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Strahlungswärmeflußnesser Die Erfindung betrifft einen Strahlungswärmeflußmesser,
der sich zum genauen Messen der wechselseitigen Abgabe und Aufnahme von Strahlungswärme
zwischen den Oberflächen von verschiedenen Körpern eignet.
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Bei einer Vielzahl von chemischen, mechanischen oder Bauvorrichtungen,
die bei relativ hohen Temperaturen verwendet werden, wie z.B. Elektrobfen oder elektroly-t;ischen
Zellen, ist es von äußerster Wichtigkeit bei der Konstraktion und beim Betrieb,
die wechselseitige Abgabe und Aufnahme von Strahlungsenergie zwischen den Oberflächen
der verschiedenen Körper mit verschiedenen Temperaturen genau zu erfassen.
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Tatsächlich war es bei den herkömmlichen Strahlungswärmeflußmessern
üblich, einfach die einfallende Strahlungswärme oder die von einer gegebenen Oberfläche
abgegebene Strahlungswärme zu messen. Wie oben beschrieben, war es jedoch nicht
üblich,
die wechselseitige Abgabe und Aufnahme von Strahlungswärme zwischen den Oberflächen
von verschiedenen Körpern, die verschiedene Temperaturen haben, mit hoher Genauigkeit
zu messen.
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Demgemäß ist es Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden
und einen verbesserten Strahlungswärmeflußmesser zu s c baf -fen, der die wechselseitige
Abgabe und Aufnahme von Strahlungswärme zwischen den Oberflächen von verschiedenen
Körpern mit Genautgkeit messen kann. Dieser Typ umfaßt eine dünne Platte mit guter
Wärmeleitfähigkeit, Platten mit hohem Wärmewiderstand, die an zwei Oberflächen dieser
dünnen Platte angebracht sind, wenigstens ein Paar von wechselseitig miteinander
verbundenen temperaturmessenden Körpern, die an den Oberflächen die-Rer Platten
mit hohem Wärmewiderstand angebracht sind, schwarze Platten mit hohem Wärmewiderstand,
die in Berührung mit diesen die Temperatur messenden Körpern vorgesehen sind, und
transparente, dünne Platten, um diese schwarzen Platten so zu bedecken, daß sie
eine lIuftschicht auf der Außenseite dieser schwarzen Platten bilden.
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Da der erfindungsgemäße Strahlungswärmeflußmesser ausgeæeichnete Eigenschaften
im Vergleich mit den bekannten besitzt, kann er sehr großen Nutzen auf dem Gebiet
der Chemie, Mechanik, des Baus und auf vielen anderen Gebieten bringen.
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Im folgenden soll die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform
anhand der beigefUgten Zeichnung näher erläutert werden.
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Fig. 1 ist eine erläuternde schematische Darstellung des Grundprinzips
der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die einen erfindungsgemäßen
Strahlungswärmeflußmesser darstellt.
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Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Fig. 2, teilweise im Schnitt.
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Fig. 4 ist eine erläuternde schematische Darstellung, die die Schaltung
des in den Fig. 2 und 3 gezeigten Strahlungswärmeflußmessers zeigt.
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Fig. 5 zeigt die Anordnung der Strahlungsquellen und des Strahlungswärmeflußmessers
beim Messen der Strahlungswärme mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Strahlungswärmeflußmessers.
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Fig. 6 zeigt im Diagramm die Ergebnisse der Strahlungswärmemessungen,
die mit einer Anordnung gemäß Fig. 5 durchgeführt wurden.
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Mit Bezug auf Fig. 1 wird nun eine detaillierte Beschreibung des Grundprinzips
der Erfindung gegeben, wodurch ein besseres Verständnis des erfindungsgemäßen Strahlungswärmeflußmessers
gefördert wird.
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Es wird angenommen, daß eine Platte C mit einem Reflektionsfaktor
von angenähert 100% mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und emittierenden Teilen
E,E an beiden Enden zwischen zwei sich gegenüberstehende Oberflächen mit den absoluten
Temperaturen T0 und T1 (OK) gebracht wird. Es wird weiter angenommen, daß dünne
Platten R mit hohem Wärmewiderstand, jede mit einer schwarzen Oberfläche,an beiden
Seiten der Platte C angebracht sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Dann ist die Temperatur
der Platte C im wesentlichen gleich der Zimmertemperatur (Lufttemperatur) TR. .
