DE2939053A1

DE2939053A1 - Geraet zur messung und berechnung der waermedurchgangszahl (k-wert)

Info

Publication number: DE2939053A1
Application number: DE19792939053
Authority: DE
Inventors: Dieter Boetschi; Beat Seiler
Original assignee: HANSAG HOLDING AG
Current assignee: HANSAG HOLDING AG
Priority date: 1978-12-13
Filing date: 1979-09-27
Publication date: 1980-07-03
Also published as: IT1126512B; IT7927922A0

Description

Gerät zur Messung und Berechnung der Wärmedurchgangszahl
(k-Wert) Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung und Berechnung der Wärmedurchgangszahl (k-Wert) eines Körpers, z.B. Bauteil, wie Wände, Böden, Decken.
Theoretisch und rechnerisch ist dieser Wert leicht bestimmbar aus Material- und Erfahrungswerten nach der Formel wobei k = Wärmedurchgangszahl (k-Wert) A = Wärmeleitzahl des Materials und = = Wärmeübergangszahl der Luftschichten bedeuten. Dabei werden für den Wärmedurchgang gleichbleibende stationäre Bedingungen über einen unendlich langen Zeitraum vorausgesetzt.
Im Labor lässt sich dieser k-Wert durch Messungen und Berechnungen unter angewählten Bedingungen bestimmen. In der Praxis, d.h. im freien Raum oder auf Baustellen, ist dies aber schwer realisierbar, da viele äussere Umstände, wie Wärmestrahlung auf die Bauteile, Wind und unregelmässige Messflächen, die Messung beeinflussen.
In der Praxis berechnet sich der k-Wert aus der Wärmemenge, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit durch einen Bauteil vom höheren zum tieferen Temperaturniveau abgeleitet wird, nach der Formel Q = k xaT x F, wobei F = 1 ist.
Diese Berechnung berücksichtigt auch instationäre Vorgänge der Wärmeleitung, die durch Wärmespeicherung in Bauteilen, durch Temperaturschwankungen und durch Wärme strahlung beeinflusst werden.
Ziel der Erfindung ist ein einfaches, transportierbares Messgerät mit direkter Ablesemöglichkeit des K-Wertes und Aufzeichnung seiner Veränderungen in einem bestimmten Zeitraum. Die Messung soll direkt am vorhandenen Objekt vorgenommen werden können.
Dies wird mit einem Gerät der eingangs genannten Art erreicht, das erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch eine Einheit zur Messung des Wärme flusses durch den Körper pro Zeit- und Flächeneinheit und eine Einheit zur Messung der Temperaturdifferenz beidseits des Körpers sowie eine Einheit zur Berechnung der Wärmedurchgangszahl durch Division Wärmefluss pro Zeit- und Flächeneinheit und Einheiten von Temperaturdifferenz zur Digitalanzeige und/oder Aufzeichnung der damit erhaltenen Wärmedurchgangszahl (k-Wert) des Körpers und der weiteren Messwerte.
Auf der Zeichnung zeigt Fig. 1 das Schaltschema des Gerätes und Fig. 2 einen Wärmefluss-Fühler im Querschnitt.
Die elektrische Schaltung setzt sich aus sechs.Einheiten mit verschiedenen, teilweise aber voneinander abhängigen Einheiten zusammen, und zwar I Einheit zur Messung des Wärmeflusses durch einen Körper, II Einheit zur Messung der Temperaturdifferenz beidseits eines Körpers, III Einheit zur Messung der absoluten Temperatur, IV Einheit zur Auswertung von Wärmefluss und Temperaturdifferenz und zur Berechnung der Wärmedurchgangszahl k, V Einheit zur Anzeige einzelner Messwerte und VI Einheit zur zeitlichen Aufzeichnung mehrerer Messwerte.
Zur Erfassung der zu messenden Werte bezüglich einer Wand 0, dienen Wärmefluss-Fühler 1, 1', die den Wärmefluss durch die Erfassung eines kleinen Temperaturunterschiedes messen. Der Fühler besteht im Prinzip aus einer dünnen Platte, in der eine grosse Anzahl von Thermoelementen pro Flächeneinheit untergebracht sind. Die durch den Wärmefluss induzierte Spannung wird erfasst und ergibt auf Grund von Eichungen den Wärmefluss.
Ein weiteres Element sind die Temperaturfühler 6, 7, mit denen beidseits eines zu messenden Körpers die Temperatur erfasst wird. Diese Fühler weisen beispielsweise Platinmesswiderstände Pt 100 oder Thermoelemente auf.
