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VORRICHTUNG ZUR i.ESSUa6G VON WÄRMETECHNISCHEN KENNGRÖSSEN ER
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STOFFPROBE Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von
wärmetechnischen Kenngrößen einer Stoffprobe, beinhaltend eine Impulsbetrieb-Wärmequelle,
ein die zu messende Stoffprobe aufnehmendes Gestell, eine der zu messenden Stoffprobe
angepaßte Meßeinheit sowie eine die Meßergebnisse auswertende elektronische Schaltung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient in erster Linie zur Bestimmung
der emperaturleitfähiOkeit einer Stoffprobe, wobei die Bestimmung anderer Kenngrößen,
wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, spezifische wärme usw. auch möglich ist.
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Es sind Verfahren zur Messung der erwähnten wärmetechnischen Kenngrößen
bekannt, wobei eine 3litzlichtquelle verwendet wird, die mit einem Lichtimpuls die
Oberfläche einer Stoffprobe
beleuchtet und der derart verursachte
Tetnperaturzuwachs sowie der Vorgang der Temperaturänderung beobachtet wird. Die
Beobachtung kann entweder durch Erfassung der Strahlung der Stoffprobe oder durch
ein unmittelbar die Oberfläche der Stoffprobe erfassendes Gerät vorgenommen werden.
Die kontaktlose Erfassung der Temperaturstrahlung bedarf der Verwendung von kostspieligen
und komplizierten Anlagen, die in einfachen Ausführungen nicht fähig sind, den schnellen
Temperaturänderungen zu folgen. Diese finden lediglich in Forschungsinstituten,
Fachlaboratorien usw. Anwendung.
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3ei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von wärmetechnischen
Kenngrößen durch unmittelbaren Kontakt mit der Oberfläche der zu beobachtenden Stoffprobe
werden eine Blitzlichtquelle relativ hoher Leistung, insbesondere ein Impulsbetrieb--Laser,
und eine mit einem Thermopaar /Thermoelement/ als einer Meßeinheit versehene, die
Meßergebnisse registrierende elektronische Schaltung verwendet, wobei das Thermopaar
auf der Oberflache der scheibenförmigen Stoffprobe z.B. durch Aufkleben angeordnet
und durch Spannungsmessung zur erfassung der Temperaturänderung eingesetzt wird.
Der Laser generiert nach Einschaltung einen mächtigen Lichtimpuls, der eine beträchtliche
Anderung der Temperatur der Stoffprobe bewirkt: der Teperaturzuwachs kann sogar
10 K erreichen. Der Vorgang wird vom Thermopear auf der von der Lichtquelle durch
die Stoffprobe abgeschirmten Oberflache rebistriert. Aufgrund der bekannten theoretischen
Beziehungen - insbesondere der zur Erreichung der Hälfte der 8sximumtemperatur notwendigen
Zeit /sog. Hal'iertzeit/'in Kenntnis der Dicke der Stoffprobe - ist die Tempera-
turleitfahigkeit
des Stoffes bestimmbar0 Da die theoretischen Beziehungen die wirklichen Zusammenhänge
der Kenngrößen und des Stoffes mit bestimmter Ungenauigkeit widerspiegeln, sind
die Meßergebnisse auch mit einer Ungenauigkeit belastet. Dazu trägt auch der relativ
hohe Temperaturzuwachs bei, der als Folge des mächtigen Lichtimpulses einen 3ereich
umfaßt, worin die Temperaturänderung nicht immer mit einem linearen Ablauf der Spannung
des Thermopaars kennzeichenbar ist. Eine weitere Ursache der relativ niedrigen Meßgenauigkeit
ist darin zu sehen, daß die Leitungen des Thermopaars der Oberfläche der Stoffprobe
anliegen, so steht die Lötstelle davon aus. Deswegen entspricht die gemessene /d.h.
bei der Lötatelle anstehende/ Spannung nicht der Temperatur der Stoffprobe, sondern
einem davon abhängigen, doch wegen der Unbestimmtheiten der Umgebung und der Messung
auf veränderliche Weise davon abweichenden Temperaturwert. Die Vorrichtung ist noch
dazu - wegen der Anwendung des Lasers - kostspielig und relativ kompliziert aufgebaut.
