Gesamtstrahlungsmessungen der Temperaturstrahlung

94 Pages·1958·6.684 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Harald Müller, Dipl.-Ing. Friedhelm Reinke, Dipl.-Ing. Wilhelm Sorgenicht (auth.)

DK 536.52:536.52:621.365.46
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EIN-WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr. 516
Prof. Dr.-Ing. Horold Müller
Dipl.-Ing. Friedhelm Reinke
Dipl.-Ing. Wilhelm Sorgenicht
Elektrowärme-Institut Essen-Langenberg
Gesamtstrahlungsmessungen der Temperaturstrahlung
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG I KOLN UND OPLADEN
1958
ISBN 978-3-663-03665-4 ISBN 978-3-663-04854-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04854-1
Forschungsberichte des Wirtscbafts- und Verkehrsministeriums Nordrbein-Westfalen
G 1 i e der u n g
TEIL I
s.
I. Übersicht • • 5
. .
11. Einführung · s . 6
s.
111. Der Strahlungsmesser nach GERLACH-PASCHEN • 7
s.
IV. Zusammenfassung ••••• 43
V. Literaturverzeichnis · s. 45
TEIL 11
I. Theoretische Grundlagen •• · s. 48
11. Die neue Leichtsonde • • • S. 56
111. Anwendung der Leichtsonde • S. 65
IV. Literaturverzeichnis • • • • S. 82
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Teil I
Über die absolute Messung der Bestrahlungsstärke
von technischen Ultrarotstrahlern
I. Übersicht
Der Strahlungsmesser nach GERLACH-PASCHEN wird begriffsmäßig als Thermo
umformer mit zwei physikalisch vollkommen verschiedenen Heizungsmöglich
keiten gekennzeichnet. Es erfolgt eine Beschreibung des im Elektrowärme
Institut gebauten Gerätes. Ferner wird ein Verfahren angegeben, einen
Korrekturfaktor zu messen, der bei der Eichung des Strahlungsmessers die
Schwärzung des Heizleiters sowie die unterschiedlichen Verhältnisse bei
der Strahlungs- bzw. bei elektrischer Heizung des Umformers berücksich
tigt. Die Bestrahlungsstärke B wird definiert und ihre Messung beschrie
ben. Die Darstellungsmöglichkeiten der Bestrahlungsstärke werden an einer
Reihe von Messungen an technischen Strahlern verschiedener Bauart gezeigt.
Für diese Messungen werden mehrere Strahlungsmesser eingesetzt. Durch die
Integration einer Bestrahlungsstärke über die gesamte bestrahlte Fläche
läßt sich die von einem Strahler in Form von Strahlung abgegebene Leistung
bestimmen und ins Verhältnis setzen zu der aufgenommenen elektrischen
Leistung. Der Quotient heißt Strahlungsausbeute ~ s'
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Weetfalen
11. Einführung
Im Jahre 1912 veröffentlichte W. GERLACH [1] die Arbeit: "Eine Methode
zur Bestimmung der Strahlung in absolutem Maß und die Konstante des
STEFAN-BOLTZMANN'schen Gesetzes". Zum Zeitpunkt ihres Erscheinens lag
die besondere Bedeutung dieser Arbeit in der experimentellen Bestimmung
der Konstanten im STEFAN-BOLTZMANN'schen Gesetz s= ~ .T4. Gegenwärtig
dagegen hat das Verfahren, eine Strahlung im absoluten Maß zu bestimmen,
durch die wachsende,praktische und gezielte Anwendung der Ultrarotstrah
lung besonders an Bedeutung gewonnen.
