DE4301987A1 - Apparat und Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität mittels Wärmepuls und gleichzeitig Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit - Google Patents
Apparat und Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität mittels Wärmepuls und gleichzeitig Ermittlung der TemperaturleitfähigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Bestim
mung der spezifischen Wärmekapazität (SWK), bei dem gegen den
Prüfkörper und gegen eine Referenzprobe ein Einzelpuls oder
eine Pulsfolge eines Strahls oder mehrerer elektromagnetischer
Strahlen geworfen werden und bei denen sowohl die Wirkung der
zeitlich induzierten Prüfkörpertemperatur als vom Körper ausge
hende Infrarotstrahlung als auch die reflektierte Strahlung
gemessen wird, damit unter Berücksichtigung der Masse oder
Dichte des Prüfkörpers die spezifische Wärmekapazität gegen
eine Referenzprobe bestimmt wird und gleichzeitig die Tempera
turleitfähigkeit.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des bezeichneten Verfahrens bestehend aus einer Strahlungsquel
le, einer Probenhalterung, einer Referenzprobe, einem oder
mehreren Hochgeschwindigkeitspyrometern, einer Vorrichtung zur
Messung des relativen oder absoluten Emissionsgrades der Probe
noberflächen, einer Analog-Elektronik und einer Steuerungs- und
Datenerfassungseinrichtung.
Weiter betrifft die Erfindung verschiedene Anwendungen für
unterschiedliche Werkstoffe, bei denen das Meßgerät zur Messung
der SWK, zur Qualitätssicherung, Prozeßkontrolle und Werkstoff
optimierung in besonders vorteilhafter Weise einsetzbar ist.
Instationäre thermische Meßmethoden eignen sich sehr gut, die
Temperaturleitfähigkeit (TLF) eines Werkstoffs zu bestimmen.
Das Wärmepulsverfahren (Flash Diffusivity) mit einem einzelnen
Anregungspuls gestattet es, bis über 2000°C im Hochtemperatur
bereich die TLF in Abhängigkeit von der Temperatur oder der
Zeit zu bestimmen. Eine Apparatur enthält eine Strahlungsquelle
(vorzugsweise Laser oder Xenon-Entladungslampe) zum kurzzeiti
gen Erwärmen der Probe, einen Temperatursensor mit nachge
schalteter analoger und digitaler Elektronik und eine Datenver
arbeitungsanlage. Sollen Messungen bei erhöhten Temperaturen
oder bei Temperaturen unter Raumtemperatur durchgeführt werden,
so wird ein Ofen oder Kryostat verwendet. Diese Vorrichtung ist
in Temperatur und Atmosphäre steuerbar, verfügt über gegenüber
liegende optische Eintritts- und Austrittsfenster, ein Thermo
element oder ein Pyrometer zur Bestimmung der Temperatur in der
Probenkammer, ein Probenhalter im Inneren für die zu untersu
chende Probe, weiter eine Strahlungsquelle (z. B. Laser) nahe
dem Eintrittsfenster, die auf die Probeoberfläche gerichtet ist
und über einen Temperatursensor (Pyrometer), der am Austritts
fenster angeordnet ist, um die Wärmestrahlung der Probenrück
seite zu empfangen. Die Ofen- und Probentemperatur, der Tempe
raturanstieg an der Probenrückseite aufgrund des Wärmepulses an
der Probenvorderseite und der zeitliche Verlauf der Intensität
der Strahlungsquelle werden in ein Meßdatenerfassungssystem mit
nachgeschalteter Datenverarbeitungsanlage eingespeist, um die
TLF zu berechnen und die Meßdaten abzuspeichern.
Das Umrechnen der zeitabhängigen Temperaturanstiege in die TLF
geschieht mittels eines Programms, welches auf folgender physi
kalischer Beziehung basiert:
TLF = 0.1388·12/t1/2 (1)
Hierbei ist 1 die Probendicke und t1/2 die Zeitdauer vom Beginn
der Wärmepulses bis zur Hälfte des maximalen Temperaturanstie
ges an der Probenrückseite. Die Wärmeleitfähigkeit (WLF) ergibt
sich aus der Gleichung
WLF = TLF · SWK · Dichte (2)
Ein Gerät zur Bestimmung der TLF wird z. B. von der Firma Compo-
Therm in D-2808 Syke als Laserpulssystem für erhöhte Temperatu
ren angeboten und ist kurz beschrieben in der Zeitschrift
"Kontrolle", Juni 1990, und als Xenonpulssystem für die Quali
tätssicherung bei Raumtemperatur, dargestellt in der "EPP" Nr.
