DE1912772C3 - Ventilationsunabhängiges StrahlungsmeSgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Meßge-Ht zur Messung der Strahlung, wie beispielsweise der Wärmestrahlung von Körpern, insbesondere der Son-He, der Bestandteile der Atmosphäre oder auch der Erdoberfläche, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei solchen Geräten bedient man sich vielfach geschwärzter Oberflächen, an denen der Strahlungseustausch stattfindet. Diese Oberflächen absorbieren (die auf sie von außerhalb (z. B. von der Sonne, vom !bedeckten oder unbedeckten Himmel, aus der Atmosphäre oder auch vom Erdboden) gelangende Strahlung und senden gleichzeitig thermische Strahlung entsprechend ihrer Temperatur und ihrem Emissionsvermögen aus. Die Temperatur solcher Strahlungsaustauschflächen wird oft als Maß für die Strahlung bzw. für den die Austauschfläche als Differenz zwischen Ein-Itrahlung und Ausstrahlung durchsetzenden Energielluß benutzt.

Die Genauigkeit der Meßergebnisse der bislang benutzten Meßgeräte wird dadurch beeinträchtigt, daß die Temperatur der Strahlungsaustauschflächen nicht ftur vom Betrage der Strahlungsleistung abhängt, sondern auch vom Betrage der pro Zeiteinheit durch die belüftung (Konvektion oder Advektion) zu- oder abgeführten Wärmemenge sowie von der Wärmemenge, die durch feste Teile des Geräts (Halterungen, Zuleitungsdrähte, Instrumentenkörper) von der Strahlungsaus- »auschfläche oder zu ihr hin geleitet wird.

Die durch diese Vorgänge verursachten Meßfehler fälschen die mit den bisher bekannten Strahlungsmeßgcräten gewonnenen Resultate erheblich. Zur Verringerung dieser Fehler wurden eine Reihe Maßnahmen vorgeschlagen, die jedoch noch keine befriedigende Lösung ergaben. Hierher gehören:

a) die Verringerung der Ventilation durch strahlungsdurchlässige, aber die Ventilation behindernde Abdeckhauben, wie sie in dem Aufsatz von R. Schulze, »Über ein neues Strahlungsmeßgerät mit ultrarotdurchlässiger Windschutzhaube am Meteoröl. Observatorium Hamburg«, in der Zeitschrift Geofisiea pura e applicata, 24, 3 bis 10 (1953), beschrieben werden;

b) die künstliche Erhöhung der Ventilation mit dem Ziele, sie so groß zu machen, daß die verbleibenden Fehlereinflüsse nahezu unabhängig von der stark schwankenden natürlichen Ventilation werden (G. S k e i b : »Ein rotierender Strahlungsumsatzmesser mit induktiver Übertragung der Meßspannung«. Zeitschrift für Meteorologie, 7, 167 [1953]);

c) die Kompensation der Fehlereinflüsse dadurch, daß man einer der Strahlungsaustauschfläche möglichst gleichgemachten Fläche einen gemessenen Betrag an elektrischer Energie zuführt, z. B. bei K Angström: »Über absolute Bestimmungen der Wärmestrahlung mit dem elektrischen Kompensationspyrkeliometer nebst einigen Beispielen der Anwendung dieses Instruments.« Annalen der Physik und Chemie, 67,633 bis 648 (1899).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Schwierigkeiten durch Schaffung eines ventilationsunabhängigen Strahlungsmeßgerätes zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch die in den Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen erreicht.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Energiebilanz der Strahlungsaustauschfläche sich grundsätzlich aus folgenden drei Anteilen zusammensetzt: dem zu messenden Betrag der zu- bzw. abgeführten Strahlungsenergie, dem Betrag der von oder zur Umgebungsluft abgegebenen Energie und der durch Wärmeleitung über feste Körper zu- oder abgeführten Energie. Normalerweise ist diese Energiebilanz nur ausgeglichen, wenn die Temperatur der Strahiungsaustauschfläche sich von der Lufttemperatur unterscheidet. Wenn die durch Strahlung zugeführte Leistung höher ist als die ausgestrahlte Leistung, liegt die Temperatur der Strahlungsaustauschfläche über der Lufttemperatur; überwiegt die Ausstrahlung gegenüber der Einstrahlung, so kühlt sich die Strahlungsaustauschfläehe gegenüber der Lufttemperatur ab. In jedem Falle hängt die Temperatur, die sich an der Strahlungsaustauschfläche einstellt, jedoch von allen drei vorgenannten Energieteilbeträgen ab.

Nach der Erfindung wird nun bei beliebiger Ventilation der Wärmeaustausch mit der umgebenden Luft dadurch unterbunden, daß die Temperaturdifferenz gegenüber der UmgebungUuft gleich Null gemacht wird. Darüber hinaus wird der Wärmetransport über die festen Teile des Geräts durch einen Regelmechanismus auf einen bestimmten Wert eingestellt. Erzwingt man so das Verschwinden des Energieaustausches über die Luft und kennt man den Betrag der Wärmeableitung, so läßt sich der zu messende Betrag des Energieaustau-

•ches durch Strahlung über den Betrag einer der Strahlungsaustauschfläche zusätzlich zugeführten oder von ihr abgeführten Leistung bestimmen. Eine Möglichkeit dazu ist z. B. durch die Ausbildung der Strahlungsaustauschfläche als eine Platte eines Peltier-Elements gegeben. Die das Peltier-Element durchsetzende Stromstärke wird durch einen Temperaturregler eingeregelt. Diese Stromstärke kann als Maß für den Sirahiungsaustausch benutzt werden, wenn durch einen zweiten Regler der Wärmeübergang zur anderen (im Einstrahlungsfalle »warmen«) Platte des Peltier-Elementes konstant gehalten wird. Die Energieabfuhr von der »warmen« Seite des Peltier-Elementes kann durch ein hinreichend dimensioniertes, im übrigen beliebiges Kühlsystem erfolgen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße ventilationsunabhängige Strahlungsmeßgerät beschrieben.