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Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Kontaktmessung
von wärmetechnischen Kenngrößen einer Stoffprobe zu schaffen, die mit einer einfachen
wärmequelle realisierbar ist, bei niedriger Leistungsaufnahme eine genaue sowie
zuverlassige messung sichert, und sowohl in industriellen 3edingungen, als auch
bei Messungen hoher Gensuikeitsansprüche einsetzbar ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß unter Verwendung eines
Thermopaars die genaue ^5messung der wärmetechnischen Kenngrößen möglich ist, falls
sich das Thermopaar in einem engen Thermokontakt mit der zu messenden Stoffprobe
befin-
det und ein relativ schwacher, einen kleinen, z.B. l K ausmachenden
Temperaturzuwachs verursachender Wärmeimpuls verendet wird, wobei zur Sammlung und
Auswertung der Meßergebnisse die Möglichkei ten der modernen Elektronik aus genutzt
werden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe, d.h. zur Messung von wärmetechnischen
Kenngrößen einer Stoffprobe wurde eine Vorrichtung erarbeitet, die eine Vorrichtung
zur Messung von wärmetechnischen Kenngrößen einer Stoffprobe, die eine Impulsbetrieb-'bärmequelle,
ein die zu messende Stoffprobe aufnehmendes Gestell, eine der zu messenden Stoffprobe
angepaßte Meßeinheit sowie eine die Meßergebnisse auswertende elektronische Schaltung
enthält, wobei erfindungsgemäß die Meßeinheit zwei mit nadelförmigen Enden ausgebildete,
aus verschiedenen Metallen bestehende, gegenüber der Stoffprobe aufgestützte und
dadurch oder durch einen daran ausgebildeten. elektrisch leitenden Weg miteinander
ein Thermopaar bildende Meßfühler aufweist und die elektronische Schaltung mit einem
an die MeBfühler angeschlossenen und ihre Spannung erfassenden Vorverstärker versehen
ist, wobei die Meßfühler an die Oberfläche der Stoffprobe gedrückt, sind.
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Insbesondere bei der Messung elektrisch nichtleitender Stoffproben,
und im allgemeinen zur Ausfiltrierung der störenden elelctrischen Erscheinungen
ist es vorteilhaft, wenn die meßeinheit einen dritten Meßfühler aufweist, der aus
dem Stoff eines der das Thernopaar bildenden zwei Meßfühler hergestellt ist, und
mit dem Meßfühler gleichen Stoffes durch die Stoffprobe oder einen daran ausgebildeten
elektrisch leitenden Weg metallisch verbunden ist, und daß der Vorverstärker zur
Erfassung
der zwischen den Meßfühlern gleichen Stoffes entstehenden Spannung ausgeführt ist.
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Zur Messung mehrerer wärmetechnischer Kenngrößen ist es insbesondere
vorteilhaft, einen z.3. aus reinem elektrolytischen Kupfer vorbereiteten Standard
bekannter Wärmekapazität vorzusehen, der durch zwei oder drei Meßfühler, auf bei
der Stoffprobe verwendete Weise, mit dem Vorverstärker gekoppelt ist.
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Die Meßwerte der relativ schnell verlaufenden Temperaturänderung
können durch einen dem Vorverstärker zugeführten Analog-Digital-Umsetzer und eine
z.B. auf Probenahme basierende Speichereinheit gesammelt und zur weiteren Verarbeitung
aufbewahrt werden, wobei eine Steuereinheit mit einem Fixspeicher und einer Recheneinheit
verwendbar sind.