205, November 1991, beide Konradin Verlag.
Diese Geräte eignen sich zur gleichzeitigen Bestimmung der
Temperatur und Zeitabhängigkeit der TLF von Festkörpern und
Flüssigkeiten und der Dichte/Volumenänderung (Patent P41 31 040.3)
aufgrund von thermisch induzierten Prozessen im Werk
stoff. Eine Übersicht über die Anwendungsmöglichkeiten gibt die
Veröffentlichung "Thermisches Meßverfahren zur Prozeßkontrolle
an Bauteilen und Schichten", H.-J. Sölter, VDI Berichte Nr.
917, 1992.
Ein Nachteil dieses Meßverfahrens ist, daß die WLF bis jetzt
nur über die separate Ermittlung der SWK und der Dichte mit
anderen Meßverfahren unter Verwendung von Gleichung 2 möglich
ist.
In der Literatur sind Ansätze zur Messung der SWK mit dem
Wärmepulsverfahren bekannt (z. B. Evaluation of Errors Incurred
in Determining Thermal Properties by Laser Flash, T. Kumuda, K.
Kobayasi, J. of nucl. Sci and Techn., 1976, 13(6), p. 315-320),
bei denen eine Referenzprobe zur Ermittlung der Wärmemenge ver
wendet wird. Die Vorder- und Rückseite der Referenzprobe und
der Meßprobe werden dünn (wenige Mikrometer) beschichtet, um
ein definiertes Absorptions- und Emissionsvermögen einzustellen,
damit einerseits von beiden Proben die gleiche Wärmemenge
aufgenommen wird und damit andererseits die dadurch erfolgende
Temperaturerhöhung mit einem berührenden oder berührungslosen
Sensor exakt bestimmt werden kann. Absorptions- und Emissions
vermögen hängen jedoch von der Zusammensetzung und dem Aufbau
des Schichtmaterials, von der Struktur der darunterliegenden
Probenoberfläche, von der Temperatur und anderen Einflußgrößen
ab, so daß dieses Verfahren bis jetzt keine reproduzierbaren
Messungen der SWK für beliebige Werkstoffe ermöglicht.
Die Verwendung von Wärmeabsorptionsscheiben (Heat Capacity
Measurement of Nuclear Materials by Laser Flash Method, Y.
Takahashi, J. of nucl. Mat. 51 (1974), p. 17-23) zur Einstel
lung eines festen Emissionsgrades setzen eine aufwendige Pro
benherstellung vorzugsweise mit Leitsilber als "Klebstoff" zur
Verringerung von Wärmeübergängen zwischen Wärmeabsorptions
scheibe und eigentlichem Prüfkörper voraus. Die wesentlichen
Nachteile sind, daß der temperaturabhängige Emissionsgrad der
Absorptionsscheiben bekannt sein muß und ebenso die SWK des
Absorptionsscheiben-Materials und des Leitsilbers. Da zur
Ermittlung der SWK die Dichte bzw. Masse benötigt wird, wird
vorausgesetzt, daß bei erhöhten Temperaturen und wiederholten
Messungen sich weder die Zusammensetzung der beteiligten Werk
stoffe der Absorptionsscheibe und des "Klebstoffs" verändert,
noch die Struktur der Oberfläche verändert wird. Dieses Verfah
ren kann nur maximal bis zum Schmelzpunkt des "Klebstoffs"
eingesetzt werden. Wird nun die Temperatur in der Probenkammer
verändert, so kann sich der Emissions- und Absorptionsgrad in
unvorhersehbarer Weise (Abdampfen, Kontamination) ändern, so
daß dieses zu großen Abweichungen bei der Bestimmung der SWK
führt und dieses Verfahren damit unbrauchbar wird.
Quotientenpyrometer (oder Zweifarbenpyrometer) lassen sich zur
direkten Bestimmung der Temperatur nicht einsetzen, da deren
Temperaturbereich erst ab ca. 500°C beginnt, da die Abtastraten
für Pyrometer für das Wärmepulsverfahren insbesondere für dünne
gut wärmeleitende Proben-Werkstoffe wie Kupfer oder AlN nicht
hoch genug sind, da sich für einen weiten Temperaturbereich im
allgemeinen keine geeigneten 2 Wellenlängen angeben lassen, für
die die Temperaturbestimmung genau genug ist, und da sich
insbesondere bei bunten Strahlern (metallischen Proben) die
Intensitäts-Verhältnisse der Wellenlängen beliebig ändern
können.
