DE102018118777B3 - Measuring device and method for determining radiation-induced heat transfer from the solid to gases - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren unter Verwendung dieser Messeinrichtung zur Untersuchung von strahlungsinduzierten Wärmeübergängen von einer festen Oberfläche in das umgebende Gas. Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung eine Messkammer 1, welche eine Probe-Gasvolumen 2 einschließt. Dabei weist der Boden der Messkammer 1 einen Festkörperwärmestrahler 5, der seine Wärmestrahlung in eine darüber liegende künstlich erzeugte Modellatmosphäre abgibt. Zur Simulierung erdatmosphärischer Verhältnisse wir die Modellatmosphäre 3 durch eine Kühleinrichtung in der Deckelbaugruppe der Messeinrichtung 1 begrenzt und gekühlt.
Die thermische Wirkung der vom Festkörperwärmestrahler 5 auf die Modellatmosphäre 3 ausgehenden Strahlung wird über mehrere Thermoelemente 4 in definierten Höhen über dem Festkörperwärmestrahler 5 gemessen.
Eine Variation der CO2-Konzentration in der Modellatmosphäre 3 erbrachte keine Änderungen in deren Temperaturcharakteristik und insbesondere keine Beeinflussung der Energieübertragung vom Festkörperwärmestrahler 5 zur Kühleinrichtung 6.

Figure DE102018118777B3_0000
The present invention relates to a measuring device and a measuring method using this measuring device for the investigation of radiation-induced heat transfer from a solid surface into the surrounding gas. According to the invention, the measuring device comprises a measuring chamber 1, which encloses a sample gas volume 2. In this case, the bottom of the measuring chamber 1 a solid-state heat radiator 5, which emits its heat radiation in an overlying artificially created model atmosphere. To simulate earth-atmosphere conditions, the model atmosphere 3 is limited and cooled by a cooling device in the cover assembly of the measuring device 1.
The thermal effect of the radiation emanating from the solid-state heat radiator 5 on the model atmosphere 3 is measured over a plurality of thermocouples 4 at defined heights above the solid-state heat radiator 5.
A variation of the CO 2 concentration in the model atmosphere 3 brought about no changes in their temperature characteristics and in particular no influence on the energy transfer from the solid state heat radiator 5 to the cooling device 6.
Figure DE102018118777B3_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Messverfahren zur Bestimmung von strahlungsinduzierten Wärmeübergängen von Festkörpern in die sie umgebenden Gase unter dem Einfluss verschiedener Gaszusammensetzungen.The present invention relates to a measuring device and a measuring method for determining radiation-induced heat transfer of solids into the surrounding gases under the influence of various gas compositions.

Das Klima auf der Erde wird zu wesentlichen Teilen durch die Strahlungsenergie der Sonne und deren physikalischen Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre und ihren Bestandteilen bestimmt.The Earth's climate is largely determined by the radiant energy of the Sun and its physical interaction with the Earth's atmosphere and its components.

Diese solare Strahlungsenergie wird durch die Erdatmosphäre und die Erdoberfläche absorbiert und ausgleichend in den Weltraum zurückgestrahlt.This solar radiation energy is absorbed by the earth's atmosphere and the earth's surface and reflected back into space.

Für den Wärmehaushalt in der Erdatmosphäre, insbesondere in der Troposphäre spielt neben der Wärmeübertragung durch Konvektion und Advektion das Absorptions- und Emissionsvermögen von Infrarotstrahlung der Erdoberfläche eine entscheidende Rolle. Das bei den üblichen Temperaturen auf der kontinentalen Erdoberfläche abhängige Strahlungsmaximum liegt dabei im Bereich der Wärme- oder Infrarotstrahlung. Dieser Wellenlängenbereich (Infrarotstrahlung) des elektromagnetischen Spektrums erstreckt sich von einer Wellenlänge von 780 nm bis zu einer Wellenlänge von 1 mm. Da gemäß dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz das Emissionsvermögen eines thermischen Strahlers dessen Absorptionsvermögen entspricht, und Gase in großen Teilen des thermischen Strahlungsspektrums durchlässig sind, also ein geringes Absorptionsvermögen aufweisen, leistet insbesondere die feste Erdoberfläche gegenüber der Atmosphäre einen wesentlich größeren Beitrag zum Wärmehaushalt des Gesamtsystems.For the heat balance in the earth's atmosphere, in particular in the troposphere, the absorption and emissivity of infrared radiation of the earth's surface plays a decisive role in addition to the heat transfer by convection and advection. The radiation maximum which is dependent on the continental earth's surface at the usual temperatures is in the range of thermal or infrared radiation. This wavelength range (infrared radiation) of the electromagnetic spectrum extends from a wavelength of 780 nm to a wavelength of 1 mm. Since according to the Kirchhoff radiation law, the emissivity of a thermal radiator corresponds to its absorption capacity, and gases are permeable in large parts of the thermal radiation spectrum, ie have a low absorption capacity, in particular the solid earth surface relative to the atmosphere makes a much greater contribution to the heat balance of the entire system.

Da die Absorption thermischer Strahlung der Sonne und der Rückstrahlung der Erdoberfläche durch die Gase der Atmosphäre nur in bestimmten Wellenlängenbereichen, sogenannten Absorptionsbanden stattfindet, werden besonders die Gase mit vergleichsweise hohem Absorptionsvermögen als klimawirksam betrachtet. Hierbei wird dem Wasserdampf die größte klimatische Wirkung zu geschrieben (Anteil in der Atmosphäre bis 4%). Insbesondere für den Wärmetransport sind die hohen Enthalpien der Phasenübergänge wie auch das kleinere Molekulargewicht des Wassermoleküls verantwortlich, das auch in der Gaszusammensetzung zu einer Labilisierung führt.Since the absorption of thermal radiation of the sun and the reflection of the earth's surface by the gases of the atmosphere takes place only in certain wavelength ranges, so-called absorption bands, especially the gases with comparatively high absorption capacity are regarded as climate-effective. In this case, the greatest climatic effect is attributed to the water vapor (proportion in the atmosphere to 4%). Especially for the heat transport, the high enthalpies of the phase transitions as well as the smaller molecular weight of the water molecule are responsible, which also leads to a labilization in the gas composition.

Nach theoretischen Ableitungen der Wissenschaft - weitestgehend im Konsens- hat CO2 mit der Spurengaskonzentration von derzeit 400 ppm eine große klimatische Bedeutung durch Beeinflussung der Globaltemperatur. Diese wird nach den Regeln der WMO in den Wetterhütten als aktuelle Temperatur ermittelt und dann über mehrfache Durchschnittsbildung verdichtet zu einer jährlichen Globaltemperatur. Während in den Absorptions - wie auch Desorptionsmechanismen - intermolekulare Prozesse ablaufen - mit Stoßwahrscheinlichkeiten, Lebensdauer von energetischen Anregungszuständen, mittleren Geschwindigkeiten der einzelnen Moleküle, wird die Globaltemperatur makroskopisch bestimmt.According to theoretical deductions of science - largely by consensus - CO 2 with the trace gas concentration of currently 400 ppm has a great climatic importance by influencing the global temperature. This is determined according to the rules of the WMO in the weather huts as the current temperature and then compressed over multiple averages to an annual global temperature. Whereas intermolecular processes take place in the absorption as well as the desorption mechanisms - with shock probabilities, lifetime of energetic excitation states, average velocities of the individual molecules, the global temperature is determined macroscopically.

Ein Experiment zur Verifikation der Theorien fehlt bisher.An experiment to verify the theories is missing so far.

In diesem Zusammenhang sind weitere meteorologische Phänomene und deren Einfluss auf die Temperaturentwicklung von Bedeutung.In this context, other meteorological phenomena and their influence on the temperature development of importance.

Die nächtliche Abstrahlung führt zu einer Tages-Minimal- Temperatur, gleichzeitig kann eine Bodeninversion entstehen. Das bedeutet, dass der Temperaturgradient nicht wie normal nach den Gasgesetzen mit der Höhe zu einer sinkenden Temperatur führt, sondern das Minimum in Bodennähe erreicht.The nocturnal radiation leads to a day-minimum temperature, at the same time a soil inversion can occur. This means that the temperature gradient does not lead to a sinking temperature as normal according to the gas laws with the height, but reaches the minimum near the ground.

