Beschreibung

Sensoranordnung zur Messung einer subjektiven Temperatur

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Ermittlung einer subjektiven bzw. gefühlten Temperatur, wobei neben einer Raum- oder Lufttemperatur weitergehende Umwelteinflüsse berücksichtigt werden.

Das Wohlbefinden und die Gesundheit von Menschen werden in nicht unerheblichem Maß durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Durch Heizungen und Klimaanlagen ist der Mensch in der Lage, sich in den Innenräumen ein optimales Klima zu schaffen. Dieses optimale Klima zeichnet sich durch eine Reihe von Parametern aus, die prinzipiell einer Regelung durch eine Klimaanlage zugänglich sind. Die wichtigsten zu regelnden Parameter sind beispielsweise die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder die Luftströmung. Dabei ist die Wirkung dieser einzelnen Parameter auf das Wohlbefinden des Menschen nicht jeweils für sich ausreichend, sondern, da sich die Pa ^¬ rameter gegenseitig beeinflussen, muss das Zusammenwirken aller Faktoren betrachtet werden.

Eine optimale Regelung eines Raumklimas setzt voraus, dass die zu regelnden Größen zunächst einer Messung zugänglich sind. Für die Messung der Raumtemperatur sind zahlreiche technische Lösungen verfügbar. Es ist bekannt zur Steuerung von Heizungsanlagen die bloße Raum- oder Lufttemperatur zu verwenden. Die Messung der Umgebungstemperatur beschreibt al- lerdings nur mangelhaft die von Personen wahrgenommene Tempe ^¬ ratur, die beispielsweise über den Kontakt zwischen Luft und Haut wahrgenommen wird. Da die damit zusammenhängende Tempe ^¬ raturempfindung auf lokal auf der Haut stattfindenden Effekten beruht, werden insgesamt nicht sämtliche Parameter, die für eine subjektiv empfundene Temperatur mit zu berücksichti ^¬ gen sind, in die Betrachtungen mit einbezogen.

Insbesondere für die Regelung von Heizungsanlagen wird somit eine Umgebungstemperatur als Regelgröße herangezogen, die durch Temperaturmessungen generiert wird, die wesentliche Um ^¬ gebungseinflüsse nicht erfasst und damit auch das Wohlbefin- den der Personen insgesamt nicht berücksichtiget.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranord ^¬ nung bereitzustellen, die eine subjektive Temperatur erfasst und diese relativ zu der unbeeinflussten Raum- bzw. Lufttem- peraturmessung setzt.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi ^¬ nation entsprechend Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestal ^¬ tungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

über die bloße Raumtemperatur bzw. Lufttemperaturmessung hinausgehende Temperaturgrößen ergeben sich beispielsweise aus der zusätzlichen Messung der Infrarotstrahlung, die in den betrachteten Raum oder auf die betrachtete Person einwirkt. Weiterhin kann Luftströmung der Feuchtigkeit berücksichtigt werden. Luftströmung führt zu einer Verringerung der Oberflächentemperatur an der Haut und damit zu einer Erniedrigung der subjektiven, gefühlten Temperatur. Feuchtigkeit auf der Haut führt beispielsweise zu Erniedrigung der subjektiven, gefühlten Temperatur durch Verdunstungskälte. Auf der Haut auftreffende Infrarotstrahlung führt zu einer lokalen Erhöhung der Temperatur auf der Haut und damit zu einer Erhöhung der subjektiven, gefühlten Temperatur.

Die Umgebungstemperatur wird allgemein unter Ausschluss anderer, die Temperaturwahrnehmung beeinflussender Faktoren in einem Bereich von ca. 18-22°C als optimal empfunden. Der subjektive Anteil der Temperaturempfindung kann jedoch direkt nicht als Messgröße erfasst werden.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der etwa gleichzeitigen Generierung mehrerer Temperatursignale, zum einen mittels eines ersten Temperatursensors, wobei

eine Umgebungs- oder Raum- bzw. Lufttemperatur wiedergegeben wird, und zum anderen mittels eines zweiten Temperatursensors, der eine gefühlte Temperatur wiedergibt, welche neben der bisher bekannten Temperaturermittlung weitergehende Ein- flüsse von Strahlungseinwirkungen, Feuchte-Auswirkungen,

Luftströmungseinwirkungen u. ä. berücksichtigt. Eine Sensoranordnung ermittelt ein Differenzsignal zwischen diesen bei ^¬ den generierten Temperatursignalen, wobei durch das sich ergebende Differenzsignal ein Maß für den Einfluss der aufge- nommenen Wärmestrahlung oder vorhandener Feuchte oder vorhandener Luftströmung auf die gefühlte Temperatur angezeigt wird.

