Die Messung von Gewebetemperaturen mittels Temperaturstrahlung

49 Pages·1955·2.468 MB·German

by  (auth.)

FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EI N -WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretor Prof. Leo Brandt
Nr.199
Textilforschungsanstalt Krefeld
Die Messung von Gewebetemperaturen mittels Te mperaturstrahlung
Als Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-03246-5 ISBN 978-3-663-04435-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04435-2
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e r u n g
. . .
I. Vorwort · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · s. 5
.
II. Einleitung · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · s. 5
III. Methoden der Temperaturmessungj Temperaturstrahlungs-
. .
messung · · · · · · · · · · · · · · · · s. 6
IV. Entwicklung eines TemperaturstrahlungsmeBgerates · · · · · S. 12
1- Vorversuch · · · · · · · · · · · · · · · S. 12
2. Laboratoriumsmessungen · s. 19
a) Eichung mit schwarzem Kerper s. 19
b) Gewebe als schwarzer Korper · · · · · · · · · s. 19
s.
c) Farbenunabhangigkeit der Temperaturstrahlungsmessung 23
d) Temperaturanzeige in Abhangigkeit von der
Gehausetemperatur · · s. 24
e) Tragheit der Anzeige · · · · · s. 26
3. Technische Ausfiihrung des Temperaturstrahlungs-
meBgerates s. 26
a) MeBelement · • · · · · · · · · s. 27
b) Gehause · · · · · · S. 28
1 ) Handgerat · · · · · · · · s. 28
2) Einbaugerat S. 28
c) Verstarker · · · · s. 31
V. Praktische Messungen · · · · · · · · · · · · · · · · s. 31
1 . Temperatur beim Trocknen · · · · · · · · · · · · · · s. 32
2. Temperatur in Trockenrahmen, Kondensationsefen,
.
Fixierrahmen usw. · · · · · · · · · · · · · s. 33
3. Abstrahlung metallisierter Gewebeoberflachen · s. 34
.
VI. SchluBbetrachtungen · · · · · · · · · · · · · · · · · · · s. 35
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. V 0 r w 0 r t
Aufgabe der vorliegenden Untersuchungen war es, die spezielle Eignung
der beruhrungslosen Temperaturmessung mit Hilfe der Temperaturstrahlung
speziell fur die textile Praxis zu studieren. Es wird nachgewiesen, daB
die Oberflachentemperatur von ruhenden oder bewegten textilen Flachen
gebilden ohne Eeruhrung derselben mittels der Temperaturstrahlungsmessung
mit guter Genauigkeit bestimmt werden kann. Dabei spielt die Anfarbung
des textilen Gutes innerhalb der MeBgenauigkeit keine Rolle. Lediglich
fur metallisierte oder ahnlich ausgerustete Gewebe oder Gewirke ist eine
besondere Eichung erforderlich. - Die MeBapparatur besteht aus einem Auf
fangelement, einem Empfindlichkeits- und Nullpunktregler und einem han
delsublichen Verstarker mit Registriergerat (z.E. Tintenschreiber). -
Mit Hilfe des neuen Gerates konnen die Warentemperaturen z.E. wahrend
der Trocknungs-, Fixier- und Kondensationsprozesse gemessen und die Vor
gange durch die Temperaturanzeige mittels geeigneter Steuerorgane gere
gelt werden.
II. E i n 1 e i tun g
Yom SpinnprozeB bis zum fertigen Gewebe oder Gewirke macht das Fasergut
eine Vielzahl von NaB-, chemischen und Warmebehandlungsprozessen durch.
Insbesondere bei der Trocknung, bei der Fixierung und bei Kondensations
prozessen wird das Fasergut auf hohere Temperaturen gebracht, und man
weiB, daB die Anderung der Struktur der Fasern ganz wesentlich von der
Art der Einwirkung der Varme und der Hohe der Temperatur abhangt. Man
weiB auch, wie stark z.E. bei wiederholter Trocknung der Faser das Quell
vermogen mithin auch die Anfarbbarkeit und das Verhalten der Faser ande
ren Ausrustungsmitteln gegenuber sich andert. Es ist also fur den Prakti
ker wichtig zu wissen, auf welche Temperatur er uberhaupt das Fasergut
wahrend der Warmebehandlung bringt.