Die Einheit I zur Messung des Wärmeflusses ist als Doppelmesseinheit ausgebildet und weist zwei Wärmeflussfühler 1,1' auf, die je über den Umschalter 2 an je einen Verstärker 3,3' mit Potentiometer 4,4' angeschlossen sind. Die beiden Teileinheiten können mit dem Umschalter abgegriffen und der Einheit 13 zur Weiterverarbeitung, bzw. dem Bereichumschalter zugeleitet werden. Mit 21 ist die Referenzspannung bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante eines Wärmefluss-Fühlers 80.
In den beiden Oberflächen eines plättchenförmigen Messblockes 81, aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Glas - Kunststoff - Verbundwerkstoff, ist Je ein Platin-Widerstandselement eingelassen. Dieses besteht aus einer dünnen Platinschicht 82, die auf einem keramischen Träger 820 aufgebracht ist, vorzugsweise durch Aufdampfen. Die beiden Oberflächen des Messblockes 81 sind mit je einem Aluminiumblech 83 abgedeckt. Die Aussenmasse des Wärmefluss-Fühlers können, bei einer Dicke von z.B. 1,0 mm, 64 x 46 mm betragen.
Das Platinwiderstandselement 82, 820 kann in den Messblock 81 eingelassen sein.
An die elektrischen Widerstandselemente ist die gezeichnete Schaltung angeschaltet, die aus einer Stromquelle 86, einem regelbaren Widerstand 84 für die Nullpunkteinstellung, und einer Kalibrier-Einrichtung 85 mit Signalverstärker 87 besteht. Die Kalibrier-Einrichtung wird nach der Eichung vergossen und ist über ein flexibles Kabel unlösbar mit dem Messblock 81 verbunden.
Als Variante kann die Stromquelle 86 einstellbar und der regelbare Widerstand 84 fest sein.
Mit der Abdeckung durch Aluminiumblech erhält man eine gleichmässige Temperaturverteilung, sowie eine geringere Empfindlichkeit auf kurzfristige Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Platinschicht soll in engem Kontakt mit den Aluminiumoberflächen stehen Das Abdeckblech 3 kann aus beliebigem Metall, z.B. auch verchromtem Messing, bestehen.
Bei der Eichung des Wärmefluss-Fühlers im Labor wird jeder Fühler auf gleiches Ausgangssignal eingestellt. Erst anschliessend wird die Kalibrier-Einrichtung vergossen. Dadurch entfällt die individuelle Anpassung der Fühler an das Auswertgerät. Die Fühler sind untereinander austauschbar.
Im Messvorgang wird die Spannung des Wärmefluss-Fühlers 1,1' über den Schalter 2,2' auf den Verstärker 3,3' gegeben. Beim Eichen wird die genau definierte Referenzspannung 21 über den umgelegten Schalter 2,2' auf den Verstärker 3,3' gegeben, und am Potentiometer 4,4' die Verstärkereinstellung auf den Eichwert des Wärmeflussfühlers 1,1' vorgenommen.
Das Ausgangssignal U1 von Verstärker 3 oder 3' wird mit Umschalter 5 angewahlt und einmal an die Einheiten 13 und 15 zur Verarbeitung weitergegeben und zum anderen über Einheit 19 an den Schreiber 20 und auch über den Bereichumschalter 16 an den Anzeigewahlschalter 17 abgezweigt.
Die Einheit II zur Messung der Temperaturdifferenz weist einen Temperaturfühler 6 für die Aussentemperatur der Wand 0 und einen Temperaturfühler 7 für die Innentemperatur auf. Diese Temperaturfühler aus Platinmesswiderständen Pt 100 werden durch die Konstantstromquellen 8, 9 gespiesen.
Mit 10 ist die Referenzspannung bezeichnet. Beide Temperaturfühler 6, 7 sind mit der Differentialverstärkereinheit verbunden, die aus einem Widerstandsnetzwerk 11 a - d, und einem Operationsverstärker lle mit Potentiometer llf für Nullpunkteinstellung besteht.
Die Widerstandstemperatur R6 und R7 der Temperaturfühler 6, 7 ergeben durch die Speisung aus den Konstantstromquellen 8, 9 eine temperaturproportionale Spannung U6 = 18 x R6 bzw. U7 = Ig x R7. Durch eine spezielle Schaltung werden dabei die Einflüsse der Messkabel kompensiert.
Die Konstantstromquellen 8, 9 werden von der Referenzspannung 10 gesteuert.
Die Differentialverstärkereinheit 11 übernimmt die Spannungen U6 und U7 und bildet deren Differenz Ull = (U7 - u6) x Rllb Rlla Dabei dient das Potentiometer llf zur Nullpunkteinstellung und zum Ausgleichen der Toleranzen der Fühler 6 und 7. Diese Spannung U11 ist nun proportional zur Temperaturdifferenz und wird zur Auswertung verwendet.
