DD149962B1

DD149962B1 - Messverfahren und sonden zur bestimmung der waermeleitfaehigkeit

Info

Publication number: DD149962B1
Application number: DD21951780A
Authority: DD
Inventors: Peter Haeupl; Horst Stopp
Original assignee: Cottbus Ing Hochschule
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1980-03-07
Publication date: 1992-06-25
Also published as: DD149962A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Meßverfahren einschließlich der dazugehörenden Meßfühler zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in quasihomogenen Feststoffen bzw. Schüttgütern, das sich sowohl für den Einsatz in der Betriebsmeßtechnik zur Stichprobenkontrolle als auch für die Messungen an beliebigen Objekten wie z. B. an Fertigteilen des Bauwesens im Nutzungszustand eignet

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Anwendung stationärer Meßverfahren außerhalb der Laborpraxis scheitert oft an dem für Temperaturausgleichsvorgänge notwendigen hohen Zeitaufwand und an der Forderung, daß zwei Begrenzungsflächen mit definiertem Abstand zur Verfügung stehen müssen.

Bei den instationären Verfahren gehen die bisher vorgeschlagenen Varianten davon aus, daß eine zeitabhängige Temperaturkurve registriert und bezüglich mehrerer Meßpunkte ausgewertet werden muß.

Eine Vielzahl von Heizdrahtsonden auf der Grundlage zylindrischer Temperaturfelder, beschrieben in der Dissertation von Wagner, Berlin (W) 1977, konnte sich bis heute nicht durchsetzen, weil entweder die Technologien zur Herstellung der Fühler sehr kompliziert sind oder die Meßergebnisse nicht befriedigen können. Die erforderliche Starrheit der Sonde bedingt nicht reproduzierbare Übergangswiderstände und ihre endliche Länge entspricht nicht den theoretischen Voraussetzungen.

Bei den wenigen Methoden, denen kugelsymmetrische Temperaturfelder zugrundeliegen, ist die Umsetzung der Theorie in die Meßtechnik unpraktikabel. Meßfühler aus dünnwandigen Metallhohlkugeln lassen sich z. B. in Feststoffe und im Labor mittels eines symmetrischen Längsschnittes in das Prüfmaterial bei nicht reproduzierbarer Kontaktierung einlegen.

Das Kurzzeitverfahren nach KRISCHER und ESDORN für ebene Temperaturfelder erfordert das Einbetten einer mit konstanter Heizleistung gespeisten Heizfläche zwischen zwei plattenförmige Körper des Versuchsmaterials und diethermische Isolation der Gesamtanordnung. Bei dem damit verbundenen Aufwand bleibt der Einsatz dieser Methode ebenfalls auf wenige Laborversuche beschränkt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein möglichst zerstörungsfrei arbeitendes Meßverfahren mit den entsprechenden Meßfühlern zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit zu schaffen, das auch dem Nichtfachmann erlaubt, Wärmeleitfähigkeitsmessungen an Feststoffen und Schüttgütern mit ausreichender Genauigkeit ohne großen gerätetechnischen und zeitlichen Aufwand sowohl in der Betriebsmeßtechnik als auch an Objekten im Nutzungszustand vornehmen zu können.

-2- 149 962 Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, die Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen und Schüttgütern in Form von Prüfkörpern und im Nutzungszustand zerstörungsfrei oder mittels einer Sackbohrung, Durchmesser s 20 mm, zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Sonde, bestehend aus einem Trägermaterial, einer räumlich begrenzten Heizfläche (z.B. Kreisfläche, Kugelfläche r₀ ^ 5mm) und einem Temperaturfühler mit der Oberfläche des Prüflings reproduzierbar kontaktiert wird, wobei der Höchstwert der Temperatur θ. in der Heizfläche bei Zufuhr einer konstanten Heizleistung Q gemessen wird. Die Konzentration von Heizung und Temperaturfühler auf kleinstem Raum läßt sich zweckmäßigerweise durch Mantelthermoelemente realisieren. Zwei im Meßpunkt verschweißte Thermopaare sind in einem Stahlmantel d S 0,5mm geschützt untergebracht. Über das eine Paar wird die Heizleistung eingespeist, das andere Paar dient zur Temperaturmessung.

Fließt eine konstante Wärmestromdichte q über eine Kreisfläche vom Radius r₀ einseitig oder über eine Kugelfläche vom Radius r„ allseitig in das Material, ergeben sich für den Aufheizvorgang in den Heizflächen die bekannten Beziehungen (1) und (2).

-а_о=-9М-^-2,._л^П-^ (D

qi-o / 2 r„ \ Vät

at [1-е * erfcV-j) (2)

λ Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Materials a Temperaturleitfähigkeit des zu messenden Materials θ₀ Temperatur des Materials und der Sonde vor dem Heizen.

_r2

Für Zeiten t > — vereinfachen sich die Beziehungen (1) und (2)

(4,

Für Zeiten t i> —2- streben (1) und (2) dem gemeinsamen Grenzwert

Dieser konstante Endwert hängt in einfacher Weise von der Wärmeleitfähigkeit λ ab und wird zu deren Bestimmung benutzt.