Vor allen Dingen kommt es auf die Temperatur des Textilgutes selbst und
nicht nur auf die Temperatur der Walzen, der Warmluft oder des Dampfes
an, wenn angegeben werden solI, was mit der Faser geschieht. Denn es
werden aIle Veranderungen der Faser hinsichtlich ihrer mechanisch-tech
nologischen und chemisch-technologischen Eigenschaften, vor allem hin
sichtlich Farbaufnahme, Appretur, Hochveredlung usw. entscheidend allein
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durch die Fasertemperatur wahrend der Warmebehandlungsprozesse bestimmt.
Beispielsweise ist im Trockner der Wirkungsgrad unmittelbarabhangig von
der Warmeubertragung zwischen dem trocknenden Medium und dem Trockengut,
die ihrerseits mit der Differenz zwischen den beiden Temperaturen an
wachst, so daB auch hierfur die Warentemperatur bekannt sein sollte. -
AIIgemein kann festgestellt werden, daB die Fasereigenschaften sowie der
durch diese bedingte Ausfall der Ware bei und nach den verschiedenen
Verarbeitungs- und Veredlungsprozessen ganz wesentlich von den Tempera
turen abhangt, die das Fasergut bei den einzelnen Prozessen angenommen
hat. Die genaue Kenntnis und Messung der Warentemperatur bei den einzel
nen Prozessen ist also unbedingt erforderlich.
III. Met hod end e r T e m per a t u r m e s sun g;
T e m per a t u r s t r a h I u n g s m e s sun g
Bei Temperaturmessungen in der Praxis werden fur die im textilen Bereich
infrage kommenden Temperaturen bisher fast ausschlieBlich Thermometer
verwendet, die auf irgendeine Weise mit dem zu messenden Gut in Beruh
rung gebracht werden. Es sind dies vor allen Dingen Flussigkeits- und
Metallthermometer sowie Widerstandsthermometer und Thermoelemente. In
Spezialfallen arbeitet die Textilindustrie unter anderem auch mit Tempe
raturmeBfarben, bei denen sich der Farbton bei ganz bestimmten Tempera
turen infolge chemischer Umsetzungen in reproduzierbarer Weise verandert
bzw. bei denen die Farbe sehr auffallig umschlagt, ohne sich bei Tempe
raturruckgang wieder zu verandern.
Die gebrauchlichste Form des Flussigkeitsthermometers ist das Quecksil
berthermometer. Es wird im allgemeinen stationar und dort verwendet, wo
die Temperaturen in ihrem zeitlichen Ablauf nicht ubermaBig stark schwan
ken. Voraussetzung fur die Anwendung des Quecksilberthermometers ist ,
daB das zu messende Material genugend Warme zur Aufheizung der im Ther-
mometer befindlichen Quecksilberkugel abgibt, ohne daB das zu messende
Material dabei eine merkbare Temperaturanderung erleidet. Bei direkter
Beruhrung der zu messenden Substanz mit dem Thermometer betragt die Ein
stelldauer groBenordnungsgemaB ca. 1 Minute. Flussigkeitsthermometer
werden fur andere MeBbereiche auch mit Alkohol, Toluol und anderen Flus
sigkeiten statt mit Quecksilber gefullt.
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In praktischen Betrieben, bei denen die Thermometer eine gewisse Festig
keit gegen mechanische Beanspruchung besitzen mussen, verwendet man hau
fig Federthermometer. Ein mit einer Flussigkeit gefulltes FUhlergefaB
steht uber eine Kapillarleitung mit einem federelastischen Druckmesser
in Verbindung. Bei einer Temperaturerhohung erfolgt in Verbindung mit
der Ausdehnung der Flussigkeit eine Drucksteigerung, die durch die Kapil
larleitung auf den Druckmesser ubertragen wird. Fur Temperaturbereiche
°c °c
zwischen - 30 und + 600 wird als Ubertragerflussigkeit vornehmlich
Quecksilber verwendet. - Der Nachteil des Federthermometers ist, daB das
Volumen des FuhlergefaBes im Verhaltnis zu dem Volumen der Leitungen und
des Druckmessers relativ groB gehalten werden muB. Denn nur das Fuhler
gefaB wird auf die zu messende Temperatur gebracht und nur die Ausdehnung
seines Volumens wird am Druckmesser angezeigt. Dadurch wird das Feder
thermometer nur fur grobere Messungen und moglichst konstante Temperatu
ren verwendbar.
