WO2004055538A1 - Kalorimetrische messanordnung und kalorimetrisches messverfahren - Google Patents

Kalorimetrische messanordnung und kalorimetrisches messverfahren Download PDF

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Andrea Patter
Ralph Lucke
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    • G01N25/4846—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample

Definitions

  • Inductive components with soft magnetic cores in particular with ferrite cores, are now widely used, in particular in telecommunications and in data technology.
  • the properties of the inductive components depend on both the material and the core shape of the ferrite core.
  • Ferrite cores are used, for example, in broadband transmitters for impedance measurements, as splitters to separate the voice and data channel or as signal pulse transmitters in digital telecommunications networks in which digital or analog signals are transmitted with little distortion.
  • ferrites are not ideal insulators. Therefore, in the operation of the inductive electrical components
  • Magnetic cores made of ferrite occur at high frequencies due to induced eddy currents electrical losses. It is particularly important to characterize ferrite cores based on this power loss.
  • a calorimetric measuring method for determining the power loss of ferrite cores is known from IEC standard 62044.
  • the heat emitted by the ferrite core due to a power loss is transferred to a liquid and the temperature of this liquid compared to the temperature of a
  • Reference liquid determined.
  • the disadvantage of this measurement method is that only relatively large changes in temperature, which can be attributed to large power losses, can be reliably analyzed. Only slight heating of the ferrite cores, which occur due to only low power losses, for example at high frequencies of the exciting alternating voltage, are not possible using this measuring method. reliably analyzable. Furthermore, complex temperature control devices for heating or cooling the liquids are required to maintain defined measurement conditions, so that relatively long measurement cycles result.
  • calorimetric measuring arrangements e.g. for the determination of the heat of combustion of substances known in which both the sample to be measured and an inert sample are present as reference substance on complicated sample carriers. With this measuring arrangement, apart from the complicated structure, only relatively long measuring cycles will be possible.
  • calorimetric measuring arrangement according to claim 1 and a calorimetric measuring method according to claim 6.
  • Advantageous embodiments of the calorimetric measuring arrangement and the measuring method are the subject of dependent claims.
  • a calorimetric measuring arrangement for determining the power loss of a magnetic material
  • a first volume region which is thermally insulated from the environment for receiving the material.
  • a first means for determining the temperature of the material which is thermally coupled to the first volume region via a heat exchanger having a specific heat capacity ⁇ 1.1 JK "1 g " 1 .
  • a second volume region which is thermally insulated from the surroundings and in which there is a second means for determining a reference temperature, the first and the second volume range contain a gas or a gas mixture.
  • the amount of heat released due to the power loss of the magnetic material is transferred particularly quickly and reliably to the first means for determining the temperature of the material, since the heat exchanger has a particularly low specific heat capacity ⁇ 1.1 JK _1 g _1 . Due to this low specific heat capacity, the heat exchanger can transfer even the smallest amounts of heat well to the first means for temperature determination (temperature differences of approximately 0.01 ° C or amounts of heat of 100 ⁇ W), so that very small power losses that cause only very small amounts of heat are detected and can be analyzed. Due to the low specific heat capacity of the heat exchanger, it is still particularly easy to warm this up and cool it down again, so that very fast measuring cycles are possible.
  • the temperature of a gas or gas mixture which is present in the second thermally insulated volume range serves as the reference temperature. Since the gases or gas mixtures also have a very low heat capacity, it is particularly easy to obtain a defined reference temperature.
  • the specific heat capacity C denotes the amount of heat that one gram of any, uniform Material must supply to increase its temperature by a certain temperature difference.
  • the specific heat capacity is given in JK ⁇ g "1 and is usually determined at 25 ° C.
  • the first volume area is surrounded by a metal housing, which is connected in an electrically conductive manner to a power source and a thermally insulating layer is continuously arranged on the outside thereof.
  • the thermally insulating layer can then particularly easily provide insulation from the surroundings.
  • the first means for determining the temperature can comprise a temperature sensor which is arranged in the wall of the metal housing. A particularly good thermal coupling then occurs between the magnetic material and the temperature sensor via the metal housing. Because of the low specific heat capacity of metals, a particularly fast and particularly sensitive temperature transfer is possible.