Da Bodenfrost in dieser Situation vor dem Luftfrost einsetzt - also es in 50 mm Höhe über Grund kälter als in 2 m Höhe ist, stellt sich hier die Frage nach dem Mechanismus. Daraus folgt die Fragestellung wie sich das Temperaturverhalten direkt am Erdboden darstellt.Since ground frost starts in this situation before the freezing air - so it is colder at 50 mm above ground than at 2 m height, here is the question of the mechanism. From this follows the question of how the temperature behavior is directly on the ground.

Zur genaueren Bestimmung der Infrarot-Strahlungseinflüsse und der Rolle der atmosphärischen Spurengase, wie CO2 auf den Wärmehaushalt der Erdoberfläche und der erdnahen Luftschichten, sind allerdings zahlreiche Einflussfaktoren, wie Oberflächenbeschaffenheit oder Gaszusammensetzung zu berücksichtigen. Es ist daher wünschenswert die Strahlungsverhältnisse und das daraus resultierende Temperaturverhalten am Erdboden in einer Messeinrichtung für ein System Erde-Luftschicht reproduzierbar simulieren und messen zu können. Auf diese Weise sollte es möglich sein, zuverlässige Daten zur Wirkung von Wärmestrahlung vom Festkörper (Erdoberfläche) in die Atmosphäre und den Weltraum zu bekommen. However, for a more precise determination of the infrared radiation effects and the role of the atmospheric trace gases, such as CO 2 on the heat balance of the earth's surface and the near-earth air layers, numerous influencing factors, such as surface condition or gas composition, have to be considered. It is therefore desirable to reproducibly simulate and measure the radiation conditions and the resulting temperature behavior on the ground in a measuring device for a system earth-air layer. In this way it should be possible to obtain reliable data on the effect of heat radiation from the solid (earth's surface) into the atmosphere and space.

Aus der Patentliteratur sind gattungsgemäße Messeinrichtungen zum Temperaturverhalten in Normalatmosphären und Festkörpern bekannt. So wird in der UK-Patentanmeldung GB2551398A eine Messeinrichtung beschrieben, welche eine Umgebungskammer (Messkammer) mit verschiedenen Wärme- und/oder Kältequellen und ein Gebäudemodell aufweist. Das Gebäudemodell kann mit verschiedenen modularen thermischen Isolationsmaterialien ausgestattet werden, um deren Verhalten und Wechselwirkung mit den realen thermischen Umgebungsbedingungen zu simulieren.From the patent literature generic measuring devices for temperature behavior in normal atmospheres and solids are known. Such is the case in the UK patent application GB2551398A a measuring device described, which has an environmental chamber (measuring chamber) with different heat and / or cooling sources and a building model. The building model can be equipped with a variety of modular thermal insulation materials to simulate their behavior and interaction with real thermal environmental conditions.

Wechselnde Windverhältnisse auf die Gebäudethermik in der Umgebungskammer werden durch einen Ventilator simuliert. Changing wind conditions on the building thermics in the environmental chamber are simulated by a fan.

In der Umgebungskammer spielen weder die Gaszusammensetzung, noch eine Reduktion der Simulation auf Wärmeübergänge durch Wärmestrahlung eine Rolle.In the environmental chamber neither the gas composition, nor a reduction of the simulation on heat transfer by heat radiation play a role.

In der US-Patentanmeldung US 2002/0006152A1 wird die Wärmeleitung in einem Festkörper untersucht und veranschaulicht. Dazu wird ein würfelförmiger Festkörper an zwei Seiten mit Wärmequellen und an den Gegenüberliegenden Seiten mit Kältesenken versehen. Auch bei dem hier betrachteten und untersuchten Wärme-Transportmechanismus dürfte es sich vorwiegend um Wärmeleitung handeln und nicht um Wärmestrahlung.In the US patent application US 2002 / 0006152A1 the heat conduction in a solid is examined and illustrated. For this purpose, a cube-shaped solid is provided on two sides with heat sources and on the opposite sides with cold sinks. Also, the heat transport mechanism considered and investigated here should be predominantly heat conduction and not heat radiation.

Aus den „Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministerium von Nordrein-Westfahlen“, Nr. 118 der „Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 1954“ ist eine neuartige Klima-Anlage zur Erzeugung ungleicher Luft- und Strahlungstemperaturen in einem Versuchsraum“ bekannt. Dabei wird die Zusammensetzung der in einem Versuchsraum befindliche Frischluft nicht verändert. Durch einen Befeuchter besteht lediglich die Möglichkeit, die Luftfeuchtigkeit im Versuchsraum zu ändern.From the "Research Reports of the Ministry of Economy and Transport of Nordrein-Westfahlen", No. 118 of the "Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 1954" is a novel air conditioning system for generating unequal air and radiation temperatures in a test room "known. The composition of fresh air in a test room is not changed. With a humidifier, it is only possible to change the humidity in the test room.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messeinrichtung und ein Messverfahren anzugeben, mit welcher der Wärmeübergang vom Festkörper in eine Gasphase simuliert und gemessen werden kann. Dabei soll es möglich sein, dass thermische Verhalten verschiedener Gaszusammensetzungen zu analysieren und insbesondere bestimmte Aspekte des thermischen Systems Erdboden-Atmosphäre-Weltraum nachzubilden.Object of the present invention is therefore to provide a measuring device and a measuring method with which the heat transfer from the solid can be simulated in a gas phase and measured. It should be possible to analyze the thermal behavior of different gas compositions and in particular to simulate certain aspects of the thermal system Earth-Atmosphere-Space.

Dabei folgt das Konzept der Messeinrichtung den Regeln der WMO gem. der direkt vergleichbaren makroskopischen Temperaturmessung bei der Globaltemperatur.The concept of the measuring device follows the rules of the WMO acc. the directly comparable macroscopic temperature measurement at the global temperature.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 9, in Verbindung mit deren Oberbegriff gelöst.This object is achieved by the characterizing parts of claims 1 and 9, in conjunction with the preamble thereof.

In den Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.In the dependent claims further preferred embodiments of the invention are given.

Die erfindungsgemäße Messeinrichtung umfasst eine geschlossene Messkammer zur Aufnahme eines Probe-Gasvolumen mit einer bestimmten, insbesondere auf ihr thermisches Absorptionsvermögen zu untersuchenden Gas-Zusammensetzung. Hierzu weist die erfindungsgemäße Messkammer eine untere Bodenbaugruppe mit einem Festkörperwärmestrahler und eine obere Deckelbaugruppe mit einer Kühleinrichtung auf. Das zwischen dem Festkörperwärmestrahler und der Kühleinrichtung angeordnete Probe-Gasvolumen absorbiert entsprechend seiner Zusammensetzung einen bestimmten Teil der vom Festkörperwärmestrahler emittierten Infrarotstrahlung und emittiert wiederum einen Teil zur Kühleinrichtung. Hierdurch können etwa die Strahlungsverhältnisse in der Atmosphäre zwischen dem annähernd als schwarzer Strahler zu betrachtende Erdboden (Festkörper) und dem kalten Weltall (Kühleinrichtung) nachgebildet werden.The measuring device according to the invention comprises a closed measuring chamber for receiving a sample gas volume with a specific gas composition to be examined for its thermal absorption capacity. For this purpose, the measuring chamber according to the invention has a lower floor assembly with a solid-state heat radiator and an upper cover assembly with a cooling device. The sample gas volume arranged between the solid-state heat radiator and the cooling device absorbs according to its composition a certain part of the infrared radiation emitted by the solid-state heat radiator and in turn emits a part to the cooling device. In this way, for example, the radiation conditions in the atmosphere between the approximately to be considered as black radiator earth (solid) and the cold space (cooling device) can be modeled.

Erfindungsgemäß werden mehrere Temperatursensoren zur Erfassung der Probe-Gas-Temperatur in verschiedenen Abständen zwischen Festkörperwärmestrahler und Kühleinrichtung angeordnet.According to the invention, a plurality of temperature sensors for detecting the sample gas temperature are arranged at different distances between the solid-state heat radiator and the cooling device.