Ein dem Federthermometer im Aufbau ahnliches TemperaturmeBelement ist
das Dampfspannungsthermometer. Seine Funktion beruht auf dem eindeutigen
Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Dampfdruck gesattigter Damp
fee Bei den Dampfspannungsthermometern ist der vorher evakuierte Fuhler
nur teilweise mit einer leicht verdampfenden Flussigkeit (z.B. Wasser,
Toluol, Anilin, Alkohol, Athylather) gefullt. Entsprechend der Tempera
tur, in welche der Fuhler gebracht wird, verdampft ein Teil der Flussig
keit, bis sich der entsprechende Gleichgewichtsdampfdruck einstellt und
dadurch der Flussigkeit in der Zuleitung zum Druckmesser einen bestimm
ten Druck erteilt, der am Druckmesser abgelesen wird. Wichtig ist, daB
die Kapillarleitung kalter ist als die Temperatur im Fuhler, damit in
dieser keine Verdampfung eintritt. - Das Gerat ist sehr robust, hat aber
naturlich infolge des groBen Fuhlers eine groBere Tragheit und eine gegen
uber dem Flussigkeitsthermometer geringere Genauigkeit.
Fur sehr hohe Imspruche hinsichtlich robuster Ausfuhrung sind Metallaus
dehnungsthermometer geeignet. Die Temperaturmessung mit diesen beruht
auf der unterschiedlichen Langenausdehnung von Metallen. Bei den Stab
ausdehnungsthermometern ist die Differenz der Langenanderung einer -
meist zylindrischen - Hulse und dem darin befindlichen Stab ein MaB fur
die Temperatur, die durch mechanische Ubersetzung auf einen Zeiger uber
tragen wird. -
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Bei den Bi-Metallthermometern sind -2 Metalle aufeinandergewalzt oder ge
lotet, die sich bei Erwarmung moglichst unterschiedlich ausdehnen. Dann
kommt es bei einer Erwarmung je nach Temperatur zu einer unterschiedli
chen Langung und daher im ganzen zu einer Krtimmung, die tiber einen ge
eigneten Mechanismus auf einer Skala gemessen wird. Die Skala gibt dann
unmittelbar die Temperatur des Bi-Metalls an. Urn einen groBen Ausschlag
zu erzielen, wickelt man haufig die Bi-Metallstreifen spiralformig auf.-
Auch bei den Ausdehnungsthermometern ist erforderlich, daB zur einwand
freien Temperaturmessung der gesamte MeBstab oder das gesamte Bi-Metall
sttick die zu messende Temperatur annimmt, eine Bedingung, die bei Gewebe
messungen kaum erftillt sein kann.
Mit kleineren MeBelementen arbeitet man bei Thermoelementen. Das MeB
prinzip der Thermoelemente beruht darauf, daB an den Verbindungsstellen,
an welchen 2 verschiedenartige Metalldrahte durch Loten oder SchweiBen
miteinander verbunden sind, in Abhangigkeit von der Temperatur eine be
stimmte elektrische Spannung auftritt. rm einfachsten FaIle schaltet man
2 solcher Lotstellen hintereinander und bringt eine Lotstelle auf eine
Vergleichstemperatur (z.B. Zimmertemperatur). Legt man dann die andere
Lotstelle an bzw. in das zu messende Gut, so ist die in diesem elektri
schen Kreis auftretende, allerdings sehr kleine Spannung ein direktes
MaB ftir die Temperatur, so daB ein angeschlossener Spannungsmesser di
rekt in Grad Celsius geeicht werden kann.
SchlieBlich verwendet man noch die Anderung des elektrischen Widerstandes
von metallischen Leitern mit der Temperatur zur Temperaturmessung. Man
schaltet hierzu den Leiter in eine elektrische Brtickenschaltung und kann
den Brtickenstrom als direktes MaB ftir die Temperatur verwenden. - Zur
Messung von Gewebetemperaturen muB ein Draht in das Gewebe eingezogen
werden und wird auch dann im allgemeinen nur einen schlechten Warmetiber
gang zum Gewebe besitzen. -
Allen genannten TemperaturmeBelementen ist gemeinsam, daB die Ware nur
durch direkte Warmetibertragung auf das MeBelement die Temperaturanzeige
bewirkt.
Bei der Messung von Fasergut als Garnkorper, in Flockenform oder als Ge
webe oder Gewirke ist die Anwendung von Bertihrungsthermometern nur dann
ohne Schwierigkeit moglich, wenn die Ware das eigentliche MeBelement,
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- undVerkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
also z.B. die Quecksilberkugel eines Glasthermometers oder die Lotstelle
eines Thermoelementes in nicht zu dtinner Schicht vollkommen umgibt. So
bald aber nur an der Oberflache des Metalls gemessen werden kann, machen
sich Storungen besonders durch unvollkommene Warmetibertragung auf das
MeBelement und durch die vorbeistreichende Luft in unangemehmer Weise
bemerkbar. Bei groBeren Warmeftihlern kann fast nie erreicht werden, daB
der Ftihler die Gewebetemperatur auch nur annahernd annimmt.