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Die erfindangssemäße Vorrichtung gewährleistet die Möglichkeit der
zuverlässigen Messung von Temperaturänderungen der Stoffprobe und derart der genauen
3estimmung der warmetechnischen Kenngrößen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen und anhand
der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Figur 1 die Seitenansicht
des Meßteiles der erfindungsÕemaßen Vorrichtung, und Figur 2 das Schema der darin
verviendeten elektronischen Schaltung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung /?ig. 1/ weist eine Impulsbetrieb--!ärmequelle
V, zum Beispiel einen Vakublitz,ein Gestell T mit binstellschrauben 3 sowie einen
Vorverstärker E auf,
der durch Meßfühler K1 und h mit einer Stoffprobe
M und durch Leitungen mit einer elektronischen Schaltung /Fig. 2/ verbunden ist.
Die Impulsbetrieb-Wärmequelle strahlt einen Wärmeimpuls Q in Form eines Lichtimpulses
auf die Stoffprobe M aus, wobei die Meßfühler Kl K2 mit der Rückseite der Stoffprobe
M in Berührung sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll zumindest zwei Meßfühler Kl,
K2 aufweisen, die aus verschiedenen Stoffen ausgebildet sind. Der eine kann z.B.
aus Nickel oder Eisen bestehen, der andere z.B. aus Konstantan, wobei insbesondere
dieåenigen Metalle empfohlen werden können, die bei den gewöhnlichen Thermopaaren
/Thermoelementen/ Anwendung finden. Es kann auch vorteilhaft sain, einen dritten
Meßfühler zu verwenden, dessen Stoff mit dem eines der das Thermopaar bildenden
Meßfühler identisch ist. Die Meßfühler K1, K2 und der dritte sollen nadelartig ausgebildet
und mit ihren Spitzen gegenüber der erwähnten Oberfläche der Stoffprobe X aufgestützt
werden. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, eine Konstruktion mit Feder zu verwenden,
wobei auch die Zudrückkraft relativ leicht regulierbar ist.
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Zur Verminderung des zwischen der Stoffprobe M und dem Gestell T
aufstehenden ',XJarmetransportes ist es sehr wichtig, das Gestell T auf solche Weise
auszubilden, daß seine innere Wand das Minimum der Wärmeleitung, der Konvektion
und des durch Strahlung ablaufenden '.7ärmeaustauschsgewshrleistet.
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Die Meßfühler Kl, K2 und die noch verwendeten sollen sich auf einer
so großen Oberfläche mit der Stoffprobe M berühren, daß ein zuverlässiger 1Värmekontakt
zwischen ihnen und gleich-
zeitig eine minimale \Värmeabfuhr gewährleistet
wird. Das kann z.B. durch Regulierung der Federkraft erreicht werden. Falls zwei
Meßfühler verwendet werden, ist es vorgeschlagen, jene mit sehr kurzen elektrischen
Leitungen an dem Vorverstärker anzuschließen, wodurch die elektrostatischen und
elektromagnetischen Störungen vermindert werden können.
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Die Stoffprobe M kann sowohl metallisch als auch nicht metallisch
sein. Im Falle der letzteren sollen die Meßfühler Kl, K2 und die aus gleichem Stoff
bestehenden miteinander mittels der Oberfläche der Stoffprobe durch Anstreichen
eines elektrisch leitfähigen Wegs verbunden werden. Dieser eg soll eine dünne Schicht
sein, die offensichtlich auf andere eisen, zum Beispiel durch Zerstäubung vorbereitet
werden kann.
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Die Vorrichtung weist eine durch von dem Vorverstärker E erzeugte
Spannungen U1, U2 gespeiste elektronische Schaltung /Figur 2/ zur Verarbeitung der
Meßergebnisse auf, die eine Reihenschaltung eines Analog-Digital-Umsetzers A/D,
einer Speichereinheit M/T, einer Anzeigeeinheit D,z.B. eines Bildschirms, einer
Anpassungseinheit P, sowie einer edienungseinheit K, und eine mit dem Analog-Digital-Umsetzer
A/D, der Speichereinheit M/T und der Bedienungseinheit K in Steuerverbindung verbleibende
Steuereinheit Vl enthält. Die Steuereinheit Val kann mit einem Fixspeicher und einer
Recheneinheit /in der Zeichnung nicht gezeigt/ versehen werden.