Durch den Wärmeübergangswiderstand zwischen Sonde und Prüfkörper erhöht sich die Temperatur um einen konstanten Wert θ_ε

θ. - a₀ = -^- + θ_β (6)

der bei Gewährleistung eines konstanten Anpreßdruckes für jede Messung reproduzierbar ist.

Wird die Zeit t s> —— nicht abgewartet, z. B. bei Dämmstoffen, ist θ. aus (3) oder sinngemäß aus (4) wie folgt zu ermitteln:

Эк - θ₀ über —= aufgetragen ergibt eine Gerade mit dem Anstieg

und dem Ordinatenschnittpunkt ( —^--»0 I θ. - θ_ο.

Die Beziehung (7) eignet sich zusätzlich zur Bestimmung der Größe a des zu prüfenden Materials. Lassen sich die tatsächlich in das Material fließende Wärmestromdichte q und der Term &_c nicht exakt angeben, muß die Sonde geeicht werden.

Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt eine zerstörungsfrei arbeitende Oberflächensonde zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im oberflächennahen Bereich des Prüflings. Sie besteht aus einem Dämmstoffkörper I₁ auf dessen ebener Begrenzungsfläche ein spiralförmig geformtes Doppelmantelthermopaar 2 aus NiCr-Ko mit einem Außendurchmesser von 0,5mm angebracht ist. Ein Thermopaar 3 wird mit einem Gleichspannungsregler verbunden und bildet den Heizkreis. Das zweite Paar 4 dient als Thermoelement zur Temperaturmessung. Seine Vergleichsstelle 5 liegt an einer ungeheizten Stelle der Kontaktfläche. Der Durchmesser r₀ der Spirale 2 beträgt 5mm. Nach dem Kontaktieren der Sonde mit dem Prüfkörper β und einer Ausgangsthermospannung von null wird die Heizleistung q eingespeist und der Höchstwert für die Thermospannung entsprechend der sich einstellenden Kontakttemperatur (β. - θ_ο) registriert. Eine Variante für berührungsloses Beheizen ergibt sich durch die optische Abbildung einer Heizquelle über Spiegel oder Linsen auf die Prüflingsoberfläche. Die Figur 2 zeigt eine Einstecksonde für Messungen in Bohrungen zwecks Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit in beliebigen Schichttiefen des Materials. Der zylindrische Sondenkörper 1 hat einen Durchmesser von 20 mm. Zwei Spiralen aus Doppelmantelthermopaaren 2,deren einzelne Thermopaare als Thermoelemente zur Temperaturmessung und für die Heizung Verwendung finden, werden über bewegliche Backen 7 durch ein Getriebe oder über ein aufblasbares flexibles Behältnis 8 pneumatisch definiert gegen die Wand der Bohrung gepreßt, um einen reproduzierbaren Wärmeübergangswiderstand zu gewährleisten. Die Heizleistung q wird von außen durch einen Gleichspannungsregler zugeführt und die Thermospannung entsprechend dem sich einstellenden Höchstwert (θ. — θ₀), der ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit darstellt, durch ein Gleichspannungsmeßgerät angezeigt.

Bei den vorstehend beschriebenen Messungen wird das Material nur in unmittelbarer Nähe der Heizflächen erfaßt. Stoffschichten, die mehr als 30 mm von diesen entfernt liegen, zeigen keine signifikanten Auswirkungen auf das Meßergebnis. Das ermöglicht, ein Objekt „punktuell" bezüglich der Wärmeleitfähigkeit abzutasten.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen oder Schüttstoffen,wobei über eine kreis-, kugel- oder halbkugelförmige bzw. eine allgemeine räumlich begrenzte Heizfläche ein stationärer Wärmestrom in den Stoff eingespeist wird, gekennzeichnet dadurch, daß nach einer Aufheizzeit, die mit Sicherheit größer ist als der Quotient aus dem Quadrat des Kreis- oder Kugelradius bzw. dem Quadrat des mittleren Halbmessers und der für den Stoff minimal zu erwartenden Temperaturleitfähigkeit die größte Erwärmung in der Heizfläche aus der durch Reihenentwicklung der exakten Aufheizkurve gewonnenen Zeitfunktion ermittelt und als Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß bei Aufheizzeiten, die im Vergleich zum Quotienten aus dem Quadrat des Kreis- oder Kugelradius bzw. dem Quadrat des mittleren Halbmessers und der für den Stoff minimal zu erwartenden Temperaturleitfähigkeit sehr groß sind, die Erwärmung in der Heizfläche direkt gemessen und als Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes genutzt wird.

3. Anordnung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von festen Stoffen oder Schüttstoffen, ausgebildet als eine über eine oder mehrere Kontaktflächen verfügende Sonde, gekennzeichnet dadurch, daß in der oder in den Kontaktflächen je ein Doppel-Mantelthermoelement angeordnet ist, wobei das eine der Einzelthermopaare jedes Doppel-Mantelthermoelementes ein Heizelement (PELTIER-Betrieb) und das andere ein Temperaturmeßelement (SEEBECK-Betrieb) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Doppel-Mantelthermoelement spiralförmig ausgebildet ist.