Neben den drei genannten Wirkungsparametern für Strahlung, Feuchte und Luftströmung können noch weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Denkbar sind beispielsweise unter ^¬ schiedliche Beschaffenheiten von Oberflächen, Belegung einer Oberfläche mit Eis oder Kondenswasser oder auch die physiolo ^¬ gische Eigenschaft der Haut.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung bezieht sich auf die Ausfüh ^¬ rung eines ersten und eines zweiten Temperatursensors, wobei diese sich hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften unterscheiden. Der erste Temperatursensor zur Messung der Lufttem- peratur weist dabei eine reflektierende Oberfläche auf, so dass Wärmestrahlung an dessen Oberfläche eine untergeordnete Rolle spielt. Der zweite Temperatursensor weist an seiner Oberfläche eine Wärmestrahlung stark absorbierende Oberfläche auf, so dass an diesem Temperatursensor die subjektive, ge- fühlte Temperatur erfassbar ist. In dieser Variante wird zu ^¬ sätzlich zur reinen Lufttemperaturmessung somit die Wirkung von Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung mit berücksichtigt.

Es ist besonders vorteilhaft, die Oberfläche eines die auf- treffende Wärmestrahlung stark absorbierenden Temperatursensors als möglichst idealen schwarzen Körper auszubilden, so dass die Absorption bei annähernd 100% liegt. Die gleiche Zielrichtung wird verfolgt, wenn ein erster Temperatursensor

mit einer Abdeckung versehen ist, die die Einwirkung von auf die Sensoranordnung gerichteter Wärmestrahlung verhindert.

Zur Berücksichtigung der in einem Raumklima vorhandenen Feuchtigkeit ist es vorteilhaft, einen Temperatursensor ober ^¬ flächlich hydrophob auszubilden, so dass die Lufttemperatur ohne Einfluss von Feuchtigkeit ermittelbar ist. Der entspre ^¬ chend zweite Temperatursensor wird mit einer Oberfläche aus ^¬ gestattet, die hydrophil ist, so dass sich Feuchtigkeit dort anlegt. Dieser zweite Temperatursensor misst die gefühlte

Temperatur unter Berücksichtigung der vorhandenen Feuchtigkeit .

Werden in vorteilhafter Weise zwei Sensoren mit unterschied- licher thermischer Ankoppelung an die Umgebung ausgestattet, so wird ein Sensor thermisch isoliert betrieben. Falls dieser durch Wärmeeinstrahlung von außen erwärmt wird, kann er die ins Innere eingebrachte Wärme nicht nach außen abgeben. Der entsprechend zweite Sensor ist an eine Wärmesenke oder Wärme- quelle angekoppelt und kann die eingestrahlte Energiemenge teilweise abführen, so dass ein Messwert dieses Sensors oder dieser Sensoranordnung weniger von der auftreffenden Strahlung beeinflusst wird wie im Falle des thermisch isolierten Sensors .

Ein jeweils von der beanspruchten Sensoranordnung generiertes Differenzsignal, welches Informationen über neben der Raumtemperatur vorhandener Einflussgrößen wie Wärmestrahlung, Feuchtigkeit, Luftströmung beinhaltet, kann in vorteilhafter Weise in einem Heizungssystem als Regelgröße eingesetzt wer ^¬ den .

Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele geschil- dert:

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung zur Detektion der gefühlten Temperatur,

Figur 2 zeigt die Abschirmung eines Sensorelementes von der Strahlungseinwirkung durch eine Abdeckung,

Figur 3 zeigt schematisch die Funktion des Sensors zur Detektion von Wärmeverlusten an einem Heizungssystem,

Figur 4 zeigt die radialsymmetrische Anordnung von Tempera ^¬ tursensoren zur richtungsunabhängigen Messung,

Figur 5 zeigt den Aufbau einer Sensoranordnung nach Figur 4 zur richtungsabhängigen Messung,

Figur 6 zeigt die radial symmetrische Anordnung zur richtungsunabhängigen Messung, wobei die Einflussgröße - Feuchte - berücksichtigt wird,

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das einen auf konstanter Temperatur gehaltenen ersten Temperatursensor be- inhaltet, wobei die Temperatur einer Gasströmung gemessen wird, um den Einfluss der Kühlung der Gasströme zu berücksichtigen .

