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Patentbeschreibung
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Erfindung: Gerät zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Licht-und Wetterbeständigkeit
von organischen Materialien, das aus einer Bestrahlungsvorrichtung und einem klimatisierbaren
Probenraum besteht, in dem die Materialproben in einer Ebene angeordnet sind.
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Organische Materialien, wie z.B. Kunst- und Anstrichstoffe, Textilien
und Papier, werden durch die Einwirkung eines Freiluft klimas physikalischen und
chemischen Beanspruchungen ausgesetzt, die unterschiedliche Alterungsvorgänge zur
Folge haben.
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Neben den Klimaparametern Lufttemperatur, Luft feuchte und Niederschlag,
ist bei dieser Beanspruchung die Einwirkung der Globalstrahlung (direkte Sonnenstrahlung
plus diffuse Himmelsstrahlung) der weitaus wichtigste Faktor. Eine maximale Beanspruchung
der organischen Materialien erfolgt im Freiluftklima in den Sommermonaten bei klarem
Himmel in den Mittagsstunden, d.h. bei der größten Bestrahlungsstärke und hohen
Lufttemperaturen.
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Bei der praktischen Anwendung von organischen Materialien sind die
durch Alterungsvorgänge verursachten Änderungen, in der Regel sind das Verschlechterungen
von Materialeigenschaften, oft erst mittel- oder langfristig zu erkennen.
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Eine zeitraffende Bestimmung der Materialeigenschaft "Beständigkeit
gegen Beanspruchung durch das Freiluftklima" kann in Geräten zur Bestimmung der
Licht- und Wetterbeständigkeit, die im wesentlichen aus einer Bestrahlungsvorrichtung
und einem klimatisierbaren Probenraum bestehen, durch eine künstliche Beanspruchung
erfolgen. In diesen Geräten versucht man die physikalische und chemische Beanspruchung
durch ein Freiluftklima, vor allem die Beanspruchung durch die Einwirkung der Globalstrahlung,
möglichst genau zu semulieren. Unabhängig von den tXglichen und jahreszeitlichen
Schwankungen des Freiluftklimas können in diesen Geräten Materialproben einer dauernden,
gleichbleibenden oder zyklischen Beanspruchung ausgesetzt werden, die etwa der maximalen
Beanspruchung im Freiluftklima entspricht.
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Eine befriedigende Korrelation zwischen den Ergebnissen einer künstlichen
Beanspruchung in Geräten zur Bestimmung der Licht-und Wetterbeständigkeit und der
natürlichen Beanspruchung im Freiluftklima kann nur dann erzielt werden, wenn die
Beanspruchung durch die Globalstrahlung möglichst genau simuliert wird. Da die meisten
organischen Materialien nur im W-Spektralbereich empfindlich sind, d.h. daß nur
der W-Anteil der Globalstrahlung aufgrund der hohen Photonenenergie (3,3 eV bis
4,2 eV) Alterungsvorgänge in organischen Materialien induzieren kann, ist die genaue
Simulation der Spektralverteilung der Globalstrahlung in diesem Spektralbereich
von besonderer Bedeutung.
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Die zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit von organischen
Materialien entwickelten und bekannten Geräte können aufgrund der unterschiedlichen
Strahlungsquellen, die zur Simulation der Beanspruchung durch die Globalstrahlung
verwendet werden, in drei Gruppen eingeteilt werden: a) Geräte mit Xenonhochdrucklampen
(Deutsche Patentschrift Nr.973340 Deutsche Patentschrift Nr.1187401 Deutsche Auslegeschrift
Nr. 2502231 Deutsche Offenlegungsschrift Nr. 2543876 Firmenschriften Weather-Ometer
und "Fade-Ometer" der Atlas Electric Devices Co.
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4114 N. Ravenswood Ave.
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Chicago Illinois 60613, U.Sa.A.
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Firmenschrifen "Sundtest-gerät" und "Xenotest-gerät" der Original
Hanua Heraeus GmbH Postfach 642 6450 Hanau Firmenschrift "Xeno-Lep 6000" der Telectric
Corp.