Dem von PASCHEN angegebenen Meßverfahren liegt folgendes Prinzip zugrunde:
Man denke sich eine Metallfolie, deren ebene Flächenausdehnung F be
1
kannt ist. Diese Folie ist auf ihrer Oberseite zur Erzielung eines hohen
Absorptionsvermögens geschwärzt. Auf der Unterseite sind in gut wärme
leitender Verbindung mit der Folie die elektrisch gegen diese und gegen
einander isolierten Meßstellen einer Thermobatterie angebracht, die auf
ein Galvanometer arbeitet. Trifft nun eine Strahlung aus dem vor der
Folie liegenden Halbraum auf die geschwärzte Fläche, so wird sich diese
entsprechend der Strahlungsintensität erwärmen und an dem Galvanometer
eine von der Strahlungsintensität abhängige Anzeige hervorrufen. Der
Strahlungseinfall auf die geschwärzte Fläche werde jetzt weitgehend un
terbunden, so daß die Galvanometeranzeige verschwindet. Schaltet man
.
dann die Folie in einen elektrischen Stromkreis und erwärmt sie durch
Stromfluß bis auf die gleiche Galvanometeranzeige, so herrscht an den
Meßstellen der Thermobatterie die gleiche mittlere Temperatur wie im
Falle der Bestrahlung der Fläche. Bei dieser Gleichheit werden auch
die in der Folie bei den jeweiligen Beheizungsarten wirksamen Leistungen
quantitativ einander sehr nahe liegen; dementsprechend wurde das Gerät
zunächst so betrieben, als sei das Verhältnis von elektrischer Leistung
zu Strahlungsleistung bei gleichen Galvanometeranzeigen gleich eins.
Durch die Meßbarkeit der elektrischen Leistung, die in der Folie wirk-
sam ist, ist also indirekt auch die Bestrahlungsstärke meßbar geworden,
deren Dimensionen sich bei Berücksichtigung der Ausdehnung der geschwärzten
Empfängerseite F zu Leistung/Fläche ergibt.
2
Im Prinzip ist der Strahlungsmesser nach GERLACH-Paschen also ein Doppel
thermoumformer, denn in ihm kann die Thermospannung sowohl durch Strahlung
als auch durch elektrischen Strom erzuegt werden.
Seit~ 6
Forsohungsberiohte des Wirtsohaf'ts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westf'alen
Für die Anwendung eines derartigen Gerätes mißt man die bei den verschie
denen elektrischen Heizleistungen auftretende Thermospannung. Unter der
Annahme, daß bei gleichen Thermospannungen elektrische Heizung und Strah
lungsheizung quantitativ gleich sind, kann man die Kennlinie B = f (E )
Th
zeichnen, worin B die Bestrahlungsstärke in mw/cm2 und ETh die einge
prägte Thermospannung in mV ist.
111. Der Strahlungsmesser nach GERLACH-PASCHEN
Dieses im Elektrowärme-Institut gebaute Gerät besteht im wesentlicben
aus drei Hauptteilen, nämlich dem Doppelthermoumformer, dem Träger die
ses Umformers und dem wassergekühlten Gehäuse.
Der Thermoumformer be si tzt eine 20/A- dicke Manganinfolie (Manganin er
gibt gegen Kupfer eine vernachlässigbare Thermospannung), die mit ihren
scharfkantig umgewinkelten Enden an Kupferstücke hart angelötet ist.
Die Folie hat eine Breite von 0,5 cm und-zwischen den Umwinkelungen eine
Länge von 2,1 cm. Sie ist auf ihrer Oberseite mit dem Ruß brennenden
Kampfers geschwärzt. Die für die auftreffende Strahlung wirksame Fläche
ist demnach 0,5 x 2,1 ~ 1,05 cm2• Unter der Folie sind die je 6 Meß
stellen zweier Thermobatterien mit Araldit Typ 15, durch Glimmerplätt
chen von 1 mm ~ isoliert, aufgeklebt. Die Thermobatterien sind in Reihe
geschaltet. Sie haben in dieser Schaltung einen Widerstand von 16,2 Ohm.