Eine Alternative besteht darin, Bandpyrometer zu verwenden und
die Strahlungseigenschaften von Oberflächen mit einem gesonder
ten Verfahren zu bestimmen. In der Literaturstelle "Emissivity
and Temperature Measurement", T.J. Quinn, Rev. Int. Hautes
Temper. et Refrat., 1970, t.7, No. 3, p. 180-191, werden in
einer Übersicht Möglichkeiten zu Messung des Emissionsvermögens
u. a. auch mittels Reflektion an Oberflächen diskutiert.
Ein Vorteil der Wärmepulsmethode zur Bestimmung der SWK sind
die sehr kurzen Meßzeiten. Im Vergleich mit bekannten anderen
Standard-Verfahren, wie Diffential Scanning Calorimeter, Drop
Calorimeter usw. ergeben sich daraus neue Anwendungen in der
Qualitätssicherung und Prozeßkontrolle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ansätze
so weiterzubilden, daß sich ein zuverlässiges Meßverfahren zur
Bestimmung der SWK ergibt, das kurze Meßzeiten zuläßt, das
gleichzeitig mit einer einzigen Messung die Bestimmung von SWK
und TLF zuläßt, mit der Möglichkeit auch die WLF bei bekannter
Masse/Dichte zu ermitteln, das bei unterschiedlichen Probentem
peraturen, Probenkammer-Atmosphären und Vakuum einsetzbar ist
und das sich für Werkstoffoptimierung in der industriellen
Qualitätssicherung und Prozeßkontrolle verwenden läßt.
Weiter besteht die Aufgabe der Erfindung darin, verfahrensmäßi
ge Lösungen aufzuzeigen, bei denen das erfindungsgemäße SWK-
Meßgerät vorzugsweise als Lösungsmerkmal eingesetzt werden
kann.
In der Lösung der Aufgabe der Erfindung zeichnet sich das
erfindungsgemäße SWK-Meßgerät mit den bekannten Komponenten
Strahlungsquelle, Probenhalter, Probenkammer, Temperatursensor,
Elektronik, Meßwerterfassungs- und Datenverarbeitungseinheit
dadurch aus, daß es ein Meßsystem enthält, mit dem das Emissi
ons-, Absorptions- und Reflektionsvermögen von Probenoberflächen
absolut oder relativ zu einer Referenzprobe bestimmt werden
kann. Die Meßproben können aus Keramik, Metall, Kunststoff,
Glas, Flüssigkeiten oder Composites bestehen.
Ein Pyrometer, welches sich am Austrittsfenster befindet, dient
bei der Bestimmung der TLF zur Detektion des relativen Tempera
turanstieges (ca. 1-10 K) an der Probenrückseite. Durch die
Kalibrierung des Pyrometers für den gewählten Temperaturbereich
läßt sich vor der Messung der TLF die absolute Probentemperatur
bestimmen, wenn der Emissionsgrad der Probenrückseite bekannt
ist. Eine Beschichtung der Probe zur Einstellung eines defi
nierten Emissionsgrades ist nicht erforderlich. In das Pyrometer
integriert ist eine Strahlungsvorrichtung, die eine dem Tempe
raturbereich angepaßte Strahlung auf die Probenrückseite wirft,
welche zum Teil reflektiert und auf den Detektor des Pyrometers
zur Auswertung geworfen wird. Je höher der Reflektionsgrad r
der Probenrückseite ist, um so kleiner ist deren Absorption a
bzw. deren Emissionsvermögen ε nach folgender Beziehung
ε=a=1-r 3
Die Intensität der Strahlungsvorrichtung ist zur Auswertung von
Gleichung 3 normiert. Vorhandene Transmission kann bei translu
zenten Werkstoffen durch eine dünne optisch dichte Beschichtung
auf der Probenoberfläche unterdrückt werden. Der ermittelte
Emissionsgrad wird verwendet, um bei beliebigen Temperaturen in
der Probenkammer die absolute Höhe des Temperaturanstieges an
der Probenrückseite zu bestimmen.
