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Die Erfindung betrifft ein Versuchsgerät zur Untersuchung der Wärmeleitung in Probekörpern aus Metall oder anderem Material.
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Versuchsgeräte der vorstehenden Art kommen in der technischen Ausbildung an beruflichen Schulen, Fachhochschulen und Universitäten zum Einsatz. Sie dienen dazu, dem Schüler, Studenten oder sonstigen Lernenden den Wärmeübertragungsmechanismus der Wärmeleitung insbesondere bei Metallen näher zu bringen.
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Wärme ist eine spezielle Energieform, die als Bewegungsenergie der ungeordneten Wärmebewegung der Atome oder Moleküle eines Körpers erklärt wird. Wärmeleitung ist eine spezielle Art der Wärmeübertragung, die auf den Energietransport durch die ungeordnete Wärmebewegung der Atome und Moleküle in Feststoffen oder Fluiden beruht. Bei reiner Wärmeleitung in Fluiden muss die konvektive Wärmeübertragung durch bewegtes Fluid ausgeschlossen werden. Bei Metallen findet die Wärmeleitung noch zusätzlich durch die Energieübertragung der freien Elektronen statt. Diese können sich im Metallverbund bewegen und steigern die Wärmeleitung gegenüber nicht elektrisch leitenden Werkstoffen. Metalle sind gute Wärmeleiter. Daher werden Metalle eingesetzt, wenn in Maschinen, Anlagen, Elektrogeräten etc. eine hohe Wärmeleitfähigkeit zur Kühlung oder Aufheizung von Komponenten erforderlich ist. So werden beispielsweise Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer eingesetzt, um zur Vermeidung von Überhitzung die von einer Wärmequelle erzeugte Wärme an die Umgebung abzugeben.
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Bei dem Versuchsgerät WL375 der G.U.N.T. Gerätebau GmbH wird ein metallischer Probestab zwischen einer elektrischen Heizeinrichtung und einem Peltierelement eingeklemmt. Die gesamte Messanordnung befindet sich unter einer evakuierten Glasglocke. Dadurch werden Fehler aufgrund von Konvektion zugunsten der Wärmeleitung durch den Probestab reduziert. Die Wärmeleitfähigkeit (Wärmeleitzahl) λ lässt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Ende des Probestabes sowie der fest vorgegebenen Heizleistung berechnen. Bei diesem Versuchsgerät wird die Genauigkeit durch Strahlungsverluste gemindert. Ein weiterer Messfehler beruht auf Konvektion und Wärmeleitung in der restlichen Luft in der Glasglocke. Diese Wärmeverluste treten erst bei absolutem Vakuum nicht mehr auf, das nur unter hohem technischen Aufwand erzeugt werden könnte, der bei dieser Geräteklasse nicht betrieben werden kann.
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Bei dem Versuchsgerät WL372 der G.U.N.T. Gerätebau GmbH erfolgt die Wärmeabfuhr über Kühlwasser und der Probekörper wird mit einem Teflonmantel isoliert. Bei diesem Versuchsgerät wird die Heizeinrichtung im Betrieb sehr warm. Die hohe Temperaturdifferenz zur Umgebung bewirkt große Wärmeströme sowohl durch Wärmeleitung als auch Konvektion, sodass die Messergebnisse zwar gut zur Demonstration verwendet werden können, für die Ermittlung genauer Wärmeleitfähigkeiten aber weniger geeignet sind.
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Bei dem Versuchsgerät WL374 der G.U.N.T. Gerätebau GmbH erfolgt die Wärmeabfuhr über Kühlwasser und eine Isolation gegen den Strahlungswärmeverlust mittels Dewargefäß. Um die Probe herum angeordnete Blechschikanen unterdrücken die Konvektion. Bei diesem Versuchsgerät haben die Probenkörper verhältnismäßig große Abmessungen. Die Präparation der Versuche erfordert händisches Geschick. Die Versuchsdauer ist lang, weil die Probekörper große Massen aufweisen. Die Untersuchungsergebnisse sind jedoch sehr gut, sodass offensichtlich die Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion gering gehalten werden können.
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Die herkömmlichen Versuchsgeräte weisen eine Wärmequelle und eine Wärmesenke auf, zwischen denen die Metallproben platziert werden. Die elektrische Eingangsleitung des Heizers wird gemessen. Durch Messen der Temperatur an zwei Stellen der Probe, die einen definierten Abstand voneinander haben, kann die Wärmeleitung durch die Probe bestimmt werden.
