DE2064292C3 - Strahlungswärmeflußmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmestrahlungsdifferenzmesser mit zwei einander gegenüberliegenden Temperaturfühlern in Differenzschaltung, deren Meßflächen an eine Luftschicht grenzen, die so dünn bemessen ist, daß Konvektion nicht auftreten kann.

Bei einer Vielzahl von chemischen, mechanischen oder Bauvorrichtungen, die bei relativ hohen Temperaturen verwendet werden, wie z. B. Elektroöfen oder elektrolytischen Zellen, ist es bei der Konstruktion und beim Betrieb wichtig, die wechselseitige Abgabe und Aufnahme von Strahlungsenergie zwischen den Oberflächen der verschiedenen Kö;;;er mit verschiedenen Temperaturen genau zu er'assen.

Es sind nun Strahlungswärmen: Umesser bekannt, bei denen nur die einfallende Strahlungswärme oder die von einer gegebenen Oberfläche abgegebene Strahlungswärme gemessen wird. Solche Meßgeräte lassen zwar einen Schluß auf den Wärmefluß zu, können jedoch nicht als Strahlungswärmeflußmesser im eigentlichen Sinne angesprochen werden.

Aus der US-Patentschrift 31 31 304 ist nun ein Strahlungswärmeflußmesser bekanntgeworden, Lei dem in einem zylindrischen Gehäuse in der Zylinderachse im Abstand voneinander und durch eine Luftschicht voneinander isoliert zwei Strahlungsdetektoren vorgesehen sind, die in Differenzschaltung angeschlossen sind. Diese Thermofühler sprechen auf einfallende Wärmestrahlung an, jedoch tritt zwischen diesen beiden Thermofühlern wegen der isolierenden Luftzwischenschicht kein Wärmestrom auf. Die Messung eines Wärmeflusses wird daher unzuverlässig, weil die von beiden Thermofühlern aufgenommene Wärmestrahlung von der Oberflächenbeschaffenheit der wärmeempfindlichen Detektoren sowie von deren Temperatur abhängig ist, die sich bei beiden Elementen ganz unterschiedlich einstellen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Strahlungswärmeflußmesser so auszubilden, daß die wechselseitige Aufnahme und Abgabe von Strahlungswärme zwischen den Oberflächen von verschiedenen Körpern genau gemessen werden kann, ohne daß eine außerhalb des Strahlungsflußmessers liegende Bezugstemperatur zur Messung herangezogen werden muß. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß ein Wärmefluß von jedem der Temperaturfühler zu einer gemeinsamen gut wärmeleitenden Platte hergestellt wird. Durch die außerhalb des strahlungsempfindlichen Bereichs angeordneten Wärmeaustauschflächen kann diese Platte eine Temperatur annehmen und beibehalten, die zwischen den Temperaturen liegt, die die Temperaturfühler annehmen. Auf diese Weise erhält man eine zuverlässige Bezugstemperatur zwischen den beiden Temperaturfühlern und die Wärmeströme von den Temperaturfühlern zu der gemeinsamen gut leitenden Mittelplatte sowie die auf diesen Wärmeströmen beruhenden Temperaturunterschiede geben ein MaßfürdenWärmefluß.

Zwischen den Temperaturfühlern und der gemeinsamen Mittelplatte sind schlechter wärmeleitende Schichten vorgesehen, damit an diesen Platten höhere Temperaturunterschiede entstehen, die zu genaueren Meßergebnissen führen.