Dieses Verfahren wird ebenfalls an einer Referenzprobe durchge
führt, die eine bekannte SWK aufweist. Meß- und Referenzproben
können sich auf einem Probenkarussell befinden oder auch in
nacheinander ablaufenden Meßzyklen untersucht werden.
Die Auslösung der Meßstrahlung erfolgt rechnergesteuert und
kann als einzelner Ein- und Ausschaltvorgang durchgeführt
werden oder periodisch mit einer Choppervorrichtung. Als Meßsi
gnal wird die Differenz des Detektorsignals zwischen ein- und
ausgeschalteter Meßstrahlung verwendet. Die Intensität der
Meßstrahlung ist veränderlich, damit das Signal/Rauschverhält
nis am Pyrometer einstellbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiter dadurch
aus, daß am Eintrittsfenster für die Anregungsstrahlung, durch
die der Wärmepuls auf der Probenvorderseite erzeugt wird, wird
ein Reflektions-Strahlungssensor angebracht, der die reflek
tierte Anregungsstrahlung des Wärmepulses detektiert, verstärkt
und der Auswertungseinheit zuführt, um nach Gleichung 3 den
Absorptionsgrad zu bestimmen. Die Anregungsstrahlung stellt die
elektromagnetische Strahlung vorzugsweise einer Entladungslampe
oder eines Lasers dar. Der Reflektions-Strahlungssensor ist
exakt auf den Wellenlängenbereich des Anregungsstrahls abge
stimmt, vorzugsweise durch Einsatz von optischen Filtern.
Die Detektion der Reflektionsstrahlung erfolgt entweder durch
einen Auskopplungsspiegel im Strahlengang des Anregungsstrahls
oder durch eine Anordnung des Reflektions-Strahlungssensors
unter einem vorgegebenen Winkel.
Eine separate Messung ergibt die maximale Strahlungsintensität
der Anregungsstrahlung, die zur Normierung des Reflektionsver
mögens herangezogen wird.
Weiter zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß alternativ
ein Strahlungssensor verwendet wird, der nicht nur die Anre
gungsstrahlung aufnimmt, sondern ebenfalls Strahlung in einem
Wellenlängenbereich, der sich durch den Wärmepuls der Anre
gungsstrahlung ergibt. Damit kann zusätzlich zum Reflektions
vermögen die zeitliche Temperaturerhöhung auf der Probenvorder
seite aufgezeichnet werden. Der Strahlungsdetektor am Ein
trittsfenster kann demnach auch als Pyrometer ausgebildet sein.
Typische Pulslängen bei einem Festkörper-Pulslaser liegen bei
ca. 800 µs und für andere Laser/Strahlungsquellen auch kürzer,
so daß die Abtastzeiten im Mikro- und Nanosekundenbereich für
Pulslängen liegen können.
Für eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vornehmlich bei der gleichzeitigen Bestimmung der SWK und TLF
im Niedrig-Temperaturbereich, vorzugsweise von Raumtemperatur
bis ca. 200°C und für Werkstoffe aus der Elektronik, wird das
Emissionsvermögen mittels einer Heizvorrichtung bestimmt. Bei
dieser Meßvorrichtung wird der Anregungsstrahl durch eine
Xenon-Entladungslampe erzeugt und die Probenkammer auf den
verringerten Temperaturbereich angepaßt oder vollständig wegge
lassen. Damit ergibt sich ein kompaktes Meßgerät, das sich
mobil einsetzen läßt.
Die Meßprobe und Referenzprobe werden zur Bestimmung des Emis
sionsgrades gemeinsam auf eine in der Temperatur einstellbaren
Heizplatte montiert, so daß beide Proben dieselbe Temperatur
aufweisen. Die Vorrichtung ist beweglich (drehbar, verfahrbar),
so daß vom Pyrometer die Infrarot-Strahlung jeweils der Proben
vorder- und rückseiten im Temperaturmeßbereich bestimmt werden.
Aufgrund der mit einem kontaktierenden Sensor gemessenen be
kannten Temperatur der Probenoberfläche wird das Emissionsver
mögen bestimmt.
Das Reflektionsvermögen der Oberfläche für das Strahlungsspek
trum der Xenonentladungslampe wird mit einem Reflektions-
Strahlungs-detektor aufgenommen, der auf das Strahlungswellen
längenband der Entladungslampe abgestimmt ist, und nach Gleich
ung 3 ausgewertet.