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Bei den Versuchen werden folgende Werte gemessen:
- – Pel Elektrische Heizleistung
- – TH Temperatur der Heizeinrichtung
- – T1 Kühle Temperatur des Probekörpers
- – T2 Warme Temperatur des Probekörpers
- – TC Temperatur an der Kühlseite
- – TUmg Umgebungstemperatur
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Folgende konstruktive Werte des Probekörpers und der Temperaturmessstellen sind vorgegeben:
- – A Querschnittsfläche des Probekörpers
- – L Messabstand zwischen den Temperaturmessstellen
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Die Versuche befassen sich mit dem Verständnis der folgenden Formel: Q . = A / l·λ·(T2 – T1)
- λ
- ist die gesuchte Wärmeleitfähigkeit.
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Bei der herkömmlichen Versuchsdurchführung wird der Wärmestrom durch den Probekörper Q . der elektrischen Leistung Pel gleichgesetzt, die der elektrischen Heizeinrichtung zugeführt und gemessen wird. Mit Hilfe der bekannten konstruktiven und der gemessenen Werte wird die Wärmeleitfähigkeit des Probekörpers berechnet.
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Die Ermittlung von Lehrinhalten ist oft an Zeitvorgaben von Unterrichtseinheiten gekoppelt. Eine Reduzierung der Versuchszeit ermöglicht die Gewinnung von mehr Messergebnissen und die Vermittlung von mehr Inhalten in der gleichen Zeit. Der Unterricht wird dadurch effizienter.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Versuchsgerät zu schaffen, das die Gewinnung genauer Untersuchungsergebnisse in kurzen Versuchszeiten ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Versuchsgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Versuchsgeräts sind in Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Versuchsgerät zur Untersuchung der Wärmeleitung in Probekörpern aus Metall oder anderem Material umfasst
- – eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Heizfläche,
- – eine elektrische Kühleinrichtung mit einer Kühlfläche, die der Heizfläche in einem Abstand gegenüberliegt,
- – einen festen Probekörper, der auswechselbar zwischen der Heizfläche und der Kühlfläche angeordnet ist und mit einer ersten Anlagefläche an der Kühlfläche und mit einer zweiten Anlagefläche an der Heizfläche anliegt,
- – einen ersten Temperatursensor, der die Temperatur an einer ersten Messstelle des Probekörpers erfasst, und einen zweiten Temperatursensor, der die Temperatur an einer zweiten Messstelle des Probekörpers erfasst, wobei die erste Messstelle näher an der Kühlfläche als die zweite Messstelle und die zweite Messstelle näher an der Heizfläche als die erste Messstelle angeordnet ist,
- – einen Aufnehmer für den Wärmestrom von der Heizeinrichtung zur Kühleinrichtung und,
- – eine elektrische Steuerungseinrichtung, die elektrisch mit der elektrischen Heizeinrichtung, der elektrischen Kühleinrichtung, dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor verbunden ist und die so ausgebildet ist, dass sie die elektrische Heizeinrichtung und die elektrische Kühleinrichtung so steuert, dass die vom ersten Temperatursensor gemessene Temperatur unter der Umgebungstemperatur und die vom zweiten Temperatursensor gemessene Temperatur über der Umgebungstemperatur angesiedelt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Versuchsgerät werden die Messfehler durch Konvektions- und Strahlungsverluste dadurch herabgesetzt, dass ein Teil des Probekörpers durch die Heizeinrichtung auf eine höhere Temperatur als Umgebungstemperatur gebracht wird und ein anderer Teil des Probekörpers durch die Kühleinrichtung auf eine geringere Temperatur als Umgebungstemperatur gebracht wird. Hierfür hat vorzugsweise die Heizeinrichtung eine einstellbare Heizleistung und die Kühleinrichtung eine einstellbare Kühlleistung. Somit entspricht eine mittlere Temperatur des Probekörpers der Umgebungstemperatur und die Temperatur des Probekörpers ist zum Teil gegenüber Umgebungstemperatur erhöht und zum Teil geringer als Umgebungstemperatur. Dabei ist die Umgebungstemperatur regelmäßig die Raumtemperatur in dem Raum, in dem das Versuchsgerät betrieben wird. Dadurch, dass die Temperatur des Probekörpers zum Teil über Umgebungstemperatur und zum Teil unter Umgebungstemperatur liegt, nehmen die Temperaturdifferenzen von Probekörper und Umgebung insgesamt einen geringen Wert an und sind die Wärmeströme vom Probekörper zur Umgebung und umgekehrt minimal. Dabei wird der Verlustwärmestrom vom Probekörper zur Umgebung durch den Verlustwärmestrom von der Umgebung zum Probekörper kompensiert. Fehler durch Konvektions- und Strahlungsverluste können hierdurch nahezu eliminiert werden. Dadurch, dass die Temperatur des Probekörpers im Mittel der Umgebungstemperatur entspricht, wird die Aufheizzeit gegenüber herkömmlichen Versuchsgeräten reduziert, bei denen die Heizeinrichtung den kompletten Probekörper auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmen muss. Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Versuchsgerät eine genauere Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit in kürzeren Versuchszeiten.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass die elektrischen Leistungen einstellbar sind, die der elektrischen Heizeinrichtung und der elektrischen Kühleinrichtung zugeführt werden. Hierfür weist die elektrische Steuerungseinrichtung beispielsweise mindestens ein Netzteil mit einstellbarer Leistung auf. Die Einstellung der von der elektrischen Steuerungseinrichtung der elektrischen Heizeinrichtung und der elektrischen Kühleinrichtung zugeführten Leistungen erfolgt vorzugsweise von Hand mittels einer Eingabeeinrichtung (z. B. Dreh- oder Schiebepotentiometer) der elektrischen Steuerungseinrichtung oder mittels einer Eingabeeinrichtung (z. B. Tastatur oder Maus) eines PCs, der über einen USB-Port oder eine andere Schnittstelle mit der elektrischen Steuerungseinrichtung verbunden ist. Gemäß einer anderen Ausgestaltung regelt die elektrische Steuerungseinrichtung die elektrische Heizeinrichtung und die elektrische Kühleinrichtung so, dass die vom ersten Temperatursensor gemessene Temperatur und die vom zweiten Temperatursensor gemessene Temperatur vorgegebene Werte einhalten. Die elektrische Steuerungseinrichtung ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung so ausgebildet, dass die Werte der Temperaturen fest vorgegeben sind, die an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle eingehalten werden sollen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die elektrische Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass die Werte der Temperaturen eingegeben werden können, die an der ersten Messstelle und an der zweiten Messstelle eingehalten werden sollen. Die Eingabe kann wiederum über Eingabeeinrichtungen (z. B. Dreh- oder Schiebepotentiometer) der elektrischen Steuerungseinrichtung oder über einen PC erfolgen, der über einen USB-Port oder eine andere Schnittstelle mit der elektrischen Steuerungseinrichtung verbunden ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Messstelle und die zweite Messstelle auf verschiedenen Seiten einer Mittelebene zwischen der ersten Anlagefläche und der zweiten Anlagefläche des Probekörpers angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung haben die erste Messstelle und die zweite Messstelle denselben Abstand von der Mittelebene. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die elektrische Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass sie die elektrische Heizeinrichtung und die elektrische Kühleinrichtung so steuert, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur an der ersten Messstelle gleich der Temperaturdifferenz der Temperatur an der zweiten Messstelle und der Umgebungstemperatur ist. Jede dieser Maßnahmen begünstigt geringe Temperaturdifferenzen zwischen der Temperatur des Probekörpers und der Umgebungstemperatur und verringert die Wärmeströme zwischen Probekörper und Umgebung. Ferner begünstigen diese Maßnahmen eine symmetrische Temperaturverteilung entlang des Probekörpers und eine Kompensation des Verlustwärmestromes vom Probekörper zur Umgebung durch den Verlustwärmestrom von der Umgebung zum Probekörper. Im Idealfall kompensieren sich die Verlustwärmeströme vollständig, wodurch die Fehler durch Verlustwärmeströme des Probekörpers minimiert werden können.
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Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit wird die Verlustwärme der Heizeinrichtung mit Hilfe einer vorherigen Kalibrierung ausgerechnet. Hierfür wird vor Beginn der Messung eine einmalige Kalibrierung durchgeführt.