Strahlungswärme, die von den Oberflächen A bzw. B emittiert wird, dringt in die
schwarzen Oberflächen SO und d der Platte R ein, tritt als abgegebene Wärme durch
die Platten R und C und wird durch Konvektionswärmetransport von den emittierenden
Teilen E,E in die umgebende Atmosphäre abgegeben.
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Daher werden die Temperaturen der schwarzen Oberflächen SO und um
um #T0 und # T1 im Vergleich zur Zimmertemperatur TR erhöht,
entsprechend
dem Wärmefluß in diesem speziellen Moment.
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Es kann jedoch angenommen werden, daß die Temperaturzunahmen # T0,
# T1 im Vergleich zu den Temperaturen von T1, TR vernachlässigbar klein sind, wenn
die Dicke jeder Platte mit hohem Wärmewiderstand ausreichend klein ist.
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Wir mit Q0 die Strahlungswärme bezeichnet, die von der Einheitsfläche
der Oberfläche-A zu der der Platte C emittiert wird, und mit Q1 die Strahlungswärme,
die von der Binheitsfläche der Oberfläche B zu der Platte C1 emittiert wird und
wird mit E0 und E1 das Emissionsvermögen von den Oberflächen A bzw.
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B bezeichnet, dann ist Q0 und Q1 gegeben durch
wobei mit Cm die Stefan-Boltzmann-Konstante und mit Ko und K1 die Strahlungskoeffizienten
bezeichnet sind. Wenn beide Platten R mit hohem Wärmewiderstand dieselbe Dicke und
dasselbe Material haben, dann ist Ko = K1 = K.
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Deshalb gilt Q1 - Q0 = K( # T - # T0) ....................
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Es ist zu bemerken, daß die stationäre Buftschicht9 die durch einen
transparenten dünnen Film abgetrennt ist, in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist.
Diese Luftschicht dient dazu, die Wärmezerstreuung, die durch Wärmetransrort durch
Konvektion von den schwarzen Oberflächen SO und S1 verursacht wird, auf ein im wesentlichen
vernachlässigbares Maß zu verringern.
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Aus den drei obigen Gleichungen ist klar, daß, wenn die Temperaturdifferenz
zwischen den zwei schwarzen Oberflächen So und gemessen wird, in dem ein oder mehrere
Paare von temperaturmessenden Körpern, wie z.B. in Reihe geschaltete differentielle
Thermoelemente, auf den zwei schwarzen Oberflächen So und S1 der Platten R mit hohem
Wärmewiderstand angeordnet werden, die Menge Q(=Ql - Q0) der Strahlungswärme, die
zwischen diesen zwei Oberflächen A und B tatsächlich abgegeben und aufgenommen wird,
dem gemessenen Wert der oben genannten Temperaturdifferenz proportional ist.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen wird ein Strahlungswärmeflußmesser beschrieben,
der gemaß dem Grundprinzip der Erfindung hergestellt ist. In den Fig. 2 und 3 wird
mit 1 ein Substrat mit guter Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Eine Vielzahl von Flossen
2 sind am Umfang dieses Substrats vorgesehen. Platten 3,3 mit hohem Wärmewiderstand,
jede mit einer schwarzen Oberfläche, sind an den zwei Flächen des Substrates 1 angebracht.
Eines oder mehrere Paare von dünnen differentiellen Thermoelementen 4, die miteinander
verbunden sind, sind auf den Oberflächen der Platten 3,3 mit hohem Wärmewiderstand
angeordnet, so daß die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen der zwei Platten
mit hohem Wärmewiderstand, ~die an den zwei Oberflächen des Substrates 1 angebracht
sind, durch diese Thermoelemente gemessen werden kann.