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Postfach 14 FL-9494 Schaan Firmenschrift "General Catalog" der Suga
Test Instruments Co.Ltd.
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Shinjuku-Ku Tockio 160, Japan) b) Geräte mit Kohlenbogenlampen (Firmenschriften
"Weather-Ometer" und "Fade-Ometer" der Atlas Electric Devices Co., siehe oben, Firmenschrift
"General Catalog" der Suga Test Instruments Co. Ltd., siehe oben) c) Geräte mit
FS 40 UV-Leuchtstofflampen (Firmenschrift "Q.U.V. - Schnellbewitterungsgerät" der
Q-Panel Company 1561o Industrial Parkway Cleveland, Ohio 44 135, U.S.A.
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Firmenschriften UV 2" und " W CON" der Atlas Electronic Devices Co.,
siehe oben).
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Geräte zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit der o.g.
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Gruppe a), die mit ein bis drei Xenonhochdrucklampen als Strahlungsquelle
ausgerüstet sind, haben sich aufgrund der genaueren Simulation der mittleren relativen
Spektralverteilung der Globalstrahlung gegenüber den beiden anderen technischen
Lösungen weltweit durchgesetzt und sind international genormt.
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Xenonhochdrucklampen, die bereits aus der Lichttechnik zur Simulation
der Globalstrahlung im sichtbaren Spektralbereich bekannt sind, emittieren zu ren
ein relativ intensives UV-Strahlungskontinlnmund werden deshalb auch in Geräten
zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit verwendet. Für die Simulation
der mittleren relativen Spektralverteilung der Globalstrahlung in diesen Geräten
muß bei Xenonhochdrucklampen durch optische Filterung einerseits die UV-
Strahlung
mit Wellenlängen @# 29o nm und andererseits die sehr intensive IR-Strahlung im Wellenlängenbereich
800 nm # # # 100 nm eleminiert werden. Da mit den Xenonhochdrucklampen die mittlere
relative Spektrakverteilung der gesamten Globalstrahlung simuliert wird und zusätzlich
wesentliche Anteile der Xenonbogenstrahlung durch optische Filter eliminiert werden
müssen, sind in einem unwirtschaftlichen Maß etwa lo kW bis 20 kW Lampenleistung
je 1 m2 Materialprobenoberfläche erforderlich, um im wesentlichen W-Spektralbereich
eine gestrahlungsstärke von loo W'm 2 auf den Materialprobenoberflächen zu erzeugen.
Dieser Wert entspricht etwa der maximalen Beatrahlungsstärke in diesem Spektralbereich
im Freiluftklima.
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Bei Geräten zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit, die
mit einer Kohlenbogenlampe als Strahlungsquelle ausgerüstet sind, werden etwa 5
kW bis-lo kW Lampeistung benötigt, um im UV-Spektralbereich die Bestrahlungsstärke
von loo W.m-2 auf der Materialprobenoberfläche zu erzeugen. Der UV-Anteil der Strahlung
der Kohlenbogenlampe ist größer als bei der Xenonhochdrucklampe.
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Die von der mittleren Spektralverteilung der Globalstrahlung im UV-Spektralbereich
stark abweichende Spektralverteilung der Strahlung in diesen Geräten hat jedoch
Ergebnisse zur Folge, die oft keine Korrelation zu den Ergebniggen in der Praxis
haben. Ein großer Nachteil der Geräte, die dE Kohlenbogenlampen ausgerüstet sind,
ist auch der für die tägliche Erneuerung der Kohlen der Lampe erforderliche Bedienungsaufwand
und die damit verbundene Unterbrechung der Beanspruchung der Materialen.
