer Oberflächeneigenschaften
unterscheiden. Der erste Temperatursensor zur Messung der Lufttemperatur
weist dabei eine reflektierende Oberfläche auf, so dass Wärmestrahlung
an dessen Oberfläche
eine untergeordnete Rolle spielt. Der zweite Temperatursensor weist
an seiner Oberfläche
eine Wärmestrahlung
stark absorbierende Oberfläche
auf, so dass an diesem Temperatursensor die subjektive, gefühlte Temperatur
erfassbar ist. In dieser Variante wird zusätzlich zur reinen Lufttemperaturmessung
somit die Wirkung von Wärmestrahlung
bzw. Infrarotstrahlung mit berücksichtigt.
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Es
ist besonders vorteilhaft, die Oberfläche eines die auftreffende
Wärmestrahlung
stark absorbierenden Temperatursensors als möglichst idealen schwarzen Körper auszubilden,
so dass die Absorption bei annähernd
100% liegt. Die gleiche Zielrichtung wird verfolgt, wenn ein erster
Temperatursensor mit einer Abdeckung versehen ist, die die Einwirkung von
auf die Sensoranordnung gerichteter Wärmestrahlung verhindert.
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Zur
Berücksichtigung
der in einem Raumklima vorhandenen Feuchtigkeit ist es vorteilhaft,
einen Temperatursensor oberflächlich
hydrophob auszubilden, so dass die Lufttemperatur ohne Einfluss
von Feuchtigkeit ermittelbar ist. Der entsprechend zweite Temperatursensor
wird mit einer Oberfläche
ausgestattet, die hydrophil ist, so dass sich Feuchtigkeit dort
anlegt. Dieser zweite Temperatursensor misst die gefühlte Temperatur
unter Berücksichtigung
der vorhandenen Feuchtigkeit.
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Werden
in vorteilhafter Weise zwei Sensoren mit unterschiedlicher thermischer
Ankoppelung an die Umgebung ausgestattet, so wird ein Sensor thermisch
isoliert betrieben. Falls dieser durch Wärmeeinstrahlung von außen erwärmt wird,
kann er die ins Innere eingebrachte Wärme nicht nach außen abgeben.
Der entsprechend zweite Sensor ist an eine Wärmesenke oder Wärmequelle
angekoppelt und kann die eingestrahlte Energiemenge teilweise abführen, so
dass ein Messwert dieses Sensors oder dieser Sensoranordnung weniger
von der auftreffenden Strahlung beeinflusst wird wie im Falle des
thermisch isolierten Sensors.
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Ein
jeweils von der beanspruchten Sensoranordnung generiertes Differenzsignal,
welches Informationen über
neben der Raumtemperatur vorhandener Einflussgrößen wie Wärmestrahlung, Feuchtigkeit,
Luftströmung
beinhaltet, kann in vorteilhafter Weise in einem Heizungssystem
als Regelgröße eingesetzt
werden.
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Im
Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden
Figuren Ausführungsbeispiele
geschildert:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung zur Detektion
der gefühlten Temperatur,
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2 zeigt
die Abschirmung eines Sensorelementes von der Strahlungseinwirkung
durch eine Abdeckung,
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3 zeigt
schematisch die Funktion des Sensors zur Detektion von Wärmeverlusten
an einem Heizungssystem,
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4 zeigt
die radialsymmetrische Anordnung von Temperatursensoren zur richtungsunabhängigen Messung,
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5 zeigt
den Aufbau einer Sensoranordnung nach 4 zur richtungsabhängigen Messung,
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6 zeigt
die radial symmetrische Anordnung zur richtungsunabhängigen Messung,
wobei die Einflussgröße – Feuchte – berücksichtigt
wird,
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
das einen auf konstanter Temperatur gehaltenen ersten Temperatursensor
beinhaltet, wobei die Temperatur einer Gasströmung gemessen wird, um den
Einfluss der Kühlung
der Gasströme
zu berücksichtigen.
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Um
die von Personen wahrgenommene gefühlte Temperatur zu erfassen,
ist eine lokale Messung am Aufenthaltsort der Person notwendig.
Da die für
die gefühlte
Temperatur Ausschlag gebenden Parameter, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung
am Fenster u. Ä.
sich kleinräumig ändern können, ist nicht
nur die Messung der Raumtemperatur oder der Lufttemperatur ausreichend.
