DE3205704C2

DE3205704C2 -

Info

Publication number: DE3205704C2
Application number: DE19823205704
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Phys. 8150 Holzkirchen De Mayer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-02-17
Filing date: 1982-02-17
Publication date: 1988-12-22
Also published as: DE3205704A1

Description

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 Meßeinrichtung 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).

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.

Eine Einrichtung der genannten Art ist bspw. aus T. H. 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 in ein 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.

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. Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Ansprech- bzw. 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 Heizeinrichtung 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.

Dadurch, daß Temperaturfühlelement und Heizelement nicht mehr voneinander getrennt, sondern als Temperaturfühl- und Heizelelement 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. 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.

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.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen, nicht maßstäblichen Figuren erläutert; von diesen zeigt

Fig. 1 die Ausbildung des Temperaturfühl- und Heizelements gemäß der Erfindung;

Fig. 2 die hier als Temperaturfühler bezeichnete 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.

Das Temperaturfühl- und Heizelement 4 gemäß der Fig. 1 weist die Form einer rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Fläche auf, die dadurch zustande kommt, daß auf einem geeigneten Substrat, vorzugsweise auf einer etwa 0,2 bis 0,3 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 µm dick; sie wird, bspw. durch Gravieren, in ein mäanderartiges Metallband aufgelöst, dessen Breite d etwa 0,8 µm beträgt. Bei Verwendung von Platin beträgt der Widerstand des so erhaltenen Metallbandes etwa 80 Ω. Über die Anschlußfahnen 3 ist das Element an die Widerstandsauswerteeinrichtung und an die Heizeinrichtung anschließbar.

Fig. 2 zeigt einen Temperaturfühler 6 mit dem Temperaturfühl- und Heizelement 4, welches von acht Heizelementen 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.

Fig. 3 zeigt einen gemäß der Schnittlinie III-III in 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 Fig. 3 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.

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 R _A von seiner Temperatur ϑ _A abhängt, gesteuert. Die Spannung U teilt sich in die Teilspannungen U _R und U _A auf, die sich bei dem über die Reihenschaltung R+R _A fließenden, von U abhängigen Strom einstellen. Stellen sich zur Zeit t₁ die Werte (U _R ) _{t 1}, (U _A ) _{t 1} und (R _A ) _{t 1} ein, so muß vom Rechner C im darauffolgenden Zeitpunkt t 2 die Anlegung der Spannung

veranlaßt werden, um die gewünschte, konstant zuzuführende Soll-Leistung N zu erzielen. - Aus den Werten U _A, U _R und R läßt sich darüber hinaus die dem Wert des Widerstands R _A entsprechende Temperatur ϑ _A des Temperaturfühl- und Heizelements 4 aufgrund der Beziehung

ermitteln.

Die vom Temperaturfühl- und Heizelement an seine Umgebung abgeführte Wärmemenge setzt sich aus mehreren Anteilen zusammen, die den verschiedenen Möglichkeiten des Wärmetransports entsprechen. Wird davon ausgegangen, daß dafür im wesentlichen nur die durch Konvektion abgeführte Wärmemenge q _K und die abgestrahlte Wärmemenge q _S in Betracht kommen, so kann die insgesamt abgeführte Wärmemenge, die der zugeführten Heizleistung N entspricht, mit q _K+S=q _K+q _S angesetzt werden. Zur Berechnung der durch Strahlung abgeführten Wärmemenge kann im vorliegenden Falle das Stefan-Boltzmann'sche Gesetz in der vereinfachten Form

angesetzt werden, weil der Emissionskoeffizient der Haut nahezu gleich dem des schwarzen Strahlers ist, d. h. gleich 1 gesetzt werden kann; darin bedeuten σ die Boltzmann'sche Konstante und ϑ _S die Temperatur desjenigen Teils der den Meßraum umschließenden Fläche, der vom Temperaturfühl- und Heizelement mit der Temperatur ϑ _A in der jeweiligen Meßrichtung gesehen wird.

Um die gesuchte Temperatur ϑ _S zu erhalten, wird zunächst aus dem gemessenen Wert q _K+S die Wärmemenge q _S=q _K+S-q _K ermittelt, wozu erfindungsgemäß ein weiterer Temperaturfühler eingesetzt wird, der mit dem bisher besprochenen, hier als absorbierender Temperaturfühler bezeichneten, Temperaturfühler 6 konstruktiv identisch 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 ϑ _A des absorbierenden Temperaturfühlers gehalten wird. Mit dem Temperaturfühl- und Heizelement des reflektierenden Temperaturfühlers läßt sich die Wärmemenge q _K und in der Folge die Wärmemenge q _S=q _K+S-q _K ermitteln.

Aus

ergibt sich dann die 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.

Claims

1. Vorrichtung 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), dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturfühlelement als gemeinsamer Bestandteil sowohl der Widerstandsauswerteeinrichtung als auch der Heizeinrichtung zugleich sein Heizelement ist (Temperaturfühl- und Heizelement, 4) und mit weiteren Heizelementen (5, 7) zusammen einen Temperaturfühler (6) bildet, bei dem das Temperaturfühl- und Heizelement (4) außerhalb seines räumlichen Meßbereichs von weiteren Heizelementen (5, 7) umgeben ist, die durch eine weitere Heizeinrichtung auf der Temperatur des Temperaturfühl- und Heizelements (4) gehalten werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Heizelemente in einer Ebene (Meßebene) mit dem Temperaturfühl- und Heizelement (4) auf der Meßseite des Temperaturfühlers (6) angeordnet sind (meßseitige Heizelemente, 5).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die meßseitigen Heizelemente (5) von gleicher Oberflächenbeschaffenheit wie das Temperaturfühl- und Heizelement (4) sind (Temperaturfühler mit absorbierender Meßseite).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Heizelemente auf der Rückseite der Meßebene angeordnet sind (rückseitige Heizelemente, 7).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitigen Heizelemente (7) in einer zu der Meßebene parallelen und von dieser wärmeisolierten Ebene angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Heizelemente (5, 7) von gleichem Material und von gleicher Form wie das Temperaturfühl- und Heizelement (4) sind.