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Einrichtung zur Beruteilung des Raumklimas
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Beurteilung des Raumklimas
mit einem Temperaturfühlelement, das die Form einer definierten ebenen, von einem
Metallband mäanderartig ausgefüllten Fläche mit einer im Infraroten maximal absorbierenden
Seite (Meßseite) hat, durch deren Normale als Meßrichtung ein räumlicher Meßbereich
des Temperaturfühlelements bestimmt wird, mit einem Heizelement des Temperaturfühlelements,
durch das diesem von einer Heizeinrichtung eine konstante Heizleistung zugeführt
wird, und mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des veränderlichen Widerstandswerts
des Temperaturfühlelements (Widerstandsauswerteeinrichtung).
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Solche Einrichtungen kommen in der Regel als Bestandteil einer Anordnung
in Betracht, die außer ihnen bspw. noch Einrichtungen zur Erfassung der Luftströmung,
der Luftfeuchtigkeit und der Wärmestrahlung umfaßt und die zur Bestimmung der Behaglichkeit
des Raumklimas unter gegebenen Voraussetzungen dient.
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Eine Einrichtung der genannten Art ist bspw. aus T.H.
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Benzinger, '§Thermal Analysis - Human Comfort - Indoor Environments",
National Bureau of Standards, Gaithersburg, MD 20760, 11.Februar 1977, bekannt.
Das als Widerstandsthermometer arbeitende Temperaturfühlelement dieser bekannten
Einrichtung besteht aus einer Platinschicht, die durch Kathodenzerstäubung (sputtering)
innerhalb einer durch Maskierung begrenzten, quadratischen Fläche auf einer Scheibe
aus synthetischem Saphir niedergeschlagen ist. Um den elektrischen Widerstand der
Platinschicht
zu steigern, ist in die quadratische Fläche ein Mäandermuster
eingraviert, wodurch die Platinschicht n ein.
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kontinuierliches Platinband aufgelöst wird., welches die Fläche mäanderartig
ausfüllt. Getrennt von diesem Temperaturfühlelement und elektrisch von diesem isoliert
ist ein konstruktiv gleichartiges Heizelement für das Temperaturfühlelement vorgesehen.
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Das Temperaturfühlelement der bekannten Einrichtung, dessen Oberfläche.
im Infraroten maximal absorbiert und das eine Richtwirkung insofern zeigt, als es
innerhalb eines durch. die Normale zu seiner absorbierenden Oberfläche als Meßrichtung
bestimmten räumlichen Meßbereichs maximal empfindlich ist, dient zur Messung der
Temperatur, die sich in Meßrichtung gesehen einstellt, wenn dem Heizelement eine
bestimmte Heizenergie je Flächeneinheit zugeführt wird, die dem von einer Person
je Flächeneinheit der Hautoberfläche nach außen abgeführten,. durch den Stoffwechsel
erzeugten Wärmemenge entspricht. Da die abgeführte Wärmemenge mehrere, auf unterschiedliche
Ursachen zurückzuführende Anteile umfaßt bzw. das Resultat unterschiedlicher Einflußgrößen
ist, wird die so gemessene Temperatur als "resultierende Oberflächentemperatur"
bezeichnet.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Ansprech- bzw.
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die Anzeigegenauigkeit des Temperaturfühlelements gegenüber der bekannten
Einrichtung zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
das Temperaturfühlelement als gemeinsamer Bestandteil sowohl der Widerstandsauswerteeinrichtung
, als auch der Beizeinrichtung zugleich sein Heizelement ist und mit weiteren Heizelementen
zusammen einen Temperaturfühler bildet, bei dem das Temperaturfühl- und Heizelement
außerhalb seines räumlichen Meßbereichs von weiteren Heizelementen umgeben ist,
die durch eine weitere Heizeinrichtung auf der Temperatur des Temperaturfühl- und
Heizelements gehalten werden.
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Dadurch, daß Temperaturfühlelement und Heizelement nicht mehr voneinander
getrennt, sondern als Temperaturfühl-und Heizelement beides in einem sind, läßt
sich die Wärmekapazität der Anordnung und die Trägheit, mit der sie auf Änderung
der Einflußgrößen reagiert, vermindern. Beides wirkt sich in einer Verkürzung der
Reaktionszeit aus, d.h.
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derjenigen Zeit, die das Temperaturfühlelement benötigt, um sich auf
eine geänderte klimatische Situation einzustellen. Durch die das Temperaturfühl-
und Heizelement außerhalb seines räumlichen Meßbereichs umgebenden und auf seiner
Temperatur gehaltenen Heizelemente werden Randstörungen ausgeschaltet, die eine
unerwünschte Änderung oder eine schlechte Definierbarkeit des räumlichen Meßbereichs
zur Folge haben könnten. Insgesamt wird dadurch die Richtwirkung des aus dem Temperaturfühl-
und Heizelement und den weiteren Heizelementen gebildeten Temperaturfühlers verbessert.