Da die einzelnen Elemente des Gerätes an sich bekannt sind, dürfte eine schematische Darstellung (s. Zeichnung) zur Erläuterung der Erfindung genügen. In der Zeichnung sind mit 1 und 2 die Platten eines PeI-lier-Elementes dargestellt. Im Peltier-Stromkreis liegt weiterhin die elektrische Energiequelle 3 für die aufzubringende Leistung, der Regelkreis 4 und das Meßinstrument 5.

Die Eingangsgrößen des Regelkreises 4 sind die Widerstands- bzw. Spannungswerte der Temperatursensoren 6 und 7. Der Temperatursensor 6 mißt die Temperatur der Platte 1, der Sensor 7 die Lufttemperatur. Beide Temperatursensoren besitzen etwa die gleiche thermische Trägheit. Die Temperaturmessung und die Stromstärkeregelung im Peltier-Kreis erfolgt in an sich bekannter Weise. Normalerweise wird der Peltierstrom erhöht, die Platte 1 also gekühlt, wenn die auf die Strahlungsaustauschfläche eingestrahlte Leistung zunimmt. Der Regelkreis 4 regelt den Peltierstrom so. daß die Temperatursensoren 6 und 7 gleiche Temperatur anzeigen.

Die Platte 2 des Peltier-Elementes enthält außer dem Temperatursensor 8 einen Heizwiderstand 9. Der Regelkreis 10 regelt die durch den Heizwiderstand 9 umgesetzte Leistung*(Energiequelle 11) auf einen Betrag, S der durch die von den Temperatursensoren 7 und 8 übermittelten Werte bestimmt wird. Auch hier erfolgt die Regelung in an sich bekannter Weise.

Wird auf eine konstante Differenz zwischen der durch Temperatursensor 7 gemessenen Umgebungstemperatur (= Temperatur von Platte 1) und der durch Temperatursensor 8 gemessenen Temperatur von Platte 2 des Peltierelements geregelt, so ist damit auch der Entrgiefluß von Platte 1 nach Platte 2 bestimmt. Eine gewisse Abhängigkeit dieses Energieflusses von der Umgebungstemperatur ist im Prinzip gegeben (Temperaturabhängigkeit des Wärmeleitwiderstandes), kann aber leicht durch entsprechende Eichung berücksichtigt werden. Um auf eine für die Meßgenauigkeit günstige Temperaturdifferenz zwischen den beiden Platten 1 und 2 einregeln zu können, kann es notwendig sein, durch ein System 12 zusätzlich zu kühlen (z. B. durch ein hinreichend kräftiges Gebläse).

Für die Messung der Strahlungsleistung kommt es nicht auf die Kühlleistung des Gebläses an. Die in 9 umgesetzte Heizleistung wird ebenfalls nicht gemessen. Wesentlich ist nur die tnnehaltung der Solltemperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 7 und 8. Die Messung der Strahlungsleistung geschieht mittels des Strommeßgerätes 5, welches bei geeigneter Eichung die durch den Regelkreis 4 der Strahlungsaustauschfläche 1 zugeführten bzw. entzogenen Energie anzeigt. Da die von der Strahlungsaustauschfläche 1 auf die Platte 2 abgeleitete Energie durch den Regelkreis 10 konstant gehalten wird, ist bei Temperaturgleichgewicht auch die zugeführte Energie konstant. Die zugeführte Energie setzt sich aber zusammen aus dem vom Regelkreis 4 stammenden Anteil plus der äußeren Einstrahlung, die letztlich bestimmt werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur ventilationsunabhängigen Mes- «ung der Wärmestrahlung von Körpern, insbesondere der Sonne, Bestandteile der Atmosphäre und der Erdoberfläche, bei dem die Strahlungsaustauschfläche auf der Temperatur der umgebenden Luft gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von oder zur Strahlungsaustauschfläche durch Leitung transportierte Wärmemenge (Energiefluß) auf einen bestimmten Betrag einreguliert wird, daß der zur Erhaltung der Temperaturgleichheit von Strahlungsaustauschfläche und Umgebung nötige Energiefluß zur Anzeige gebracht wird und daß aus diesem Energiefluß die zu messende Strahlungsleistung bestimmt wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsaustauschfläche als Platte (1) eines PeI-tierelements ausgebildet ist, daß Temperatursensoren (6 und 7) vorgesehen sind, die in an sich bekannter Weise über einen Regelkreis (4) den Strom durch das Peltierelement so steuern, daß Temperaturgleichheit zwischen der Strahlungsaustauschfläehe (1) und der Umgebung besteht, daß die das Peltierelement durchsetzende Stromstärke als Maß für den zur Erhaltung der Temperaturgleichheit von Strahlungsausiauschfläche (1) und Umgebung nötigen Energiefluß benutzt wird und daß der gewünschte Temperaturunterschied zwischen den Platten (1 und 2) des Peltierelementes mittels einer Regeleinrichtung (10) eingeregelt wird, indem in an sich bekannter Weise von einem weiteren Temperatursensor (8) ein eventuell mit einem Kühlsystem (12) kombiniertes Heizsystem (9) gesteuert wird.