Das Probe-Gas mit seinen einzelnen Bestandteilen werden der Messkammer über ein- oder mehrere Gaszuführungen einer Begasungseinrichtung zugeführt und bildet die zu untersuchende Modellatmosphäre. Die Begasungseinrichtung kann dabei auch als Gasauslass genutzt werden oder ein separater Gasauslass ist vorgesehen. Weiterhin sind ein- oder mehrere Feuchtigkeitssensoren zur Bestimmung des Wasseranteils in der Modellatmosphäre und ein- oder mehrere Gassensoren zur Prüfung und Steuerung der Gaszusammensetzung, insbesondere der CO2-Konzentration angeordnet.The sample gas with its individual components are fed to the measuring chamber via one or more gas feeds to a gassing device and forms the model atmosphere to be investigated. The gassing device can also be used as a gas outlet or a separate gas outlet is provided. Furthermore, one or more moisture sensors for determining the water content in the model atmosphere and one or more gas sensors for testing and controlling the gas composition, in particular the CO 2 concentration are arranged.

Erfindungsgemäß sind zwischen der Bodenbaugruppe und die Deckelbaugruppe der Messkammer mehrere Trägerstäbe angeordnet und durch Fixierstreben verbunden. Neben einer Stabilisierungsfunktion der Messkammer dienen die Trägerstäbe und die Fixierstreben zur definierten geometrischen Befestigung der in der Messkammer angeordneten Sensoren.According to the invention, a plurality of support rods are arranged between the base assembly and the cover assembly of the measuring chamber and connected by fixing struts. In addition to a stabilizing function of the measuring chamber, the support rods and the fixing struts serve for the defined geometric attachment of the sensors arranged in the measuring chamber.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung strahlungsinduzierter Wärmeübergänge vom Festkörper in umgebenden Gasen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung. Das Verfahren umfasst folgende wesentlichen Schritte zur Vorbereitung und Durchführung eines Messzyklus mit einer Vielzahl von Messungen in der Messkammer der Messeinrichtung:

  • - die Temperatursensoren werden in einer beliebigen vorgesehenen vertikalen und/oder horizontalen Beabstandung zur Festkörperstrahlungsquelle der Bodenbaugruppe, der Kühleinrichtung und der Außenhülle zur Temperaturerfassung angeordnet, justiert und kalibriert,
  • - die gewünschte Modellatmosphäre in dem Probe-Gasvolumen wird durch Zuführung von einem oder mehreren definierten Gasen, insbesondere von CO2 oder CO2-haltigen Gasmischungen mittels einer Gaszuführung erzeugt,
  • - der Festkörperwärmestrahler und die Kühleinrichtung zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in der Modellatmosphäre werden auf das gewünschte Temperaturniveau eingestellt,
  • - die notwendigen Einstellungen eines stationären thermischen Gleichgewichts in der Modellatmosphäre werden vorgenommen, die Messdaten des Feuchtigkeitssensors ermöglichen es, den Energietransport vom Bodenelement zur Kühleinrichtung, wie einer Eiswanne, zu verfolgen.
  • - das quasistationäre thermische Gleichgewicht in der Modellatmosphäre wird durch weitere Temperatursensoren in der Messkammer überwacht.
The invention also relates to a method for determining radiation-induced heat transfer from the solid in surrounding gases using the measuring device according to the invention. The method comprises the following essential steps for preparing and carrying out a measuring cycle with a plurality of measurements in the measuring chamber of the measuring device:
  • the temperature sensors are arranged, adjusted and calibrated at any intended vertical and / or horizontal spacing from the solid-state radiation source of the base assembly, the cooling device and the outer envelope for temperature detection,
  • the desired model atmosphere in the sample gas volume is produced by supplying one or more defined gases, in particular CO 2 or CO 2 -containing gas mixtures by means of a gas supply,
  • - the solid state heat radiator and the cooling device for generating a temperature gradient in the model atmosphere are set to the desired temperature level,
  • - The necessary settings of a stationary thermal equilibrium in the model atmosphere are made, the measured data of the humidity sensor make it possible to track the energy transport from the bottom element to the cooling device, such as an ice bucket.
  • - The quasi-stationary thermal equilibrium in the model atmosphere is monitored by further temperature sensors in the measuring chamber.

Die Erfindung soll nun anhand von 3 Figuren und mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will now be explained in more detail with reference to 3 figures and several embodiments.

Es zeigen,

  • 1 den grundlegenden Aufbau der Messkammer 1 mit Boden- und Deckelbaugruppe 9, 10
  • 2 die Messkammer 1 mit Temperatursensoren 4 und Wasser-/Trockeneis 17 als Kühlmittel 6,
  • 3 eine weitere Ausführung der Messkammer 1 der Messeinrichtung.
Show it,
  • 1 the basic structure of the measuring chamber 1 with bottom and lid assembly 9 . 10
  • 2 the measuring chamber 1 with temperature sensors 4 and water / dry ice 17 as a coolant 6 .
  • 3 another version of the measuring chamber 1 the measuring device.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt die Messeinrichtung über eine Messkammer 1, welche vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist und durch eine Bodenbaugruppe 9 und einer Deckelbaugruppe 10 begrenzt wird (1). Beide Baugruppen 9, 10 werden durch vier symmetrisch verteilte Trägerstäbe 11 beabstandet und schließen gemeinsam mit der Außenhülle 7 das zu untersuchende Probe-Gasvolumens 2 ein. Die Bodenbaugruppe 9 verfügt über eine Aufnahmekammer 18 zur Aufnahme eines Festkörperwärmestrahlers 5, wie etwa einen keramischen Festkörperwerkstoff 16.In a preferred embodiment of the invention, the measuring device has a measuring chamber 1 , which is preferably cylindrical in shape and by a bottom assembly 9 and a lid assembly 10 is limited ( 1 ). Both modules 9 . 10 are divided by four symmetrically distributed support rods 11 spaced and close together with the outer shell 7 the sample gas volume to be examined 2 on. The floor assembly 9 has a receiving chamber 18 for receiving a solid state heat radiator 5 , such as a ceramic solid state material 16 ,

Die Aufnahmekammer 18 kann beheizbar ausgebildet sein, um verschiedene Temperaturniveaus des Festkörperwärmestrahlers 5 zu realisieren.The reception chamber 18 can be designed to be heated, to different temperature levels of the solid state heat radiator 5 to realize.

Zur Einhaltung einer konstanten Temperatur im Probe-Gasvolumen 2 können eine Wärmedämmung und Isolierung der beteiligten Hüllenbauteile 7, 9, 10 vorgesehen werden.To maintain a constant temperature in the sample gas volume 2 can provide thermal insulation and insulation of the shell components involved 7 . 9 . 10 be provided.

Erfindungsgemäß sind die Trägerstäbe 11 in verschiedenen Höhen untereinander mit Fixierstreben 14 verbunden (1, 2). Diese dienen nicht nur der Stabilität des modularen Aufbaus der Messkammer 1, sondern ermöglichen auch die flexible Anordnung von Temperatursensoren 4 in der Messkammer 1, die an den Fixierstreben 14 befestigt werden können (2). Beispielhaft können jeweils 2 von insgesamt 6 Fixierstreben 14 in Höhen von 120 mm, 300 mm und 450 mm über der Bodenbaugruppe 9 angeordnet sein.According to the invention, the support rods 11 at different heights with each other with fixing struts 14 connected ( 1 . 2 ). These not only serve the stability of the modular construction of the measuring chamber 1 but also allow the flexible arrangement of temperature sensors 4 in the measuring chamber 1 attached to the fixation struts 14 can be fixed ( 2 ). By way of example, 2 of a total of 6 Fixierstreben 14 at heights of 120 mm, 300 mm and 450 mm above the floor assembly 9 be arranged.

Vorzugsweise sind zur Temperaturerfassung einer erzeugten Modellatmosphäre 3 ein Thermoelement 4 unmittelbar über dem Festkörperwärmestrahler 5 und ein oder mehrere Thermoelemente 4 in Höhe von 50 mm darüber angeordnet.Preferably, for the temperature detection of a generated model atmosphere 3 a thermocouple 4 immediately above the solid state heat radiator 5 and one or more thermocouples 4 arranged at a height of 50 mm above it.

Zur Überwachung eines für den Messprozess wichtigen stationären Temperaturgleichgewichts innerhalbeiner Fläche parallel zur senkrechten Achse der Messkammer können weitere 4 Temperatursensoren, etwa in einer Höhe von 100 mm oder 120 mm über der Bodenbaugruppe 9 angeordnet werden.To monitor a stationary temperature equilibrium, which is important for the measuring process, within a surface parallel to the vertical axis of the measuring chamber, another 4 temperature sensors, for example at a height of 100 mm or 120 mm above the bottom module, can be used 9 to be ordered.