  • the first means for determining the temperature comprises a temperature sensor which is arranged in the first volume region.
  • thermal coupling then occurs between the sample and the temperature sensor via the gas or gas mixture located in the first volume range.
  • An alternating current source with any signal shape is advantageously used as the current source, with a direct current being superimposed on the alternating current.
  • AC is particularly well able to induce magnetic fields in ferrite cores.
  • the invention further relates to a method for determining the power loss of at least one magnetic material, in which the heat occurring due to the power loss of the material is calorimetrically calibrated via the thermal coupling with a heat exchanger with a specific one
  • Heat capacity of less than 1.1 JK ⁇ 1 g "1 is determined and the power loss is calculated from the heat obtained therefrom.
  • Called measuring arrangement so also with the measuring method according to the invention there is the advantage that, due to the particularly good thermal coupling, particularly small temperature differences and thus particularly low power losses can be reliably analyzed.
  • a gas or a metal can also be used as the heat exchanger.
  • these have particularly low specific heat capacities, so that a particularly fast one
  • Heat transfer is also possible from small amounts of heat.
  • inert gases such as nitrogen or noble gases such as argon can be used as gases.
  • Air can be used particularly advantageously as the gas mixture.
  • the measuring method according to the invention can advantageously include the following method steps: In a method step A), an electric current inducing a magnetic field is applied to the material. This electrical current is particularly advantageously an alternating current. Thereafter, in process step B) the heat occurring due to the power loss of the magnetic material can be determined via the change in temperature of the material and its transfer to the heat exchanger over time. In process step C), the heat loss of the material can then be calculated using the specific heat.
  • the heat released per unit of time can be calculated using the current temperature difference between the magnetic material to be measured and the reference sample, which is a gas or gas mixture. If this heat output W D sc is divided by the effective sample volume V e of the magnetic material, the specific power loss P c of soft magnetic materials is obtained in a particularly simple and advantageous manner according to the following equation:
  • the measuring method according to the invention can be carried out at any temperature below the Curie temperature of the magnetic material.
  • FIG. 1 shows a conventional calorimetric measuring arrangement, for example for determining the heat of combustion of powdered samples in cross section.
  • Figure 2 shows a calorimetric measuring arrangement according to the invention for determining the power loss of magnetic materials in cross section.
  • FIG. 3 shows measurement curves which were determined by means of a measurement arrangement according to the invention during the heating of a ferrite core.
  • FIG. 1 shows a conventional calorimetric measuring arrangement 1, for example for determining the heat of combustion of a powdered sample 10.
  • the sample 10 and, as a reference, an inert sample 15 are located on a sample carrier 30.
  • a first thermal sensor 20 and a second thermal sensor 25 are located on the sample to be measured and on the inert sample 15 for determining the respective temperatures.
  • the sample carrier 30 is thermally insulated from the surroundings by means of the hood 5. Inside the hood there is also a heating coil 35 with a voltage source. This heating coil serves to generate the high temperatures necessary for the combustion of the sample 10.
  • FIG. 2 shows a calorimetric measuring arrangement 2 according to the invention, in which there are two volume regions thermally insulated from one another and from the environment, the first volume region 26 and the second volume region 27.
  • the first volume region 26 contains the ferrite core 60 to be measured and is of one Surround metal housing 40.
  • For thermal insulation there is a thermal insulation layer 45 and a ceramic cover 50 on the outside of the metal housing.
  • a first thermal sensor 20 is arranged in the wall of the metal housing 40.
  • the second volume region 27 is thermally insulated from the surroundings by means of the hood 5 and likewise contains a gas or gas mixture.
  • the temperature of this gas or gas mixture can be set to a reference temperature in a particularly simple manner by means of a thermostat 11. This reference temperature can be determined by means of the second thermal sensor 25.
  • the heat and the power loss of the ferrite core 60 can then be determined from the temperature difference at the second and first thermal sensors.
  • the power loss of the ferrite core can be determined particularly easily and particularly sensitively.
  • small power losses cannot be determined so reliably since a liquid is used here as the heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a heating of a ferrite core measured by means of the measuring arrangement shown in FIG. 2 when an AC voltage is applied.
  • An AC voltage with a frequency of 100 kHz was applied 4 times for 4 minutes each.