Die Einheit III zur Messung der absoluten Temperatur besteht aus dem Temperaturfühler 7 mit Konstantstromquelle 9 und Referenzspannung 10, welcher Temperaturfühler mit der Messverstärkereinheit 12, bestehend aus einem Widerstandsnetzwerk 12a - c und einem Operationsverstärker 12d mit Referenzspannung 12e verbunden ist.
Der Messwert des Temperaturfühlers wird der Messverstärkereinheit 12 zugeleitet, wobei die Nulltemperatur durch die Referenzspannung 12e in Celsius simuliert wird. Man erhält die Auswertspannung U12 = (U7 - Uref) x R12c R12b Das Ausgangssignal der Einheit 12 wird an den Anzeigewahlschalter 17 und über die Anpasseinheit 19 an den Schreiber 20 weitergegeben.
Die Einheit IV zur Auswertung von Wärmefluss und Temperaturdifferenz und Berechnung der Wärmedurchgangszahl k weist einen invertierenden Spannungsverstärker 13, der das Signal des Wärmeflusses U5 des über den Umschalter 5 angewählten Wärmeflussfühlers verstärkt und dessen Vorzeichen ändert.
Man erhält die Spannung U13 = -U5 x vl3. Ferner weist die Einheit IV einen invertierenden Spannungsverstärker 14, der das Signal aus der Temperaturdifferenz U11 verstärkt und dessen Vorzeichen ändert. Man erhält die Spannung U14 = - U11 x v14. Aus den Signalen U13, U14 wird in der Analog-Dividier-Schaltung 15 aus einem dividierenden Rechensodul der Quotient U15 = U14 gebildet. Die resultierende Spannung U15 ist proportional zum momentanen K-Wert des Messobjektes und wird an den Anzeigewahlschalter 17 weitergeleitet und über die Anpasseinheit 19 an den Schreiber 20 abgezweigt.
Die Einheit V zur Anzeige der einzelnen Messwerte besteht aus einem Anzeigewahlschalter 17, der von den Einheiten zur Wärmeflussmessung I, zur Temperaturdifferenzmessung II, zur absoluten Temperaturmessung III und zur Berechnung IV, die jeweiligen Spannungen U1, Ull, U12,U15 erhält und diese je nach Einstellung zur Digitalanzeige 18 gibt.
Die Einheit VI zur zeitlichen Aufzeichnung der vier Messwerte U1, U11, U12,Ul5, besteht aus einem Schreibgerät 20 und einer Anpasseinheit 19 mit Impedanzwandlung fUr den Schreiber und mit Messbereich- und Signalumschaltungen, welche die Messsignale von den entsprechenden Einheiten übernimmt und an die vier Kanäle des Schreibers 20 zur Aufzeichnung weiterleitet.
Für die zuverlässige Messung mit dem beschriebenen Gerät sind die Messungen über eine bestimmte Zeitspanne aufzuzeichnen und die Bedingungen so zu wählen, dass bei wärmespeicherfähigen Konstruktionen der Wärmefluss im Gleichgewicht ist.
Gute Messbedingungen ergeben sich bei grossen Temperaturdifferenzen, Innen-Aussen, bei relativ konstanten Temperaturen und möglichst keiner direkten Wärmestrahlung auf den Bauteil, vor allem keine Sonnenstrahlung, d.h. bei bedecktem Himmel, bei Nebel oder in der Nacht. Ungehnliche Luftbewegungen, wie starker Wind, verändern den k-Wert auch, da in diesem Fall die Wärmeübergangswiderstände der Grenzluftschichten kleiner werden.
An den Fühlern lassen sich Ungenauigkeiten vermeiden, indem der Berührungskontakt des Wärmefluss-Fühlers mit der Fläche des Bauteils möglichst gut ist, d.h. keine Luftzwischenräume, oder dass der Messwert bei vorhandenen Zwischenräumen rechnerisch korrigiert wird. Vor Wärmestrahlung von in der Nähe stehenden Personen und Geräten ist der Fühler unter Umständen abzuschirmen. Bei Messungen auf besonders reflektierenden Oberflächen können falsche Werte durch verringerte Reflexionseigenschaften entstehen, was durch Belegen des Fühlers mit einer reflektierenden Folie vermieden werden kann.
Vor jeder Messung ist die Eichung zu prüfen, und zwar sowohl der Temperaturfühler 1, 1' als auch der Wärmefluss-Fühler 6, 7 bei nicht versiegeltem Wärmefluss-Fühler.
Die Fühler werden mittels Klebstreifen montiert. Die Wärmefluss-Fühler 1, 1' müssen immer positive Anzeigen ergeben. Bei negativer Anzeige wird der Fühler gewendet und bringt dann einen positiven Wert.