Dabei können
folgende Messmethoden angewandt werden.
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Der
Einfluss von Infrarotstrahlung auf die gefühlte Temperatur (subjektive
Temperatur) wird über eine
Kombination aus zwei Temperatursensoren mit unterschiedlicher Wechselwirkung
mit Infrarotstrahlung gemessen. Beim Auftreffen von Infrarotstrahlung
auf diese Kombination von Sensoren erhöht wird die Temperatur des
Sensors mit stärkerer
Wechselwirkung auf Infrarotstrahlung kräftig, die des Sensors mit geringerer
Wechselwirkung auf Infrarotstrahlung weniger stark erhöht. Die
Differenz der beiden gemessenen Temperaturwerte ist ein Maß für den Einfluss
der auftreffenden Strahlung auf eine Person, da deren Temperaturempfinden
sowohl von der Raum- oder Lufttemperatur als auch von der eingestrahlten Wärmemenge
abhängt.
Somit werden Informationen über
eine gefühlte
Temperatur gewonnen, wobei zwei Signale, die Temperatur der Umgebungsluft
sowie die gefühlte
Temperatur aufgenommen werden.
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In
einer besonderen Ausgestaltung werden zwei Sensoren verwendet, die
unterschiedliche Oberflächen
aufweisen. Während
der Messwert eines idealerweise verspiegelten oder im infraroten
sowie sichtbaren Spektralbereich gut reflektierenden Temperatursensors
nicht von auftreffender Infrarotstrahlung beeinflusst wird, da diese
vollständig
reflektiert wird, wird bei einem stark absorbierenden Temperatursensor
ein Großteil
der auftreffenden Infrarotstrahlung in Wärme umgewandelt, was zu einer Erhöhung der
Temperatur gegenüber
dem verspiegelten oder weißen
Sensor führt.
Dabei wird ausgenutzt, dass ein Körper mit weißer Oberfläche ideal
als Wärmestrahlen
reflektierender Körper
betrachtet wird und ein Körper
mit schwarzer Oberfläche
als ein ideal Wärmestrahlen
aufnehmender Körper.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass alternativ zwei identisch
gestaltete schwarze Temperatursensoren verwendet werden, wobei für einen Sensor
ein Strahlungseintrag verhindert wird, indem dieser Sensor durch
eine Abdeckung abgeschirmt ist.
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In
einer anderen Variante ist ein thermostatischer Sensor vorgesehen.
Dies bedeutet, dass einer von mindestens zwei Sensoren auf einer
vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Mit dieser Ausgestaltung
kann der Fall einer Verringerung der subjektiven Temperatur durch
lokale Wärmeverluste
mittels Strahlung an die Umgebung erfasst werden. Die Funktion sieht
vor, dass über
einen auf Körpertemperatur
thermostatisch ge haltenen schwarzen Körper die Energie zur Stabilisierung
der Temperatur gemessen wird und als Messgröße für den Einfluss des Wärmeverlustes
an die Umgebung auf die gefühlte Temperatur
bezogen wird. Werden beispielsweise zwei Sensoren mit unterschiedlicher
thermischer Ankoppelung an die Umgebung eingesetzt, so kann ein Temperatursensor
thermisch isoliert betrieben werden und damit bei Einstrahlung erwärmt werden
ohne Wärme
nach außen
hin abzugeben. Der weitere Sensor ist an eine Wärmesenke oder an eine Wärmequelle
angekoppelt und kann die eingestrahlte Energie größtenteils
abführen,
so dass der Messwert dieses Sensors weniger von der auftreffenden
Strahlung beeinflusst wird wie bei dem thermisch isolierten Sensor.
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Mittels
der vorgeschlagenen Sensoranordnung, in der mindestens ein Paar
von Sensoren gleichzeitig betrieben wird, werden zunächst zwei Temperatursensoren
eingesetzt, die annähernd gleich
aufgebaut sind, jedoch an relevanten Stellen Unterschiede hinsichtlich
der Aufnahmefähigkeit
von Wärmestrahlung,
Feuchtigkeit oder beispielsweise einen Luftstrom zeigen. Damit wird
zum einen ein relativ reines Temperatursignal erzeugt, welches idealerweise
nicht durch Feuchtigkeit, direkte Wärmeeinstrahlung oder Konvektion
verfälscht
ist. Der jeweils andere Sensor misst die genannten Störgrößen mit und
bezieht somit für
eine Person, die sich in einem Raumklima befindet, wesentliche Einflussgrößen beim
Empfinden einer subjektiven oder gefühlten Temperatur mit ein.