Verfälschungen der Meßergebnisse durch Luftströme, die auf der Meßseite an den Temperaturfühlern vorbeiströmen können, werden in an sich bekannter Weise dadurch ausgeschaltet, daß zwischen den Temperaturfühlern und den zu messenden Oberflächen Luftkissen eingeschaltet werden, die durch eine strahlungsdurchlässige Folie begrenzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung in einer beispielsweisen Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine erläuternde schematische Darstellung des Grundprinzips der Erfindung;

F i g. 2 ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die

jo einen erfindungsgemäßen Strahlungswärmeflußmesser darstellt;

F i g. 3 ist eine Seitenansicht der F i g. 2, teilweise im Schnitt;

F i g. 4 ist eine erläuternde schematische Darstellung,

.15 die die Schaltung des in den F i g. 2 und 3 gezeigten Strahlungswärmeflußmessers zeigt;

Fig.5 zeigt die Anordnung der Strahlungsquellen und des Strahlungswärmeflußmesse/s beim Messen der Strahlungswärme mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Strahlungswärmeflußmessers;

F i g. 6 zeigt im Diagramm die Ergebnisse der Strahlungswärmemessungen, die mit einer Anordnung gemäß F i g. 5 durchgeführt wurden.

Mit Bezug auf Fig. I wird nun eine detaillierte Beschreibung des Grundprinzips der Erfindung gegeben, die den erfindungsgemäßen StrahlungswärmefluB-messer erläutert.

Es wird angenommen, daß eine Platte C mit einem Reflektionsfaktor von angenähert 100%, mit einer

so hohen Wärmeleitfähigkeit und emittierenden Teilen E₁E an beiden Enden zwischen zwei sich gegenüberstehende Oberflächen mit den absoluten Temperaturen To und 71 (° K) gebracht wird. Es wird weiter angenommen, daß dünne Platten Λ mit hohem Wärmewiderstand, jede mit

S5 einer schwarzen Oberfläche, an beiden Seiten der Platte Cangebracht sind, wie in F i g. 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

ixi wird, dringt in die schwarzen Oberflächen Sn und St der Platte R ein, tritt als abgegebene Wärme durch die Platten R und C und wird durch Konvektionswärmetransport von den emittierenden Teilen E₁E in die umgebende Atmosphäre abgegeben.

fis Daher werden die Temperaturen der schwarzen Oberflächen So und S] um Δ T₀ und Δ Ti im Vergleich zur Zimmertemperatur Th erhöht, entsprechend dem WärmefluQ in diesem speziellen Moment. Es kann jedoch

angenommen werden, daß die Temperaturzunahmen ΔΤο, ΔΤ\ im Vergleich zu den Temperaturen Tu, 7Ί, Tu klein sind, wenn die Dicke jeder Platte mit hohem Wärmewiderstand ausreichend klein ist.

Wird mit Cb die Strahlungswärme bezeichnet, die von der Einheitsfläche der Oberfläche A zu der der Platte C emittiert wird, und mit Q\ die Strahlungswärme, die von der Einheitsfläche der Oberfläche B zu der Platte C₁ emittiert wird, und wird mit Eo und £| das Emissionsvermögen von den Oberflächen A bzw. B bezeichnet, dann ist Qa und Q\ gegeben durch

Q₀ = E₀,)', Ti-(T_R+ \T_of\

= £_ηΛ| Tt-Tt\ = K₀ \T₀, (1)

Q₁ = E_tö\ 7i-(T_s+

IT₁

wobei mit <5 die Stefan-Boltzmann-Konstante und mit Ko und K\ die Strahlungskoeffizienten bezeichnet sind. Wenn beide Platten R mit hohem Widerstand dieselbe Dicke und dasselbe Material haben, dann ist Kq = K\ = K.

Deshalb gilt

i-Qo = KI IT,- IT₀).

(3)

Es ist zu bemerken, daß die stationäre Luftschicht, die durch einen transparenten dünnen Film abgetrennt ist, in F i g. 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Diese Luftschicht dient dazu, den Wärmeabfluß, der durch Konvektion an den schwarzen Oberflächen So und Si entsteht, auf ein vernachlässigbares Maß zu verringern.

Aus den drei obigen Gleichungen ist klar, daß, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den zwei schwarzen Oberflächen So und Si gemessen wird, in dem ein oder mehrere Paare von temperaturmessenden Körpern, wie z. B. in Reihe geschaltete differentielle Thermoelemente, auf den zwei schwarzen Oberflächer 5b und Si der Platten R mit hohem Wärmewiderstand angeordnet werden, die Menge CH= Q\ — Qo) der Strahlungswärme, die zwischen diesen zwei Oberflächen A und B tatsächlich abgegeben und aufgenommen wird, dem gemessenen Wert der obengenannten Temperaturdifferenz proportional ist.