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Die Richtwirkung des Temperaturfühlers läßt sich noch steigern, indem
das Temperaturfühl- und Heizelement nicht nur mit in einer, hier als Meßseite bzw.
als Meßebene bezeichneten, Ebene mit ihm angeordneten, hier als meßseitig bezeichneten,
Heizelementen umgeben wird, sondern wenn auch auf der Rückseite der Meßebene, hier
als rückseitig bezeichnete, Heizelemente vorgesehen werden. Fertigungsmäßig besonders
vorteilhaft ist es, wenn die weiteren Heizelemente von gleichem Material und von
gleicher Form wie das Temperaturfühl- und Heizelement sind.
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Anordnungen zur Bestimmung der Behaglichkeit des Raumklimas benötigen,
wie bereits ausgeführt, in der Regel eine Einrichtung zur Erfassung der Wärmestrahlung.
Diese Einrichtung läßt sich erübrigen, indem in besonders vorteilhafter Weise der
im Infraroten absorbierende Temperaturfühler gemäß der Erfindung zusammen mit einem
konstruktiv identischen, aber im Infraroten reflektierenden Temperaturfühler in
einer Kombination vorgesehen wird, mit der sich die Temperatur des in der jeweiligen
Meßrichtung gesehenen
Teils der den Meßraum umschließenden Fläche
ohne Strahlungsmessung ermitteln läßt. Einzelheiten hierzu sowie hinsichtlich weiterer
vorteilhafter Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen, nicht maßstäblichen
Figuren erläutert; von diesen zeigen Fig.1 die Ausbildung des Temperaturfühl- und
Heizelements gemäß der Erfindung; Fig.2 die hier als Temperaturfühler izeichnete
Anordnung eines Temperaturfühl- und Heizelements mit weiteren Heizelementen in der
Meßebene; Fig.3 einen Schnitt durch den Temperaturfühler gemäß der Fig.2 mit weiteren
Heizelementen auf der Rückseite der Meßebene; Fig.4 eine Blockschaltung zur Veranschaulichung
des Prinzips, gemäß dem dem Temperaturfühl- und Heizelement eine konstante Heizleistung
zugeführt wird.
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Das Temperaturfühl- und Heizelement gemäß der Fig.1 weist die Form
einer rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Fläche auf, die dadurch zustande
kommt, daß auf einem geelgneten Substrial, vorzugswelse auf elner etwen 0,2 bis
o,3 mm dicken Scheibe 1 aus synthetischem Saphir, eine durch Maskieren auf eine
Fläche von etwa 2 cm2 begrenzte, aus einem geeigneten Metall, vorzugsweise aus Platin,
bestehende Schicht 2 aufgebracht wird. Die Metallschicht 2 ist etwa 0,5 mm dick;
sie wird, bspw. durch Gravieren, in ein mäanderartiges Metallband aufgelöst, dessen
Breite d etwa 0,8 Fm beträgt. Bei Verwendung von Platin beträgt der Widerstand des
so erhaltenen Metallbandes etwa 80#.
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Uber die Anschlußfahnen 3 ist das Element an die Widerstandsauswerteeinrichtung
und an die Heizeinrichtung anschließbar.
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Fig.2 zeigt einen Temperaturfühler 6 mit dem Temperaturfühl- und Heizelement
4, welches von acht Hetzelementen 5 umgeben ist und zusammen mit diesen in der anhand
der Fig.1 erläuterten Weise auf dem scheibenförmigen Substrat 1 gebildet worden
ist. Bei 10 sind die Anschlüsse des Temperaturfühl- und Heizelements 4 und der zusammengeschalteten
Heizelemente 5 getrennt voneinander ausgeführt. Die Elemente 4 und 5 weisen eine
durch geeignete Schwärzungsmaßnahmen erzielte, im Infraroten maximal absorbierende
Oberfläche auf.
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Fig.3 zeigt einen in der gestrichelten Schnittlinie gemäß der Fig.2
geführten Schnitt durch einen Temperaturfühler 6 mit dem Temperaturfühl- und Heizelement
4, den dieses umgebenden meßseitigen Heizelementen 5 und mit weiteren, rückseitigen
Heizelementen 7. Entgegen der Darstellung in der Figur können die rückseitigen Heizelemente
7, die sich auf der zu der Scheibe 1 parallelen Scheibe 1' befinden, auch auf der
der Scheibe 1 zugewandten Oberfläche der Scheibe 1' angebracht sein. Die Scheiben
1 und 1' sind über einen etwa 0,3 mm starken Steg 8 dergestalt miteinander verklebt,
daß zwischen den beiden Scheiben eine etwa 0,3 mm starke Luftschicht 9 bleibt, durch
die sie thermisch voneinander isoliert sind. Der in der Fig.3 eingezeichnete Pfeil
zeigt die durch die Lage des Temperaturfühl- und Heizelements 4 bestimmte Meßrichtung
des Temperaturfühlers 6 bzw. die Richtung der Normale der die Elemente 4 und 5 enthaltenden
Meßseite dieses Temperaturfühlers.
