[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

DE10206045B4 - Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit - Google Patents

Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit Download PDF

Info

Publication number
DE10206045B4
DE10206045B4 DE10206045A DE10206045A DE10206045B4 DE 10206045 B4 DE10206045 B4 DE 10206045B4 DE 10206045 A DE10206045 A DE 10206045A DE 10206045 A DE10206045 A DE 10206045A DE 10206045 B4 DE10206045 B4 DE 10206045B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
thermal conductivity
quasi
wire
heater
metal strip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE10206045A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10206045A1 (de
Inventor
Ulf Dr. Hammerschmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bundesrepublik Deutschland Vertr D D Bundesmin
Original Assignee
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR D D BUNDESMINISTERIUM fur WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE
Bundesrepublik Deutschland
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR D D BUNDESMINISTERIUM fur WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE, Bundesrepublik Deutschland, Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie filed Critical BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND VERTR D D BUNDESMINISTERIUM fur WIRTSCHAFT und TECHNOLOGIE
Priority to DE10206045A priority Critical patent/DE10206045B4/de
Publication of DE10206045A1 publication Critical patent/DE10206045A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10206045B4 publication Critical patent/DE10206045B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Ein quasistationäres Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ von Feststoffen, Fluiden und Schüttgütern, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannter konstanter Heizleistung eines eingebetteten Drahtes oder Metallstreifens das elektrische Differenzsignal ΔU = U1(t) – U2(t) zweier eingebetteter Temperatursensoren (U1(t) ∝ T1(t) und U2(t) ∝ T2(t)), die im Abstand r1 und r2 vom Draht oder Metallstreifen angeordnet sind, gebildet wird, um daraus die Messgröße entsprechend der Gleichung

