26.09.2006
Im August 2005 ist das erste auf der Grundlage eines PTB-Patentes hergestellte Wärmeleitfähigkeitsmessgerät auf den europäischen Markt gekommen. Es bietet bei einer mit herkömmlichen Geräten vergleichbaren Messunsicherheit stark verkürzte Messzeiten, eine vereinfachte Probenpräparation und, wegen des unkomplizierten Aufbaus, einen günstigeres Preis-Leistungsverhältnis.
Das "Arbeitspferd" zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Feststoffen ist das Zweiplattengerät für stationäre Messungen. Zwischen der mittigen Heizplatte und der unteren bzw. oberen Kühlplatte befinden sich die beiden möglichst gleichartigen Proben (typische Abmessungen: 500 mm x 500 mm x 50 mm). Schutzheizungen sorgen für quasi-adiabatische Randbedingungen des Stapels aus Platten und Proben. Im stationären Zustand erfolgt die eigentliche Messung.
Wie ein "Arbeitspferd" liefert das Zweiplattengerät zuverlässige Messwerte mit hinreichender Messunsicherheit. Wegen der stationären Arbeitsweise werden indes acht bis zwölf Stunden für einen Messwert benötigt. Wegen seines komplizierten Aufbaus aus den zahlreichen, aufeinander abzustimmenden Heizungen ist es außerdem sehr kostspielig in der Anschaffung. Transient, also zeitabhängig arbeitende Messgeräte für die Wärmeleitfähigkeit sind kleiner, erheblich schneller und wegen des einfachen Aufbaus vergleichsweise günstig.
Ausgehend vom transienten Heizdrahtverfahren, dem Standard für Fluide, wurde mit dem Heizbrückenverfahren (transient-hot-bridge, THB) die Grundlage für ein präzises Schnellmessgerät für Feststoffe entwickelt. Seine Schlüsselkomponente ist der mehrfach patentierte Sensor (Bild 1). Zwischen Kaptonfolien sind vier mäandrisierte Heizstreifen als Messbrücke abgelegt. Die asymmetrische Querteilung jedes Streifens und deren unterschiedliche gegenseitige Abstände ermöglichen in Verbindung mit der Brückenschaltung die wirkungsvolle Kompensation aller wesentlichen systematischen Messabweichungen. Erste Abschätzungen der Messunsicherheit des Verfahrens ergaben bessere Werte als beim Plattenverfahren.
Bild 1: Wärmeleitfähigkeitssensor nach dem transient-hot-bridge (THB-) Verfahren (Leiterbahnen: dunkel)
Zur Messung wird der THB-Sensor einfach zwischen zwei quaderförmige Probenhälften (je 20 mm x 40 mm x 100 mm) gelegt. Von einer Konstantstromquelle gespeist, zeigt ein Digitalvoltmeter den Temperaturanstieg des Sensors an, der das Maß für die Wärmeleitfähigkeit ist. Ein PC steuert die nur einige Minuten dauernde Messung und liefert nach kurzer Auswertung das Messergebnis, also den Messwert einschließlich seiner Unsicherheit.
Das inzwischen auch international vorgestellte THB-Verfahren ist in Lizenz an einen Messgerätehersteller abgegeben worden. Dieser entwickelt zusammen mit der PTB ein marktreifes Messgerät, zunächst für die Wärmeleitfähigkeit. Danach sollen zwei weitere thermophysikalische Messgrößen implementiert werden, die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärme. Hierzu stehen von der PTB bereits patentierte Verfahren bereit.
Ansprechpartner:
Ulf Hammerschmidt, FB 1.7, AG 1.74, ulf.hammerschmidt@ptb.de