Die Meßdaten werden für die beschriebenen Verfahren elektro
nisch aufbereitet und zwecks Auswertung einem Rechner zuge
führt, der die Temperaturerhöhung für die Meß- und Referenzpro
be ermittelt.
Die in die Meßprobe eingebrachte Wärmemenge wird mit Hilfe der
Referenzprobe bestimmt. Zur Berechnung der SWK wird bei identi
schen Absorptionsflächen der Probenvorderseite für den Anre
gungsstrahl folgende Gleichung verwendet:
ar·εm-TMm·Mm·lm
SWK: Spezifische Wärmekapazität, a: Absorptionskoeffizient,
ε: Emissionsgrad, TM: Maximaler Temperaturanstieg auf der
Probenrückseite, D: Dichte, l: Probendicke, M: Masse,
Indices m: Meßprobe, r: Referenzprobe.
Wenn die Absorptionsflächen der Meß- und Referenzprobe nicht
gleich sind, muß statt der Masse die Dichte D verwendet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit ergibt sich aus der Gleichung
Typische Anwendungsbeispiele für die simultane Bestimmung der
TLF und SWK sind bei der Optimierung von Sinterprozessen bei
Metallen und Keramiken insbesondere Substratkeramiken zu fin
den. Hierbei werden Sinter-Temperaturprogramme durchfahren, um
mittels gleichzeitiger Bestimmung TLF und SWK Rückschlüsse auf
den Ablauf der Gefügeausbildung und somit die Güte des Sinter
prozesses zu ziehen.
Das Verfahren kann auch während oder nach Beendigung der Pro
duktion vorzugsweise von Keramiksubstraten aus der Elektronik
als Qualitätssicherungsverfahren eingesetzt werden. Die thermo
pyhsikalischen Größen SWK, TLF, WLF und Dichte sind wichtigen
Größen bei der Beurteilung der Einsatzgrenzen von wärmebeauf
schlagten Elektronikbauteilen. Auch Diamantschichten bzw.
-scheiben lassen sich mit diesem neuen Verfahren untersuchen.
Dabei können die Substrate beschichtet oder unbeschichtet
vorliegen.
Ein weiteres Einsatzgebiet liegt in der Herstellung von Kera
mikfliesen und anderen Keramik-Bauteilen. Diese müssen vor dem
Brennen durch Pressen oder Schlickern möglichst gleichmäßig,
d. h. ohne nennenswerte Dichteschwankungen, hergestellt werden,
da es sonst beim Brennen zu ungleichmäßigen Schwindungen kommt.
Mittels Messung der SWK und TLF können kritische Bereiche
detektiert werden.
Amorphe Metalle werden als dünne Bänder hergestellt. Auch hier
lädt sich das Verfahren zur simultanen Messung der Eigenschaf
ten TLF und SWK einsetzen. Änderungen in der Mikrostruktur, die
für die Ausbildung der Eigenschaften sehr wichtig sind, und der
Zusammensetzung während der Herstellung lassen sich detektie
ren.
Eine weitere Anwendung ist in der Bestimmung der SWK und TLF
von Papier und Pappe zu finden. Papier wird mittels geheizter
Kalander hergestellt. Für die Herstellung ist die während des
Prozesses aufgenommene Wärmemenge, der Wärmeübergang und die
Temperatur von Bedeutung. Die schnelle Ermittlung der SWK von
Papier und Pappe dient der Sicherstellung einer gleichmäßigen
Qualität.
Kunststoffe wie Gummi, Kautschuk, PVC und Fasermatten werden in
vorzugsweise beheizten Formen oder im Spritzgußverfahren zu
unterschiedlichsten Bauteilen z. B. in der Elektronik, Datenver
arbeitung oder im Fahrzeug- und Maschinenbau verarbeitet.
Beispielhaft sei die Herstellung von Fahrzeugarmaturen oder die
Reifenherstellung genannt. Die Sicherstellung eines definierten
Mischungsverhältnisses der Ausgangswerkstoffe ist für das
Endprodukt von ausschlaggebender Bedeutung. Mittels der simul
tanen Messung der SWK und TLF können Abweichungen frühzeitig
festgestellt werden. Durch Veränderungen der Produktionsbedin
gungen oder durch Aussondern von fehlerhaften Vorprodukten kann
eine gleichbleibende Qualität erzielt werden.
Ausführungsbeispiele, aus denen sich weitere erfinderische
Merkmale ergeben, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es
zeigen:
Abb. 1 Eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur gleichzeitigen
Bestimmung der SWK und der TLF im Hochtemperaturbereich bis
über 2000°C.
