DE3638483C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleich­ zeitigen Messen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eines Materials, insbesondere eines deformierbaren Flächenmaterials nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Die Kenntnis der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eines Materials ist eine nötige Bedingung für ein optimales Ausnützen dieses Materials in der Praxis, beide Parameter sind dann für ein Berechnen der Wärme­ felder im Material bei dessen Wärmeverarbeitung notwen­ dig. Bekannte Anordnungen für ein gleichzeitiges Messen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von massivem Material und von Schüttmaterial beruhen meist auf einem Messen der Durchgangszeit eines Wärmeimpulses von einer Wärmequelle, die sich dauernd entweder an der Oberfläche oder direkt im Material befindet, bis zu einem Temperaturfühler, der meist im Material vor­ gesehen ist. Mit Gleichungen, die aus der angewandten Thermomechanik bekannt sind, wird dann die Temperatur­ leitfähigkeit aus der Durchgangszeit des Impulses be­ rechnet. Die Wärmekapazität kann dann aus der Amplitude bzw. dem Wärmegehalt des Impulses an der Meßstelle be­ stimmt werden.

Diese bekannten Anordnungen können nur für ein Messen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von massivem Material mit relativ hoher Wärmekapazität angewendet werden, um überhaupt eine Wärmeabfuhr aus der Wärmequelle zu er­ zielen, und wenn die Wärmekapazität des Fühlers, zum Beispiel eines Mikrothermoelements, wesentlich niedriger ist als die Wärmekapazität des Materials.

Zum Messen der Wärmeleitfähigkeit bei beständigen Be­ dingungen wird neuerdings ein sogenannter Flächenfühler für den Wärmefluß verwendet, der von einem Differential- Multithermoelement gebildet wird, das das Wärmegefälle an einer dünnen nicht-metallischen Platte mißt. Das zu vermessende Material wird von beiden Seiten von Metall­ platten einer bekannten und beständigen Temperatur umge­ ben, wobei zwischen eine der Platten und das Material ein dünner Wärmeflußfühler eingelegt wird. Die Wärmeleit­ fähigkeit des Materials ist dann zur Größe des Wärme­ flusses im stationären Zustand und zur Dicke des Mate­ rials direkt proportional und zur Temperaturdifferenz zwischen beiden Metallplatten umgekehrt proportional.

Ein Nachteil dieses Verfahrens und der betreffenden An­ ordnung besteht darin, daß nur die Wärmeleitfähigkeit gemessen werden kann, da im stationären Zustand gemessen wird, während die Temperaturleitfähigkeit nur im in­ stationären Zustand gemessen werden kann.

Bei einem anderen Meßverfahren (CS-A-1202/85) wird ein Flächenfühler zum Messen eines Wertes ausgenützt, der zur Temperaturleitfähigkeit des Materials proportional ist. Eine der Platten mit einer bekannten stabilisierten Temperatur, im weiteren als Block bezeichnet, trägt an ihrer ebenen Fläche einen dünnen Flächenfühler für den Wärmefluß. Der Block mit dem Fühler wird schnell an das gemessene Material angelegt. Aus dem Zeitverlauf des Wärmeflusses kann dann unter Anwendung von Beziehungen aus der Thermomechanik für das Erwärmen eines sogenannten massiven Halbkörpers ein Wert berechnet werden, der der Temperaturleitfähigkeit proportional ist. Der Proportional­ faktor ist der Wert der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der mit einer anderen Anordnung bestimmt werden muß.

Aus der FR 22 45 247 ist es bekannt, die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit einer Probe gleichzeitig zu messen. Dabei werden zwei Planflächen der Probe in Kontakt mit zwei austauschbaren Platten gebracht, die eine unterschiedliche stabilisierte Temperatur haben. Die durch die Planflächen hindurchgehenden Wärmeflüsse werden gemessen. Aus den gemessenen Werten dieser Wärmeflüsse werden dann mathematisch die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit ermittelt. Für das Messen der Wärmeflüsse sind zwei Abtaster erforderlich, die relativ groß sind, so daß die verwendeten Platten diesen Dimensionen angepaßt werden müssen. Aufgrund ihrer Größe ist eine Beheizung durch einen umlaufenden Wärmeträger erforderlich.