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Die Kalibrierung erfasst Verlustwärmeströme, welche an der Oberfläche der Heizeinrichtung durch Konvektion abgegeben werden. Diese Verlustwärme ist nahezu proportional zur Temperaturdifferenz zwischen TH und TUmg. Bei der Kalibrierung wird ein Proportionalitätsfaktor ermittelt, der in späteren Messungen die Verlustwärme bestimmt. PV = k·(TH – TUmg)
- – PV Verlustleistung
- – k Proportionalitätsfaktor
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Es ergibt sich dann der Wärmestrom durch die Probe aus: PWL = Pel – PV
- – PWL Wärmestrom durch die Probe
- – Pel Elektrische Leistung
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Die Versuche nach der Kalibrierung benutzen in der Berechnung den Wärmestrom der durch die Probe geleitet wird: PWL = A / l·λ·(T2 – T1)
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Mit dieser Formel sind genauere Werte der Wärmeleitfähigkeit ermittelbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat das Versuchsgerät eine an der elektrischen Heizeinrichtung und an der elektrischen Kühleinrichtung angreifende Einspanneinrichtung, die so ausgebildet ist, dass die Heizfläche auf die Kühlfläche zubewegt werden kann, um den Probekörper zwischen der Heizfläche und der Kühlfläche einzuspannen, und die Heizfläche von der Kühlfläche wegbewegt werden kann, um die Einspannung des Probekörpers zwischen Heizfläche und Kühlfläche zu lösen und den Probekörper zu entnehmen. Die Einspanneinrichtung begünstigt einen besonders guten Wärmeübergang zwischen Heizeinrichtung und Kühleinrichtung und trägt damit zur Genauigkeit bei.
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Ferner kann der Wärmeübergang durch applizieren von Wärmeleitpaste an die Heizfläche und die Kühlfläche gesteigert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Einspanneinrichtung parallele Führungsstangen, zwischen denen die Heizfläche und die Kühlfläche angeordnet ist, sind die Führungsstangen an einem Ende an der Kühleinrichtung oder an der Heizeinrichtung fixiert, ist an den Führungsstangen in einem Abstand von dem einen Ende eine erste Traverse fixiert, ist auf den Führungsstangen eine zur ersten Traverse parallele zweite Traverse verlagerbar, wobei mindestens ein Federelement einenends mit der Heizvorrichtung und anderenends mit der Kühlvorrichtung verbunden ist, die zweite Traverse die Heizeinrichtung mit der Heizfläche auf der Seite der Kühlfläche oder die Kühlvorrichtung mit der Kühlfläche auf der Seite der Heizfläche trägt und der Probekörper zwischen der Heizfläche und der Kühlfläche unter Vorspannung des Federlementes eingeklemmt ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache und schnelle Montage und Demontage des Probekörpers. Der Abstand zwischen der Heizfläche und der Kühlfläche kann zum Einsetzen des Probekörpers durch Verlagern der zweiten Traverse entgegen der Federwirkung des Federelementes in Richtung auf die erste Traverse vergrößert werden. Nach Einsetzen des Probekörpers wird die zweite Traverse losgelassen, sodass sie vom Federelement zum Probekörper hin verlagert wird und diesen zwischen Kühlfläche und Heizfläche einklemmt. Wenn die zweite Traverse entgegen der Wirkung des Federelementes vom Probekörper weg verlagert ist, kann der Probekörper leicht entnommen und gegebenenfalls gegen einen anderen ausgetauscht werden.
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Bevorzugt ist die Heizeinrichtung mit der Heizfläche verlagerbar an der zweiten Traverse angeordnet und die Kühleinrichtung mit der Kühlfläche fest bzw. nicht verlagerbar am Versuchsgerät angeordnet. Dies ist vorteilhaft, wenn die Kühleinrichtung einen größeren Raumbedarf bzw. ein größeres Gewicht als die Heizeinrichtung aufweist.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das mindestens eine Federelement eine Druckfeder.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Traverse über mindestens ein als Druckfeder ausgebildetes Federelement an der ersten Traverse abgestützt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das mindestens eine Federelement eine Schraubenfeder, die zwischen der ersten Traverse und der zweiten Traverse auf einer Führungsstange angeordnet ist und sich mit einem Ende an der ersten Traverse und mit dem anderen Ende an der zweiten Traverse abstützt.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist das mindestens eine Federelement eine Zugfeder.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Zugfeder einenends mit der zweiten Traverse und anderenends mit den Führungsstangen oder einem fest damit verbundenen Bauteil (z. B. einem Grundgehäuse) verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Zugfeder eine Schraubenfeder oder eine Schnur aus Gummi oder einem anderen weichelastischen Material.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die elektrische Heizeinrichtung mindestens ein elektrisches Widerstandsheizelement auf und/oder weist die elektrische Kühleinrichtung mindestens ein Peltierelement auf. Diese Ausgestaltungen sind konstruktiv besonders einfach und vorteilhaft für eine Regelung der Temperaturen an der ersten und der zweiten Messstelle des Probekörpers.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Probekörper ein Kreiszylinder oder ein anderer Zylinder. Dies trägt zur Verminderung von Wärmeverlusten bei.