So kann der sich einstellende Temperaturgradient abgetastet werden.This allows the temperature gradient to be sampled.

Die Sensoren 12, 13 für Gas und Feuchtigkeit (CO2, H2O) sind an der Innenseite der Außenhülle befestigt oder in diese integriert (2).The sensors 12 . 13 for gas and moisture (CO 2 , H 2 O) are attached to the inside of the outer shell or integrated into it ( 2 ).

Zur Zuführung der Probe-Gase 3 verfügt die Bodenbaugruppe 9 über eine Begasungseinrichtung 8 mit einem Gas-Einlass 15, der hier als Begasungsring 15 ausgebildet ist.For feeding the sample gases 3 has the bottom assembly 9 via a gassing device 8th with a gas inlet 15 who is here as a fumigation ring 15 is trained.

Es gehört jedoch auch in den Bereich der Erfindung, andere Begasungs- und Entlüftungsvarianten vorzusehen, bei denen etwa abgedichtete Gas-Einlass- und Gas-Auslassöffnungen 15 in der Außenhülle 7 oder in der Bodenbaugruppe 9 vorgesehen sind.However, it is also within the scope of the invention to provide other aeration and bleeding variants, such as gas sealed inlet and gas outlets 15 in the outer shell 7 or in the floor assembly 9 are provided.

Da zur Herstellung einer Modellatmosphäre 3 eine Temperatursenke realisiert werden muss, ist in der Deckelbaugruppe 10 eine Kühleinrichtung 6 vorgesehen. Diese Temperatursenke kann auf einfache Art durch entsprechende Kühlmittel 17, wie Eiswürfel oder Trockeneis realisiert werden oder ein entsprechend ausgeführtes elektrisches Kälteaggregat wird in die Deckelbaugruppe integriert.As for the production of a model atmosphere 3 a temperature sink must be realized is in the lid assembly 10 a cooling device 6 intended. This temperature sink can easily by appropriate coolant 17 how ice cubes or dry ice are realized or an appropriately designed electric refrigeration unit is integrated into the lid assembly.

Die erfindungsgemäße Messeinrichtung verfügt weiterhin über mehrere Sensoren oder Sonden zur Erfassung von Temperatur- Feuchtigkeits- und Gas-Konzentrationsdaten, welche über Öffnungen in der Außenhülle 7 oder der Bodenbaugruppe 9 oder befestigt an den Fixierstreben 14 oder an einer anderen geeigneten Innenkonstruktion die entsprechenden Werte innerhalb der Messeinrichtung erfassen und entsprechende Datenkabel in das Probe-Gasvolumen 2 der Messkammer 1 geführt sind. Die erfassten Messwerte werden durch angeschlossenen Datenlogger und Computer verarbeitet.The measuring device according to the invention also has a plurality of sensors or probes for detecting temperature-humidity and gas concentration data, which via openings in the outer shell 7 or the floor assembly 9 or attached to the fixing struts 14 or on another suitable internal construction, acquire the corresponding values within the measuring device and corresponding data cables into the sample gas volume 2 the measuring chamber 1 are guided. The acquired measured values are processed by connected dataloggers and computers.

Wird die Messkammer 1 gasdicht/vakuumdicht gestaltet und verfügt über entsprechende Vakuumanschlüsse lassen sich auch andere Modellatmosphären 3 und Strahlungswärmeübergänge realisieren. Will the measuring chamber 1 designed gas-tight / vacuum-tight and has appropriate vacuum connections can be used also other model atmospheres 3 and realize radiant heat transfers.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird die Außenhülle 7 der Messkammer 1 durch ein KG-Rohrabschnitt mit einem beispielhaften Durchmesser von 150 mm gebildet, der vollständig auf einer keramischen Bodenfliese 16 als Festkörperwärmestrahler 5 angeordnet, etwa geklebt ist (3). Dabei kann die als Bodenbaugruppe 9 ausgebildete Bodenfliese 16 über den Umfang der Außenhülle 7 hinausragen um den Wärmetransport aus der Raumtemperatur der Umgebung zu ermöglichen.In a further preferred embodiment of the invention, the outer shell becomes 7 the measuring chamber 1 formed by a KG pipe section with an exemplary diameter of 150 mm, which is completely on a ceramic floor tile 16 as a solid heat radiator 5 arranged, glued about ( 3 ). It can be used as a floor assembly 9 trained floor tile 16 over the circumference of the outer shell 7 protrude to allow the heat transfer from the room temperature of the environment.

Die Deckelbaugruppe 10 ist hier als flüssigkeitsdichte Eiswanne 6 ausgebildet und mit dem Rohrabschnitt der Außenhülle 7 dicht verbunden.The cover assembly 10 is here as a liquid-tight ice bucket 6 formed and with the pipe section of the outer shell 7 tightly connected.

Dabei wird etwa das obere Ende des als Außenhülle 7 fungierenden KG-Rohr mit einem Kragen aus Polykarbonat als Klebdichtung versehen, sowie mit Dichtband, wie etwa mit „Tesa-Gewebeband-strong“ fixiert.This is about the upper end of the outer shell 7 KG pipe provided with a collar made of polycarbonate as an adhesive seal, as well as with sealing tape, such as fixed with "Tesa-Gewebeband-strong".

Die als Thermoelemente 4 ausgebildeten Temperatursensoren sind zur Erfassung der Temperatur der keramischen Bodenfliese 16 als Festkörperwärmestrahler 5 direkt auf der Fliese und 50 mm darüber angeordnet. Dabei können auch jeweils zwei oder mehr Thermoelemente 4, wie in 3 dargestellt, in definierten Höhen angeordnet werden.The as thermocouples 4 trained temperature sensors are for detecting the temperature of the ceramic floor tile 16 as a solid heat radiator 5 placed directly on the tile and 50 mm above it. In this case, in each case two or more thermocouples 4 , as in 3 represented, are arranged at defined heights.

Die in einer bestimmten Messhöhe angeordneten Thermoelemente 4 sind mechanisch an einen Haltestab 19 befestigt.The thermocouples arranged at a certain measuring height 4 are mechanically attached to a retaining bar 19 attached.

Dabei erfolgt die Anordnung der Thermoelemente 4 derart, dass der Strahlengang der der Bodenfliese 16 in das Probe-Gasvolumen 2 frei bleibt.The arrangement of the thermocouples takes place 4 such that the beam path of the floor tile 16 into the sample gas volume 2 remains free.

Um etwa den Einfluss von verschiedenen CO2-Konzentrationen in einer der Erdatmosphäre angepassten Gaszusammensetzung zu simulieren und messtechnisch zu erfassen, ist zur Bestimmung des CO2-Anteils ein, als CO2-Sensor 12 ausgebildeter Gassensor in die Wandung der Außenhülle 7 eingeklebt, ebenso wie ein Feuchtigkeits- oder H2O-Sensor 13. Beide Sensoren 12, 13 sind über ihre Messkabel durch die Außenhülle 7 zur Messwerterfassung und Auswertung über 3 analoge Datenlogger und jeweils über 4 Eingänge an einen Computer oder Laptop mit der entsprechend zugehörigen Software angeschlossen. Es können auch jeweils mehrere CO2-Sensoren 12 oder H2O-Sensoren 13 verwendet werden.In order to simulate, for example, the influence of different CO 2 concentrations in a gas composition adapted to the atmosphere of the earth, a gas sensor designed as CO 2 sensor 12 is provided in the wall of the outer shell for determining the CO 2 content 7 glued, as well as a humidity or H 2 O sensor 13 , Both sensors 12 . 13 are via their measuring cables through the outer shell 7 for data acquisition and evaluation via 3 analogue data loggers and in each case via 4 inputs connected to a computer or laptop with the according software. There can also be several CO 2 sensors each 12 or H 2 O sensors 13 be used.

Die Kühleinrichtung 6 wird in dieser Ausführungsform durch eine flüssigkeitsdichte Eiswanne oder Kühlwanne mit Wassereis als Kühlmittel 17 gebildet.The cooling device 6 is in this embodiment by a liquid-tight ice bucket or cooling trough with water ice as a coolant 17 educated.

