DE3611084A1 - Messvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die das Raumklima beeinflussenden Größen.

Bekanntlich sollen durch Heizung, Lüftung oder Klimatisierung innerhalb von Aufenthalts- oder Arbeitsräumen oder dergleichen solche klimatische Bedingungen geschaffen werden, die ein Mensch als behaglich empfindet. Diese Bedingungen werden in ihrer Gesamtheit durch das Raumklima beschrieben, das eine Komplexwirkung, insbesondere der Lufttemperatur, der Luftbewegung sowie der Temperatur der Umschließungsflächen darstellt. Die letztgenannte Temperatur wird auch als Strahlungstemperatur bezeichnet. Das thermische Behaglichkeitsempfinden hängt von den beeinflussenden Größen in unterschiedlicher Weise ab, und es wurden auch sogenannte Behaglichkeitsformeln aufgestellt, um über eine Behaglichkeitskennzahl eine insoweit verwertbare Aussage machen zu können. Die Aufstellung und Auswertung einer derartigen Formel erfordert einen hohen Aufwand, wobei verschiedene Sensoren, und zwar für Lufttemperatur, Wandtemperatur, Luftgeschwindigkeit, usw. notwendig sind. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich bei der Klimatisierung des Innenraumes eines Kraftfahrzeuges aufgrund der vergleichsweise großen Luftgeschwindigkeit und der großen Temperaturdifferenz zwischen der Luft und den Umgebungsflächen bzw. Fenstern und Wänden der Fahrgastzelle. So wird für die Luftgeschwindigkeit in einem Büroraum mit 0,2 m/sec und in einem Kraftfahrzeug von 1 m/sec zu rechnen sein. Die maßgebende Temperaturdifferenz zwischen Luft und Übergangsflächen beträgt in einem Büroraum etwa 4 K und demgegenüber in einem Kraftfahrzeug etwa 20 K. Auch sind die Abstände zur kältesten Raumfläche, und zwar zu einem Fenster in einem Büroraum, regelmäßig größer als ein Meter, während in einem Kraftfahrzeug mit etwa 0,2 m zu rechnen ist.