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Das in Fig. 2 gezeigte Thermoelement ist aus Constantan und Kupfer
(durch die schrägen Linien in der Figur gezeigt) hergestellt und als dünner Film
durch Vakuumverdampfen gebildet, obwohl die bekannten Materialien nun erhältlich
sind. Mit 5 sind schwarze Platten mit hohem Wärmewiderstand bezeichnet, die in Berührung
mit den Thermoelementen 4 angebracht sind. Z.B. ist eine dünne Platte, die mit einem
im Vakuum aufgebrachten;Kohlenatoffilm beschichtet ist, gut als schwarze Platte
5 mit hohem Wärmewiderstand geeignet. Diese schwarzen Platten sind mit transparenten,
dünnen Platten 6 bzw. 6a beschichtet, so daß zwei stationäre Luftschichten 7 bzw.
7a an der Außenseite der schwarzen
Platten 5 gebildet werden. Z.B.
transparente, dünne Quarzplatten, jede etwa 10 Mikron dick, sind praktisch gut als
transparente, dünne Platten 6 und 6a zu verwenden. Diese transparenten, dünnen Platten
6 und 6a sind vorzugsweise so gebaut, daß sie leicht durch neue ersetzt werden können,
wenn sie fleckig werden. Es ist zu bemerken, daß die stationären Luftschichten 7
und 7a dazu dienen, das Abgeben von Strahlungswärme von den schwarzen Platten mit
hohem Wärmewiderstand zu verhindern. Mit 8 ist ein Leitungsdraht der differentiellen
Thermoelemente bezeichnet, der mit einem Mikrovoltmeter verbunden ist, wie unten
beschrieben wird.
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Fig.4 zeigt einen Schaltplan der differentiellen Thermoelemente.
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Verbindungen 9 und 9a des hermoelementes 4 sind jeweils an den Obcrflächen
der Platten 3,3 mit hohem Wärmewiderstand angebracht, so daß die Temperaturdifferenz
zwischen den Oberflächen dieser Platten 3,3 aus der thermoelektrischen Kraft erhalten
werden kann, die durch das Mikrovoltmeter 10 gemessen werden kann. In den Fig. 2,3
und 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Es soll bemerkt werden, daß nicht nur das oben erwähnte Thermoelement,
sondern auch eine Widerstandsbrücke oder ähnliches zum Messen der Temperaturdifferenz
zwischen den Oberflächen der Platten mit hohem Wärmewiderstand verwendet werden
kann.
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Wenn es erforderlich ist, kann eine Einrichtung zum Kühlen des Substrats
1 mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, um ein Überhitzen des Meßinstruments
selbst zu vermeiden. Strahlungsrippen oder ein Kühlmittel oder beides können ebenfalls
als EUhleinrichtung verwendet werden.
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Beispiel.
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Es werden nun Messungen beschrieben, die mit dem erfindungsgemäßen
Strahlungswärmeflußmeter durchgeführt wurden.
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Quellen u und Ha für schwarze Hohlraumstrahlung wurden, wie in Fig.
5 gezeigt, angeordnet. Ein Strahlungswärmeflußmesser M vom Typ mit differentiellem
Thermoelement gemäß der Erfindung wurde zwischen diese zwei Strahlungsquellen gebracht.
In diesem Blußmesser ist das Substrat 1 eine Silberplatte mit einer Dicke von 0.1
mm und einem Durchmesser von 40 mm; die Platten 3,3 mit hohem thermischen Widerstand
sind Glimmerpiatten, von denen jede eine Dicke von 8O Mikron und einen Durchmesser
von 40 mm hat; die Thermoelemente sind aus Constantan und Y.upfer hergestellt.
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Durch Verändern der Temperaturen 20 und 21 der Strahlungsquellen H
bzw. Ha wurden Messungen durchgeführt, um die Beziehung zwischen Q und mV zu untersuchen,
wobei Q = Q1 - Qg ist (W/m2), d.h. die Differenz zwischen den Mengen Q1 und Q0 der<Strahlungswärme,
die von den Strahlungsquellen Ha und H zu dva Messer M emittiert werden, und wobei
mV die thermoelektrische Kraft des Messers bezeichnet. Das Ergebnis ist durch die
Gerade in Fig. 6 gezeigt.
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Es stellte sich heraus, daß der Strahlungswärmeflußmesser in der Praxis
gut zu verwenden ist, wobei er einen angezeigten Wert im Bereich der stabilen Messung
durch ein heute gebräuchliches, handelsübliches Mikrovoltmeter anzeigt, und wobei
ein konstanter Wert in weniger als 1 Minute erhalten wird.