  • the measurement curve shows the warming up and the subsequent cooling of the component after the electrical pulse.
  • the right ordinate axis shows the temperature of the building elements, while the left ordinate axis shows the heat released due to the temperature change of the component. Using the above formula, the heat loss of the component can be calculated from this heat.
  • the invention is not limited to the measuring arrangement shown here. Further variations are possible, for example, by means of the arrangement of the thermally insulated first and second volume regions relative to one another. It is thus also possible to define a second volume area which, unlike that shown in FIG. 2, does not enclose the first volume area.

Abstract

Es wird eine besonders einfache kalorimetrischen Meßanordnung (2) zur Bestimmung der Verlustleistung eines magnetischen Werkstoffes (60) vorgeschlagen. Die Meßanordnung umfaßt einen ersten gegenüber der Umgebung thermisch isolierten Volumenbereich (26), der den Werkstoff (60) enthält. Die während des Anlegens einer Wechselspannung an den Werkstoff (60) freiwerdende Verlustwärme wird dabei über einen Wärmeüberträger (40), der eine spezifische Wärmekapazität < 1,1 J K-1g-1 aufweist auf einen ersten Temperatursensor (20) übertragen. Als Referenztemperatur dient die Temperatur eines Gases oder Gasgemisches in einem zweiten isolierten Volumenbereich (27), die mittels eines zweiten Thermosensors (25) bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Kalorimetrische Meßanordnung und kalorimetrisches Meßverfahren
Induktive Bauelemente mit weichmagnetischen Kernen, insbesondere mit Ferritkernen werden heutzutage weit verbreitet insbesondere in der Telekommunikation und in der Datentechnik eingesetzt. Die Eigenschaften der induktiven Bauelemente sind dabei sowohl vom Material als auch von der Kernform des Ferritkerns abhängig.
Ferritkerne werden beispielsweise in Breitbandüberträgern für Impedanzmessungen, als Splitter zur Trennung des Sprach- und Datenkanals oder als Signal-Impulsüberträger in digitalen Telekommunikationsnetzen eingesetzt, in denen digitale oder analoge Signale verzerrungsarm übertragen werden.
Ferrite sind allerdings keine idealen Isolatoren. Daher kön- nen im Betrieb der induktiven elektrischen Bauelemente mit
Magnetkernen aus Ferrit bei hohen Frequenzen aufgrund von induzierten Wirbelströmungen elektrische Verluste auftreten. Dabei ist es besonders wichtig, Ferritkerne anhand dieser Verlustleistung zu charakterisieren.
Aus der IEC-Norm 62044 ist ein kalorimetrisches Meßverfahren zur Bestimmung der Verlustleistung von Ferritkernen bekannt. Dabei wird die aufgrund einer Verlustleistung vom Ferritkern abgegebene Wärme auf eine Flüssigkeit übertragen und die Tem- peratur dieser Flüssigkeit im Vergleich zur Temperatur einer
Referenzflüssigkeit bestimmt . Der Nachteil dieser Meßmethode besteht darin, daß nur relativ große Temperaturänderungen, die auf große Verlustleistungen zurückzuführen sind, zuverlässig analysiert werden können. Nur geringe Erwärmungen der Ferritkerne, die aufgrund nur geringer Verlustleistungen beispielsweise bei hohen Frequenzen der anregenden Wechselspannung auftreten, sind mittels dieses Meßverfahrens nicht zu- verlässig analysierbar. Weiterhin werden zum Aufrechterhalten von definierten Meßbedingungen aufwendige Temperatur- Regelungseinrichtungen zum Aufheizen beziehungsweise zum Abkühlen der Flüssigkeiten benötigt, so daß relativ lange Meß- zyklen resultieren.
Weiterhin sind kalorimetrische Meßanordnungen, z.B. zur Bestimmung der Verbrennungswärme von Substanzen bekannt, bei denen auf kompliziert aufgebauten Probenträgern sowohl die zu messende Probe als auch eine Inertprobe als Referenzsubstanz vorhanden sind. Auch bei dieser Meßanordnung werden abgesehen vom komplizierten Aufbau nur relativ lange Meßzyklen möglich sein.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kalorimetrische Meßanordnung und ein kalorimetrisches Meßverfahren zur Verfügung zu stellen, das eine Analyse auch kleiner Temperaturänderungen erlaubt, wobei relativ schnelle Meßzyklen möglich sind.