Die Schenkel ihrer Elemente bestehen aus NiCr- und Konstantandraht von
40 ~ Dicke. Die Meßstellen sind bei 6200 C mit möglichst wenig Silber
lot durch mittelbare Widerstandserwärmung hart gelötet, die
Ve~gleichs­
stellen sind auf Silberfähnchen weich gelötet, die ebenfalls mit Glimmer
spänen beidseitig beklebt und indirekt wassergekühlt sind. An die äußer
sten Silberfahnen der Batterien, die verlängert ausgeführt sind, sind
die Anschlußleitungen gelötet, an die Enden der Kupferstücke die Zufüh
rungen des Heizstromes, an 'die Umwinkelungen der Kupferstücke die Poten
tialabgriffe zur Bestimmung des durch den Heizstrom hervorgerufenen
Spannungsabfalls in der Folie. Durch die geringe Foliendicke (20~) und
die Drahtdurchmesser (40~) wurde eine Einstellzeit des Umformers von
etwa 12 bis 15 Sekunden erzielt. Als Heizstromquelle diente eine Batte
rie von sieben Ni-Fe-Akkumalatoren. Der Heizstrom wurde über zwei paral
lele Regelwiderstände von je 21,5 Ohm eingestellt.
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Abbildung 1
Strahlungsmesser nach GERLACH-PASCHEN
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Der Thermoumformer ist vollständig in eine Messingplatte eingelassen,
die wir Träger nennen. Die Platte hat in der Mitte einen Durchbruch et
wa in der Größe der Empfängerfläche. Die Flanken dieses Durchbruches
sind unter 400 abgeschrägt und dienen als Gegenlager für die Vergleichs
stellen der Thermobatterien, die zur Erzielung eines guten Wärmeüber
gangs von unten gegen diese Flanken gepreßt werden. Die Kupferstücke,
die an die Folie gelötet sind,werden von unten durch angeschraubte
Laschen in Nuten gepreßt. Diese Laschen sowie das Druckstück für die
Vergleichsstellen sind in die Unterseite des Trägers eingelassen.
Quer zur Lage des Bändchens sind in die Unterseite des Trägers zwei Nu
ten gefräßt, die die Zuleitungen für die Thermobatterien und die Poten
tialabgriffe fassen. Alle Berührungsstellen zwischen Thermoumformer und
Träger sind auf der Trägerseite zur Isolation mit Glimmer ausgekleidet,
der ebenfalls mit Araldit aufgeklebt ist.
Der Träger ist mit vier Schrauben auf das wassergekühlte Gehäuse ge
schraubt. Zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs sind die Berührungs
flächen bei der Teile geschliffen. Das Gehäuse besteht aus einem Rohr
stück, daß an einem Ende mit einer aufgelöteten Messingplatte abgeschlos
sen ist. Das obere Rohrende wird durch eine zweite Platte abgedeckt,
die durch drei durchbohrte Bolzen auf das Rohrstück wasserdicht aufge
preßt wird. Das so entstandene Gefäß enthält eine Düse, durch die das
durch das Innere eines seitlich einmündenden Doppelrohres gepumpte Kühl
wasser gegen die Deckplatte gedrückt wird. Der Wasserrücklauf erfolgt
durch das Äußere des Doppelrohres. Zur Erzielung eines guten Wärmeüber
gangs von der Deckplatte auf das Wa3ser sind unter die Deckplatte sechs
Kühlrippen gelötet.
Die durchbohrten Spannbolzen der Deckplatte münden an der Unterseite des
Gehäuses an einem Klemmbrett. Die Bohrungen dienen als Weg für die Lei
tungen vom Thermoumformer zum Klemmbrett, das ebenso wie der Träger mit
einer Schutzkappe versehen ist.
a) Die Überprüfung des Strahlungsmessers nach GERLACH-PASOHEN
Das Gerät ist in der beschriebenen Ausführung mit einer zeitweiligen Be
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lastung von über 1 w/cm störungsfrei betrieben worden, auch eine Ände
rung der Empfindlichkeit konnte nicht beobachtet werden. Das Gerät ist
also als in hohem Maße betriebssicher anzusprechen.
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Dagegen sind die gelieferten Meßwerte bei absoluten Betrachtungen nicht
mit großer Sicherheit bewertet worden, weil Zweifel darüber bestanden,
ob die wirksamen Leistungen bei den verschiedenen Heizungsarten tatsäch
lich quantitativ gleich groß sind, wie das eingangs angenommen worden war.
