DE3611084A1 - Messvorrichtung - Google Patents
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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.
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.
Priority Applications (1)
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