Diese Aufgabe wird durch eine kalorimetrische Meßanordnung nach Anspruch 1 und ein kalorimetrisches Meßverfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der kalorimetrischen Meßanordnung und des Meßverfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einer erfindungsgemäßen kalorimetrischen Meßanordnung zur Bestimmung der Verlustleistung eines magnetischen Werkstoffes ist ein gegenüber der Umgebung thermisch isolierter erster Volumenbereich zur Aufnahme des Werkstoffes vorhanden. Weiterhin ist ein erstes Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Werkstoffes vorhanden, das thermisch mit dem ersten Volumenbereich über einen Wärmeübertr ger gekoppelt ist, der eine spezifische Wärmekapazität < 1,1 J K"1g"1 aufweist. Weiterhin ist ein gegenüber der Umgebung thermisch isolierter zweiter Volumenbereich vorhanden, in dem ein zweites Mittel zur Bestimmung einer Referenztemperatur vorhanden ist, wobei der erste und der zweite Volumenbereich ein Gas oder ein Gasgemisch enthalten.
Bei einer erfindungsgemäßen kalorimetrischen Meßanordnung wird die aufgrund der Verlustleistung des magnetischen Werkstoffes freigesetzte Wärmemenge besonders schnell und zuverlässig auf das erste Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Werkstoffes übertragen, da der Wärmeüberträger eine besonders niedrige spezifische Wärmekapazität < 1,1 J K_1g_1 aufweist. Aufgrund dieser niedrigen spezifischen Wärmekapazität kann der Wärmeüberträger auch geringste Wärmemengen gut weiter auf das erste Mittel zur Temperaturbestimmung übertragen (Temperaturunterschiede von etwa 0,01 °C oder Wärmemengen von 100 μW) , so daß sehr kleine Verlustleistungen die nur sehr kleine Wärmemengen verursachen, nachgewiesen und analysiert werden können. Aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität des Wärmeübertr gers ist es weiterhin besonders einfach möglich diesen schnell aufzuwärmen und wieder abzukühlen, so daß sehr schnelle Meßzyklen möglich sind. Als Referenztemperatur dient dabei die Temperatur eines Gases oder Gasgemisches das im zweiten thermisch isolierten Volumenbereich vorhanden ist. Da auch die Gase oder Gasgemische eine sehr geringe Wärmekapazität aufweisen, ist es so besonders einfach möglich eine definierte Referenztemperatur zu erhalten.
Herkömmliche kalorimetrische Meßanordnungen bestimmen häufig als Referenz die von Inertproben freigesetzten Wärmemengen, was einen wesentlich komplizierteren Meßaufbau benötigt (siehe beispielsweise Figur 1) . Aufgrund der niedrigen Wärmekapa- zität des Gases oder Gasgemisches im zweiten Volumenbereich ist es weiterhin sehr einfach und schnell möglich eine gewünschte Referenztemperatur einzustellen, so daß auch aufgrund dieses Merkmals der erfindungsgemäßen kalorimetrischen Meßanordnung sehr schnelle Meßzyklen möglich sind.
Die spezifische Wärmekapazität C bezeichnet dabei diejenige Wärmemenge, die man 1 Gramm eines beliebigen, einheitlichen Stoffes zuführen muß, um seine Temperatur um eine bestimmte Temperaturdifferenz zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität wird in J K^g"1 angegeben und wird in der Regel bei 25 °C bestimmt .
Bei einer vorteilhaften Variante einer erfindungsgemäßen kalorimetrischen Meßanordnung ist der erste Volumenbereich von einem Metallgehäuse umgeben, das elektrisch leitend mit einer Stromquelle verbunden ist und auf dessen Außenseite durchge- hend eine thermisch isolierende Schicht angeordnet ist.
Bei einer derartigen Meßanordnung ist es besonders einfach möglich, an dem Metallgehäuse einen elektrischen Strom anzulegen, beispielsweise einen Wechselstrom, der ein Magnetfeld induzieren kann, wobei dieser Strom aufgrund der symmetrischen, zylindrischen Gestalt des Metallgehäuses ein besonders homogenes Magnetfeld in dem im Metallgehäuse befindlichen Werkstoff induziert. Auf der Außenseite des Metallgehäuses kann dann besonders einfach die thermisch isolierende Schicht für eine Isolierung gegenüber der Umgebung sorgen.