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Im Gestell T kann auch ein aus mit hoher viärmeleitfähigkeit gekennzeichnetem
Stoff vorbereiteter Standard bekannter ärmekapazität angeordnet werden. Der Abstand
zwischen der Impulsbetrieb-Wärmequelle V und dem Gestell T ist vorteilhaft regulierbar.
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Die Messung wird mit der vorgeschlagenen Vorrichtung auf folgende
Weise durchgeführt: Eine Stoffprobe M wird im Gestell T angeordnet, wobei ihre Abmessungen
in Querrichtung zuz ',zege der Strahlung der Impulsbetrieb-Wärmequelle V nicht größer
sein sollen als die Breite des den §/ärmeeffekt verursachenden Lichtstroms. Das
bedeutet, daß der Lichtstrom auf die Stoffprobe in wesentlich senkrechter Richtung
einfallen und jene umfassen soll. Es ist insbesondere vorteilhaft, eine kleine homogene
Stoffprobe z.B. mit Dicke von 1 bis 3 mm und Diameter von 10 bis 20 mm vorzubereiten.
Die Homogenität wird bei einem aus größeren Körnern bestehenden Stoff so erreicht,
daß die Dicke der Stoffprobe im Bezug auf die Korngröße hoch, z.3. zumindest 15
Korndiameter wird. Die Stoffprobe M ist vorteilhaft scheibenförmig. Faßt die einfallende
Strahlung die Stoffprobe um, so spielt ihre Gestalt keine wesentliche Rolle. Es
ist jedoch wichtig, daß die Dicke relativ gleichmäßig und im Vergleich zur charakteristischen
Abmessung der eingestrahlten Oberfläche klein sein soll. Die Meßfühler sollen der
Rückseitoberfläche der Stoffprobe zugedrückt werden. Die notwendige Kraft kann z.3.
nach Versuchen bestimmt werden. Falls die Stoffprobe nicht metallisch ist, soll
ein dünnes metallisches Verbundband zwischen den aießfühlern auf der Oberfläche
realisiert werden, wie es oben angeführt wurde. Die Stellen der Zupassung der Spitzen
der Leßfühler Kl, K2 sind derart auszuwählen, daß sie im Verlauf der Temperaturänderung
im wesentlichen immer mit identischer Temperatur kennzeichenbar sind. Bei scheibenförmigen
Stoffproben kann diesz.B. durch ihre Anordnung im gleichen Abstand vom Rand der
Stoffprobe
gewährleistet werden.
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Die :eßfühler sollen mit dem Vorverstärker E verbunden werden.
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Im Vorverstärker E werden die nach der Einschaltung der Impuisbetrieb-Wärmequelle
V, z.B. eines Vakublitzes auftretenden Temperaturänderungen als Spannungsabläufe
erfaßt. Zwischen den Meßfühlern K1 und K2 ist die Spannung eines Thermopaars zu
messen, die für die Temperaturveränderung der Stoffprobe M charakteristisch und
davon praktisch vollkommen linear abhängig ist. Die derart erfaßte Spannung wird
nach Vorverstärkung als Spannung U1 dem Analog-Digital-Umsetzer A/D weitergeleitet.
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Zwischen den Meßfühlern gleichen Materials kann die Störspannung gemessen
werden, die auch nach Vorverstärkung als Spannung U2 dem Analog-Digital-Umsetzer
A/D zugeführt wird, wobei eine Differenz der beiden Spannungen gebildet und in der
Speichereinheit M/T aufbewahrt wird. Es ist offensichtlich auch möglich, die Spannungsdifferenz
noch vor der Vorverstärkung zu bestimmen, jene in vorverstärkter Form weiterzuleiten
und zu speichern. Bei effektiver Störungsabschirmung darf die Anwendung des dritten
Meßfühlers vermieden werden.