Vollig unsicher aber wird eine Temperaturmessung mit Bertihrungsthermome
tern bei bewegter Ware. Hier kommt der im Einzelfall kaum tibersehbare
Anteil der Reibungswarme hinzu. Versuche, diesen Faktor durch kurzzeiti
ges diskontinuierliches Anlegen von MeBelementen auszuschalten, haben
bisher zu keinem Erfolg geftihrt. Uberdies werden gerade bei Messungen
mit Bertihrungsthermometern an bewegtem Material die MeBfehler durch un
definierten, stark wechselnden Warmetibergang und durch die z.T. unregel
maBig am MeBinstrument vorbeistromende Luft erheblich. Die genannten
Storungen treten nun nicht auf bei einer Temperaturmessung mittels der
~emperaturstrahlung.
Unter Temperaturstrahlung oder Warmestrahlung versteht man jene elektro
magnetische Strahlung, deren Energie aus dem Warmeinhalt des strahlenden
Korpers stammt. Die Molektile eines Korpers stoBen namlich infolge ihrer
Warmebewegung Elektronen zu ungeordneten Schwingungen mit allen moglichen
Frequenzen an, wobei sowohl das Frequenzspektrum als auch die Gesamtin
tensitat von der Temperatur abhangig ist (Abb. 1).
Die Aussendung (Emission) von Temperaturstrahlung bewirkt einen Verlust
an Warmeenergie des Korpers d.h., er ktihlt sich ab; andererseits ftihrt
die Aufnahme von Temperaturstrahlung (Absorption) zu einer Erwarmung des
die Strahlung aufnehmenden Korpers.
Nun sendet nicht jeder Korper die gleiche Menge Temperaturstrahlung aus;
2
vielmehr ist die je cm und Sekunde ausgesandte (emittierte) Energie,
d.h. das Emissionsvermogen (E) abhangig von der Art des Korpers bzw.
seiner Oberflache. Die Untersuchungen haben gezeigt, daB derjenige An
teil der auf den Korper auftreffenden Temperaturstrahlung, die weder
reflektiert wird noch den Korper durchsetzt, also das Absorptionsvermo
gen (A) proportional der von diesem Korper emittierten Strahlung (E) ist,
d.h. es gilt
E
- = S
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A b b i 1 dun g 1
Frequenzspektrum der Temperaturstrahlung fur
verschiedene Temperaturen
wobei S allerdings je nach der Temperatur (T) verschiedene Werte anneh
men kann. Physikalisch ist S noch abhangig von der jeweiligen Wellenlange.
Da aber das Wellenlangenspektrum durch die Temperatur gegeben ist, - wie
wir weiter unten erlautern - genugt hier die Angabe der Abhangigkeit des
Proportionalitatsfaktors S von der Temperatur. - S ist jedoch nicht mehr
abhangig von der Art des Korpers (Kirchhoff'sches Gesetz).
Absorbiert ein Korper aIle auffallenden Strahlen, so besitzt nach der
gegebenen Definition des Absorptionsvermogens dieses dann den Wert 1.
Nun wirken bekanntlich Korper, die die Strahlung im sichtbaren Gebiet
kaum reflektieren, schwarz. Im ubertragenen Sinne spricht man daher bei
Korpern, die die gesamte Temperaturstrahlung absorbieren, deren Absorp
tionsvermogen also 1 ist, von ideal "schwarzen Korpern". Korper, die also
nicht schwarz sind, absorbieren weniger, ihr Absorptionsvermogen ist also
kleiner als 1.
Entsprechend dem oben aufgeschriebenen Kirchhoff'schen Gesetz, nach wel
chern das Emissionsvermogen dem Absorptionsvermogen proportional ist, wer
den also schwarze Korper auch gegenuber anderen Korpern die groBte Emis
sion der Temperaturstrahlung bei gleicher Temperatur aufweisen. - Theore
tisch ist nun ein ideal schwarzer Korper nicht angebbar. Man kann auch
praktisch keinen Korper herstellen, der ideal schwarz ist, da immer auch
bei noch so sorgfaltig geschwarzter Oberflache, ein - wenn auch geringer -
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