In einer weiteren Ausgestaltung dieser Meßanordnung kann das erste Mittel zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor umfassen, der in der Wand des Metallgehäuses angeord- net ist. Dann tritt eine besonders gute thermische Kopplung zwischen dem magnetischen Werkstoff und dem Temperatursensor über das Metallgehäuse auf. Aufgrund der geringen spezifischen Wärmekapazität von Metallen ist dann eine besonders schnelle und besonders empfindliche Temperaturübertragung möglich.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, daß das erste Mittel zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor umfaßt, der im ersten Volumenbereich angeordnet ist. In diesem Fall tritt dann eine Wärmekopplung zwischen der Probe und dem Temperatursensor über das im ersten Volumenbereich befindliche Gas beziehungsweise Gasgemisch auf. Da auch Gase eine niedrige spezifische Wärmekapazität aufweisen ist auch in diesem Fall eine besonders schnelle und zuverlässige Wärmekopplung zum Temperatursensor möglich.
Als Stromquelle wird vorteilhafterweise eine Wechselstrom- quelle mit beliebiger Signalform verwendet, wobei dem Wechselstrom ein Gleichstrom überlagert sein kann. Wechselstrom ist besonders gut in der Lage magnetische Felder in Ferritkernen zu induzieren.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Verlustleistung von zumindest einem magnetischen Werkstoff, bei dem die aufgrund der Verlustleistung des Werkstoffs auftretende Wärme kalorimetrisch über die thermische Kopplung mit einem Wärmeüberträger mit einer spezifischen
Wärmekapazität von kleiner 1,1 J K~1g"1 bestimmt wird und aus der daraus erhaltenden Wärme die Verlustleistung berechnet wird.
Wie bereits oben bei der erfindungsgemäßen kalorimetrischen
Meßanordnung genannt, so besteht auch beim erfindungsgemäßen Meßverfahren der Vorteil darin, daß aufgrund der besonders guten thermischen Kopplung besonders kleine Temperaturunterschiede und damit auch besonders geringe Verlustleistungen zuverlässig analysiert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren kann weiterhin als Wärmeüberträger ein Gas oder ein Metall verwendet werden. Diese haben, wie bereits oben genannt besonders geringe spe- zifische Wärmekapazitäten, so daß eine besonders schnelle
Wärmeübertragung auch von geringen Wärmemengen möglich ist. Als Gase lassen sich beispielsweise Inertgase wie Stickstoff, oder Edelgase wie Argon einsetzen. Als Gasgemisch kann dabei besonders vorteilhaft Luft eingesetzt werden.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Meßverfahren vorteilhafterweise die folgenden Verfahrensschritte umfassen: In einem Verfahrensschritt A) wird an dem Werkstoff ein, ein magnetisches Feld induzierender elektrischer Strom angelegt. Dieser elektrische Strom ist besonders vorteilhaft ein Wechselstrom. Danach kann im Verfahrensschritt B) die aufgrund der Verlustleistung des magnetischen Werkstoffs auftretende Wärme über die Temperaturänderung des Werkstoffs und deren Übertragung auf den Wärmeüberträger über die Zeit bestimmt werden. Im Verfahrensschritt C) kann anschließend über die bestimmte Wärme die Verlustleistung des Werkstoffs berechnet werden.
Im Verfahrensschritt C) kann dabei über die aktuelle Temperaturdifferenz zwischen dem zu messenden magnetischen Werkstoff und der Referenzprobe, die ein Gas oder Gasgemisch ist, die pro Zeiteinheit freigesetzte Wärme berechnet werden. Wird diese Wärmeleistung WDsc durch das effektive Probenvolumen Ve des magnetischen Werkstoff dividiert, so ergibt sich besonders einfach und vorteilhaft die spezifische Verlustleistung Pc von weichmagnetischen Werkstoffen gemäß folgender Glei- chung :
p -W∞c. in /m 3 V * e
Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann dabei bei beliebigen Temperaturen unterhalb der Curietemperatur des magnetischen Werkstoffes durchgeführt werden.