Um die genannten Faktoren und Einflußgrößen für das Raumklima erfassen zu können, mußten bisher unterschiedliche Sensoren, und zwar für die Raumtemperatur, die Strahlungstemperatur sowie Drucksensoren zum Einsatz gelangen. Hierbei erforderte nicht nur die Anordnung derartiger Sensoren sondern auch die Signalaufbereitung der gewonnenen Signale sowie deren Verarbeitung in einer Elektronik einen nicht unerheblichen Aufwand, wobei aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit erhebliche Probleme in der Praxis zu verzeichnen sind, die bisher nicht befriedigend gelöst werden konnten.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung vorzuschlagen, die in einfacher und gleichwohl zuverlässiger Weise eine eindeutige Aussage zum Raumklima ergibt. Die Meßvorrichtung soll bei einem einfachen und kostengünstigen Aufbau eine hohe Funktionssicherheit ergeben und eine zuverlässige Bestimmung des maßgebenden Faktoren für das Raumklima ermöglichen. Die Meßvorrichtung soll einen kompakten Aufbau bei geringem Gewicht aufweisen und eine problemlose Montage und Anordnung an der gewünschten Stelle in einem Raum ermöglichen. Bevorzugt soll die Meßvorrichtung in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz gelangen können, doch soll darüber hinaus auch der Einsatz zur Klimatisierung von sonstigen Räumen, insbesondere mit großen Fensterflächen, erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die von einer thermischen Isolierung umgeben ist, und daß der Isolierung ein Temperatursensor zur Erfassung des Wärmeflusses zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen und funktionsgerechten Aufbau aus und ermöglicht in einfacher Weise die Erfassung des Wärmeflusses. Es wird mit dem Temperatursensor nicht einfach eine Raumtemperatur gemessen, sondern vielmehr wird mittels der im Inneren der Meßvorrichtung erfindungsgemäß vorgesehenen Heizeinrichtung künstlich ein Temperaturgefälle zum Außenraum erzeugt. Der Temperatursensor ergibt vielmehr eine Äquivalenztemperatur entsprechend dem Wärmefluß. Die Wärmeleiteigenschaften der thermischen Isolierung sind erfindungsgemäß in der Weise vorgegeben, daß zwar eine hinreichende Wärmeableitung zum Außenraum hin möglich ist, aber andererseits eine hinreichende Temperaturdifferenz zwischen der Heizeinrichtung und dem Temperatursensor bei niedrigem Energieeinsatz in der Heizeinrichtung notwendig ist. Die Heizeinrichtung wird mittels einer geeigneten Elektronik zweckmäßig auf eine konstante Temperatur von insbesondere 37°C oder auf eine konstante Leistung geregelt. Die Heizleistung beträgt im Rahmen dieser Erfindung maximal 1 Watt, zweckmäßig jedoch nur 0,1 Watt. Die spezifische Heizleistung liegt insbesondere im Bereich zwischen 0,08 bis 0,2 Watt/cm². Die aktive Sensoroberfläche, die im Rahmen dieser Erfindung mit einer insbesondere schwarzen Außenhaut versehen ist, kann entsprechend klein gehalten werden. Im Rahmen dieser Erfindung wird die Thermodynamik und/oder die Heizleistung der Meßvorrichtung einem "Durchschnittsmenschen" bzw. einem erwachsenen Menschen angepaßt. Die von dem Temperatursensor erfaßte Äquivalenztemperatur ergibt folglich eine direkte Korrelation zum Behaglichkeitsempfinden des Menschen. Nimmt beispielsweise im Außenraum die Temperatur zu, so wird der Wärmefluß zum Außenraum reduziert, und die Temperatur am Temperatursensor steigt entsprechend an. Andererseits wird bei einer hohen Luftgeschwindigkeit im Außenraum ein erhöhter Wärmeabfluß stattfinden, so daß mit dem Temperatursensor ein entsprechend niedrigeres Signal erzeugt wird. Auch die vom Außenraum auf den Sensor wirksame Strahlungsenergie beeinflußt entsprechend den Wärmefluß. Das mit dem Temperatursensor erfaßte Signal beinhaltet folglich die Kombination der Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit sowie der Strahlungstemperatur im Außenraum. Mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wird in überraschend einfacher Weise unmittelbar ein der Behaglichkeit entsprechendes Signal gewonnen, das zweckmäßig nach einer Signalnormierung einem Regler einer Klimaanlage oder ähnlichem zugeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine halbkugelförmig ausgebildete Meßvorrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Meßvorrichtung, die im Inneren eine Leiterplatte 2 aufweist. Auf dieser Leiterplatte 2 ist eine Heizeinrichtung 4 mit hinlänglich bekannten elektronischen Bauelementen, wie Transistoren, Widerständen usw. aufgebaut. Diese Heizeinrichtung 4 enthält einen Temperaturfühler 6 und einen hier nicht weiter zu erläuternden Heizungsregler, um auf konstante Temperatur von insbesondere 37°C zu regeln. Erfindungsgemäß kann alternativ auf konstante Leistung geregelt werden. Die Heizeinrichtung und eine nachfolgend noch zu erläuternde Auswertelektronik 8 sind thermisch gut gekoppelt und zweckmäßigerweise mit einem Gießharz oder dergleichen vergossen. Wesentlich ist im Rahmen dieser Erfindung, daß sämtliche elektronische Bauelemente praktisch immer auf der gleichen Temperatur liegen, und folglich eine Temperaturtrift der Bauelemente für die Genauigkeit des Meßsignales keinen Einfluß hat. Der Anschluß erfolgt über ein dreiadriges Kabel 12, wobei zwei Adern für die Stromversorgung und die dritte Ader für den Sensorausgang, und zwar bezogen auf Masse, der Spannungsversorgung dient. Die Stromversorgung erfolgt insbesondere über die Batterie eines Fahrzeuges. Üblicherweise weisen heute die Batterien von Personenwagen eine Spannung von 12 Volt auf, während bei Lastkraftwagen 24 Volt vorgesehen sind. Im Rahmen dieser Erfindung können selbsverständlich auch andere Spannungswerte liegen.

Der die genannte Elektronik aufnehmende etwa halbkugelartige Körper aus Gießharz 10 wird außen von einer ersten und zweiten thermischen Isolierung 14, 16 umgeben, zwischen welchen eine Schicht 18 angeordnet ist. Diese Schicht 18 ist ein guter Wärmeleiter und besteht insbesondere aus einer Kupferfolie. Auf dieser Schicht 18 ist der Temperatursensor 20 angeordnet, der zweckmäßig als ein NTC-Fühler, also ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, ausgebildet ist. Der Temperatursensor 20 ist mittels Leitungen 22 mit der Auswertelektronik 8 auf der Leiterplatte 2 verbunden. Mit der Auswertelektronik 8 wird ein der Temperatur der Schicht 18 entsprechendes Signal erzeugt und über das dreiadrige Kabel 12 einem Regler für eine Klimaanlage oder dergleichen zugeführt. Auch die in der Auswertelektronik 8 umgesetzte Energie wird mit dem Temperatursensor 6 erfaßt, so daß die über die Heizeinrichtung zuzuführende Energie entsprechend reduziert wird. Mittels der Schicht 18 wird in zweckmäßiger Weise eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den beiden thermischen Isolierungen 14, 16 erzeugt, und lokale Temperaturschwankungen werden ausgemittelt.

