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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Wärmeflüssen. Die Messung
von Wärmeflüssen, d. h. der Wärmemengen, welche in der Zeiteinheit durch die Flächeneinheit
eines Körpers hindurchtreten, ist eine technisch wichtige Aufgabe. Es kann sich
dabei sowohl um die :Messung der durch die Oberfläche eines Körpers aus- und in
ein anderes Medium übertretenden Wärme-üsse handeln als auch um Wärmeströmungen
in ausgedehnten Körpern. Der erste Fall liegt z. B. vor bei der Messung des Wärmeflusses,
der durch die Wände von beheizten Gebäuden, durch das Mauerwerk von Kesseln und
Ofen usw. austritt und der für die Bestimmung des Wärmebedarfs von grundlegender
Bedeutung ist. Der zweite Fall kommt in Frage bei Messung des Wärmeflusses im Erdboden,
in Isolierschichten usw.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Meßverfahren und eine
Vorrichtung, welche die direkte Messung von Wärmeflüssen auf folgende Weise erreicht:
Senkrecht zur Richtung des Wärmeflusses wird eine Meßplatte p angebracht aus einem
Material bekannter Wärmeleitzahl, welche so dünn ist, daß sie dem Wärmedurchgang
kein merkliches Hindernis bietet. Für die Messung des Wiirmeflttsses durch die Wand
eines Geb.*ittclekann man beispielsweise eine Glasplatte von ein oder mehreren dm
Größe und ein oder mehreren mm Dicke verwenden, welche an die Wandoberfläche angepreßt
wird. Bei gekrümmten Flächen kann man auch schmiegsames Material, z. B. einenKautschukstreifen,
für die Meßplatte verwenden. Der die Wand durchströmende Wärmefluß muß auch die
Meßplatte passieren, wobei an den beiden Oberflächen derselben eine kleine Temperaturdifferenz
auftritt. Bei Wärmeflußmessungen in ausgedehnten Körpern, z. B. im Erdboden, in
Isolierschichten usw., kann man die Meßplatte unmittelbar in den Körper einbetten.
Infolge der geringen Dicke der Meßplatte wird der Wärmefluß durch ihre Anwesenheit
nicht gestört. Wäre die Meßplatte dick, so würde der Wärmestrom, wenn sie eine kleinere
oder größere Wärmeleitzahl als der vorher an ihrem Platze befindliche Stoff hat,
ihr ausweichen bzw. sich in ihr zusammendrängen, und man würde den gestörten und
nicht den ursprünglich vorhandenen Wärmefluß messen.
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Die geringe Temperaturdifferenz der beiden Oberflächen der Meßplatte
von im allgemeinen Bruchteilen eines °C dient als Maß des Wärmeflusses und wird
am besten auf elektrischem Wege gemessen. Die Messung erfolgt am bequemsten mit
Hilfe von zwei Widerstandsthermometern, welche man in Gestalt zweier dünner Metallfolien
etwa nach Abb. i auf beiden Seiten der Meßplatte befestigt. Besonders gut eignen
sich hierzu chemisch niedergeschlagene Silberschichten, wie sie zur Herstellung
von Glasspiegeln benutzt werden. Die beiden Metallfolien, die praktisch von gleichem
Widerstande gewählt werden, bilden zwei Zweige einer Wheatstoneschen Brücke, wie
in Abb. 2 dargestellt. Darin bedeuten A und a die Metallfolien zu
beiden Seiten der Meßplatte p, B und b die anderen Brückenwiderstände,
g ein Galvanometer und e eine Stromquelle. Ist die Brücke hei leicher Temperatur
der beiden Metall-Z,
folien ausgeglichen, so fließt ein Strom durch
das Galvanometer, sobald sich infolge einer Temperaturdifferenz zwischen A und a
das Verhältnis dieser beiden Widerstände ändert. Durch Änderung der Widerstände
B oder b kann man das Galvanöineter wieder auf seine Nullstellung bringen. Die zu
dieser Kompensation erforderliche Widerstandsänderung ist das Maß für die Stärke
des Wärmeflusses.
