DE102008012758B4

DE102008012758B4 - Verfahren zur simultanen Absolutmessung der spezifischen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der Probendichte und der Umwandlungswärme von festen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102008012758B4
Application number: DE200810012758
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2028-03-01
Also published as: DE102008012758A1

Abstract

Verfahren zur simultanen Absolutbestimmung der Temperaturleitfähigkeit a, der spezifischen Wärmekapazität c, der Wärmeleitfähigkeit λ, der Umwandlungswärme &Dgr;H und der Probendichte &rgr; einer festen zylindrischen Probe 1, dadurch gekennzeichnet, dass • die zu messende zylindrische Probe 1 mit dem Probenradius R und der Probenlänge 2L mit einem sich in der Probe im Ort r mit 0 ≤ r ≤ R befindlichen Thermoelement in einen temperierbaren Umgebungsofen 2 eingebracht wird, in dessen Inneren sich unterhalb der Probe ein konzentrisch angeordneter Heizofen 3 befindet, an dessen Oberfläche ein Thermoelement angebracht ist, • zunächst Probe 1 und Heizofen 3 durch den Umgebungsofen 2 auf eine bestimmte Temperatur T0 temperiert werden und diese Temperatur konstant gehalten wird, • dann der Heizofen 3 mittels einer zugeführten elektrischen Leistung U·I auf eine konstante Temperatur T1 > T0 erwärmt wird, • nach Erreichen des stationären Zustands von Ofen 3 die auf T0 temperierte Probe plötzlich in den Ofen 3 eingebracht wird, • der zeitliche Temperaturverlauf in der Probe 1 digital/analog registriert wird, sein linearer Teil einer linearen Regression unterzogen wird, dessen Anstieg T. H und Schnittpunkt tx mit der Zeitachse bestimmt werden, • nach Abschalten der Heizleistung am Ofen 3 die Abkühlrate T. A gemessen wird und mit diesen Messwerten und der gegebenen Probenmasse m, der Probenlänge 2L, dem Probenradius R, dem Messort r und der Leistungsdichte q. = U·I/(2 &pgr; R·2L) in nachfolgender Reihenfolge die Temperaturleitfähigkeit a, die spezifische Wärmekapazität c, die Umwandlungswärme &Dgr;H, die Wärmeleitfähigkeit λ und die Probendichte &rgr; mit folgenden Auswertformeln bestimmt werden: ...

Description

Für die Entwicklung neuer Werkstoffe und Hochtechnologien ist die Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften von Werkstoffen von ausschlaggebender Bedeutung. Dabei war es lange Zeit üblich, die o. g. Eigenschaften einzeln in dafür vorgesehenen Spezialapparaturen zu messen. So wird z. B. die Temperaturleitfähigkeit mit einem in der angelsächsischen Literatur als sogenanntes Relaxationsverfahren bezeichneten Verfahren gemessen, mittels dessen eine dicke Platte von einer Seite beheizt, an der Gegenseite adiabatisch gehalten und aus dem instationären Temperaturverlauf die Temperaturleitfähigkeit bestimmt [5]. Erst in jüngerer Zeit gibt es Bemühungen, diese Eigenschaften simultan mittels einer einzigen Messanordnung zu bestimmen, da speziell bei bestimmten Werkstoffen die Vorgeschichte einen erheblichen Einfluss hat, die bei den Messprozeduren der verschiedenen Einzelapparaturen meist nicht identisch ist und zu Fehlinterpretationen führen kann. Diese Simultanapparaturen sind z. B. die „stepwise and pulse transient methods” [1, 2] mit der Simultanbestimmung von nur drei thermophysikalischen Eigenschaften und zwei nach verschiedenen Prinzipien arbeitende adiabatische Verfahren zu ihrer Bestimmung (vier thermophysikalischen Eigenschaften [3, 4]). Für die vorliegende Erfindung wird dabei [4] als Prototyp benutzt, den Stand der Technik charakterisierend.
Die unter [4] beschriebene Anordnung hat folgende Nachteile:

1) Das dort verwendete Heizelement muss nach Berechnungen nur ≤ 10 μm dick sein, um einen schnellen Einschaltstoß zu erhalten (Glühlampeneffekt). Da Glühlampen mit der erforderlichen Geometrie nicht angeboten werden, auch bei Temperaturen ≥ 1000°C nicht eingesetzt werden können und eine eigene Herstellung außerordentlich aufwändig ist, sollte eine andere Methode gefunden werden, um die Probe mit einem plötzlich wirkenden Einschaltstromstoß zu beaufschlagen.
2) Die Temperaturmessung an der inneren Oberfläche der hohlzylindrischen Probe hat nur einen geringen Abstand gegenüber der äußeren Oberfläche, wo unmittelbar Wärmeverluste an die Umgebung abgegeben werden, sodass unbedingt eine hochwertige dynamische Nachregelung der Probentemperatur durch einen konzentrisch um die Probe angeordneten adiabatischen Mantel erfolgen muss, damit keine Wärmeenergie die Probe verlassen kann. Trotz Verwendung von hochwertigen PID-Reglern war diese Nachregelung z. B. beim Anschalten der Innenheizung mit störenden Regelschwingungen verbunden. Es bestand somit das Ziel, durch Verwendung einer anderen Geometrie den Störeinfluss der Wärmeverluste zu minimieren und möglichst ohne Regler auszukommen.
3) Durch ebenfalls Verwendung einer anderen Geometrie sollte speziell für die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit eine bedeutend einfachere Auswertformel gefunden werden.
4) Durch einen aufwärtskompatiblen Aufbau sollten jederzeit zusätzliche Module (z. B. für eine Verbesserung der adiabatischen Regelung) verwendbar sein, ohne die Apparatur grundsätzlich zu ändern.