Description

  • Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit (WLF) von Feststoffen, Fluiden und Schüttgütern.
  • Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
  • Die Wärmeleitfähigkeit λ wird prinzipiell indirekt bestimmt aus dem Temperaturanstieg der Probe ΔT(x, y, z, t), den ein Wärmestrom bekannter Stärke Φ hervorruft. Man benötigt also generell eine Wärmequelle und eine Wärmesenke sowie ein oder mehrere Thermometer. Die Quelle erzeugt den Wärmestrom, der auf dem Weg zur Senke durch die Probe fließt. Dort messen Thermometer den Temperaturanstieg orts- oder zeitabhängig. Im ersten Fall spricht man von einer stationären, im zweiten von einer instationären oder transienten Messung. Den funktionalen Zusammenhang zwischen Φ und ΔT zur Ermittlung von λ liefert je nach Verfahrensklasse das erste oder zweite Fouriersche Gesetz.
  • Stationäre WLF-Messgeräte messen den Temperaturanstieg der Probe ortsabhängig an mindestens zwei Stellen. Hierbei muss im Stapel aus Hauptheizung (Quelle), Probe und Kühlplatte (Senke) thermisches Gleichgewicht herrschen. Diese Randbedingung wird mit Hilfe diverser Schutzheizungen vorher eingestellt und aufrecht erhalten. Alle fünf Geräte-Komponenten (Hauptheizung, Probe, Kühlplatte, Schutzheizungen, Thermometer) müssen präzise Bauformen aufweisen und exakt aufeinander abgestimmte Temperaturen zeigen, um die Vorgaben des mathematischen Modells zu erfüllen. Stationäre Geräte benötigen einen hohen technischen Aufwand, was sie ausgesprochen teuer in der Anschaffung macht. Auch im Betrieb verursachen sie hohe Kosten wegen ihres großen Bedienungsaufwandes über stundenlange Einstellzeiten. Sie benötigen ferner vergleichsweise große Proben, deren Temperierung entsprechend aufwändig ist.
  • Transiente WLF-Messgeräte messen den Temperaturanstieg der Probe zeitabhängig zumeist an einem Ort. Als Quelle wirkt ein Joulescher Heizer, der in der Mitte der Probe eingebettet ist und dort gleichzeitig als (Widerstands-)Thermometer dient. Die Senke wird von der Probe verkörpert. Somit sind hier nur zwei statt der fünf Komponenten bei stationären Geräten erforderlich. Als Heizer-Thermometer dient ein langer dünner Draht (vergl. Transient-Hot-Wire-/THW-Verfahren) oder Metallstreifen (vergl. Transient-Strip-/THS-Verfahren). Aufgeheizt mit einem stufenförmigen elektrischen Strom der Stärke I erfährt dieser aktive Sensor eine zeitliche Temperaturzunahme ΔT(t) = T(t) – T0 gegenüber der homogenen Anfangstemperatur T0. Die beschriebene Temperaturänderung wird als Anstieg der am Sensor abfallenden elektrischen Spannung ΔU(t) = U(t) – U0 gemessen. Trägt man das Signal ΔU(t) über einer logarithmischen Zeitachse, ln t, auf, so lässt sich es sich in einem mittleren Intervall linearisieren. Die Steigung der Geraden ist dabei ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Transiente Verfahren zeichnen sich durch einen geringen technischen Aufwand und kurze Messzeiten aus. Nachteilig auf die Messunsicherheit wirken sich indes die inneren und äußeren Randbedingungen des Verfahrens aus: Das System verliert stetig einen Teil der vorgegebenen Jouleschen Wärme, die, am inneren Rand des Systems, zur Eigenerwärmung des Heizers benötigt wird und am äußeren Rand, d. h. der Oberfläche der Probe, an die Umgebung abfließt.
  • Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur schnellen, genauen, zuverlässigen und wirtschaftlichen Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs gelöst, dass weder rein stationär noch rein transient, also quasistationär abläuft. Als Heizer kommt ein Draht oder ein Metallstreifen entsprechend den bekannten THW- bzw. THS-Verfahren zum Einsatz. Der zeitliche Temperaturanstieg der Probe auf eine bekannte stufenförmige Änderung des Heizstroms I wird an mindestens zwei geeignet angeordneten Messstellen T1(r →1, t) und T2(r →2, t) in Form der beiden elektrischen Signale ΔU1(t) und ΔU2(t) simultan aufgezeichnet. Wie bei stationären Verfahren üblich, wird das Differenzsignal ΔT = T1 – T2 entsprechend ΔU = U1 – U2 gebildet. Es ist nach einer Einschwingphase praktisch zeitunabhängig, auch bei einer rein zeitlichen Änderung der äußeren Randbedingungen. Seine (konstante) Amplitude ist bei bekannter Geometrie der Thermometer und des eingebetteten Jouleschen Heizers sowie bekannter Heizleistung gleich der gesuchten Wärmeleitfähigkeit.
  • Das zeit- und ortsabhängige Temperaturfeld des Heizers erhält man entsprechend seiner Gestalt als Draht („D") oder Streifen („S") für dimensionslose Zeiten τ = r/√4at >> 1 in sehr guter Näherung zu:
    Figure 00030001
  • Das Differenzsignal ΔU = U1(r1, t) – U2(r2, t) (für zwei Thermometer im Abstand r1 bzw. r2 vom Heizer) lautet in beiden Fällen:
    Figure 00040001
  • Hierin sind:
  • a
    Temperaturleitfähigkeit
    C
    exp(γ), γ = 0,5337...: Eulersche Zahl
    I
    elektrische Stromstärke
    L
    Länge des Heizers
    R
    elektrischer Widerstand
    r
    Ortskoordinate
    D
    Breite des Streifens
    t
    Zeit
    T0
    homogene Anfangstemperatur
    TR(t)
    zeitlich-veränderliche Temperatur aufgrund der äußeren Randbedingungen
    U0
    Spannungsabfall am Draht oder Streifen zum Zeitpunkt t = 0
    ΔU
    Spannungsdifferenz
    Φ
    Wärmestrom Φ = U0I
    α
    Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands
    τ
    dimensionslose Zeit
  • Das Differenzsignal wird entweder analog mit einem Differenzverstärker oder, besser, digital von einem angeschlossenen Rechner gebildet, der auch die beiden Datensätze [U1(t)] und [U2(t)] simultan erfasst.
  • Nach der Einschwingphase, die bis τ >> 1 andauert, ist das Differenzsignal ΔU(t) insbesondere zeitinvariant und unabhängig von rein zeitlichen Änderungen der äußeren Randbedingungen. Es ist ein direktes Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Die Skale des Instruments kann in Einheiten der Wärmeleitfähigkeit W(m K)–1 kalibriert werden, so dass der Messwert (nach der Einschwingzeit) direkt angezeigt wird:
    Figure 00040002
  • Offensichtlich bieten sich drei Minimal-Ausführungen zur Realisierung der Heizer-Thermometer-Kombination an:
    • 1. ein Heizer-Thermometer (aktiver Sensor) und ein Thermometer (passiver Sensor)
    • 2. ein Heizer und zwei Thermometer (passiver Sensor)
    • 3. zwei Heizer-Thermometer (aktive Sensoren)
  • Aktive Sensoren sind Metalldrähte oder -streifen, die gleichzeitig als Joulesche Wärmequelle und Widerstandsthermometer wirken. Passive Sensoren wirken nur als Thermometer. Sie können beispielsweise Platin-Drähte, Widerstandsthermometer, Thermoelemente oder Heißleiter sein. Zwei Metallstreifen von gleicher Länge L, aber verschiedenen Breiten D1 und D2, können auch als aktive Sensoren eingesetzt werden, wenn sie denselben elektrischen Widerstand R = ρL/(ν·D) haben. Das lässt sich entweder durch entsprechend angepasste Dicken ν erreichen oder durch sogenannte „Heizfolien". Letztere bestehen aus einer mäanderförmigen Struktur aus Metall, die zwischen zwei Isolierfolien eingeklebt ist. Die Metallmäander der beiden Streifen sind so ausgebildet, dass sie bei gleicher äußerer Breite eine entsprechend angepasste Leiterbahnbreite haben.