Im folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand von nicht maßstabsgetreuen Figuren und Ausführungsbeispielen näher er- läutert werden.
Figur 1 zeigt eine herkömmliche kalorimetrische Meßanordnung, beispielsweise zur Bestimmung der Verbrennungswärme von pulverförmigen Proben im Quer- schnitt. Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße kalorimetrischen Meßanordnung zur Bestimmung der Verlustleistung von magnetischen Werkstoffen im Querschnitt.
Figur 3 zeigt Meßkurven, die mittels einer erfindungsgemäßen Meßanordnung während der Erwärmung eines Ferritkerns bestimmt wurden.
In Figur 1 ist eine herkömmliche kalorimetrische Meßanordnung 1, beispielsweise zur Bestimmung der Verbrennungswärme einer pulverförmigen Probe 10 dargestellt. Dabei befinden sich die Probe 10 sowie als Referenz eine Inertprobe 15 auf einem Probenträger 30. An der zu messenden Probe und an der Inertprobe 15 liegen ein erster Thermosensor 20 und ein zweiter Thermo- sensor 25 zur Bestimmung der jeweiligen Temperaturen an. Der Probenträger 30 ist dabei mittels der Haube 5 von der Umgebung thermisch isoliert . Im Inneren der Haube befindet sich weiterhin eine Heizwendel 35 mit Spannungsquelle. Diese Heizwendel dient dazu, die für die Verbrennung der Probe 10 nöti- gen hohen Temperaturen zu erzeugen. Wie bereits oben genannt ist es bei diesen herkömmlichen kalorimetrischen Meßanordnungen nötig, zur Bestimmung eines Referenzwertes eine Inertprobe bereitzustellen, die ebenfalls erhitzt, beziehungsweise abgekühlt werden muß, was einen erheblichen Aufwand darstellt und den Meßzyklus erheblich verlangsamt. Diese Inertprobe muß dabei häufig ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen, wie die zu messende Probe.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße kalorimetrische Meßanord- nung 2, bei der zwei gegeneinander und von der Umgebung thermisch isolierte Volumenbereiche vorhanden sind, der erste Volumenbereich 26 und der zweite Volumenbereich 27. Der erste Volumenbereich 26 enthält dabei den zu messenden Ferritkern 60 und ist von einem Metallgehäuse 40 umgeben. Zur thermi- sehen Isolierung befindet sich auf der Außenseite des Metall - gehäuses eine Wärmedämmschicht 45 sowie ein Keramikdeckel 50. Bei dieser Anordnung ist es besonders einfach möglich, das Metallgehäuse mit einer Wechselspannungsquelle 55 elektrisch leitend zu verbinden, so daß ein, ein magnetisches Feld induzierender Strom besonders leicht am Ferritkern 60 angelegt werden kann. In der Wand des Metallgehäuses 40 ist dabei ein erster Thermosensor 20 angeordnet. Dieser kann besonders einfach aufgrund der guten Wärmekopplung über das Metallgehäuse 40 die beim Anlegen eines Wechselstroms freiwerdende Wärme aufgrund der Verlustleistung bestimmen. Möglich wäre es auch, den ersten Thermosensor 20 direkt im ersten Volumenbereich anzuordnen, wobei in diesem Fall eine Wärmekopplung über das im ersten Volumenbereich 26 befindliche Gas beziehungsweise Gasgemisch erfolgen würde. Der zweite Volumenbereich 27 wird dabei mittels der Haube 5 thermisch von der Umgebung isoliert und enthält ebenfalls ein Gas beziehungsweise Gasgemisch. Die Temperatur dieses Gases beziehungsweise Gasgemisches kann dabei besonders einfach mittels eines Thermostats 11 auf eine Referenztemperatur eingestellt werden. Diese Referenztemperatur kann mittels des zweiten Thermosensors 25 bestimmt werden. Über die am zweiten und ersten Thermosensor anliegende Temperaturdifferenz kann dann die Wärme und daraus die Verlustleistung des Ferritkerns 60 bestimmt werden. Da als Wärmeüberträger im Falle der Referenztemperatur nur Gase dienen und im Falle der vom Ferritkern 60 freigesetzten Energie entweder Metalle oder Gase, kann besonders einfach und besonders empfindlich die Verlustleistung des Ferritkerns bestimmt werden. Bei den herkömmlichen kalorimetrischen Meßverfahren zur Bestimmung der Verlustleistung können kleine Verlustleistungen nicht so zuverlässig bestimmt werden, da hier als Wärmeüberträger eine Flüssigkeit verwendet wird.