Beschreibung
Die Lösung der anstehenden Probleme geschieht erfindungsgemäß folgendermaßen (1). Innerhalb eines temperaturkonstant gehaltenen Umgebungsofens 2 befindet sich die vollzylindrische Probe 1 mit dem Radius R und der Höhe 2L und unterhalb dieser ein konzentrisch angeordneter Ofen 3. Nach Erreichen einer bestimmten Gleichgewichtstemperatur T₀ durch den Umgebungsofen 2 wird der Ofen 3 angeschaltet, bis im Gleichgewicht dessen Temperatur T₁ > T₀ beträgt.
Wenn der Einlaufvorgang von Ofen 3 abgeschlossen ist, wird die Probe 1 plötzlich in den Ofen 3 eingebracht und damit eine Temperaturerhöhung in der Probe erzeugt, die mit einem sich in der Probe im Ort r mit 0 ≤ r ≤ R befindlichen Thermoelement gemessen wird. Nach dem Einlaufvorgang der Probe stellt sich ein linearer Temperaturverlauf mit konstanter Heizrate T ._H als erste Messgröße ein. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der Zeitachse liefert die zweite Messgröße t_x
So resultiert für r < R/√2 (z. B. r = 0) bzw. r > R/√2 (z. B. r = R) ein progressives Kurvenverhalten mit positivem t_x auf der Zeitachse bzw. ein degressives Kurvenverhalten mit negativem t_x auf der Zeitachse.
Die Größen der zugeführten Heizleistung I·U und die Wärmeleitfähigkeit λ der Probe haben dabei keinen Einfluss auf t_x, sondern verändern lediglich die Größe T und die Zeitrate T ._H der Probentemperatur am Ort r.
Somit ergibt sich die Möglichkeit, zuerst die Temperaturleitfähigkeit a nur allein aus t_x und dem Probenradius R zu bestimmen.
Wird nach Aufzeichnen des linearen Temperaturverlaufs der Ofen 3 abgeschaltet, so kühlt sich die Probe 1 mit der Abkühlrate T ._A ab, und zwar umso mehr, je größer die von der Probe abgegebenen unvermeidlichen Wärmeverluste sind. Diese Abkühlmessung dient der exakten Verlustkompensation, die in den folgenden Formeln für c und λ angewandt wird.
Je besser diese Verlustkompensation ist, umso geringer wird diese Abkühlrate T ._A ausfallen. Dies ist dann der Fall, wenn L >> R gilt und sogar noch eine adiabatische Nachregelung eingesetzt wird (siehe 2). In diesem Fall wird mittels eines weiteren Heizofens 4 die Temperaturdifferenz zwischen Ofen 3 und Ofen 4 so auf Null geregelt, dass die von 3 erzeugte Heizleistung I·U nur in die Probe 1 eingebracht wird, bei exakter Regelung in den Auswertformen sogar T ._A = 0 gesetzt werden kann.
Erst dann können sukzessive aus dem so ermittelten a mit den geometrischen Daten L und R, der Probenmasse m, der Heiz- bzw. Abkühlrate T ._H bzw. T ._A und der Heizleistungsdichte q . mit q . = I·U/(2 π R·2L) nacheinander die spezifische Wärmekapazität c, die Umwandlungswärme Δ H, die Wärmeleitfähigkeit λ und schließlich die Dichte ρ mittels der folgenden Formeln berechnet werden.
Ausführungsbeispiel
Die praktische Realisierung der Vorrichtung kann folgendermaßen aussehen: Die Ofenheizung 3 besteht aus einem Keramikzylinder aus Sinterkorund, in dem eine Sägezahnnut zur Aufnahme einer Heizdrahtwicklung eingefräst ist. Dabei soll die Nut so tief sein, dass der Heizdraht nicht über die Nut übersteht. Über die Sägezahnnut wird ein Metallblech aufgewickelt, auf dem ein Thermoelement angebracht ist.
Der Umgebungsofen 2 besteht aus einem dünnwandigen metallischen Behälter mit einem Thermoelement, hinter dem sich Infrarotstrahler befinden, wobei der Behälter so beheizt wird, dass die Temperaturdifferenz zwischen diesem und der Probe 1 annähernd einen bestimmten Betrag nicht überschreitet.
Die Probe in einer Haltevorrichtung wird sehr schnell durch freien Fall in den Ofen 3 eingebracht und nach Abschluss der Messung durch Abschalten von Ofen 3 mittels eines Magnetschalters wieder in die ursprüngliche Position über dem Ofensystem 3 gebracht und der gleiche Vorgang bei einer anderen Temperatur T₀ des Umgebungsofens 2 nacheinander wiederholt, so dass alle fünf thermophysikalischen Eigenschaften c, λ, a, ρ und ΔH in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden können.
Zusammenfassung
Für die Entwicklung und Charakterisierung von Werkstoffen ist die Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften wie der spezifischen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit, der Probendichte und der physikalischen oder chemischen Umwandlungswärmen in einem ausgedehnten Temperaturbereich von größter Wichtigkeit. Dabei haben sich Messungen, die die gesuchten Eigenschaften simultan zu ermitteln erlauben, am günstigsten erwiesen.
Die hierzu bereits bekannten Methoden, z. B. Heißband- und Heißdrahtmethoden (hot band and hot wire methods) sind nur relativ eingeschränkt auf alle Werkstoffe anwendbar (meist nur elektrisch isolierende Werkstoffe) und wegen der Verwendung von nur Näherungsmethoden stark fehlerbehaftet mit dazu relativ komplizierter Auswertung. Außerdem gestatten sie die simultane Erfassung von nur drei thermophysikalischen Eigenschaften.
In vorliegender Erfindung wird eine neue Methode dargestellt, die bei der Simultanmessung aller fünf thermophysikalischen Eigenschaften spezifische Wärmekapazität c, Wärmeleitfähigkeit λ, Temperaturleitfähigkeit a, Probendichte ρ und Umwandlungswärme ΔH die erforderliche Verlustkompensation entweder durch Abkühlmessungen und/oder durch eine exakte adiabatische Nachregelung mittels einer Zusatzheizung ermöglicht.
Quellen zu Beschreibung