Abb. 2 Eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur gleichzeitigen
Bestimmung der SWK und TLF im Niedrigtemperaturbereich von RT
bis maximal 200°C.
In Abb. 1 ist eine Vorrichtung mit heiz- oder kühlbaren Proben
kammer 13 schematisch dargestellt, mit welcher der Emissions
grad der Meß- und Referenzprobe 1 nacheinander bestimmt werden.
Dazu wird mit dem Hochgeschwindigkeitspyrometer 2, welches
einen Umlenkspiegel 3 und einen Chopper 5 enthält, die Strah
lung einer Strahlungsquelle 4 auf die Rückseite der Probe 1
gerichtet. Die von der Rückseite der Probe reflektierte Strah
lung wird einem Sensor 6 zugeführt. Das Signal am Sensor 6 wird
in der Elektronik 7 verstärkt, digitalisiert und einer rechner
gesteuerten Auswerteeinheit 8 zugeführt, wo es zur Ermittlung
des Emissionsvermögens, der absoluten Temperatur und der Tempe
raturerhöhung an der Probenrückseite verwendet wird.
An der Probenvorderseite wird das Absorptionsvermögen der
Laserstrahls 9 bestimmt. Dazu wird in den Strahlengang des
Lasers 9 ein halbdurchlässiger Spiegel 10 eingebracht, mit dem
die von der Probenvorderseite reflektierte Strahlung 11 ausge
koppelt und auf einen Strahlungs-Sensor 12 gegeben wird. Die
Meßwerte werden der Elektronik 7 und der rechnergesteuerten
Auswerteeinheit 8 zugeführt. Alternativ kann die reflektierte
Strahlung 15 und/oder die Wärmestrahlung 15 infolge des Wärme
pulses mit einem Pyrometer 14 unter einem Winkel ohne Verwen
dung eines halbdurchlässigen Spiegels direkt bestimmt werden.
In Abb. 2 ist eine Vorrichtung für den Niedrigtemperaturbereich
schematisch dargestellt. Die Meß- und Referenzproben 1,2 werden
jeweils mit der Vorder- und Rückseite zum Pyrometer 5,8 auf
einer drehbaren Heizplatte 3 befestigt und an definierten
Stellen 4 die Probentemperatur mit einem berührenden oder
berührungslosen Verfahren gemessen. Das Pyrometer 5 dient zur
Messung der Infrarotstrahlung. Die Meßspannung wird mit Hilfe
der Elektronik 6 verstärkt; mittels der Temperatur an der
Meßstelle 4 und mittels der Datenverarbeitungseinheit 7 wird
der Emissionsgrad der Probenvorder- und -rückseite ermittelt.
Der Strahlungssensor 8 nimmt die an der Meß- und Referenzprobe
1,2 reflektierte Strahlung 9 vorzugsweise einer Xenonentla
dungslampe auf, um den Reflektiongrad zu ermitteln. Diese
Meßwerte werden wiederum der Elektronik 6 und Datenverarbei
tungseinheit 7 zur Auswertung zugeführt, wo das Emissions- und
Absorptionsvermögen der Probenoberflächen bestimmt werden.
Claims (21)
1. Verfahren zur kontaktlosen Untersuchung der spezifischen
Wärmekapazität von festen oder flüssigen Prüfkörpern, bei dem
gegen den Prüfkörper ein Einzelpuls oder eine Pulsfolge eines
elektromagnetischen Anregungsstrahl geworfen wird, und die Wir
kung des dabei örtlich und zeitlich induzierten Wärmepulses als
vom Körper ausgehende Infrarotstrahlung gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Prüfkörperoberflächen die durch den Wärmepuls induzierte Infrarotstrahlung als absolute Temperaturerhöhung angegeben wird,
daß die induzierte Wärmemenge mit Hilfe einer Referenzprobe ermittelt wird,
daß die Masse des Prüfkörpers und der Referenzprobe bestimmt wird und
daß mittels dieser Meßwerte gleichzeitig die SWK, die TLF und die WLF bestimmt werden.
