TK04 Wärmeleitfähigkeits-Messgerät Überblick Messprinzip Sonden und Proben Messung Auswertung Qualitätskontrolle Spezifikation Ausstattung und Zubehör Anwendungs-Beispiele
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Prinzip der instationären Linienquelle
TK04 verwendet die bewährte Methode der instationären Linienquelle. Dabei wird eine langgestreckte, dünne Heizquelle in Kontakt mit der Probe gebracht und mit konstanter Leistung beheizt, gleichzeitig wird die Temperatur im Inneren der Quelle registriert. Je langsamer die Quellen-Temperatur bei gegebener Heizleistung ansteigt, desto höher ist die Wärmeleitfähigkeit des Probenmaterials.
Halbraum- und Vollraum-Methode
Das Messprinzip wird in zwei Varianten eingesetzt: Beim Vollraum-Verfahren ist die Quelle allseitig vom Probenmaterial umgeben, beim Halbraum-Verfahren befindet sie sich auf der Probenoberfläche und ist daher nur einseitig in Kontakt mit dem Probenmaterial. TK04 ist eines der wenigen Geräte auf dem Markt, das beide Verfahren beherrscht und über entsprechende, auswechselbare Sonden verfügt.
Grundprinzip der analytischen Auswerte-Verfahren TK04 verwendet für die Auswertung ein analytisches Verfahren. Analytische Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit beruhen auf der theoretischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung für eine allseitig von Probenmaterial umgebene linienförmige Heizquelle, die als Differentialgleichung die zeitliche und räumliche Änderung der Temperatur in Heizquelle und Probe beschreibt.
Die Lösung der Wärmeleitungsgleichung liefert eine Formel für den Temperaturanstieg in der Heizquelle, die als Parameter u. a. die Wärmeleitfähigkeit des Probenmaterials enthält. Diese theoretische Kurve wird an die gemessene Temperaturkurve angepasst, und aus den dabei ermittelten Anpassungs-Koeffizienten wird die Wärmeleitfähigkeit berechnet. Da analytische Verfahren absolute Werte liefern, sind im Gegensatz zu empirischen Verfahren keine Referenzstandards oder regelmäßige Kalibriermessungen erforderlich.
Praktische Anwendung Für die praktische Anwendung kommen Näherungslösungen zum Einsatz, deren Genauigkeit u. a. davon abhängt, wie stark die analytische Lösung vereinfacht wurde. Üblich ist eine einfach auszuwertende Näherungsformel, die den Temperaturanstieg in halblogarithmischer Darstellung als linear betrachtet und deren Genauigkeit für nichtwissenschaftliche Anwendungen oft ausreicht.
Neuentwickelte Methode mit erhöhter Genauigkeit TK04 verwendet stattdessen ein neuentwickeltes Verfahren auf Basis einer Näherung höherer Ordnung, das die charakteristische nichtlineare Kurvenform einer realen Temperaturkurve berücksichtigt. Die aufwendigere Auswertung wird durch eine sehr hohe Genauigkeit von ± 2% ausgeglichen. Zusätzlich ermöglicht der Vergleich der Kurvenformen von theoretischem und gemessenem Temperatur-Verlauf die Erkennung typischer Störeffekte (wie mangelhafter Kontakt zwischen Sonde und Probe) bereits aus den Messdaten heraus.
Verbesserungen bei der Auswertung von Halbraum-Messungen Üblicherweise werden Halbraum-Messungen mit demselben Verfahren ausgewertet wie die Vollraum-Messungen. Der berechnete Wärmeleitfähigkeits-Wert wird jedoch verdoppelt, da im Vergleich zu einer Vollraum-Messung die abgegebene Wärmemenge sich nur in einem Halbraum auf einer Seite der Heizquelle ausbreitet, während der andere Halbraum durch einen Sondenkörper aus wärmeisolierendem Material ersetzt ist. Dabei wird vorausgesetzt, dass die gesamte Heizleistung vollständig vom Proben-Halbraum aufgenommen wird.
Da das Sondenmaterial in der Praxis kein idealer thermischer Isolator ist, gelangt jedoch immer ein Teil der abgegebenen Wärmemenge auch in den Sondenkörper. Halbraum-Messungen sind daher mit einem Fehler behaftet, der umso größer wird, je dichter die Wärmeleitfähigkeiten von Sondenkörper und Probenmaterial beieinander liegen. Aus diesem Grund weisen instationäre Halbraum-Messungen systematisch überhöhte Werte im Vergleich zu stationären Messungen auf. Bei einem Sondenmaterial mit 0.18 W/mK ergibt sich bereits bei Wärmeleitfähigkeiten um 1 W/mK ein zusätzlicher systematischer Fehler von ca. +10%. Bisherige Versuche einer nachträglichen Korrektur blieben unbefriedigend, da diese nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit der Probe, sondern auch von den Eigenschaften der einzelnen Sonde abhängt. TK04 korrigiert dagegen unter Berücksichtigung der thermischen Parameter von Sonde und Probe die Heizleistung auf den Betrag, der tatsächlich in die Probe gelangt und gewährleistet damit innerhalb der Messgenauigkeit übereinstimmende Werte von Vollraum- und Halbraum-Messungen.