Um die von Personen wahrgenommene gefühlte Temperatur zu er ^¬ fassen, ist eine lokale Messung am Aufenthaltsort der Person notwendig. Da die für die gefühlte Temperatur Ausschlag ge ^¬ benden Parameter, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung am Fenster u. ä. sich kleinräumig ändern können, ist nicht nur die Messung der Raumtemperatur oder der Lufttemperatur ausreichend. Dabei können folgende Messmethoden angewandt wer ^¬ den .

Der Einfluss von Infrarotstrahlung auf die gefühlte Tempera- tur (subjektive Temperatur) wird über eine Kombination aus zwei Temperatursensoren mit unterschiedlicher Wechselwirkung mit Infrarotstrahlung gemessen. Beim Auftreffen von Infrarotstrahlung auf diese Kombination von Sensoren erhöht wird die

Temperatur des Sensors mit stärkerer Wechselwirkung auf Infrarotstrahlung kräftig, die des Sensors mit geringerer Wechselwirkung auf Infrarotstrahlung weniger stark erhöht. Die Differenz der beiden gemessenen Temperaturwerte ist ein Maß für den Einfluss der auftreffenden Strahlung auf eine Person, da deren Temperaturempfinden sowohl von der Raum- oder Lufttemperatur als auch von der eingestrahlten Wärmemenge abhängt. Somit werden Informationen über eine gefühlte Tempera ^¬ tur gewonnen, wobei zwei Signale, die Temperatur der Umge- bungsluft sowie die gefühlte Temperatur aufgenommen werden.

In einer besonderen Ausgestaltung werden zwei Sensoren verwendet, die unterschiedliche Oberflächen aufweisen. Während der Messwert eines idealerweise verspiegelten oder im infra- roten sowie sichtbaren Spektralbereich gut reflektierenden Temperatursensors nicht von auftreffender Infrarotstrahlung beeinflusst wird, da diese vollständig reflektiert wird, wird bei einem stark absorbierenden Temperatursensor ein Großteil der auftreffenden Infrarotstrahlung in Wärme umgewandelt, was zu einer Erhöhung der Temperatur gegenüber dem verspiegelten oder weißen Sensor führt. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Körper mit weißer Oberfläche ideal als Wärmestrahlen reflektierender Körper betrachtet wird und ein Körper mit schwarzer Oberfläche als ein ideal Wärmestrahlen aufnehmender Körper.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass alternativ zwei identisch gestaltete schwarze Temperatursensoren verwendet werden, wobei für einen Sensor ein Strahlungseintrag verhindert wird, indem dieser Sensor durch eine Abdeckung abge- schirmt ist.

In einer anderen Variante ist ein thermostatischer Sensor vorgesehen. Dies bedeutet, dass einer von mindestens zwei Sensoren auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Mit dieser Ausgestaltung kann der Fall einer Verringerung der subjektiven Temperatur durch lokale Wärmeverluste mittels Strahlung an die Umgebung erfasst werden. Die Funktion sieht vor, dass über einen auf Körpertemperatur thermostatisch ge-

haltenen schwarzen Körper die Energie zur Stabilisierung der Temperatur gemessen wird und als Messgröße für den Einfluss des Wärmeverlustes an die Umgebung auf die gefühlte Tempera ^¬ tur bezogen wird. Werden beispielsweise zwei Sensoren mit un- terschiedlicher thermischer Ankoppelung an die Umgebung eingesetzt, so kann ein Temperatursensor thermisch isoliert betrieben werden und damit bei Einstrahlung erwärmt werden ohne Wärme nach außen hin abzugeben. Der weitere Sensor ist an eine Wärmesenke oder an eine Wärmequelle angekoppelt und kann die eingestrahlte Energie größtenteils abführen, so dass der Messwert dieses Sensors weniger von der auftreffenden Strahlung beeinflusst wird wie bei dem thermisch isolierten Sensor .