Mit Bezug auf die 5'cichnungen wird ein Strahlungswärmeflußmesser beschrieben, der gemäß dem Grundprinzip der Erfindung hergestellt ist. In den F i g. 2 und 3 wird mit 1 ein Substrat mit guter Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Eine Vielzahl von Flossen 2 sind am Umfang dieses Substrats vorgesehen. Platten 33 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 33 mit hohem Wärmewidersland 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. 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. Mit 5 sind schwarze Platten mit hohem Wärmewiderstand bezeichnet, die in Berührung mit den Thermoelementen 4 angebracht sind. Zum Beispiel ist eine dünne Platte, die mit einem im Vakuum aufgebrachten Kohlenstoffilm 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. Zum Beispiel transparente, dünne Quarzplatten, jede etwa 10 Mikron

ι υ 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 Mikrovoltr..i.(er verbunden ist, wie unten beschrieben wird.

Fig.4 zeigt einen Schaltplan der differentiellen Thermoelemente. Verbindungen 9 und 9a des Thermoelementes 4 sind jeweils an den Oberflächen der Platten 33 mit iiohem Wärmewiderstand angebracht, so daß die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen dieser Platten 33 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.

Es soll bemerkt werden, daß nicht nur das obenerwähnte Thermoelement, sondern auch eine Widerstandsbrücke oder ähnliches zum Messen der Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen der Platten mit hohem Wärmewiderstand verwendet werden kann.

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 Kühleinrichtung verwendet werden.

Beispiel

Es werden nun Messungen beschrieben, die mit dem

as erfindungsgemäßen Strahlungswärmeflußmeter durchgeführt wurden.

Quellen Wund Ha für schwarze Hohlraumstrahlung wurden, wie in Fig. 5 gezeigt, angeordnet. Ein Strahlungswärmen ißmesser M vom Typ mit differen-

so tiellem Thermoelement gemäß der Erfindung wurrle zwischen diese zwei Dtrahlungsquellen gebracht. In diesem Flußmesser ist das Substrat 1 eine Silberplatte mit einer Dicke von 0,1 mm und einem Durchmesser von 40 mm; die blatten 33 mit hohem thermischen Widerstand sind Glimmerplatten, von denen jede eine Dicke von 80 Mikron und einen Durchmesser von 40 mm hat; die Thermoelemente sind aus Constantan und Kupfer hergestellt.

Durch Verändern der Temperaturen Γη und Γι der

'>'i Strahlungsquellen H bzw. Ha wurden Messungen durchgeführt, um die Beziehung zwischen ζ) und mV zu untersuchen, wobei Q = Q\ - Q_n ist (W/m²), d. h. die Differenz zwischen den Mengen Q\ und Qn der Strahlungswärme, die von den Strahlungsquellen Ha

h< und H zu dem Messer M emittiert werden, und wobei mV die thermoelektrische Kraft des Messers bezeichnet. Das Ergebnis ist durch die Gerade in F i g. 6 gezeigt. Es stellte sich heraus, daß der StrahluneswärmefluQ-

messer 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 I Minute erhalten wird.

1IiI-¹IVIi .' llliitt /.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wärmestrahlungsdifferenzmesser mit zwei einander gegenüberliegenden Temperaturfühlern in Differenzschaltung, deren Meßflächen an eine Luftschicht grenzen, die so dünn bemessen ist, daß Konvektion nicht auftreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne, gut wärmeleitende Platte (C, \\ welche beidseitig mit Material geringer Wärmeleitfähigkeit (R 3) bedeckt ist, zwischen den Temperaturfühlern (9, 9ajl diese berührend, angeordnet ist und daß die Platte (C i) außerhalb des strahlungsempfindlichen Bereichs Wärmeaustauschflächen (2) aufweist.