Claims

Patentansprüche Gerät zur Messung und Berechnung der Wärmedurchgangszahl (k-Wert) von Körpern, z. B. Bauteilen, wie Wände, Böden, Decken, gekennzeichnet durch eine Einheit (I) zur Messung des Wärmeflusses durch den Körper (o) pro Zeit- und Flächeneinheit und eine Einheit (II) zur Messung der Temperaturdifferenz beidseits des Körpers, sowie eine Einheit (IV) zur Berechnung der Wärmedurchgangszahl (k) durch Division Wärmefluss pro Zeit- und Flächeneinheit von und Einheiten Temperaturdifferenz (V, VI), zur Digitalanzeige und/oder Aufzeichnung der damit erhaltenen Wärmedurchgangszahl (k-Wert) des Körpers (0) und der weiteren Messwerte.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (I) zur Messung des Wärmedurchganges mindestens einen Wärmefluss-Fühler (1, 1', 80) aufweist, der nahe oder an einer Wand des Körpers (0) angeordnet ist und der aus einem plättchenförmigen Messblock aus Isoliermaterial, z.B.

Glas - Kunststoff - Verbundwerkstoff, besteht, auf dessen beidseitiger Oberfläche thermoabhängige, elektrische Widerstandselemente aus Platinwiderständen (82) oder Thermoelemente angeordnet sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin-Widerstand des Wärmefluss-FUhlers aus einer dünnen Platinschicht (82) besteht, die auf einem keramischen Träger (820) aufgedampft ist.
4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Platinwiderstand (82, 820) des Wärmefluss-Fühlers in der Oberfläche des Messblockes (1) eingelassen ist und die beiden Oberflächen des Messblockes mit gut wärmeleitendem Material (83), z.B. Aluminiumblech, abgedeckt sind.
5. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselemente (82, 820) des Wärmefluss-Fühlers einerseits an eine Stromquelle (21, 86) und anderseits an eine Kalibrier-Einrichtung (85) mit Signalverstärker (3, 3', 87) und Eichpotentiometer (4, 4', 84) angeschlossen sind.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrier-Einrichtung (85) des Wärmefluss-Fühlers nach der Eichung vergossen wird und über ein flexibles Kabel unlösbar mit dem Messblock (81) verbunden ist.
7. Gerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Wärmefluss-Fühler (1, 1') mit je einer Kalibrier-Einrichtung mit Verstärker (3, 3') aufweist und in der Leitung zu den Anzeigegeräten (18, 20) ein Wählschalter (5) angeordnet ist.
8. Gerät nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheiten (II) zur Messung der Temperaturdifferenz mindestens ein Paar Temperatur-Fühler (6, 7) aufweisen, die an beiden Endbegrenzungen des Körpers (0) anbringbar sind, wobei jeder Fühler mit einer Konstanzstromquelle (8, 9) verbunden ist, und die Einheit einen Differentialverstärker mit einem Widerstandsnetzwerk (lla - d) und einen Operationsverstärker (alle) mit Potentiometer für Nullpunkteinstellung, aufweist.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstantstromquelle (8, 9) von einer Referenzspannung (10) gesteuert wird.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (IV) zur Berechnung der Wärmedurchgangszahl (k-Wert) aus einem invertierenden Spannungsverstärker (13), der der Einheit (I) zur Messung des Wärmeflusses nachgeschaltet ist, und einem invertierenden Spannungsverstärker (14), der der Einheit (II) zur Messung der Temperaturdifferenz nachgeschaltet ist, besteht, und dass diese beiden Verstärker (13, 14) mit einer Analog-Dividier-Schaltung (15) verbunden sind.
11. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatur-Fühler (7) mit einer Einheit (III) zur Messung der absoluten Temperatur verbunden ist, die eine Messverstärkereinheit (12) aufweist, die aus einem Widerstandsnetzwerk (12a - c) und einem Operationsverstärker (12d) mit Referenzspannung (12e) besteht.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 - 11, gekennzeichnet durch eine Einheit (V) zur Anzeige einzelner Messwerte, bestehend aus Digitalanzeiger (18) mit Anzeigewahlschalter (17), vorzugsweise für Spannung(U1) des Wärmefluss-Fühlers, Spannung (U11) für Temperaturdifferenz, Spannung (U12) für absolute Temperatur und Spannung (U15) für Wärmedurchgangszahl (k-Wert).
13. Gerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einheit (VI) zur zeitlichen Aufzeichnung der Messwerte.