Diesem Zweifel liegen zwei Überlegungen zugrunde. Es ist erstens bekannt,
daß das Absorptionsvermögen von Kampferruß nicht genau 1 beträgt, sondern
nur etwa 0,99. Zweitens entsteht bei der Heizung durch elektrischen Strom
die Wärme über den Folienquerschnitt gleichmäßig im Gegensatz zur Strah
lungsheizung, bei der die Wärme sich an der Oberfläche der Schwärzung
bildet, also durch den Kampferruß und die Folie auf die Meßstellen der
Thermobatterie strömen muß. Auf Grund dieser Überlegungen muß vermutet
werden, die Bestrahlungsstärke an der Oberfläche der Schwärzung wird
quantitativ größer sein als eine elektrische Leistung bei gleicher Ther
mospannung. Die Größe dieser Abweichung ist unbekannt und ihre Auffin
dung dem nachfolgend beschriebenen Versuch vorbehalten. In der dazu auf
gestellten Rechnung findet die genannte Abweichung als Korrekturfaktor
a (T ) Eingang, weil der Faktor das Absorptionsvermögen enthält und
2 2
auch die anderen Einflüsse sich auswirken wie eine Verringerung des
Absorptionsvermögens der Schwärzung des Empfängers.
Schafft man durch Auswahl geeigneter Versuchsbedingungen die Möglichkeit,
eine zu messende Größe auch zu berechnen., so kann man durch Vergleich
der gerechneten mit der gemessenen Größe einen im Meßverfahren unter Um
ständen vorhandenen systematischen Fehler auffinden und ihn fortan be
rücksichtigen, auch wenn später die Meßgröße einer Berechnung unzugäng
lich ist. In diesem Sinne erfolgt die Überprüfung.
Ein Körper, der alle auf ihn fallende Strahlung absorbiert, heißt schwar
zer Körper. Die Gesetzmäßigkeiten, denen seine Strahlung unterliegt, sind
physikalisch bekannt. Die Verwirklichung eines solchen Körpers läßt sich
durch einen Hohlraum mit beliebiger Näherung erreichen. Versieht man ei
nen geschlossenen Hohlraum mit einer Öffnung, deren Ausmaß klein ist ge
gen die des Hohlraumes, so stellt die durch die Öffnung gebildete Fläche
bereits eine gute Annäherung an einen schwarzen Körper dar, ·wenn inner
halb des Hohlraumes an allen Punkten die gleiche Temperatur herrscht.
Das Gesetz von STEFAN-BOLTZMANN beschreibt die Strahlung eines schwarzen
Körpers: Ein schwarzer Körper mit der Temperatur T strahlt von jeder
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Flächeneinheit in den vor dieser liegenden Halbraum mit der Leistung:
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" = r,"
6'.
Darin ist 0~ = 5,775-10- '2 W·cm -2 • K- 4 die Konstante des STEFAN-BOLTZ-
MANN'schen Gesetzes. F1 Flächeneinheiten strahlen mit der Leistung:
Die Gleichung 2 stellt unter Einbeziehung des LAMBERT'schen Gesetzes die
Integration über alle Raumwinkeleinheiten des vor der Fläche F1 liegen
den Halbraumes dar. Das LAMBERT'sche Gesetz, das nur dem Experiment ent
nommen werden kann, besagt, daß die in Normalrichtung von einem Flächen
element ausgesandte Strahlung multipliziert mit dem cos ßgleich ist der in
ß
Richtung ausgesandten Strahlung. Auf die Raumwinkeleinheit, die senk
recht auf der Fläche F1 steht, entfällt 1/~ der Strahlung S,.
Im Abstand R, von der Fläche F sei eine Fläche F derart aufgestellt,
1 2
daß die Normalen beider Flächen zusammenfallen.
'2
I
I
1--
-~--=-+-_. -_ . ......
- -- . - --.....0.
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A b b i 1 dun g 2
Zum Strahlungsaustausch zwischen zwei planparallelen Flächen in den
Abständen R1 bzw. R2
Dann entfällt auf die Fläche F die Strahlung (vgl. Abb. 2):
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