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Aufgrund des hohen Energievenbrauchs, der sich direkt oder indirekt
als Wärmebelastung 6 Ct.pf pE im Probenraum bemerkbar macht, haben die Geräte der
Gruppe a) mit Xenonhochdrucklampen und der Gruppe b) mit Kohlenbogenlampen auch
einen großen Verbrauch an Kühlluft und Kühlwasser, Eine Klimatisierung des Ptobenraums
dieser Geräte ist deshalb auch eingeschränkt und nur im Bereich relativ hoher Lufttemperaturen
und relativ niedreger Luftfeuchtigkeit möglich.
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In Geräten der Gruppe c), die mit FS 40 UV-Leuchstofflampen als Strahlungsquelle
ausgerüstet sind; wird auf effektive Weise UV-Strahlung erzeugt. Von einer Simulation
der mittleren relativen Spektralverteilung der Globalstrahlung kann bei diesen Geräten
nicht mehr gesprochen werden, da das Strahlungsmaximum der FS 40 UV-Leuhtstofflampen
fast am kurzwelligen Ende des UV-Spektralbereich der Globalstrahlung bei# = 313
nm liegt.
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Abweichend von der mittleren relativen Spektralverteilung der Globalstrahlung
sind auch unterhalb der Wellenlänge; = 290 nm wesentliche Strahlungsanteile vorhanden.
Die spektrale Bestrahlungsstärke für Wellenlängenp 1: 315 nm ist dagegen im Vergleich
zur Globalstrahlung zu niedrig und wird bereits für Wellenlängen 350 nm vernachlässigbar
klein.
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Geräte zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit sollen nicht
nur durch eine intensive UV-Bestrahlung eine Wirkung erzielen, sondern bei verschiedenen
Materialien mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit die gleichen Alterungsvorgänge
wie bei der natürlichen Beanspruchung induzieren und den gleichen Zeitraffungsfaktor
erzielen. Die wesentliche Voraussetzung dafür ist die genaue Simulation der mittleren
relativen Spektralverteilung der Globalstrahlung in den photochemisch wirksamen
Spektralbereichen, also bei den kürzesten Wellenlängen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung
der Licht- und Wetterbeständigkeit von organischen Materialien zu schaffen, bei
dem eine genaue Simulation der Strahlungsbeanspruchung im Freiluftklima bei einer
wesentlichen Verringerung des elektrischen Leistungsbedarfs erfolgt. Diese Verringerung
des elektrischen Leistungsbedarfs kann nur erzielt werden, wenn in der Bestrahlungsvorrichtung
des Gerätes unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wirksamkeit versu,.iedener
Wellenlängenbereiche der Globalstrahlung im wesentlichen nur Strahlung im Wellenlängenbereich
von @ = 29o nm bis = = 450 nm erzeugt wird. Die genaue Simulation der Strahlungsbeanspruchung
im Freiluftklima erfordert, daß in diesem photochemisch wirksamen Spektralbereich
die spektrale Bestrahlungsstärke auf den Probenoberflächen vor allem bei den kürzesten
We:llefl ängen gut mit der spektralen Bestrahlungsstärke im Freiluftklima übereinstimmt.
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Da es keinen Lampentyp gibt, der diese Forderung erfüllt, wird die
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bestrahlungsvorrichtung des Gerätes
mit mindestens zwei verschiedenen Entladungslampen, die überwiegend UV-Strahlung
emittieren, ausgestattet ist und durch Überlagerung der unterschiedlichen Spektralverteilungen
der Strahlung dieser verschiedenen Entladungslampen auf den Materialproben die mittlere
relative Spektralverteilung der Globalstrahlung nur im wirksamen Spektralbereich
unterhalb etwa der Wellenlänge; = 450 nm simuliert wird.
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Berechnungen und Messungen haben gezeigt, daß bereits mit zwei verschiedenen
Entladungslampen eine ausreichende Sumulation der Spektralverteilung der Globalstrahlung
im UV-Spektralbereich möglich wäre. Eine genauere Simulation der Spektralverteilung
im Wellenlägenbereich # # wird jedoch erst bei der Kombination von mindestens vier
verschiedenen Entladungslampen erreicht, wobei der Genauigkeit der Simulation aufgrund
der Vielfalt der handelsüblichen Entladungslampen faktisch keine Grenzen gesetzt
sind.