Figur 3 zeigt eine mittels der in Figur 2 gezeigten Meßanordnung gemessene Erwärmung eines Ferritkerns beim Anlegen einer WechselSpannung. Dabei wurde 4 -mal für jeweils 4 Minuten eine WechselSpannung mit einer Frequenz von 100 kHz angelegt. Die Meßkurve zeigt dabei jeweils die Aufwärmung und das anschließende Abkühlen des Bauelements nach dem elektrischen Impuls. Die rechte Ordinatenachse zeigt dabei die Temperatur des Bau- elements, während die linke Ordinatenachse die aufgrund der Temperaturänderung des Bauelements freigesetzte Wärme zeigt. Mittels der oben genannten Formel läßt sich aus dieser Wärme die Verlustleistung des Bauelements berechnen.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellte Meßanordnung. Weitere Variationen sind beispielsweise mittels der relativen Anordnung der thermisch isolierten ersten und zweiten Volumenbereiche zueinander möglich. So ist es auch möglich einen zweiten Volumenbereich zu definieren, der anders als in Figur 2 gezeigt nicht den ersten Volumenbereich umschließt .

Claims

Patentansprüche
1. Kalorimetrische Meßanordnung zur Bestimmung der Verlustleistung eines magnetischen Werkstoffes - bei der ein gegenüber der Umgebung thermisch isolierter erster Volumenbereich zur Aufnahme des Werkstoffes vorhanden ist, bei der ein erstes Mittel zur Bestimmung einer Temperatur vorhanden ist, das thermisch mit dem ersten Volumenbereich über einen Wärmeüberträger gekoppelt ist, der eine spezifische Wärmekapazität < 1,1 J K"1g"1 aufweist, bei der ein gegenüber der Umgebung thermisch isolierter zweiter Volumenbereich vorhanden ist, in dem ein zweites Mittel zur Bestimmung einer Referenztemperatur vorhanden ist, wobei der erste und zweite Volumenbereich jeweils ein Gas oder Gasgemisch enthält .
2. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - bei der der erste Volumenbereich von einem Metallgehäuse umgeben ist, das elektrisch leitend mit einer Stromquelle verbunden ist.
3. Meßanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch 2 , - bei der auf der Außenseite des Metallgehäuses durchgehend eine thermisch isolierende Schicht angeordnet ist.
4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3 , - bei der das erste Mittel zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor umfaßt, der in der Wand des Metallgehäuses angeordnet ist.
5. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, bei der das erste Mittel zur Bestimmung der Temperatur einen Temperatursensor umfaßt, der im ersten Volumenbereich angeordnet ist .
6. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, bei der die Stromquelle eine Wechselstromquelle mit beliebiger Signalform ist.
7. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5 , bei der die Stromquelle eine Wechselstromquelle ist, die mit einem Gleichstrom überlagerbar ist .
8. Verfahren zur Bestimmung der Verlustleistung von zumindest einem magnetischen Werkstoff bei dem die aufgrund der Verlustleistung des Werkstoffs auftretende Wärme kalorimetrisch über die thermische Kopplung mit einem Wärmeüberträger mit einer spezifischen Wär- mekapazität von < 1,1 J K^g"1 bestimmt und daraus die Verlustleistung berechnet wird.
9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem als Wärmeüberträger ein Gas oder ein Metall ver- wendet wird.
10.Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9 mit den Verfahrensschritten:
A) an dem Werkstoff wird ein, ein magnetisches Feld induzie- render elektrischer Strom angelegt,
B) danach wird die auftretende Wärme über die Temperaturänderung des Werkstoffs über die Zeit bestimmt und
C) anschließend wird über die bestimmte Wärme die Verlustleistung des Werkstoffs berechnet .
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem im Verfahrensschritt A) ein Wechselstrom angelegt wird.
PCT/DE2003/004003 2002-12-18 2003-12-05 Kalorimetrische messanordnung und kalorimetrisches messverfahren WO2004055538A1 (de)

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