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Die
vorgeschlagene Anordnung ermöglicht damit
erstmals die Einbeziehung der das Temperaturempfinden wesentlich
beeinflussenden Infrarotstrahlung in Heizungs- und Klimatisierungssystemen. Durch
die Messung der gefühlten
Temperatur können Regelstrategien
für Heizungs-
und Klimaanlagen dahingehend optimiert werden, dass die für das Wohlbefinden
einer Person optimalen Umgebungsbedingungen lokal erfasst werden
und zum anderen der Energiebedarf zur Raumheizung verringert wird,
indem die durch Sonneneinstrahlung verursachte Erhöhung der
Temperatur berücksichtigt
wird.
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Eine
mögliche
Variante für
ein erfindungsgemäßes Sensorsystem
wird in 1 dargestellt. Es werden zwei
Temperatursensoren 1, 2 eingesetzt, die mit jeweils
einer Infrarotstrahlung absorbierenden bzw. einer Infrarotstrahlung
reflektierenden Beschichtung versehen sind. Das Differenzsignal
enthält
zum einen das Temperatursignal 3 für die Raum- oder Lufttemperatur
sowie das Temperatursignal 4 für die subjektive oder gefühlte Temperatur.
Das Differenzsignal enthält
entsprechend neben den einzelnen Sensorsignalen bzw. Temperatursignalen 3, 4 Informationen über die
eingestrahlte Infrarotstrahlungsmenge.
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In 1 sind
die Temperatursensoren 1, 2 unterschiedlich ausgebildet,
indem sie in Richtung der auftreffenden Infrarotstrahlung/Wärmestrahlung 6 im
Falle des Temperatursensors 1 mit einer Wärmestrahlung
reflektierenden Beschichtung und im Falle des Temperatursensors 2 mit
einer Wärmestrahlung
absorbierenden Beschichtung ausgestattet sind. Die eigentlichen
Temperatursensorelemente könnten
beispielsweise NTC- oder PTC-Elemente sein, sowie Thermoelemente
oder Platin-Temperaturfühler.
Diese werden mit unterschiedlichen Beschichtungen versehen, die
zum einen möglichst
hohen Reflexionsgrad für
Wärmestrahlung
aufweisen und damit zur Messung der Umgebungstemperatur ohne den
Strahlungsanteil geeignet sind und zum anderen einen möglichst
hohen Absorptionskoeffizienten bezüglich der Wärmestrahlung aufweisen, so dass
sie die Umgebungstemperatur und zusätzlich die über Wärmestrahlung eingebrachte Temperatur erfassen.
Die Wärmestrahlung
liegt in der Regel im infraroten Spektralbereich. Stark absorbierende
Materialien sind dabei z. B. Ruß oder ‚Palladium
black’ (Palladiumoxid)
oder ‚Platinum
black’ (Platinoxid).
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Alternativ
ist die Ausbildung eines von zwei identischen Sensorelementen durch
geeignete Gestaltung des Gehäuses
möglich,
wie es in 2 schematisch dargestellt ist.
In 2 ist wiederum die auf die beiden beschriebenen
Sensoren einfallende Wärmewirkung 6 enthalten.
Mittels einer Abdeckung 9 wird einer der beiden baugleichen
Sensoren, in diesem Fall Sensor 1 durch die Abdeckung 9 von
der Wärmestrahlung 6 freigehalten.
Da beide baugleichen Sensoren Temperatursensoren 2 mit
absorbierender Oberfläche 7 sind,
wird der nicht abgedeckte Sensor in diesem Fall die Raumtemperatur
und zusätzlich
die Temperaturerhöhung
anzeigen, die durch die einfallende Wärmestrahlung produziert wird.
Der in 2 links erscheinende Temperatursensor 2 wird von
der Strahlung abgedeckt und zeigt damit bei idealen Verhältnissen
die Raum- oder Umgebungs-
bzw. Lufttemperatur an. Elektrische Kontaktierungen zur Abführung von
elektrischen Signalen sind in 2 nicht
dargestellt.