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Eine besonders energiesparende Ausführung der Erfindung erhält man,
wenn die Entladungslampen in der Bestrahlungsvorrichtung verschiedene Leuchtstofflampen
sind. Da organische Materialien breite Banden der spektralen Empfindlichkeit besitzen,
kann es vor allem in kleineren Geräten zweckmäßig und ausreichend sein, wenn die
Entladungslampen in der Bestrahlungsvorrichtung verschiedene Spektrallampen sind
und die Überlagerung der Linienspektren dieser Spektrallampen, über eine spektrale
Breit von etwa 15 nm gemittelt, der mittleren relativen SpektralverteRllung der
Globalstrahlung entspricht. FUr eine ganz genaue Simulation der mitt;Fp relativen
Spektralverteilung der Globalstrahlung kann es auch vQteilhaft sein, wenn die verschiedenen
Entlaaun n in der Bestrahlungsvorrichtung sowohl Leuchstofflampen als auch Spektrallampen
sind.
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In der Praxis ist es Häufig erforderlich, die Licht- und Wetterbeständigkeit
von großflächigen und auch unterschiedlich dicken Materialproben zu bestimmen. Auf
solchen Materialproben erzielt man eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke, wenn eine
flächenförmige
Strahlungsquelle zur Verfügung steht. Eine flächenförmige Strahlungsquelle erhält
man vorzugsweise dann, wenn die verschiedenen Entladungslampen in der Bestrahlungsvorrichtung
in einer Ebene angeordnet sind und die Strahlung mit Hilfe von Reflektoren nur nach
einer Seite dieser Ebene abgestrahlt wird.
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Bei vielen großen Gegenständen aus organischen Materialien, wie z.B.
Gehäusen und Fässern, ist nicht nur die Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit
einer kleineren Materialprobe von Interesse, sondern vor allem die Beständigkeit
des ganzen Gegenstandes mit den Einflüssen der konstruktiven Ausführung und der
Verarbeitung. Die Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit solcher Gegenstände
ist nur dann möglich, wenn sie von allen Seiten bestrahlt werden, d.h. wenn man
mehrere Bestrahlungsvorrichtungen um sie herumbaut. Es ist daher vorteilhaft, wenn
die anschlußfertige Bestrahlungsvorrichtung ein separates Gehäuse mit einem Uv-durchlässigen
Fenster aus Glas oder Kunststoff besitzt, in dem auch die Netzteile und Drosseln
für die Entladungslampen eingebaut sind.
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Eine besonders gleichmäßige Verteilung der Bestrahlungsstärke der
verschiedenen Entladungslampen auf den Materialprobenoberflächen erhält man, wenn
das Uv-durchlässige Fenster mindestens auf einer Seite eine strukturierte Oberfläche
besitzt.
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Die Strahlungsemission von Entladungslampen hängt von der Temperatur
ab. Um eine konstante oder maximale Bestrahlungsstärke auf den Materialproben zu
erzielen, ist es zweckmäßig, wenn der Raum in der Bestrahlungsvorrichtung, in dem
die Entladungslampen angebracht sind, temperiert werden kann.
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Viele Gegenstände aus organischen Materialien, wie z.B. Heimtextilien,
werden nur in Räumen verwendet und deshalb nur von der aurch das Fensterglas gefilterten
Globalstrahlung beansprucht, die, wie auch das Licht von üblichen Innenraumbeleuchtungen,
keine Uv-Strahlungsanteile mit Wellenlängen 92 nlo nm enthält. Bei einem Gerät zur
Bestimmung der Nicht
und Wetterbeständigkeit ist nun vorteilhaft,
wenn in einfacher Weise die Simulation der mittleren relativen Spektralverteilung
der Globalstrahlung hinter Fensterglas durch Abschalten eines bestimmten Typs die
Entladungslampen erreicht wird.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung des Gerätes zur Bestimmung
der Licht- und Wetterbeständigkeit können Materialproben unterschiedlicher Größe
in einem Probenraum, der eine oeffnung von der Flächengröße des Uv-durchlässigen
Fensters der Bestrahlungsvorrichtung hat, auf einem ebenen Gestell befestigt werden.