Auch in dieser Ausführungsform wird eine Wärmedämmung der Messkammer 1 zur Stabilisierung der Temperatur des Probe-Gases 3 sowie zum Ausschluss von Wandeffekten, die das quasistationäre Temperaturfeld beeinflussen, vorgesehen. So kann etwa die Wärmedämmung der Innenwand der Messkammer 1 in einfacher Weise durch handelsübliche Materialienaus dem Heizungsbau aus 6 mm PU Schaum bestehen.Also in this embodiment, a thermal insulation of the measuring chamber 1 for stabilizing the temperature of the sample gas 3 and to exclude wall effects that affect the quasistationary temperature field. For example, the thermal insulation of the inner wall of the measuring chamber 1 consist of 6 mm PU foam in a simple way by commercially available materials from the heating industry.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Durchführung der Messungen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung strahlungsinduzierter Wärmeübergänge vom Festkörper in die Gase mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ist dabei durch verschiedenen Vorbereitungs- und Verfahrensschritte geprägt.The present invention also relates to a method for carrying out the measurements. The inventive method for determining radiation-induced heat transfer from the solid into the gases with the measuring device according to the invention is characterized by various preparation and process steps.

Zur Simulierung des durch die Infrarotstrahlung eines Festkörpers induzierten Wärmeübergangs in eine unmittelbar darüber liegende Modellatmosphäre, muss diese zunächst definiert und im Probe-Gasvolumen 2 erzeugt werden.To simulate the heat transfer induced by the infrared radiation of a solid in an immediately above model atmosphere, it must first be defined and in the sample gas volume 2 be generated.

Dazu verfügt die Messeinrichtung über eine Begasungseinrichtung 8 und über ein- oder mehrere Gas-Zuführungs- und Gas-Ablassanschlüsse 15. So kann die Gaszuführung in die Messkammer 1 etwa über einen Begasungsring 15 (1) in der Bodenbaugruppe 9 erfolgen.For this purpose, the measuring device has a gassing device 8th and via one or more gas supply and gas discharge ports 15 , So can the gas supply into the measuring chamber 1 about a gassing ring 15 ( 1 ) in the floor assembly 9 respectively.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform soll die Klimarelevanz von CO2 in der Erdatmosphäre (unmittelbar) über dem Erdboden simuliert werden.In a particularly preferred embodiment, the climatic relevance of CO 2 in the earth's atmosphere (directly) above the ground is to be simulated.

Dazu nimmt die Messkammer 1 die normale Umgebungsatmosphäre auf.The measuring chamber takes this 1 the normal ambient atmosphere.

Eine variable CO2-Konzentration kann durchCO2-Zugabe etwa auf einfache Art über die Zuführung von Atemluft (ca. 4 % CO2) erfolgen.A variable CO2 concentration can by co 2 addition as easily on the supply of breathing air (about 4% CO2) done.

Hiermit lassen sich CO2-Anteile bis 2500 ppm gut einstellen.This makes it easy to adjust CO 2 levels up to 2500 ppm.

Die Zumischung von CO2 und die Einstellung der erforderlichen Luftfeuchtigkeit lassen sich aber auch durch Injektion von reinem CO2 und Wasser in den Innengasraum (Probe-Gasvolumen 2) oder mit im Handel erhältlichen synthetischen Luftgemischen, etwa von der Fa. Linde realisieren. Der CO2-Anteil kann über die Messwerte der CO2-Sensoren12 eingestellt werden. Die Nachjustierung der relativen Luftfeuchtigkeit erfolgt durch die Injektion von temperierten (55 C°) Wasser in die Modellatmosphäre 3.The admixture of CO 2 and the adjustment of the required humidity can also be by injection of pure CO 2 and water in the inner gas space (sample gas volume 2 ) or with commercially available synthetic air mixtures, for example from Linde. The CO 2 content can be measured via the measured values of the CO 2 sensors 12 be set. The readjustment of the relative Humidity is achieved by injecting temperate (55 C °) water into the model atmosphere 3 ,

Um etwa den Einfluss von CO2 auf den strahlungsinduzierten Wärmeübergang des Festkörperwärmestrahlers 5 in die Modellatmosphäre 3 und zur Eiswanne zu bestimmen, wird der CO2-Gehalt bei definiert eingestellter Luftfeuchtigkeit der Modellatmosphäre 3 in mehreren Messzyklen variiert und die entsprechenden Temperaturkurven der Thermoelemente 4 aufgenommen und ausgewertet.For example, the influence of CO 2 on the radiation-induced heat transfer of the solid state heat radiator 5 in the model atmosphere 3 and to determine the ice bucket, the CO 2 content at defined humidity of the model atmosphere 3 varies in several measuring cycles and the corresponding temperature curves of the thermocouples 4 recorded and evaluated.

Hier hat sich in zahlreichen Messreihen gezeigt, dass die CO2-Konzentration zumindest in dem Bereich bis 1700 ppm, keine Veränderung der Energieübertragung vom Festkörperwärmestrahler 5 zur Deckelbaugruppe 10 bewirkt.It has been shown in numerous series of measurements that the CO 2 concentration at least in the range up to 1700 ppm, no change in energy transfer from the solid state heat radiator 5 to the cover assembly 10 causes.

Vor Beginn jeder Messung müssen bestimmte Parameter die Messkammer 1 eingestellt werden.Before starting any measurement, certain parameters must be in the measuring chamber 1 be set.

Dazu wird ein dem Erdboden vergleichbarer Wärmestrahler, vorzugsweise ein Keramikelement 5 als Festkörperwärmestrahler 5 in der dafür vorgesehenen Aufnahmekammer 18 der Bodenbaugruppe 9 angeordnet und auf eine bestimmte Temperatur mit bekannter Strahlungscharakteristik gebracht. Das kann vorzugsweise auch die Raumtemperatur der Umgebung sein. Es liegt auch im Bereich der Erfindung eine Heizeinrichtung für die Bodenbaugruppe 9 vorzusehen, mit welcher sich unterschiedliche Temperaturen des Festkörperwärmestrahlers 5 erzeugen lassen. Das die Erdoberfläche umgebende Weltall wird durch die Kühleinrichtung 6 der Messkammer 1 simuliert, welche die Modellatmosphäre abkühlt und einen Temperaturgradienten in dem Probe-Gasvolumen 2 erzeugt.For this purpose, a ground radiator comparable heat radiator, preferably a ceramic element 5 as a solid heat radiator 5 in the designated receiving chamber 18 the floor assembly 9 arranged and brought to a certain temperature with known radiation characteristics. This may preferably also be the room temperature of the environment. It is also within the scope of the invention, a heater for the bottom assembly 9 to provide, with which different temperatures of the solid state heat radiator 5 let generate. The space surrounding the Earth's surface is through the cooling device 6 the measuring chamber 1 which cools the model atmosphere and a temperature gradient in the sample gas volume 2 generated.

Die Kühleinrichtung 6 kann erfindungsgemäß mit verschiedenen Kühlmitteln 17 betrieben werden. So kann das Probe-Gasvolumen 2 im Bereich der Deckelbaugruppe 10 unter Verwendung von Wassereiswürfeln auf etwa 0 C°abgekühlt werden. Es kann aber auch die Verwendung von Trockeneis (2) oder einer elektrischen Kühleinrichtung 6 zur Erzeugung weiterer Temperaturgradienten vorgesehen werden.The cooling device 6 can according to the invention with different coolants 17 operate. So can the sample gas volume 2 in the area of the cover assembly 10 be cooled to about 0 C ° using water ice cubes. But it can also be the use of dry ice ( 2 ) or an electrical cooling device 6 be provided for generating further temperature gradients.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind weitere Temperatursensoren 4 in der Messkammer 1 zur Temperaturerfassung an unterschiedlichen Messpunkten der Modellatmosphäre 3 vorgesehen.In a preferred embodiment, further temperature sensors are 4 in the measuring chamber 1 for temperature detection at different measuring points of the model atmosphere 3 intended.

So werden etwa 4 Temperatursensoren zur Überwachung der Stabilität des thermischen Gleichgewichts verwendet und sind in einer Höhe von etwa 100 mm über dem Festkörperwärmestrahler 5 angebracht.Thus, about 4 temperature sensors are used to monitor the stability of the thermal equilibrium and are at a height of about 100 mm above the solid state heat radiator 5 appropriate.

Vor Beginn jedes Messzyklus muss die erzeugte Modellatmosphäre 3 in ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Festkörperwärmestrahler 5 und der Kühleinrichtung 6 gebracht werden.Before the start of each measurement cycle, the generated model atmosphere 3 in a thermal equilibrium between the solid state heat radiator 5 and the cooling device 6 to be brought.

Vorzugsweise wird hier die Raumtemperatur der Bezug sein.Preferably, the room temperature will be the reference here.