Claims (1)

  1. Ein quasistationäres Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit λ von Feststoffen, Fluiden und Schüttgütern, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannter konstanter Heizleistung eines eingebetteten Drahtes oder Metallstreifens das elektrische Differenzsignal ΔU = U1(t) – U2(t) zweier eingebetteter Temperatursensoren (U1(t) ∝ T1(t) und U2(t) ∝ T2(t)), die im Abstand r1 und r2 vom Draht oder Metallstreifen angeordnet sind, gebildet wird, um daraus die Messgröße entsprechend der Gleichung
    Figure 00060001
    zu bestimmen.
DE10206045A 2002-02-14 2002-02-14 Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit Expired - Lifetime DE10206045B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10206045A DE10206045B4 (de) 2002-02-14 2002-02-14 Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10206045A DE10206045B4 (de) 2002-02-14 2002-02-14 Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10206045A1 DE10206045A1 (de) 2003-09-11
DE10206045B4 true DE10206045B4 (de) 2006-12-14

Family

ID=27740220

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10206045A Expired - Lifetime DE10206045B4 (de) 2002-02-14 2002-02-14 Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10206045B4 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012020147B3 (de) * 2012-10-15 2014-01-30 Bundesrepublik Deutschland, endvertreten durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Verfahren zur Bestimmung einer thermischen Transportgröße und Thermotransportgrößen-Messanordnung

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10344154B4 (de) * 2003-09-22 2006-08-03 Bundesrepublik Deutschland, vertr. d. d. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertr. d. d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der volumetrischen spezifischen Wärme von Stoffen
DE102008020471B4 (de) * 2008-04-23 2009-12-24 Bundesrepublik Deutschland, vertr.d.d. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, d.vertr.d.d. Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Verfahren zum Messen einer thermischen Transportgröße einer Probe
DE102016207942A1 (de) 2016-05-09 2017-11-09 Volkswagen Aktiengesellschaft Vorrichtung zum Aufnehmen eines Werkstücks, Roboter sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung oder des Roboters
RU2749642C1 (ru) * 2020-11-23 2021-06-16 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Абсолютный способ дифференциально-сканирующей кондуктометрии разнородных твердых материалов