Um den Einfluß verschiedener Lufttemperaturen auf die Licht- nnd Wetterbeständigkeit
von organischen Materialien zu bestimmen, ist es zweckmäßig, wenn im Probenraum
eine Heiz- und Kühleinrichtung, einschließlich einem Temperaturfühler für ein Regelgerät,
in einem Umluftsystem eingebaut sind. Die Einwirkung unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit
auf organische Materialien kann ermittelt werden, wenn im Probenraum eine Be- und
Entfeuchtungseinrichtung, einschließlich einem Feuchte fühler für ein Regelgerät,
eingebaut sind. Für die Simulation der Beanspruchung durch Niederschlag ist es zweckmäßig,
wenn im Probenraum eine Beregnungseinrichtung eingebaut ist. Das Gerät zur Bestimmung
der Licht- und Wetterbeständigkeit wird vielseitig verwendbar, wenn die Einschaltdauer
einzelner Typen der Entladungslampen und der Beregnungseinrichtung, unterschiedliche
Lufttemperaturen und Luftfeuchtigkeit im Probenraum durch einen mechanischen oder
elektronischen Programmgeber zyklisch gesteuert werden können.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß 1. durch die Kombination verschiedener Entladungslampen die Strahlungsbeanspruchung
durch den W-Anteil der Globalstrahlung im Freiluftklima wesentlich genauer simuliert
werden kann.
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2. gegenüber den Geräten, die mit Xenonhochdrucklampen ausgerüstet
sind, bei einer vergleichbar genauen Simulation der Strahlungsbeanspruchung im Freiluftklima
der elektrische-Leistungsbedarf um etwa 90 % reduziert wird.
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3. der Installationsaufwand am Aufstellungsort des Gerätes sehr gering
ist. Es wird kein Abluftanschluß, kein KUhlwasseranschluß und kein Drehstromanschluß
benötigt.
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4. durch die geringe Wärmebelastung des Probenraumes eine Klimatisierung
in einem weiten Temperatur- und Feuchtebereich möglich ist.
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5. durch die Kombination mehrerer Bestrahlungsvorrichtungen des Gerätes
auch grobe Probenoberflächen und große dreidimensionale Proben bestrahlt werden
können.
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6. unterschiedliche Spektralverteilungen auf den Probenoberflächen
durch einfaches Aus- und Einschalten von verschiedenen Entladungslampen simuliert
werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch
die Bestrahlungsvorrichtung und den Probenraum, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht
des Gerätes zur Bestimmung der Licht- und Wetterbeständigkeit bei geöffnetem Probenraum,
Fig. 3 die schematische Anordnung von vier Bestrahlungsvorrichtungen zur Bestrahlung
einer großen Probenoberfläche und Fig. 4 die schematische Anordnung von vier Bestrahlungsvorrichtungen
zur Bestrahlung einer großen dreidimenionalen Probe.
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In der Fig. 1 ist die Bestrahlungsvorrichtung 1 dargestellt, die mit
Scharnieren an einem Gehäuse 2 befestigt ist, in dem sich der klimatisierbare Probenraum
3 befindet. Mit 4, 5, 6 und 7 sind vier verschiedene Entladungslampen in der Bestrahlungsvorrichtung
1 bezeichnet. Die Strahlung dieser Entladungslampen tritt direkt oder nach Reflexion
am Reflektor 8 durch das W-durchlässige Fenster 9 und trifft im Probenraum 3 auf
die Materialproben lo, die auf einem Probengestell 11 befestigt sind. Die Kühlung
der horizontal oder vertikal angebrachten Entladungslampen 4, 5, 6 und 7 und der
Netzgeräte und Drosseln 12 erfolgt durch die von einem Axiallüfter 13 erzeugte Umluft,
die durch Pfeile 14 dargestellt wird. Die Temperierung der Umluft 14 auf z.B. 350C
wird durch die kühlere Raumluft über eine Frischluftklappe 15 erreicht, die von
einem Thermostaten 16 gesteuert wird.