Aus der SU 11 22 955 A ist es ferner bekannt, einen Abtaster für einen Wärmefluß auf der einen Oberfläche einer Eichplatte permanent zu befestigen. Die andere Oberfläche der Eichplatte wird mit der zu messenden Probe in einem wärmeleitenden Kontakt gebracht. Durch entsprechende Wärmezufuhr wird die Temperatur der Oberfläche der Eichplatte spontan erhöht. Aufgrund dieser Erhitzung werden sowohl die Probe als auch die Eichplatte allmählich warm. Aufgrund des zeitlichen Verlaufs des Wärmeflusses an der Oberfläche der Eichplatte wird dann die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit der Probe ermittelt.

Für die Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von dünnen Textilwaren oder Folien eignet sich die bekannte Anordnung nicht, da die Dickenunterschiede zwischen der Textilien oder Folie und der Eichplatte sehr groß sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so aus­ zubilden, daß die Nachteile der bekannten Meßeinrichtungen beseitigt werden und mit einfachen Mitteln ein schnelles Bestimmen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit ge­ währleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst, die in den Unteransprüchen 2 bis 4 vorteilhaft weitergebildet sind.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zum Beispiel die Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eines Flächentextils innerhalb von 10 Sekunden bestimmt werden, was eine hundertfache Zeitverkürzung verglichen mit bekannten Anordnungen bedeutet, mit denen die Temperaturleitfähigkeit von nicht massivem Material, zum Beispiel von Textilien, nur mit groben Fehlern fest­ gestellt werden können.

Anhand einer Zeichnung, welche schematisch eine Vor­ richtung zum gleichzeitigen Messen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eines deformierbaren Flächenmate­ rials zeigt, wird die Erfindung näher erläutert.

Ein Metallblock 1 ist mit einer Wärmeisolation 2 ver­ sehen und über ein Stabparallelogramm 3 schwenkbar mit einer Metallplatte 4 gekoppelt, auf welcher für die Messung eine Materialprobe 5 gelegt oder daran befestigt wird. Die Temperatur der Metallplatte 4 wird durch ein Thermometer 6 gemessen. Die Temperatur des Metallblocks 1 wird stabilisiert. Im Metallblock 1 sind ein elektrisches Heizelement 7 und ein elektrischer Temperaturfühler 8 angeordnet. An der der Metallplatte 4 zugewandten Meß­ fläche des Metallblocks 1 ist wenigstens ein Flächenfühler 9 für den Wärmefluß befestigt, der über ein bewegliches Kabel 10 an eine nicht gezeigte elektronische Auswer­ tungsanordnung angeschlossen ist. Mit diesem Kabel 10 sind auch das Heizelement 7 und der Temperaturfühler 8 an einen nicht gezeigten Wärmeregler angeschlossen.

Über den Flächenfühler 9 für den Wärmefluß wird einer­ seits die Größe des Wärmeimpulses bei schnellem Anlegen des erwärmten Metallblocks 1 an die Materialprobe 5 gemessen. Andererseits wird der stabilisierte Wärmefluß zwischen dem Metallblock 1 und der Metallplatte 4 be­ stimmt, wenn die Materialprobe 5 zwischen dem Metall­ block 1 und der Metallplatte 4 angeordnet ist.