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3 stellt
eine schematische Funktion des Sensors zur Detektion von Wärmeverlusten
dar. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass zur Beschichtung der Temperatursensoren Materialien verwendet
werden können,
die auch als Oberfläche
für den
vorgeschlagenen thermostatischen Körper einsetzbar sind. Die Heizung
kann elektrisch erfolgen, wobei bei Verwendung von Materialien mit
einer temperaturabhängigen
elektrischen Leitfähigkeit
durch Messung des elektrischen Widerstands neben der Bestimmung
der Heizleistung gleichzeitig die Bestimmung der Temperatur erfolgen
kann, wie in 3 dargestellt.
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3 zeigt
das Schema einer Heizungsregelung, wobei als Regelgröße die elektrische
Beheizung eines beheizten Elementes auf eine bestimmte Temperatur über eine
Temperaturmessung kontrolliert wird und über die Heizungsregelung einfließt. Das
Ausgangssignal kann zur Steuerung einer elektrischen Leistung für die Heizung
eingesetzt werden.
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Um
eine richtungsunabhängige
Temperaturmessung zu erreichen, können die Temperatur-Sensorelemente
kugelförmig
aufgebaut sein und, beispielsweise wie 4, der Sensor 1 reflektierend
beschichtet sein mit einer reflektierenden Oberfläche 8 und
entsprechend mit einer absorbierenden Oberfläche 7. In jedem Fall
wird eine radial symmetrische Anordnung dargestellt, die richtungsunabhängig messen
kann.
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5 zeigt
einen Aufbau zur richtungsabhängigen
Messung. Um die Sensoren mechanisch und vor der Einwirkung hoch
frequenter Strahlung zu schützen,
können
diese mit einem im infraroten Bereich durchlässigen Material abgedeckt werden,
beispielsweise mit Silizium.
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Zur
Messung der Beeinflussung einer herkömmlich gemessenen Temperatur
durch vorhandene Feuchtigkeit wird folgendes Ausführungsbeispiel beschrieben:
Die
Luftfeuchte beeinflusst die Wärmekapazität und die
Wärmeleitfähigkeit
der Luft. Diese Beiträge
werden von den beschriebenen Anordnungen berücksichtigt. Außerdem wird
die Belegung von Oberflächen
mit Feuchte durch den Feuchtegehalt der Luft mit bestimmt. Über das
Auftreten von Verdunstungskälte
kann die Feuchte großen
negativen Einfluss auf das Wohlbefinden haben. Eine Messung der
Verdunstungskälte
kann über
ein System aus einem hydrophob beschichteten und einem System, welches einer
mit Feuchtigkeit belegten Haut ähnlich
ist, realisiert wird, während
für den
hydrophob beschichteten Sensor die Verdunstungskälte vernachlässigbar ist,
wird das Signal des hydrophilen Sensors auch die lokalen Temperaturänderungen
durch Verdunstung wiedergeben bzw. enthalten.
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6 zeigt
entsprechend Temperatursensoren S1, S2, die eine hydrophobe Beschichtung 12 bzw.
eine hydrophile Beschichtung 11 aufweisen. Durch die radialsymmetrische
Anordnung ist eine richtungsunabhängige Messung möglich.
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Anhand
eines schematisch in 7 dargestellten Systems kann
ein Ausführungsbeispiel
zur Handhabung der Wärmetransportverhältnisse
bei vorhandenem Gasstrom entlang der mindestens zwei Temperatursensoren
verdeutlicht werden. Die gezeigte Anordnung kann zur Messung der
Luftströmung
eingesetzt werden. Dabei wird ein Teil der von dem ersten Temperatursensor,
der auf konstanter Temperatur thermostatisch gehalten wird, abgestrahlten
Wärme von
vorbeiströmendem
Gas aufgenom men. Dies führt
zu einer Änderung
der Gastemperatur. Ein in einem bestimmten Abstand angebrachter
zweiter Temperatursensor erfährt
beim Vorbeiströmen
des Gases eine Temperaturänderung, die
vom Gasfluss abhängt
und somit als Messgröße für den Gasfluss
dient. Außerdem
kann die Energie, die zur Stabilisierung der Temperatur des ersten
temperaturstabilen Elementes benötigt
wird, erfasst werden. Damit lässt
sich der Wärmeverlust
oder -eintrag darstellen,