Das sich einstellende quasistationäre thermische Gleichgewicht ist insbesondere interessant über dem Festkörperwärmestrahler 5, also oberhalb des Keramikelements 16 oder einer keramischen Bodenfliese 16, je nach Verwendung.The resulting quasi-stationary thermal equilibrium is of particular interest over the solid state heat radiator 5 , ie above the ceramic element 16 or a ceramic floor tile 16 , depending on use.

In der Modellatmosphäre 3 ist Wasser ein bestimmender Faktor für den Energietransfer, wie auch in der realen Atmosphäre, in der die leichteren H2O-Moleküle für eine Labilisierung sorgen.In the model atmosphere 3 Water is a determining factor for the energy transfer, as well as in the real atmosphere, where the lighter H 2 O molecules provide for a stabilization.

Die Abkühlung der Modellatmosphäre 3 durch die Kühleinrichtung 6 bewirkt eine Absenkung der relativen Feuchte durch Kondensation der H2O-Moleküle an der Kühleinrichtung 6.The cooling of the model atmosphere 3 through the cooling device 6 causes a lowering of the relative humidity by condensation of the H 2 O molecules at the cooling device 6 ,

Für die üblichen Messprozesse haben sich absolute Feuchtigkeitsmengen von etwa 9-14 mg/dm3 als Standard-Anwendungsbereich erwiesen.Absolute moisture levels of about 9-14 mg / dm 3 have proven to be the standard range of application for conventional measurement processes.

Durch diese Fixierung der H2O-Moleküle an der Kühleinrichtung 6, wird der Modellatmosphäre 3 Energie entzogen.By this fixation of the H 2 O molecules to the cooling device 6 , the model atmosphere becomes 3 Deprived of energy.

Das führt zu Minimierung des Wärmeaustauschs durch intermolekulare Prozesse zwischen dem Festkörperwärmestrahler 5 und der Modellatmosphäre 3. Da in der realen Atmosphäre die Wärmestrahlung bei geringer Luftfeuchtigkeit der bestimmende Faktor ist, wird der Wärmeübergang des Festkörperwärmestrahlers 5 in die Modellatmosphäre 3 nunmehr fast vollständig durch Wärmestrahlung bestimmt.This leads to minimization of heat exchange by intermolecular processes between the solid state heat radiator 5 and the model atmosphere 3 , Since in the real atmosphere, the heat radiation at low humidity is the determining factor, the heat transfer of the solid-state heat radiator 5 in the model atmosphere 3 now almost completely determined by thermal radiation.

Im Weiteren wird auf die Ausgestaltung der Messzyklen beschrieben.The text below describes the design of the measuring cycles.

Nach Ablauf der vorbeschriebenen Vorbereitungen und Justierungen an der Messkammer 1, beginnen nach Einstellung eines quasi-thermischen Gleichgewichts in der Modellatmosphäre 3 die entsprechenden Messzyklen. Es werden vorzugsweise der Temperaturverlauf der Thermoelemente 4, die CO2-Konzentration sowie die rel. Feuchte in der Messkammer 1 nach dem Startpunkt des Messzyklus aufgezeichnet. Dabei wird jeweils ein Messwert pro Sensor und pro Sekunde erfasst, gespeichert und in ein Diagramm geschrieben. Ein Messzyklus umfasst vorzugsweise 1000 Messungen, dauert also etwa 1000 Sekunden.After expiry of the above preparations and adjustments to the measuring chamber 1 , begin after setting a quasi-thermal equilibrium in the model atmosphere 3 the corresponding measuring cycles. It is preferably the temperature profile of the thermocouples 4 , the CO 2 concentration and the rel. Humidity in the measuring chamber 1 recorded after the starting point of the measuring cycle. In each case one measured value per sensor and per second is recorded, saved and written in a diagram. A measuring cycle preferably comprises 1000 measurements, ie takes about 1000 seconds.

Es sind aber auch andere geeignete Messzyklen entsprechend der jeweiligen Messaufgabe möglich und einstellbar.However, other suitable measuring cycles corresponding to the respective measuring task are possible and adjustable.

Der Startpunkt einer Messung wird durch die Temperatur der Kühleinrichtung bestimmt und erfolgt, wenn sich die Temperatur um 0,5 C°erniedrigt hat.The starting point of a measurement is determined by the temperature of the cooling device and takes place when the temperature has decreased by 0.5 C °.

Die CO2 Konzentration kann im Rahmen der Gasdichtigkeit stabil gehalten werden.The CO 2 concentration can be kept stable in the context of gas-tightness.

Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt nach folgenden Verfahren.The evaluation of the measurement results is carried out according to the following procedure.

Die Messwerte der Temperatursensoren 4, der Gassensoren 12 und der Feuchtigkeitssensoren 13 in der Messkammer 1 werden vorzugsweise über 3 analoge Datenlogger mit jeweils 4 Eingängen- zeitlich synchronisiert -erfasst und über einen PC oder Laptop ausgewertet. Jeder Eingang also auch CO2 und die relative Feuchte in der Modellatmosphäre liefern in der bevorzugten Ausführungsweise pro Sekunde einen Messwert.The measured values of the temperature sensors 4 , the gas sensors 12 and the humidity sensors 13 in the measuring chamber 1 are preferably synchronized via 3 analogue data loggers with 4 inputs each time-recorded and evaluated via a PC or laptop. Each input also CO 2 and the relative humidity in the model atmosphere provide in the preferred embodiment per second a reading.

Zur Aufzeichnung und Auswertung werden die Programme HOBOwareund Excel verwendet.The HOBOware and Excel programs are used for recording and evaluation.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Messeinrichtung mit der Messkammer 1 transportfähig für deren Aufstellung an verschiedenen Einsatzorten ausgeführt. Dazu kann etwa eine Transportkiste zur Aufnahme der Messkammer 1 und der Datenlogger vorgesehen sein.In a further advantageous embodiment of the invention, the measuring device with the measuring chamber 1 transportable for their installation at different locations. This can be about a transport box for receiving the measuring chamber 1 and the data logger be provided.

Dabei kann die Wärmezufuhr zum Festkörperwärmestrahler 5 durch eine Varianz des Festkörpers - beispielsweise durch ein zusätzliches Sandbett o.ä.in der Transportkiste und generell erreicht werden.In this case, the heat supply to the solid heat radiator 5 be achieved by a variance of the solid - for example, by an additional sand bed or similar in the transport box and in general.

Die vorliegende Erfindung weist insbesondere folgende Vorteile auf.The present invention has the following advantages in particular.

Mit der vorliegenden erfinderischen Messeinrichtung und dem Verfahren zur Durchführung der Messungen lassen sich Wärmeübergänge durch Infrarotstrahlung vom Festkörper, wie etwa festem Erdboden oder auch Wasseroberflächen, in Gase, wie der Erdatmosphäre simulieren und deren Temperaturverhalten untersuchen. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, den thermischen Einfluss weiterer Gase, die auch als klimarelevant gelten und in beliebiger Konzentration in die Modellatmosphäre der Messkammer eingebracht werden können zu untersuchen. Neben den für die Absorption von Infrarotstrahlung wichtigen Wasserdampf soll auch CO2 eine bedeutende Rolle als Treibhausgas spielen.With the present inventive measuring device and the method for carrying out the measurements, heat transfer can be simulated by infrared radiation from the solid, such as solid soil or water surfaces, in gases such as the earth's atmosphere and investigate their temperature behavior. It is particularly advantageous to investigate the thermal influence of other gases, which are also considered climate-relevant and can be introduced in any concentration in the model atmosphere of the measuring chamber. In addition to the important for the absorption of infrared radiation water vapor also CO 2 play an important role as a greenhouse gas.

Für die Bewertung der Messergebnisse ist die Konsequenz einer ubiquitären physikalischen Situation wichtig. Wenn in der definierten Modellatmosphäre die Abkühlung eines Festkörpers nur durch Wassermoleküle bestimmt wird und durch variable CO2 Konzentrationen keine Veränderung auftritt, dann kann eine Klimasensivität gegenüber CO2generell nicht gegeben sein.For the evaluation of the measurement results the consequence of a ubiquitous physical situation is important. If, in the defined model atmosphere, the cooling of a solid is only determined by water molecules and no change occurs due to variable CO 2 concentrations, then a climate sensitivity to CO 2 can generally not be present.