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Heizfläche, die Kühlfläche, die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche plane Flächen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die Reinigung der Flächen und den Wärmeübergang zwischen den Flächen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Heizfläche und Kühlfläche größer als die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche. Auch dies ist vorteilhaft für einen gleichmäßigen Wärmeübergang von der Heizeinrichtung auf den Probekörper und vom Probekörper auf die Kühleinrichtung.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist neben dem Probekörper eine Halterung mit Bohrungen angeordnet, in die der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor eingesetzt sind und in Anlage an der Oberfläche des Probekörpers gehalten sind. Dies ist vorteilhaft für den Wärmeübergang zwischen Probekörper und ersten und zweiten Temperatursensor. Vorzugsweise wird der Wärmeübergang durch applizieren von Wärmeleitpaste an der ersten und der zweiten Messstelle bzw. an dem ersten und zweiten Temperatursensor weiter verbessert. Vorzugsweise ist die Halterung ein unterer Abschnitt einer Führungsstange.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Versuchsgerät mindestens ein Set aus mehreren Probekörpern mit denselben Abmessungen aus verschiedenen Materialien, die wahlweise zwischen Heizfläche und Kühlfläche positionierbar sind. Dies ermöglicht die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Kühleinrichtung einen kegelförmigen Verbindungskörper aus wärmeleitendem Material zwischen der Kühlfläche und dem mindestens einen Peltierelement auf. Der Verbindungskörper sorgt für einen gleichmäßigen Wärmeübergang, wenn der Probekörper einen geringeren Querschnitt als das Peltierelement aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Verbindungskörper aus Aluminium oder aus einem anderen Metall hergestellt, das bei hoher Wärmeleitfähigkeit eine geringe Wärmespeicherzahl im Vergleich zu anderen Metallen aufweist. Dies ist vorteilhaft für den Wärmeübergang vom Probekörper auf das Peltierelement bei kurzen Aufheizzeiten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist oben auf den Verbindungskörper ein den Verbindungskörper umschließender Ringkörper aufgesetzt, der vom Verbindungskörper hochsteht, den Probekörper auf dem Verbindungskörper zentriert und vom Verbindungskörper abnehmbar ist. Zum Wecke der Reinigung der Kühlfläche ist der Ringkörper vom Verbindungskörper abnehmbar.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein dritter Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur elektrisch mit der elektrischen Steuerungseinrichtung verbunden. Bei dieser Ausgestaltung kann die elektrische Steuerungseinrichtung die Temperatur an der ersten und der zweiten Messstelle des Probekörpers automatisch an Änderungen der Umgebungstemperatur anpassen. Alternativ wird die Umgebungstemperatur bei der Versuchsdurchführung in anderer Weise ermittelt (z. B. mittels eines herkömmlichen Thermometers) und über eine Eingabeeinrichtung (z. B. eine Tastatur) in die elektrische Steuerungseinrichtung oder einem angeschlossenen PC eingegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Aufnehmer für den Wärmestrom elektrisch mit der elektrischen Steuerungseinrichtung verbunden. Bei dieser Ausgestaltung erfasst die elektrische Steuerungseinrichtung die für den Aufnehmer für den Wärmestrom ermittelten Messwerte.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die elektrische Steuerungseinrichtung so ausgebildet, dass sie die Messwerte des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors und gegebenenfalls des dritten Temperatursensors sowie des Aufnehmers für den Wärmestrom auswertet und/oder mittels einer Anzeigeeinrichtung (z. B. einem Display) anzeigt und/oder mittels eines Druckers ausdruckt und/oder mittels eines Datenspeichers speichert und/oder an einer Schnittstelle zur Übermittlung an einen PC zur Verfügung stellt. Hierdurch wird die Auswertung der Messwerte erleichtert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Schnittstelle ein USB-Port, über den die elektrische Steuerungseinrichtung mit einem PC verbindbar ist, der die Auswertung und/oder Anzeige und/oder Dokumentation und/oder Speicherung der Messwerte und/oder Steuerung der Versuche ausführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Versuchsgerät in einem Prinzipbild;
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2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Versuchsgerätes in einer Perspektivansicht schräg von oben und von der Seite;
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3 dasselbe Versuchsgerät in einer Vorderansicht;
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4 dasselbe Versuchsgerät in einer Ansicht von links;
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5 dasselbe Versuchsgerät in einer Ansicht von rechts;
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6 dasselbe Versuchsgerät in einer Rückansicht;
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7 dasselbe Versuchsgerät in einer Draufsicht;
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8 dasselbe Versuchsgerät in einer Unteransicht,
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9 dasselbe Versuchsgerät in einem Vertikalschnitt.