daß für die Prüfkörperoberflächen die durch den Wärmepuls induzierte Infrarotstrahlung als absolute Temperaturerhöhung angegeben wird,
daß die induzierte Wärmemenge mit Hilfe einer Referenzprobe ermittelt wird,
daß die Masse des Prüfkörpers und der Referenzprobe bestimmt wird und
daß mittels dieser Meßwerte gleichzeitig die SWK, die TLF und die WLF bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge des Einzelpulses und/oder der Pulsfolge des Anregungs
strahls variiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Intensität des Einzelpulses und/oder der Pulsfolge des Anre
gungsstrahls variiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge und die Intensität des Einzelpulses und/oder der Pulsfol
ge des Anregungsstrahls variiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bestimmung der absoluten Temperaturerhöhung ein infrarotstrahl
ungsempfindlicher Temperatursensor, vorzugsweise ein Hochge
schwindigkeits-Pyrometer verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet,
daß
zur Bestimmung der absoluten Temperaturerhöhung der Prüfkörper-
und Referenzprobenoberflächen ein thermoelektrisch gekühltes
Pyrometer verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß
zur Bestimmung der absoluten Temperaturerhöhung der Proben
vorderseite, induziert durch den elektromagnetischen Anregungs
strahl, das Reflektions-, Emissions- und Absorptionsvermögen
der Prüfkörper- und Referenzproben-Oberflächen verwendet wer
den.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß
zur Bestimmung der absoluten Temperaturerhöhung der Proben
rückseite, induziert durch einen separaten oder durch einen im
Strahlengang des Pyrometers befindlichen Meßstrahl, das Reflek
tions-, Emissions- und Absorptionsvermögen der Prüfkörper- und
Referenzproben-Oberflächen verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Emissionsvermögen der Prüfkörper- und Referenzprobenoberflächen
alternativ mittels einer Heizvorrichtung bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkstoffeigenschaften SWK, TLF und WLF zur Qualitäts
sicherung und Prozeßkontrolle an Werkstoffen aus der indu
striellen Produktion, vorzugsweise Metallen, Legierungen,
Keramiken, Kunststoffen, Glas und Flüssigkeiten verwendet
werden.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Optimierung von
Sinterprozessen und -werkstoffen,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Probe des Sinterwerkstoffes nach einem vorgegebenen
Sinter-Temperaturprogramm aufgeheizt wird und simultan die SWK
und TLF gemessen werden, um mittels dieser Werkstoffeigenschaf
ten bei erhöhten Temperaturen den augenblicklichen Sinterzu
stand, das Gefüge und die Qualität des Endproduktes für die
jeweiligen Sinterbedingungen ermitteln zu können.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Qualitätssicherung
und Prozeßkontrolle an beschichteten oder unbeschichteten
Substratkeramiken und Diamantsubstraten,
dadurch gekennzeichnet,
daß während oder nach der Herstellung gleichzeitig die TLF und
die SWK gemessen und zur Ermittlung der WLF verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Qualitätssicherung
und Prozeßkontrolle an ungebrannten Keramikfliesen und Schlic
kerkeramiken,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichmäßigkeit der Dickenverteilung in Abhängigkeit
vom Ort und dem Durchmesser des Anregungsstrahls ermittelt
werden kann.
14. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Qualitätssicherung
und Prozeßkontrolle an amorphen Metallen, vorzugsweise an
Metallbändern,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels Bestimmung der SWK und TLF die Gefügeausbildung
detektiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Qualitätssicherung
und Prozeßkontrolle bei der Herstellung von flächigen Gebilden,
inbesondere Papier und Pappe,
dadurch gekennzeichnet,
daß während oder nach der Herstellung gleichzeitig die TLF und
die SWK gemessen und zur Ermittlung der WLF verwendet werden,
um den Wärmeübergang von beheizten Walzen auf die flächigen
Gebilde durch die Walzentemperatur zu steuern.
16. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 zur Qualitätssicherung
und Prozeßkontrolle bei der Herstellung von Kunststoffteilen
vorzugsweise aus Gummi, Kautschuk, PVC oder Fasermatten
dadurch gekennzeichnet,
daß während oder nach der Herstellung durch die gleichzeitige
Bestimmung der SWK und TLF Veränderungen den Mischungsverhält
nissen der Werkstoffe der Vorprodukte festgestellt und zur
Steuerung der Produktionsparameter verwendet werden und/oder
daß fehlerhafte Vorprodukte ausgesondert werden.