Die in den Abkühlungsprozess eingebrachte CO2 - Konzentration verändert nicht die in der Messkammer übertragene Energiemenge, ist also an dem Wärmeübergang vom Festkörper in die Gasphase nicht beteiligt.The CO 2 concentration introduced into the cooling process does not change the amount of energy transferred in the measuring chamber, ie it is not involved in the heat transfer from the solid to the gas phase.

Dies wurde ermittelt im Bereich von ca. 2,5 ppm bis 1750 ppm CO2- Konzentration.This was determined in the range of about 2.5 ppm to 1750 ppm CO 2 concentration.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Messkammermeasuring chamber
22
Probe-GasvolumenSample gas volume
33
Probe-Gas, ModellatmosphäreSample gas, model atmosphere
44
Temperatursensoren, ThermoelementeTemperature sensors, thermocouples
55
Festkörperwärmestrahler (Infrarot-Strahlenquelle), Keramikelement 16Solid state heat radiator (infrared radiation source), ceramic element 16
66
Kühleinrichtung, Kühlwanne (Eisbehälter, Kälteaggregat, Trockeneis)Cooling device, cooling trough (ice container, refrigeration unit, dry ice)
77
Außenhülle, Außenwand der Messkammer, KG-RohrOuter shell, outer wall of the measuring chamber, KG tube
88th
Begasungseinrichtung (auch Gasflaschen, Schläuche, Ein- und Auslass)Fumigation device (also gas cylinders, hoses, inlet and outlet)
99
Bodenbaugruppe mit Festkörperwärmestrahler 5Floor assembly with solid heat radiator 5
1010
Deckelbaugruppe mit Kühleinrichtung 6 und Kühlmittel 17 Lid assembly with cooling device 6 and coolant 17
1111
Trägerstäbe, AbstandshalterSupport rods, spacers
1212
Gassensor, CO2-SensorGas sensor, CO 2 sensor
1313
Feuchtigkeitssensor, H2O-SensorMoisture sensor, H 2 O sensor
1414
Fixierstreben, vertikal verstellbarFixing struts, vertically adjustable
1515
Gaszuführung, Begasungsring, (Anschlüsse in 7 oder 9 der Messkammer 1 Gas supply, gas ring, (connections in 7 or 9 the measuring chamber 1
1616
keramische Bodenfliese (als Festkörperwärmestrahler 5)Ceramic floor tile (as a solid heat radiator 5 )
1717
Kühlmittel, Trockeneis, Wassereis o.ä.Coolant, dry ice, water ice or similar
1818
Aufnahmekammer für 5 Receiving chamber for 5
1919
Haltestab in der Messkammer 1 für Temperatursensoren 4 Holding rod in the measuring chamber 1 for temperature sensors 4

Claims (13)