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Um Meßfehler durch Temperaturunterschiede der Brückenwiderstände B
und b zu vermeiden, wickelt man dieselben am besten miteinander auf dieselbe Spule,
so- daß die Drähte beider Widerstände auf ihrer ganzen Länge dicht nebeinanderliegen.
Die geringen, zur Kompensation der Brücke erforderlichen Änderungen kann man durch
einen kleinen "Zusatzwiderstand erzielen.
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In vielen Fällen wird es bequemer sein, auf die Kompensation zu verzichten
und nur finit konstanten Brückenwiderständen zu arbeiten. In diesem Falle ist der
Galvanometerausschlag dein Wärmefluß direkt proportional. Arbeitet nian iininer
finit demselben -.\leßstroin, so kann nian die Galvanometerskala mit einer Teilung
versehen, «welche die Stärke des Wärineflusses direkt abzulesen erlaubt.
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Die beiden Brückenwiderstände B und b der Abb. 2, an deren Güte hohe
Anforderungen gestellt werden müssen, kann man ganz vermeiden, wenn man an ihre
Stelle einett zweiten gleichen Wärmeflußmesser setzt. In Abb.3 ist diese Anordnung
dargestellt; darin bedeuten B und b die Widerstandsfolien des zweiten \V:irineflußinessers,
während die Bedeutung der anderen Buchstaben dieselbe ist wie in Abb. 2. Natürlich
ist erforderlich, daß die beiden Wärmeflußinesser so zur Brücke zusammengeschaltet
«-erden, claß die «-iirmeren Widerstandsbelegungen jederPlatte .ich in der Brücke
gegenüberliegen. Sind die vier Widerstände hei gleicher Temperatur aller Zweige
genau ausgeglichen, so ist das Galvanometer stromlos. Passiert ein Wärm.-fluß die
Platten, so tritt ein Galvanonieteratisschlag auf, der dein Wärinefluß uninittclhar
proportional ist und als Maß des letzteren dient. Durch die Anordnung der zwei Wärineflußniesser
wird zugleich die Empfindlichkeit verdoppelt.
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Die Messung der Temperaturdifferenz zu beiden Seiten der Meßplatte
kann auch durch ein oder mehrere- hintereinandergeschaltete. Thermoelemente erfolgen,
deren Lötstellen abwechselnd auf beiden Seiten der Meßplatte liegen. Schließlich
ist es auch möglich, die .`IeI-platte aus einem elektrisch leitenden Material herzustellen
und beiderseits mit einem dünnen Belag eines Leiters zu versehen, der gegen das
,Material der Platte eine Thermokraft hat. In diesem Falle verursacht ein durch
die Platte hindurchtretender Wärmefluß eine Spannungsdifferenz der beiden Belegungen,
deren Größe als Maß für die Stärke des Wärmeflusses dient. Wegen der besseren Wärmeleitfähigkeit
der elektrischen Leiter gegenüber den Nichtleitern wird hierbei die Temperaturdifferenz
der beiden Plattenseiten und damit die Empfindlichkeit ini allgemeinen geringer
sein, so daß dieses Verfahren nur für stärkere Wärmeflüsse zu empfehlen ist.
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Als Material der Meßplatte eignet sich z. B. Konstantan, das beiderseits
mit Kupfer belegt ist, da dasselbe eine ziemlich geringe Wärmeleitfähigkeit und
eine große Therrnokraft gegen Kupfer besitzt. Noch besser eignet sich z. B. eine
beiderseits mit Kupfer belegte Platte aus Kupferoxyd, cfa letzteres die Wärme schlecht
leitet und eine um ein Vielfaches höhere Thermokraft gegen Kupfer besitzt als Konstantan.
"Zur Erhöhung der Empfindlichkeit können mehrere dieser thermoe:lektr fischen Wärmeflußmesser
hintereinandergeschaltet werden.