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Die Zufuhr einer konstanten Heizleistung N zum Temperaturfühl- und
Heizelement wird ebenso wie die Ermittlung seiner Temperatur durch einen Rechner
gesteuert. Anhand der Fig.4 soll das Prinzip der rechnergesteuerten Heizleistungszufuhr
erläutert werden. Durch den Rechner C wird die Anlegung einer Spannung U an die
Reihenschaltung des konstanten Widerstands R und des Temperaturfühl- und Heizelements
4, dessen Widerstand RA von seiner Temperatur #A abhängt, ge-
steuert.
Die Spannung U teilt sich in die Teilspannungen UR und UA auf, die sich bei dem
über die Reihenschaltuny R + RA fließenden, von U abhängigen Strom einstellen.
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Stellen sich zur-Zeit t1 die Werte (UR)t1, (UA)tl und (RA?tl ein,
so muß vom Rechner C im darauffolgenden Zeitpunkt t2 die Anlegung der Spannung
veranlaßt werden, um die gewünschte, konstant zuzuführende Soli-Leistung N zu erzielen.
- Aus den Werten UA, UR und R läßt sich darüberhinaus die dem Wert des Widerstands
RAentsprechende Temperatur #A des Temperaturfühl- und Heizelements 4 aufgrund der
Beziehung U RA = RA(#A) = UA ermitteln.
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UR/R Die vom Temperaturfühl- und Heizelement an seine Umgebung abgeführte
Wärmemenge setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen, die den verschiedenen Möglichkeiten
des Wärmetranspartys entsprechen. Wird davon ausgegangen, daß dafür im wesentlichen
nur die durch Konvektion abgeführte Wärmemenge qK und die abgestrahlte Wärmemenge
qS in Betracht kommen, so kann die insgesamt abgeführte Wärmemenge, die der zugeführten
Heizleistung N entspricht, mit qK+S= 9K+9S angesetzt werden. Zur Berechnung der
durch Strahlung abgeführten Wärmemenge kann im vorliegenden Falle das Stefan-Boltzmann'sche
Gesetz in der vereinfachten Form qS = cr(+ A 4 S) angesetzt werden, weil der Emissionskoeffizient
der Haut nahezu gleich dem des schwarzen Strahlers ist, d.h. gleich 1 gesetzt werden
kann; darin bedeuten # die Boltzmann'sche Konstante und #S die Temperatur desjenigen
Teils der den Meßraum umschließenden Fläche, der vom Temperaturfühl- und Heizelement
mit der Temperatur #A, in der jeweiligen Meßrichtung gesehen wird.
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Um die gesuchte Temperatur aS zu erhalten, wird zunächst 5 aus dem
gemessenen Wert qK+S die Wärmemenge qS = qK+S- qK ermittelt, wozu erfindungsgemäß
ein weiterer Temperaturfühler eingesetzt wird, der mit dem bisher besprochenen,
hier als absorbierender Temperaturfühler bezeichneten, Temperaturfühler 6 konstruktiv
.ildentisch ist, der aber im Gegensatz zu jenem eine im Infraroten maximal reflektierende
Meßseite hat. Dieser, hier als reflektierender Temperaturfühler bezeichnete, Temperaturfühler
wird an eine eigene Heiz- und Widerstandsauswerteeinrichtung angeschlossen, mittels
derer er auf der Temperatur #A des absorbierenden Temperaturfühlers gehalten wird.
Mit dem Temperaturfühl- und Heizelement des reflektierenden Temperaturfühlers läßt
sich die Wärmemenge qK und in der Folge die Wärmemenge qS = qK+S qK ermitteln.
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Aus qO = qK+S- qK = # (#4 - #4) ergibt sich dann die A S gesuchte
Temperatur
Diese Art der Bestimmung der Strahlungstemperatur erfordert nicht nur keine sonst
eigens dafür vorzusehende Strahlungsmeßeinrichtung, sondern bietet darüber hinaus
auch den Vorteil, daß sie eine wesentlich kürzere Reaktionszeit benötigt als übliche
Strahlungsmeßeinrichtungen, die mit thermisch trägeren Strahlungsempfängern arbeiten.