Messeinrichtung zur Bestimmung strahlungsinduzierter Wärmeübergänge vom Festkörper in Gase dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine geschlossene Messkammer (1) für ein Probe-Gasvolumen (2) zur Aufnahme eines Probe-Gases (3), eine Begasungseinrichtung (8), ein- oder mehrere Temperatursensoren (4), sowie ein Festkörperwärmestrahler (5) und eine Kühleinrichtung (6) aufweist, wobei das Probe-Gasvolumen (2) zwischen dem Festkörperwärmestrahler (5) und der Kühleinrichtung (6) angeordnet ist, wobei die Begasungseinrichtung (8) ein- oder Mehrere Anschlüsse (15) der Messkammer (1) zur Zuführung und/oder zum Ablass von Probe-Gasen (3), sowie ein- oder mehrere Feuchtigkeitssensoren (13) und ein- oder mehrere Gassensoren (12) zur Bestimmung des Wasseranteils und der Gaszusammensetzung des Probe-Gasvolumen (2) aufweist.Measuring device for determining radiation-induced heat transfer from solid to gas, characterized in that the measuring device is a closed measuring chamber (1) for a sample gas volume (2) for receiving a sample gas (3), a gassing device (8), one or more temperature sensors (4), and a solid-state heat radiator (5) and a cooling device (6), wherein the sample gas volume (2) between the solid-state heat radiator (5 ) and the cooling device (6) is arranged, wherein the gassing device (8) one or more connections (15) of the measuring chamber (1) for supplying and / or discharging sample gases (3), and one or more moisture sensors (13) and one or more gas sensors (12) for determining the water content and the gas composition of the sample gas volume (2). Messeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Messkammer (1) zylinderförmig ausgebildet ist, mit einer Außenhülle (7), einer Bodenbaugruppe (9), welche mindestens einem integrierten Festkörperwärmestrahler (5) aufweist, sowie eine Deckelbaugruppe (10) mit einer integrierten Kühleinrichtung (6), wobei für die Außenhülle (7), die Bodenbaugruppe (9) und die Deckelbaugruppe (10) eine Wärmedämmung vorgesehen ist.Measuring device according to Claim 1 characterized in that measuring chamber (1) is cylindrical, with an outer shell (7), a bottom assembly (9) having at least one integrated solid heat radiator (5), and a cover assembly (10) with an integrated cooling device (6), wherein for the outer shell (7), the bottom assembly (9) and the cover assembly (10) is provided a thermal insulation. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenbaugruppe (9) und die Deckelbaugruppe (10) der Messkammer (1) durch mehrere Trägerstäbe (11) und Fixierstreben (14) gehalten und zur Bildung des Probe-Gasvolumens (2) voneinander beabstandet sind, wobei die mehreren Trägerstäbe (11) und die Fixierstreben (14) zur Stabilisierung und definierten geometrischen Befestigung der Sensoren (4, 12, 13) im Probe-Gasvolumen (2) ausgebildet, angeordnet und miteinander verbunden sind.Measuring device according to Claim 2 characterized in that the bottom assembly (9) and the lid assembly (10) of the measuring chamber (1) are held by a plurality of support rods (11) and fixing struts (14) and spaced apart to form the sample gas volume (2) Support rods (11) and the fixing struts (14) for stabilizing and defined geometric attachment of the sensors (4, 12, 13) in the sample gas volume (2) are formed, arranged and interconnected. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenbaugruppe (9) und der Festkörperwärmestrahler (5) durch eine keramische Bodenfliese (16), die Deckelbaugruppe (10) mit Kühleinrichtung (6) durch eine Kühlwanne (6) für ein Kühlmittel (17) und die Außenhülle (7) zwischen Bodenfließe (16) und Kühlwanne (6) durch einen Plexiglas- oder PVC-Zylinder (7) gebildet werden, wobei die keramische Bodenfliese (16) als Festkörperwärmestrahler (5) zur Wärmeaufnahme mit der Umgebung in Kontakt steht.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the bottom assembly (9) and the solid-state heat radiator (5) by a ceramic floor tile (16), the cover assembly (10) with cooling device (6) by a cooling trough (6) for a coolant ( 17) and the outer shell (7) between the bottom flows (16) and cooling trough (6) by a plexiglass or PVC cylinder (7) are formed, wherein the ceramic floor tile (16) as a solid heat radiator (5) for heat absorption with the environment in Contact stands. Messeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren als Thermoelemente (4) ausgebildet sind und zur Erfassung der Probe-Gas-Temperatur direkt auf die Bodenfliese (16) und in einer Höhe von 50 mm darüber angeordnet sind, der oder die Gassensoren als CO2-Sensoren (12) ausgebildet sind und ebenso wie der Feuchtigkeitssensor (13) durch eine Öffnung der zylindrischen Außenhülle (7) zur Messwerterfassung in das Probe-Gasvolumen (2) hineinragen, oder an deren Innenseite oder an einer anderen geeigneten Innenkonstruktion befestigt sind.Measuring device according to Claim 4 , characterized in that the temperature sensors are formed as thermocouples (4) and are arranged for detecting the sample gas temperature directly on the floor tile (16) and at a height of 50 mm above, the or the gas sensors as CO 2 sensors (12) are formed and as well as the moisture sensor (13) through an opening of the cylindrical outer shell (7) protrude into the sample gas volume (2) for measured value detection, or are secured to the inside or to another suitable internal structure. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (6) als elektrische Kühleinrichtung oder flüssigkeitsdichte Wanne zur Aufnahme von Kühlmitteln (17), wie Wassereis oder Trockeneis ausgebildet ist, der Festkörperwärmestrahler (5) in Form einer keramischen Bodenfliese (16) in einer Aufnahmekammer (18) der Bodenbaugruppe (9) oder in größerer Abmessung direkt als Bodenbaugruppe (9) ausgebildet ist.Measuring device according to Claim 3 , characterized in that the cooling device (6) is designed as an electric cooling device or liquid-tight trough for accommodating coolants (17), such as water ice or dry ice, the solid state heat radiator (5) in the form of a ceramic floor tile (16) in a receiving chamber (18). the floor assembly (9) or in larger dimension directly as a floor assembly (9) is formed. Messeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Bodenbaugruppe (9) und die ringförmige Deckelbaugruppe (10) durch vier Trägerstäbe (11) und sechs Fixierstreben (14) in einem maximalem Abstand von 560 mm gehalten werden, wobei die Bodenbaugruppe (9) eine Aufnahmekammer (18) für einen Festkörperwärmestrahler (5, 16) und einen Begasungsring (15) aufweist und die Deckelbaugruppe (10) eine Kühlwanne (6) für Trockeneins (16) aufweist, wobei die sechs Fixierstreben (14) die vier Trägerstäbe (11) miteinander verbinden und jeweils in Höhen von 120 mm, 300 mm und 450 mm von der Bodenbaugruppe (9) beabstandet sind, wobei diese Höhen durch die bewegliche Fixierung der Fixierstreben an die Trägerstäbe einstellbar sind, wobei weitere 4 Thermoelemente (4) zur Überwachung des thermischen Gleichgewichts des Probe-Gases (3) in 100 mm Höhe über dem Festkörperwärmestrahler (5, 16) der Bodenbaugruppe angeordnet ist.Measuring device according to Claim 6 characterized in that the annular bottom assembly (9) and the annular lid assembly (10) are held by a maximum of 560 mm by four support bars (11) and six fixing stays (14), the floor assembly (9) comprising a receiving chamber (18 ) for a solid state heat radiator (5, 16) and a gassing ring (15) and the cover assembly (10) comprises a cooling trough (6) for dry one (16), wherein the six fixing struts (14) connect the four support rods (11) and each at heights of 120 mm, 300 mm and 450 mm from the bottom assembly (9) are spaced, these heights are adjustable by the movable fixation of Fixierstreben to the support rods, with another 4 thermocouples (4) for monitoring the thermal equilibrium of the sample -Gases (3) in 100 mm height above the solid state heat radiator (5, 16) of the bottom assembly is arranged. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (1) gasdicht und mit einem oder mehreren Anschlüssen zur Vakuumerzeugung ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring chamber (1) is gas-tight and formed with one or more connections for generating vacuum. Verfahren zur Bestimmung strahlungsinduzierter Wärmeübergänge vom Festkörper in die umgebenden Gase mit einer Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messkammer (1), a) die Temperatursensoren (4) in einer beliebigen vorgesehenen vertikalen und/oder horizontalen Beabstandung zur Festkörperstrahlungsquelle (5, 16) der Bodenbaugruppe (9), der Kühleinrichtung (6) und der Außenhülle (7) zur Temperaturerfassung angeordnet, justiert und kalibriert werden, b) eine Modellatmosphäre (3) in dem Probe-Gasvolumen (2) durch Zuführung einer- oder mehrerer definierten Gase mittels einer Gaszuführung (15) erzeugt wird, c) der Festkörperwärmestrahler (5, 16) und die Kühleinrichtung (6) zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in der Modellatmosphäre (3) auf das gewünschte Temperaturniveau eingestellt werden, d) die Einstellung eines stationären thermischen Gleichgewichts in der Modellatmosphäre (3) nach Ablauf einer bestimmten Systemzeit im Probe-Gasvolumen (2) zum Ausschluss aller Wärmetransportmechanismen außer Wärmestrahlung durchgeführt und festgestellt wird, wobei die Messdaten des Feuchtigkeitssensors (13) zur Einstellung verwendet werden, e) zur Überwachung des thermischen Gleichgewichts in der Modellatmosphäre (3) weitere Temperatursensoren (4) in der Messkammer (1) angeordnet und deren Messwerte erfasst und ausgewertet werden.Method for determining radiation-induced heat transfer from the solid to the surrounding gases using a measuring device according to the Claims 1 to 9 , characterized in that in the measuring chamber (1), a) the temperature sensors (4) in any provided vertical and / or horizontal spacing to the solid state radiation source (5, 16) of the bottom assembly (9), the cooling device (6) and the outer shell (7) are arranged, calibrated and calibrated for temperature detection, b) a model atmosphere (3) is generated in the sample gas volume (2) by supplying one or more defined gases by means of a gas supply (15), c) the solid state heat radiator (5 , 16) and the cooling device (6) for generating a D) the setting of a stationary thermal equilibrium in the model atmosphere (3) after a certain system time in the sample gas volume (2) to exclude all heat transport mechanisms except heat radiation is performed and detected in which the measurement data of the humidity sensor (13) are used for setting, e) for monitoring the thermal equilibrium in the model atmosphere (3), further temperature sensors (4) are arranged in the measuring chamber (1) and their measured values are recorded and evaluated. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine atmosphärische Luftzusammensetzung mit einem variablen Anteil von CO2-Gas als Probe-Gas (3) zur Bildung einer Modellatmosphäre (3) verwendet wird, wobei die Zugabe CO2-Gas etwa durch Atemluft oder durch Injektion von reinem CO2 erfolgt und die Luftfeuchtigkeit der Modellatmosphäre (3) über die Injektion von Wasser in das Probe-Gasvolumen (2) erfolgt, wobei zur Einstellung der niedrigen Feuchtigkeitswerte (unter 3% rel. Feuchte) komprimierte entfeuchtete Druckluft oder synthetische Luft, und zur Einstellung der niedrigen CO2-Werte (unter 10 ppm) synthetische Luft verwendet wird, wobei die Feuchtigkeit und die jeweiligen Gasanteile mittels Gassensor/CO2-Sensor (12) und Feuchtigkeitssensor (13) ermittelt werden.Method according to Claim 9 , characterized in that an atmospheric air composition with a variable proportion of CO 2 gas is used as a sample gas (3) to form a model atmosphere (3), wherein the addition of CO 2 gas such as by breathing air or by injection of pure CO 2 and the atmospheric humidity of the model atmosphere (3) via the injection of water into the sample gas volume (2) is carried out to set the low humidity levels (below 3% relative humidity) compressed dehumidified compressed air or synthetic air, and for adjusting the low CO 2 values (less than 10 ppm) of synthetic air is used, whereby the moisture and the respective gas fractions are determined by means of gas sensor / CO 2 sensor (12) and moisture sensor (13). Verfahren nach einen der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messzyklus zur Bestimmung des zeitlichen Temperaturverlaufs in der im quasistationären thermischen Gleichgewicht befindlichen Modellatmosphäre (3) vorzugsweise 1000 Sekunden oder eventuell ein anderes geeignetes Intervall beträgt und pro Sekunde ein Messvorgang der Sensoren (4, 12, 13) erfolgt, wobei die Modellatmosphäre (3) auf einen variablen Anteil von 0 ppm bis 4000 ppm CO2-Gas hergestellt wird.Method according to one of Claims 9 and 10 , characterized in that a measuring cycle for determining the temporal temperature profile in the quasi-stationary thermal equilibrium model atmosphere (3) is preferably 1000 seconds or possibly another suitable interval and per second, a measuring operation of the sensors (4, 12, 13), wherein the model atmosphere (3) to a variable proportion of 0 ppm to 4000 ppm CO 2 gas is produced. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Sensoren (4, 12, 13), sowie der Temperatursensoren (4) zur Überwachung des thermischen Gleichgewichts übermittelten Messdaten/Temperaturen eines Messzyklus erfasst und ausgewertet werden.Method according to the Claims 9 to 11 , characterized in that the measured data / temperatures of a measuring cycle transmitted by the sensors (4, 12, 13) and the temperature sensors (4) for monitoring the thermal equilibrium are detected and evaluated. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Datenerfassung eines Messzyklus durch mindestens 4 analoge Datenlogger mit je 4 Eingangskanälen und insgesamt 14 Thermoelementen (4) erfolgt, wobei 2 Thermoelemente zur Messung der Raumtemperatur vorgesehen sind.Method according to Claim 12 , characterized in that data acquisition of a measurement cycle by at least 4 analog data loggers with 4 input channels and a total of 14 thermocouples (4), wherein 2 thermocouples are provided for measuring the room temperature.
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