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Dia Steuereinheit V1 organisiert die Messung. Das bedeutet z.B. die
Löschung des Inhaltes der Speichereinheit M/T bei der Einschaltung der Impulsbetrieb-Wärmequelle
i, bz. die Einführung der bei der z.B. durch Probenahme erfolgten Speicherung erforderlichen
ergänzenden Daten. Dieselbe Funktion kann durch die Anpassungseinheit P verwirklicht
werden. Die .Rnzeigeeinheit D dient zur Darstellung der gemessenen Werte.
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Die Impulsbetrieb-'.'lärmequelle V niedriger Leistung, z.B.
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ein Vakublitz,strahlt nach der Einschaltung einen kurzen Lichtimpuls
aus, der dia Oberfläche der in bestimmtem Abstand angeordneten Stoffprobe M erreicht
und danach in der Stoffprobe eine Temperaturänderung erwünschter, z.B. 1 K Größe
hervorruft.
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Da diese Anderung sehr gering ist, im allgemeinen den Wert 1 K nicht
überschreitet, ist der Zusammenhang zwischen der Temperaturänderung und der im Thermopaar
hervorgerufenen Spannung prsktisch vollkommen linear. Deswegen bedeutet die registrierte
Spannung eine gute '.Viedergabe des Prozesses der Temperaturänderung. Ist die Leistung
des Vakublitzes gut bekannt, und wird ein bestimmter Abstand des Vakublitzes von
der Stoffprobe aufbewahrt, so kann die die Oberfläche der Stoffprobe erreichende
Strahlungsleistung auch bestimmt werden. Da die Leistung des Vakublitzes nicht immer
die gleiche ist, so ist es besser,einen Standard bekannter Wärmekapazität im Wege
der Strahlung anzuordnen und dessen Spannung such zu messen. Auf solche Weise kann
die Leistung des Blitzes für jeden Fall bestimmt werden, was bei Bestimmung anderer
als die Temperaturleitfähigkeit wärmetechnischer Kenngrößen wichtig ist.
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Zur Auswertung der gemessenen Werte wird die elektronische Schaltung
verwendet. Im Fixspeicher der Steuereinheit VI können parametrische Gleichungen
programmiert gespeichert werden, die den verschiedenen Stoffen zugepaßt sind. Die
Liessung der TemperaturänderunO der Stoffprobe xird eine relativ lange Zeit durchgeführt,
was bedeutet, daß die Messung nach der Erreichung derMaximumtemperatur noch zumindest
2-mal so lang fortgesetzt wird, wie die von dem Anfang der Messung bis dahin ablaufende
Zeitdauer. Die Speichereinheit M/T nimmt Proben aus den gemes-
senen
und in Digitalform umgesetzten Meßergebnissen, stellt einige charakteristische wertepaare
der Zeit und Temperatur /z.B.
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die zur Erreichung von 20%, 40% usw. der Maximumtemperatur notwendigen
Zeiten/ fest. Die Recheneinheit versucht diese ertpaare den im Fixspeicher auffindbaren
parametrischen Gleichungen anzupassen. So kann immer die beste Annäherung des wirklichen
Temperaturablaufs bestimmt werden und auf diesem Grund sind die wärmetechnischen
Kenngrößen, nötigenfalls auch unter Berücksichtigung der beim Standard festgestellten
Werte, mit hoher Genauigkeit zu rechnen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einfachem Aufbau zu kennzeichnen,
sie ist leicht bedienbar, as die Anwendung in industriellen Bedingungen such ermöglicht,
obwohl die hohe Genauigkeit der Meßwerte auch die Erwartungen der Forschung und
Wissenschaft ebenso gut erfüllt.
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