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Bei der nachfolgenden Erläuterung der Prinzipdarstellung und der Zeichnung des Ausführungsbeispiels sind Komponenten derselben Bezeichnung mit denselben Bezugsziffern versehen.
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Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßes Versuchsgerät 1 eine elektrische Heizeinrichtung 2 mit einer Heizfläche 3 und eine elektrische Kühleinrichtung 4 mit einer Kühlfläche 5 auf. Die Kühlfläche 5 ist in einem Abstand gegenüber der Heizfläche 3 angeordnet.
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Ein fester Probekörper 6 ist auswechselbar zwischen der Heizfläche 3 und der Kühlfläche 5 angeordnet. Der Probekörper 6 hat an einem ersten Ende eine erste Anlagefläche 7 und an einem zweiten Ende eine zweite Anlagefläche 8. Die erste Anlagefläche 7 liegt an der Kühlfläche 5 und die zweite Anlagefläche 8 liegt an der Heizfläche 3 an.
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Vorzugsweise ist der Probekörper 6 ein Kreiszylinder, vorzugsweise ein Vollzylinder.
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Die elektrische Heizeinrichtung 2 enthält ein elektrisches Widerstandsheizelement 9. Dieses ist beispielsweise in einem Hohlraum 10 eines kreiszylindrischen Heizkörpers 11 angeordnet. Elektrische Verbindungsleitungen 12 zum Widerstandsheizelement 9 sind nach außen geführt.
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Im Beispiel ist der Heizkörper 11 in einer Halterung 13 gehalten, die eine Traverse 14 am unteren Ende eines den Heizkörper 11 aufnehmenden Zylindergehäuses 15 aufweist.
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Die elektrische Kühleinrichtung 4 umfasst ein Peltierelement 16, das wärmeleitend mit der Kühlfläche 5 verbunden ist. Elektrische Verbindungsleitungen 17 des Peltierelements sind nach außen geführt.
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Zwischen dem Peltierelement 16 und der Kühlfläche 5 ist ein konischer Verbindungskörper 18 der Kühleinrichtung 4 angeordnet. Der Verbindungskörper 18 hat an seiner Stirnseite mit dem kleinen Durchmesser die Kühlfläche 5 und an seiner Stirnseite mit dem großen Durchmesser liegt das Peltierelement 16 an. Er besteht z. B. aus Aluminium. Zweck des Verbindungskörpers 18 ist, die Wärme gleichmäßig vom Probekörper 6 auf das Peltierelement 16 überzuleiten, das einen größeren Durchmesser als der Probekörper 6 hat. Vorzugsweise ist zwischen Peltierelement 16 und Versuchskörper 18 ein Kupferblock zum Verteilen der Temperatur vorhanden, wie in 1 gezeigt. Falls der Durchmesser des Peltierelementes 16 gleichgroß oder kleiner als der Durchmesser des Probekörpers 6 ist, kann anstatt eines konischen Verbindungskörpers 18 eine Scheibe bzw. ein Kupferblock vorhanden sein, die an der einen Seite die Kühlfläche aufweist und an deren anderer Seite das Peltierelement 16 anliegt. Gegebenenfalls kann auch eine Seite des Peltierelementes 16 die Kühlfläche bilden.
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Wenn das Peltierelement 16 bestromt ist, kühlt die eine Seite ab und die andere Seite erwärmt sich. Zum Ableiten der produzierten Wärme kontaktiert die andere Seite einen Kühlkörper 19.
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Am Probekörper 6 befindet sich eine erste Messstelle 20 nahe der Kühlfläche 5 und eine zweite Messstelle 21 nahe der Heizfläche 3. Die beiden Messstellen 20, 21 weisen denselben Abstand L/2 von einer Mittelebene auf, welche in der Mitte zwischen den ersten und zweiten Anlageflächen 7, 8 angeordnet ist. An der ersten Messstelle 20 ist ein erster Temperatursensor 22 und an der zweiten Messstelle 21 ein zweiter Temperatursensor 23 platziert. Der erste und der zweite Temperatursensor 22, 23 sind vorzugsweise Thermoelemente.