Beim Messen wird vorerst die Temperatur des Metallblocks 1 auf den Wert einer ersten Temperatur t₁ stabilisiert. Die Temperatur der untersuchten Materialprobe 5 wird auf eine von der Temperatur der Metallplatte 4 verschiedene zweite Temperatur t₂ stabilisiert. Dann wird die Zeitauf­ zeichnung in einer elektronischen Anordnung eingeschaltet, zum Beispiel in einem Linienschreiber. Der bisher von der Materialprobe 5 entfernte Metallblock 1 wird rasch in Richtung s an die Materialprobe 5 angelegt. Die gegen­ seitige bewegliche Verbindung des Metallblocks 1 und der Metallplatte 4 ist für ein Erzielen eines bestimmten Drucks zwischen dem Metallblock 1 und der Metallplatte 4 mit der Materialprobe 5 und für deren gegenseitige genaue Lage unumgänglich erforderlich. Der Druck ist für ein Sichern eines ausreichenden Wärmekontaktes nötig. Der Zeitverlauf des Wärmeflusses wird nach dem Anlegen des Flächenfühlers 9 für den Wärmefluß an die Materialprobe 5 aufgezeichnet. Zuletzt wird der Wert des stabilisierten Wärmeflusses aufgenommen, der zur Berechnung der Wärme­ leitfähigkeit des Materials dient. Dieser stabilisierte Wärmefluß geht vom Metallblock 1 durch die Materialprobe 5 in die Metallplatte 4, die eine zweite Temperatur t₂ besitzt , die niedriger ist als die erste Temperatur t₁ des Metallblocks 1.

Die Berechnung der gesuchten Wärme- und Temperaturleit­ fähigkeit des Materials, oder der Wärmekapazität des Materials, die ein Quotient der Wärme- und Temperatur­ leitfähigkeit ist, kann aus den gemessenen Werten auf verschiedene Weise ausgeführt werden. Meist wird zu­ letzt der Wert der Wärmeleitfähigkeit in die Beziehung zur Berechnung der Temperaturleitfähigkeit eingesetzt. Hier spielt zum Beispiel die Meßzeit oder die Zeit, die einem bestimmten Wert des Wärmeflusses entspricht, eine Rolle.

Dann wird die Messung mit einem anderen Material wieder­ holt. Durch das so ausgeführte Messen können die beiden gewünschten Parameter bestimmt werden. In diesem Sinn ist auch die verwendete Bezeichnung eines gleichzeitigen Messens der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit zu ver­ stehen.

Die Parameter von Metallmaterial und von Halbleitern, deren Wärmewiderstand niedriger ist als der Wärmewider­ stand des Fühlers des Wärmeflusses, werden mit einem höheren Fehler gemessen. Soweit das Material bei einem gewissen Druck nicht deformierbar ist, kann gleichfalls auf einfache Weise kein guter Kontakt zwischen dem Füh­ ler 9 für den Wärmefluß und der Materialprobe 5 und der Metallplatte 4 gewährleistet werden.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann deshalb die Bestimmung der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit vor allem von deformierbarem Flächenmaterial, zum Beispiel von Textilien, Plasten und Schaummaterial, durchge­ führt werden, wobei bei einfachem Aufbau eine hohe Genauigkeit erreichbar ist.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen der Wärme- und Temperaturleitfähigkeit eines Materials, insbesondere eines deformierbaren Flächenmaterials, gekenn­ zeichnet durch einen Metallblock (1) mit einer bekannten stabilisierten ersten Temperatur (t₁), der über ein Kabel (10) an einen Temperaturregler angeschlossen ist und der für das Lagern einer Materialprobe (5) an eine Metallplatte (4) beweglich gekoppelt ist, die eine bekannte stabilisierte, gegenüber der ersten Temperatur (t₁) unterschiedliche zweite Temperatur (t₂) hat und mit einem Thermometer (6) in Verbindung steht, wobei eine äußere, der Me­ tallplatte (4) zugekehrte Fläche des Metallblocks (1) in Wärmekontakt mit einem Flächenfühler (9) steht und mit einer Wärmeisolation (2) versehen ist, innerhalb welcher ein Heizelement (7) und der Temperaturfühler (8) angeordnet sind, denen gegenüber unterhalb der Wärmeisolation (2) ein Flächenfühler (9) für den Wärmefluß vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallblock (1) an die Metallplatte (4) über ein schwenkbares Gelenk ge­ koppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallblock (1) an die Metallplatte (4) über eine Gleitführung gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Metallblock (1) an die Metallplatte (4) über ein Stabparallelogramm (3) gekoppelt ist.