17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
einen elektromagnetischen Anregungsstrahl (9) zur Erzeugung eines Einzelwärmepulses oder einer Pulsfolge auf der Oberfläche eines Prüfkörpers oder Referenzprobe (1) und einen halbdurchlässigen Spiegel (10) im Strahlengang des Anregungsstrahls (9), der die von der Probenoberfläche reflektierte Strahlung (11) und die gleich zeitig induzierte Wärmestrahlung (11) auf einen Strahlungssensor (12) lenkt, dessen Signal mittels Elektronik (7) aufbereitet und zwecks Auswertung der Meßwerte an einen Rechner (8) angeschlossen ist und
ein Pyrometer (2), vorzugsweise eine Hochgeschwindigkeitspyrome ter, welches einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel (3), einen Chopper (5) und eine Meßstrahlungsquelle (4) enthält, deren Strah lung mittels Umlenkspiegel (3) gegen die Probe (1) gerichtet ist, dergestalt daß die reflektierte Strahlung mit dem Sensor 6 detektiert, mit der Elektronik (7) aufbereitet und dem Rechner (8) ausgewertet wird.
einen elektromagnetischen Anregungsstrahl (9) zur Erzeugung eines Einzelwärmepulses oder einer Pulsfolge auf der Oberfläche eines Prüfkörpers oder Referenzprobe (1) und einen halbdurchlässigen Spiegel (10) im Strahlengang des Anregungsstrahls (9), der die von der Probenoberfläche reflektierte Strahlung (11) und die gleich zeitig induzierte Wärmestrahlung (11) auf einen Strahlungssensor (12) lenkt, dessen Signal mittels Elektronik (7) aufbereitet und zwecks Auswertung der Meßwerte an einen Rechner (8) angeschlossen ist und
ein Pyrometer (2), vorzugsweise eine Hochgeschwindigkeitspyrome ter, welches einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel (3), einen Chopper (5) und eine Meßstrahlungsquelle (4) enthält, deren Strah lung mittels Umlenkspiegel (3) gegen die Probe (1) gerichtet ist, dergestalt daß die reflektierte Strahlung mit dem Sensor 6 detektiert, mit der Elektronik (7) aufbereitet und dem Rechner (8) ausgewertet wird.
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem
Anspruch 17,
gekennzeichnet durch
ein Pyrometer (14), das unter einem Neigungs-Winkel zur Probeno
berfläche (1) angeordnet ist, und das die von der Probenoberflä
che reflektierte Strahlung (15) und die induzierte Wärmestrahlung
(15) detektiert, und dessen Signal mittels Elektronik (7) aufberei
tet und zwecks Auswertung der Meßwerte an einen Rechner (8)
angeschlossen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeich
net, daß sich der Prüfkörper in einer heizbaren Kammer (13) mit
wählbarer Atmosphäre und Vakuum befindet.
20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An
sprüchen 1 bis 9,
gekennzeichnet durch
eine drehbare Heizvorrichtung (3), vorzugsweise als Heizplatte ausgebildet, auf die der Prüfkörper (1) und die Referenzprobe (2) montiert werden, deren Temperatur mittels kontaktierender Sensoren (4) gemessen wird und die auf dieselbe Temperatur abge glichen werden und
das Pyrometer (5), vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeitspyrome ter, das die von den Oberflächen der Proben (1) und (2) ausgehende Infrarotstrahlung nacheinander detektiert, mittels Elektronik (6) aufbereitet und mittels Rechner (7) auswertet und
das Pyrometer (8), welches die reflektierte elektromagnetische Strahlung (9), vorzugsweise einer Entladungslampe, detektiert und mittels Elektronik (6) aufbereitet und Rechner (7) auswertet.
eine drehbare Heizvorrichtung (3), vorzugsweise als Heizplatte ausgebildet, auf die der Prüfkörper (1) und die Referenzprobe (2) montiert werden, deren Temperatur mittels kontaktierender Sensoren (4) gemessen wird und die auf dieselbe Temperatur abge glichen werden und
das Pyrometer (5), vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeitspyrome ter, das die von den Oberflächen der Proben (1) und (2) ausgehende Infrarotstrahlung nacheinander detektiert, mittels Elektronik (6) aufbereitet und mittels Rechner (7) auswertet und
das Pyrometer (8), welches die reflektierte elektromagnetische Strahlung (9), vorzugsweise einer Entladungslampe, detektiert und mittels Elektronik (6) aufbereitet und Rechner (7) auswertet.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pyrometer (5) und (8) sowohl die Infrarotstrahlung als auch die
reflektierte Strahlung (9) detektieren.
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