Mittels der vorgeschlagenen Sensoranordnung, in der mindestens ein Paar von Sensoren gleichzeitig betrieben wird, werden zunächst zwei Temperatursensoren eingesetzt, die annä ^¬ hernd gleich aufgebaut sind, jedoch an relevanten Stellen Unterschiede hinsichtlich der Aufnahmefähigkeit von Wärmestrah- lung, Feuchtigkeit oder beispielsweise einen Luftstrom zei ^¬ gen. Damit wird zum einen ein relativ reines Temperatursignal erzeugt, welches idealerweise nicht durch Feuchtigkeit, di ^¬ rekte Wärmeeinstrahlung oder Konvektion verfälscht ist. Der jeweils andere Sensor misst die genannten Störgrößen mit und bezieht somit für eine Person, die sich in einem Raumklima befindet, wesentliche Einflussgrößen beim Empfinden einer subjektiven oder gefühlten Temperatur mit ein.

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht damit erstmals die Einbeziehung der das Temperaturempfinden wesentlich beeinflussenden Infrarotstrahlung in Heizungs- und Klimatisierungssystemen. Durch die Messung der gefühlten Temperatur können Regelstrategien für Heizungs- und Klimaanlagen dahingehend optimiert werden, dass die für das Wohlbefinden einer Person optimalen Umgebungsbedingungen lokal erfasst werden und zum anderen der Energiebedarf zur Raumheizung verringert wird, indem die durch Sonneneinstrahlung verursachte Erhöhung der Temperatur berücksichtigt wird.

Eine mögliche Variante für ein erfindungsgemäßes Sensorsystem wird in Figur 1 dargestellt. Es werden zwei Temperatursenso ^¬ ren 1, 2 eingesetzt, die mit jeweils einer Infrarotstrahlung absorbierenden bzw. einer Infrarotstrahlung reflektierenden Beschichtung versehen sind. Das Differenzsignal enthält zum einen das Temperatursignal 3 für die Raum- oder Lufttempera ^¬ tur sowie das Temperatursignal 4 für die subjektive oder ge ^¬ fühlte Temperatur. Das Differenzsignal enthält entsprechend neben den einzelnen Sensorsignalen bzw. Temperatursignalen 3, 4 Informationen über die eingestrahlte Infrarotstrahlungs ^¬ menge .

In Figur 1 sind die Temperatursensoren 1, 2 unterschiedlich ausgebildet, indem sie in Richtung der auftreffenden Infrarotstrahlung/Wärmestrahlung 6 im Falle des Temperatursensors 1 mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Beschichtung und im Falle des Temperatursensors 2 mit einer Wärmestrahlung ab ^¬ sorbierenden Beschichtung ausgestattet sind. Die eigentlichen Temperatursensorelemente könnten beispielsweise NTC- oder

PTC-Elemente sein, sowie Thermoelemente oder Platin-Tempera ^¬ turfühler. Diese werden mit unterschiedlichen Beschichtungen versehen, die zum einen möglichst hohen Reflexionsgrad für Wärmestrahlung aufweisen und damit zur Messung der Umgebungs- temperatur ohne den Strahlungsanteil geeignet sind und zum anderen einen möglichst hohen Absorptionskoeffizienten bezüglich der Wärmestrahlung aufweisen, so dass sie die Umgebungstemperatur und zusätzlich die über Wärmestrahlung eingebrachte Temperatur erfassen. Die Wärmestrahlung liegt in der Regel im infraroten Spektralbereich. Stark absorbierende Materialien sind dabei z. B. Ruß oder , Palladium black' (Palladiumoxid) oder ,Platinum black' (Platinoxid) .

Alternativ ist die Ausbildung eines von zwei identischen Sen- sorelementen durch geeignete Gestaltung des Gehäuses möglich, wie es in Figur 2 schematisch dargestellt ist. In Figur 2 ist wiederum die auf die beiden beschriebenen Sensoren einfallende Wärmewirkung 6 enthalten. Mittels einer Abdeckung 9

wird einer der beiden baugleichen Sensoren, in diesem Fall Sensor 1 durch die Abdeckung 9 von der Wärmestrahlung 6 freigehalten. Da beide baugleichen Sensoren Temperatursensoren 2 mit absorbierender Oberfläche 7 sind, wird der nicht abge- deckte Sensor in diesem Fall die Raumtemperatur und zusätzlich die Temperaturerhöhung anzeigen, die durch die einfallende Wärmestrahlung produziert wird. Der in Figur 2 links erscheinende Temperatursensor 2 wird von der Strahlung abgedeckt und zeigt damit bei idealen Verhältnissen die Raum- oder Umgebungs- bzw. Lufttemperatur an. Elektrische Kontaktierungen zur Abführung von elektrischen Signalen sind in Figur 2 nicht dargestellt .