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Der Probenraum 3 ist mit einer thermischen Isolierung 17 versehen
und wird von der Bestrahlungsvorrichtung 1 durch ein umlaufendes Dichtungsprofil
18 wasserdicht verschlossen.
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Für die Klimatisierung des Probenraumes wird durch den Axiallüfter
19 eine Umluft erzeugt, die durch die Pfeile 20 dargestellt wird. Die Umluft 20
umströmt die Kühleinrichtung 21, die Heizeinrichtung 22, die Entfeuchtungseinrichtung
23 und die Befeuchtungseinrichtung 24, die hinter dem Probengestell 11 angebracht
sind.
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Die Regelung dieser Klimatisierainrichtungen erfolgt durch einen Temperaturfühler
25 und einen Feuchte fühler 26, die durch das Probengestell 11 vor Strahlungseinwirkung
geschützt sind. Mit 27 sind Sprührohre bezeichnet, die zur Beregnung der Proben
lo dienen. Durch einen Abfluß 28 kann das "Regenwasser" in einen Vorratsbehälter
29 zurückfließen, aus dem die Sprührohre 27 mit einer Pumpe 30 mit Wasser versorgt
werden.
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Die perspektivische Ansicht des Gerätes in Fig. 2 zeigt den geöffneten
Probenraum 3 mit dem umlaufenden Dichtungsprofil 18 und die Bestrahlungsvorrichtung
1, die durch zwei Scharniere 31 am
Gehäuse 2 des Gerätes befestigt
ist. ueber die Anschlußleitung 32 mit Schuko-Stecker erfolgt die elektrische Versorgung
der Bestrahlungsvorrichtung 1, das Ein- und Ausschalten der Entladungslampen 4,
5,6 und 7 wird über eine steckbare Zuleitung 33 gesteuert. Mit 34 ist ein Dreipunktregler
für die Temperatur im Probenraum und mit 35 ein Dreipunktregler für die relative
Luftfeuchte im Probenraum bezeichnet. Ein Schreiber 36 registriert die Ist-Werte
der Temperatur und relativen Feuchte im Probenraum die Schaltzustände der Relais
für die Entladungslampen und für die Regenwasserpumpe und die Bestrahlungsstärke
auf den Probenoberflächen. Die zyklische Steuerung der Beregnungsvorrichtung, des
Ein- und Ausschaltens von Entladungslampen und von Soll-Werten der Temperatur und
relativen Feuchte erfolgt durch einen mechanischen oder elektronischen Programmgeber
37. Konstante Betriebsbedingungen können über das Tastenfeld 38 fest programmiert
werden. Gerätestunden und die Betriebszeit von Entladungslampen sind an den Betriebsstundenzählern
39 abzulesen.
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Mit 40 ist der Hauptschalter des Gerätes bezeichnet.
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Wenn die Zuleitung 33 entfernt und durch einen Kurzschlußstecker ersetzt
wird, kann die Bestrahlungsvorrichtung 1 an den Scharnieren 31 ausgehängt und über
die Anschlußleitung 32 an jeder Steckdose betrieben werden. Das Ein- und Ausschalten
der verschiedenen Entladungslampen 4, 5, 6 und 7 erfolgt dann von Hand über die
Schalter 41.
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Einfache Kombinationen von Je vier Bestrahlungsvorrichtungen 1 zur
Bestrahlung einer großflächigen Probe 42 (etwa 4 m lang und 1 m breit) oder eines
großen dreidimensionalen Probenkörpers 43 (etwa 1 m hoch und o;-m Durchmesser) sind
in Fig. 3 und Fig.4 schematisch dargestellt.
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L e e r s e i t e