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Die ersten und zweiten Temperatursensoren 22, 23 sowie die elektrischen Verbindungsleitungen 12, 17 der Heizeinrichtung 2 und der Kühleinrichtung 4 sind mit einer elektrischen Steuerungseinrichtung 24 elektrisch verbunden. Die elektrische Steuerungseinrichtung 24 ist so ausgebildet, dass sie die elektrische Heizeinrichtung 2 und die elektrische Kühleinrichtung 4 so steuert, dass die vom ersten Temperatursensor 22 gemessene Temperatur unter der Umgebungstemperatur und die vom zweiten Temperatursensor 23 gemessene Temperatur über der Umgebungstemperatur angesiedelt ist. Vorzugsweise ist die Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und der ersten Messstelle 20 dieselbe wie zwischen der zweiten Messstelle 21 und Umgebung. Hierdurch werden Wärmeverluste gering gehalten und kompensiert, da der Abschnitt des Probekörpers 6 von der Mittelebene bis zur ersten Anlagefläche 7 Wärme von der Umgebung aufnimmt und der Abschnitt des Probekörpers 6 von der Mittelebene bis zur zweiten Anlagefläche 8 in gleichem Maße Wärme an die Umgebung abgibt.
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Die elektrischen Verbindungsleitungen der Heizeinrichtung sind mit einem Aufnehmer 25 für die der Heizeinrichtung 2 zugeführte elektrische Leistung verbunden. Der Aufnehmer 25 ist über Verbindungsleitungen 26 elektrisch mit der Steuerungseinrichtung 24 verbunden.
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Die der Heizeinrichtung 2 zugeführte Leistung entspricht im Wesentlichen dem Wärmestrom, der von der Heizeinrichtung 2 zur Kühleinrichtung 4 fließt. Wärmeverluste der Heizeinrichtung 2 können mit Hilfe einer Kalibration ermittelt und von der vom Aufnehmer 25 gemessenen elektrischen Leistung abgezogen werden, um den von der Heizeinrichtung 2 zur Kühleinrichtung 4 fließenden Wärmestrom genauer anzugeben.
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Mit Hilfe der Messwerte ist die Wärmeleitfähigkeit des Probekörpers 6 ermittelbar. Die Wärmeleitfähigkeit von Probekörpern 6 aus verschiedenen Materialien kann mit dem Versuchsgerät 1 untersucht werden. Vorzugsweise werden Probekörper 6 aus Metall untersucht.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 bis 8 hat das Versuchsgerät 1 ein Grundgehäuse 27, das wannenförmige Boden- und Deckelwände 28, 29, streifenförmige Seitenwände 30, 31 sowie plattenförmige Stirnwände 32, 33 mit Traggriffen 34 aufweist. Im Innern des Grundgehäuses 27 sind zwei sich von Stirnwand 32 zu Stirnwand 33 erstreckende Rahmenteile neben jeder Seitenwand 30, 31 vorhanden.
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Die Bodenwand 28 und die Deckelwand haben jeweils eine Vielzahl Belüftungslöcher 35, 36.
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Auf der Deckelwand 29 ist ein Großteil des Versuchsaufbaus von 1 gut sichtbar angeordnet.
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Eine annähernd quadratische Aussparung 37 in der Deckelwand 29 ist von einer Platte 38 überdeckt, die mit der Deckelwand 29 verschraubt ist. Von der Oberseite der Platte 38 steht geringfügig ein Abschnitt des Verbindungskörpers 18 mit der Kühlfläche 5 nach oben vor. Auf dem Verbindungskörper 18 ist ein Ringkörper 39 zum Zentrieren des Probekörpers 6 aufgesetzt. Unterhalb der Platte 38 befindet sich der Rest des Verbindungskörpers 18, das Peltierelement 16 sowie der Kühlkörper 19.
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Beidseitig der Kühlfläche 5 stehen vertikal nach oben zwei vertikale Führungsstangen 40, 41 mit Kreisquerschnitt nach oben vor. An den oberen Enden der Führungsstangen 40, 41 ist eine erste Traverse 42 fixiert. Unterhalb der ersten Traverse ist eine zweite Traverse 14 an Führungsbohrungen 43 auf den Führungsstangen 40, 41 verlagerbar geführt. Zwischen der ersten Traverse 14 und der zweiten Traverse sitzt auf jeder Führungsstange 40, 41 eine Schraubenfeder 44, 45.
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Auf der zweiten Traverse 14 sitzt das Zylindergehäuse 15, in dem der Heizkörper 11 gehalten ist. Die Heizfläche 3 des Heizkörpers 11 steht unterhalb der zweiten Traverse 14 etwas nach unten vor.
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Die elektrischen Verbindungsleitungen 12 sind vom Widerstandsheizelement 9 aus durch den Heizkörper 11, das Zylindergehäuse 15 und die erste Traverse 42 hindurch nach außen geführt und durch eine Kabeldurchführung in der Platte 38 hindurch in das Innere des Grundgehäuses 27 hineingeführt.