Figur 3 stellt eine schematische Funktion des Sensors zur De- tektion von Wärmeverlusten dar. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zur Beschichtung der Temperatursensoren Materialien verwendet werden können, die auch als Oberfläche für den vorge ^¬ schlagenen thermostatischen Körper einsetzbar sind. Die Heizung kann elektrisch erfolgen, wobei bei Verwendung von Mate- rialien mit einer temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit durch Messung des elektrischen Widerstands neben der Bestimmung der Heizleistung gleichzeitig die Bestimmung der Temperatur erfolgen kann, wie in Figur 3 dargestellt.

Figur 3 zeigt das Schema einer Heizungsregelung, wobei als

Regelgröße die elektrische Beheizung eines beheizten Elemen ^¬ tes auf eine bestimmte Temperatur über eine Temperaturmessung kontrolliert wird und über die Heizungsregelung einfließt. Das Ausgangssignal kann zur Steuerung einer elektrischen Leistung für die Heizung eingesetzt werden.

Um eine richtungsunabhängige Temperaturmessung zu erreichen, können die Temperatur-Sensorelemente kugelförmig aufgebaut sein und, beispielsweise wie Figur 4, der Sensor 1 reflektie- rend beschichtet sein mit einer reflektierenden Oberfläche 8 und entsprechend mit einer absorbierenden Oberfläche 7. In jedem Fall wird eine radial symmetrische Anordnung darge ^¬ stellt, die richtungsunabhängig messen kann.

Figur 5 zeigt einen Aufbau zur richtungsabhängigen Messung. Um die Sensoren mechanisch und vor der Einwirkung hoch fre- quenter Strahlung zu schützen, können diese mit einem im inf- raroten Bereich durchlässigen Material abgedeckt werden, beispielsweise mit Silizium.

Zur Messung der Beeinflussung einer herkömmlich gemessenen Temperatur durch vorhandene Feuchtigkeit wird folgendes Aus- führungsbeispiel beschrieben:

Die Luftfeuchte beeinflusst die Wärmekapazität und die Wärme ^¬ leitfähigkeit der Luft. Diese Beiträge werden von den be ^¬ schriebenen Anordnungen berücksichtigt. Außerdem wird die Be- legung von Oberflächen mit Feuchte durch den Feuchtegehalt der Luft mit bestimmt. über das Auftreten von Verdunstungs ^¬ kälte kann die Feuchte großen negativen Einfluss auf das Wohlbefinden haben. Eine Messung der Verdunstungskälte kann über ein System aus einem hydrophob beschichteten und einem System, welches einer mit Feuchtigkeit belegten Haut ähnlich ist, realisiert wird, während für den hydrophob beschichteten Sensor die Verdunstungskälte vernachlässigbar ist, wird das Signal des hydrophilen Sensors auch die lokalen Temperaturänderungen durch Verdunstung wiedergeben bzw. enthalten.

Figur 6 zeigt entsprechend Temperatursensoren Sl, S2, die eine hydrophobe Beschichtung 12 bzw. eine hydrophile Be- schichtung 11 aufweisen. Durch die radialsymmetrische Anord ^¬ nung ist eine richtungsunabhängige Messung möglich.

Anhand eines schematisch in Figur 7 dargestellten Systems kann ein Ausführungsbeispiel zur Handhabung der Wärmetrans ^¬ portverhältnisse bei vorhandenem Gasstrom entlang der mindestens zwei Temperatursensoren verdeutlicht werden. Die ge- zeigte Anordnung kann zur Messung der Luftströmung eingesetzt werden. Dabei wird ein Teil der von dem ersten Temperatursensor, der auf konstanter Temperatur thermostatisch gehalten wird, abgestrahlten Wärme von vorbeiströmendem Gas aufgenom-

men. Dies führt zu einer änderung der Gastemperatur. Ein in einem bestimmten Abstand angebrachter zweiter Temperatursensor erfährt beim Vorbeiströmen des Gases eine Temperaturände ^¬ rung, die vom Gasfluss abhängt und somit als Messgröße für den Gasfluss dient. Außerdem kann die Energie, die zur Stabi ^¬ lisierung der Temperatur des ersten temperaturstabilen Elementes benötigt wird, erfasst werden. Damit lässt sich der Wärmeverlust oder - eintrag darstellen,