Die äußere thermische Isolierung 16 ist mit einer schwarzen Außenhaut 24 überzogen. Hierdurch wird sichergestellt, daß die vom Außenraum 26 einwirkende Wärmestrahlung möglichst vollständig aufgenommen wird, und andererseits eine optimale Wärmestrahlung in den Außenraum 26 hinein erfolgen kann. Die Leiterplatte 2 einschließlich Gießharzkörper sowie die genannten Schichten und Isolierungen sind gemeinsam auf einer zweckmäßig kreisringförmigen Montageplatte 28 angeordnet, welche aus einem thermisch isolierenden Material besteht. Die Dicke der Montageplatte 28 ist im Hinblick auf eine hinreichende Wärmeisolierung dimensioniert, um insoweit die Verlustenergie möglichst gering zu halten. Es sei festgehalten, daß in der Zeichnung die Meßvorrichtung etwa zweifach vergrößert dargestellt ist.

Im Rahmen dieser Erfindung entspricht die Thermodynamik und/oder die Heizleistung der eines Durchschnittsmenschen bzw. eines erwachsenen Menschen. Die spezifische Heizleistung liegt zwischen 0,08 und 0,2 Watt/cm². Bei kompaktem Aufbau und einer geringen Gesamtleistung im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 Watt wird zuverlässig die Äquivalenztemperatur bestimmt.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild mit der Heizeinrichtung 4, die derart geregelt wird, daß im Inneren der Meßvorrichtung eine konstante Temperatur vorherrscht. Der Wärmefluß vom Inneren bzw. von der Heizeinrichtung in den Außenraum wird mit dem Temperatursensor 20 unmittelbar erfaßt. Entsprechend der Lufttemperatur, der Luftbewegung sowie der Strahlungstemperatur im Außenraum ergibt sich ein entsprechender Wärmefluß, und das mit dem Temperatursensor 20 erzeugte Signal ist unmittelbar abhängig von diesem Wärmefluß. Mittels der nachgeschalteten Auswertelektronik 8 erfolgt eine Signalnormierung entsprechend den jeweiligen Randbedingungen, und als Ausgangssignal steht die sogenannte Äquivalenz-Temperatur zur Verfügung. Ein der Äquivalenz-Temperatur entsprechendes Signal wird dem Regler 30 einer Klima- oder Heizungsanlage zugeführt. Dem Regler 30 wird in üblicher Weise ein Sollwert zugeführt, und am Reglerausgang 32 steht die Stellgröße für die Klimatisierung zur Verfügung.

• Bezugszeichenliste  2Leiterplatte 4Heizeinrichtung 6Fühler 8Auswerteelektronik10Gießharz12Kabel14, 16thermische Isolierung18Schicht20Temperatursensor22Leitung24Außenhaut26Außenraum28Montageplatte30Regler32Reglerausgang

Claims (9)

1. Meßvorrichtung für die das Raumklima beeinflussenden Größen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Heizeinrichtung (4) vorgesehen ist, die von einer thermischen Isolierung (14, 16) umgeben ist, und
daß der thermischen Isolierung (14, 16) ein Temperatursensor (20) zur Erfassung des Wärmeflusses von der Heizeinrichtung (4) in den Außenraum (26) zugeordnet ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) einen Fühler (6) aufweist, um auf konstante Temperatur, insbesondere 37°C, oder Leistung zu regeln.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (20) auf einer Schicht (18) angeordnet ist, die als ein guter Wärmeleiter ausgebildet ist und insbesondere aus einer Kupferfolie besteht.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (16) zwischen den beiden thermischen Isolierungen (14, 16) angeordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere thermische Isolierung (16) mit einer im wesentlichen schwarzen Außenhaut (24) überzogen ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einer Leiterplatte (2) angeordnete Heizeinrichtung (4) einschließlich einer Auswertelektronik (8), mit welcher der Temperatursensor (20) verbunden ist, in einem Körper aus thermisch leitfähigen Material, insbesondere einem Gießharz, eingegossen ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere mit der Auswertelektronik (8) eine Signalnormierung des Ausgangssignales des Temperatursensors (20) vorgenommen wird.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Heizleistung, bezogen auf die aktive Sensoroberfläche, und zwar insbesondere die Außenhaut (24), im Bereich zwischen 0,08 und 0,2 Watt/cm² liegt.

9. Meßvorrichung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermodynamik und/oder die Heizleistung entsprechend einem Durchschnittsmenschen bzw. eines erwachsenen Menschen vorgegeben sind.