[1] L. Kubicar: Pulse method of measuring basic thermophysical parameter Elsevier, Amsterdam/Oxford/New York/Tokyo (1990) p. 340
[2] U. Hammerschmidt: Int. J. Thermophysics, 24 (2003), 675
[3] W. Poeßnecker, U. Groß, U. Lohse: Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität, Temperaturleitfähigkeit und/oder Temperaturleitfähigkeit Patentschrift DE 199 43 076 C2 , veröffentlicht 06.12.2001
[4] W. Poeßnecker: Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität, Temperaturleitfähigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffproben Offenlegungsschrift DE 10 2004 051 875 A1 2006.05.04
[5] G. Sonnenschein, R. A. Winn: A relaxation time technique for measurement of thermal diffusivity. WADC technical report 59–273 (1960)

Claims

Verfahren zur simultanen Absolutbestimmung der Temperaturleitfähigkeit a, der spezifischen Wärmekapazität c, der Wärmeleitfähigkeit λ, der Umwandlungswärme ΔH und der Probendichte ρ einer festen zylindrischen Probe 1, dadurch gekennzeichnet, dass • die zu messende zylindrische Probe 1 mit dem Probenradius R und der Probenlänge 2L mit einem sich in der Probe im Ort r mit 0 ≤ r ≤ R befindlichen Thermoelement in einen temperierbaren Umgebungsofen 2 eingebracht wird, in dessen Inneren sich unterhalb der Probe ein konzentrisch angeordneter Heizofen 3 befindet, an dessen Oberfläche ein Thermoelement angebracht ist, • zunächst Probe 1 und Heizofen 3 durch den Umgebungsofen 2 auf eine bestimmte Temperatur T₀ temperiert werden und diese Temperatur konstant gehalten wird, • dann der Heizofen 3 mittels einer zugeführten elektrischen Leistung U·I auf eine konstante Temperatur T₁ > T₀ erwärmt wird, • nach Erreichen des stationären Zustands von Ofen 3 die auf T₀ temperierte Probe plötzlich in den Ofen 3 eingebracht wird, • der zeitliche Temperaturverlauf in der Probe 1 digital/analog registriert wird, sein linearer Teil einer linearen Regression unterzogen wird, dessen Anstieg T ._H und Schnittpunkt t_x mit der Zeitachse bestimmt werden, • nach Abschalten der Heizleistung am Ofen 3 die Abkühlrate T ._A gemessen wird und mit diesen Messwerten und der gegebenen Probenmasse m, der Probenlänge 2L, dem Probenradius R, dem Messort r und der Leistungsdichte q . = U·I/(2 π R·2L) in nachfolgender Reihenfolge die Temperaturleitfähigkeit a, die spezifische Wärmekapazität c, die Umwandlungswärme ΔH, die Wärmeleitfähigkeit λ und die Probendichte ρ mit folgenden Auswertformeln bestimmt werden:
Verfahren nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, dass konzentrisch um den Heizer 3 ein weiterer Heizer 4 angebracht wird, an dessen Oberfläche ebenfalls ein Thermoelement angebracht ist, die Temperaturdifferenz zwischen Heizer 3 und Heizer 4 exakt auf Null geregelt wird und in diesem Fall in den Anwendungsformeln nach Anspruch 1. der Term T ._A entfällt, also einfach T ._H + T ._A durch T ._H ersetzt wird.