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Der Probekörper 6 ist zwischen der Kühlfläche 5 und der Heizfläche 3 angeordnet. Die Schraubenfedern 44, 45 sind elastisch vorgespannt, sodass der Probekörper 6 zwischen Heizfläche 3 und Kühlfläche 5 eingeklemmt wird.
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In einer Führungsstange 41 sind mehrere horizontale Bohrungen 46 vorhanden, die auf den Probekörper ausgerichtet sind. Zwei stabförmige Temperatursensoren 22, 23 sind von außen durch die Bohrungen 46 hindurch gesteckt, sodass sie die Oberfläche des Probekörpers 6 kontaktieren. Elektrische Verbindungsleitungen 47, 48 der Temperatursensoren sind durch Durchführungen in der Oberseite der Deckelwand 29 hindurch in das Innere des Grundgehäuses 27 hineingeführt.
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Gemäß 9 ist im Grundgehäuse 27 ist die elektrische Steuerungseinrichtung 24 (z. B. ein Mikrocontroller) angeordnet und elektrisch mit den Verbindungsleitungen der Kühleinrichtung 4, der Heizeinrichtung 2 und mit den Verbindungsleitungen 47, 48 der Temperatursensoren 22, 23 verbunden.
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Im Grundgehäuse 27 ist ein Lüfter 49 angeordnet, der Luft zum Kühlen durch die Löcher 35 in der Bodenwand 28, am Kühlkörper 19 und einem Leitblech 50 entlang und aus den Löchern 36 heraus fördert.
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Ferner befindet sich im Grundgehäuse 27 ein Netzteil 51, welche die Steuerungseinrichtung 24 und die Heizeinrichtung 2 versorgt. Die Kühleinrichtung 4 und der Lüfter 49 werden von einem zweiten Netzteil versorgt.
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Auf der Oberseite der Deckelwand ist ein Halter 52 für weitere Probekörper 6 angeordnet. In den Aufnahmen 53 des Halters 52 sind zwei Arten Probekörper 6 angeordnet, die verschieden lang sind. Von jeder Art sind Probekörper 6 aus verschiedenen Materialien (z. B. Kupfer, Eisen, Aluminium) vorhanden.
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Die elektrische Steuerungseinrichtung 24 ist mit einem USB-Port 54 in einer Seitenwand 31 verbunden. In dieser Seitenwand 31 befindet sich auch ein Schalter 55 zum Ein- und Ausschalten des Versuchsgeräts 1.
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Gegebenenfalls wird das Versuchsgerät 1 über den USB-Port 54 mit einem PC verbunden. Dieser kann mit einer geeigneten Software bespielt sein, welche die Durchführung, Anzeige, Auswertung und Dokumentation von Messergebnissen steuert. Es ist auch möglich, dass die elektrische Steuerungsvorrichtung 24 eine oder mehrere dieser Funktionen selber übernimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versuchsgerät
- 2
- Heizeinrichtung
- 3
- Heizfläche
- 4
- Kühleinrichtung
- 5
- Kühlfläche
- 6
- Probekörper
- 7
- erste Anlagefläche
- 8
- zweite Anlagefläche
- 9
- elektrisches Widerstandsheizelement
- 10
- Hohlraum
- 11
- kreiszylindrischer Heizkörper
- 12
- elektrische Verbindungsleitung
- 13
- Halterung
- 14
- zweite Traverse
- 15
- Zylindergehäuse
- 16
- Peltierelement
- 17
- elektrische Verbindungsleitung
- 18
- konischer Verbindungskörper
- 19
- Kühlkörper
- 20
- erste Messstelle
- 21
- zweite Messstelle
- 22
- erster Temperatursensor
- 23
- zweiter Temperatursensor
- 24
- elektrische Steuerungseinrichtung
- 25
- Aufnehmer
- 26
- Verbindungsleitungen
- 27
- Grundgehäuse
- 28
- Bodenwand
- 29
- Deckelwand
- 30, 31
- streifenförmige Seitenwände
- 32, 33
- plattenförmige Stirnwände
- 34
- Traggriffe
- 35, 36
- Belüftungslöcher
- 37
- Aussparung
- 38
- Platte
- 39
- Ringkörper
- 41
- Halterung
- 40, 41
- Führungsstangen
- 42
- erste Traverse
- 43
- Führungsbohrung
- 44, 45
- Federelement
- 46
- Bohrungen
- 47
- Verbindungsleitung
- 48
- Verbindungsleitung
- 49
- Lüfter
- 50
- Leitblech
- 51
- Netzteil
- 52
- Halter
- 53
- Aufnahme
- 54
- USB-Port
- 55
- Schalter