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2513342A1 (de) * 1975-03-26 1976-10-07 D I Wolfgang Borkowetz Verfahren und vorrichtung zur absoluten bestimmung der waermeleitfaehigkeit und der spezifischen waerme
US4259859A (en) * 1979-05-03 1981-04-07 Yoshihiro Iida Method for determination of thermal properties by arbitrary heating
DE3822164A1 (de) * 1988-06-30 1990-01-11 Com Ges Fuer Computerorientier Waermestromsensor
US4933887A (en) * 1985-05-10 1990-06-12 Budapesti Muszaki Egyetem Process and apparatus for the determination of thermo-physical properties
JPH05119003A (ja) * 1991-10-23 1993-05-14 Snow Brand Milk Prod Co Ltd 温度伝導率の計測方法
US6331075B1 (en) * 1998-05-01 2001-12-18 Administrator, National Aeronautics And Space Administration Device and method for measuring thermal conductivity of thin films

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2513342A1 (de) * 1975-03-26 1976-10-07 D I Wolfgang Borkowetz Verfahren und vorrichtung zur absoluten bestimmung der waermeleitfaehigkeit und der spezifischen waerme
US4259859A (en) * 1979-05-03 1981-04-07 Yoshihiro Iida Method for determination of thermal properties by arbitrary heating
US4933887A (en) * 1985-05-10 1990-06-12 Budapesti Muszaki Egyetem Process and apparatus for the determination of thermo-physical properties
DE3822164A1 (de) * 1988-06-30 1990-01-11 Com Ges Fuer Computerorientier Waermestromsensor
JPH05119003A (ja) * 1991-10-23 1993-05-14 Snow Brand Milk Prod Co Ltd 温度伝導率の計測方法
US6331075B1 (en) * 1998-05-01 2001-12-18 Administrator, National Aeronautics And Space Administration Device and method for measuring thermal conductivity of thin films

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Patent Abstracts of Japan & JP 05119003 A *
Patent Abstracts of Japan: JP 05-119 003 A

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012020147B3 (de) * 2012-10-15 2014-01-30 Bundesrepublik Deutschland, endvertreten durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Verfahren zur Bestimmung einer thermischen Transportgröße und Thermotransportgrößen-Messanordnung

Also Published As

Publication number Publication date
DE10206045A1 (de) 2003-09-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004022206B4 (de) Sensor und Sensoranordnung zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe
EP3551981B1 (de) Verfahren zur in situ kalibrierung eines thermometers
EP3818348B1 (de) Thermometer mit diagnosefunktion
DE102004062655B4 (de) Verfahren zum Korrigieren einer durch eine elektrische Spannungsmessung indirekt durchgeführten elektrischen Strommessung
EP1568980B1 (de) Temperaturmessfühler
DE10206045B4 (de) Quasistationäres Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit
WO2021083871A1 (de) Nicht invasives thermometer
EP2215442B1 (de) Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung der temperatur
DE102017120684A1 (de) Zustandsüberwachung eines Temperatursensors
EP3729009B1 (de) Thermischer strömungssensor zum bestimmen der temperatur und der strömungsgeschwindigkeit eines strömenden messmediums
DE102015201155B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturerfassung
EP3455595B1 (de) Thermischer durchflusssensor
DE102015121866A1 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Flussrate bzw. Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums
DE10323827B4 (de) Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe
DE1943748A1 (de) Heiz- und Temperaturmessgeraet
EP4078121B1 (de) Thermometer mit kompensationsfunktion
DE443217C (de) Vorrichtung zur Messung von Temperaturen mit Hilfe eines Thermoelements
DE1959048C3 (de) Verfahren zur Messung der Enthalpie feuchter Luft und Schaltungsanordnung zur Ausführung des Verfahrens
DE10344154B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der volumetrischen spezifischen Wärme von Stoffen
DE102015001710B4 (de) Transportgrößen-Messvorrichtung, Sensor dafür und Verfahren zum Messen einer thermischen Transportgröße
DE102016210936A1 (de) Gassensor
CH296378A (de) Gerät zur elektrischen Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten.
WO2021047883A1 (de) Thermometer
WO2020001875A1 (de) Temperatur-kalibrator
DE102011076339A1 (de) Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND, VERTR. D. D. BUNDESMIN

8363 Opposition against the patent
8365 Fully valid after opposition proceedings
R071 Expiry of right