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Aufbau und Funktion des Gerätes

Das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e ist ein Messgerät auf Basis eines Embedded-PCs zur Durchführung von Absolutwertmessungen nach dem Einplattenverfahren gemäß ISO 8302, DIN EN 1946-2, DIN EN 12667, ASTM C177 (DIN 52612). Das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e misst die Probendicke d der eingelegten Probe, die Temperaturdifferenz ΔT über die Probe und der dem Wärmestrom Q äquivalenten elektrischen Leistung der Messheizung P (= U ⋅ I) und bestimmt mit der definierten Messfläche A gemäß der eindimensionalen, stationären Wärmeleitung die Wärmeleitfähigkeit wie folgt:

Es ist kein Wärmestrommessplattengerät und es hat somit prinzipbedingt auch eine höhere Genauigkeit als diese sonst meist angebotenen Geräte. Es ist so langzeitstabil, dass auch nach vielen Jahren keine Kalibrierung erforderlich ist.

Die Nutzung moderner Technologien bei der Gestaltung der Messplatten ermöglicht auf die sonst unerlässliche Messkammer zu verzichten und sichert so ein einfaches Handling beim Messen.

Das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e erfordert keine thermostatisierte Messumgebung, benötigt nur Netzanschluss und ist in jedem beliebigen Arbeitsraum nutzbar. Es ist kaum lauter als ein PC und entwickelt wenig Wärme.

Eine intelligente Steuerung ermittelt für jede Messaufgabe die optimalen Prozessparameter und gewährleistet so minimale Messzeiten.

Das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e ist ein kompaktes Tischgerät.

Bild 1 - Aufbau λ-Meter EP500e

Die untere und die mittlere Baugruppe enthalten die Messplatten. Diese sind konzentrisch aufgebaut. Kernstück sind bis zu 40 mm dicke Alu-Körper, die zur Erzielung einer einheitlichen Temperatur computeroptimiert wurden. Mittels luftgekühlter Hochleistungs-Peltier-Module können diese Platten je nach Geräteversion und Messregime auf beliebige Temperaturen zwischen -15°C und 65°C thermostatisiert werden, so dass Wärmeleitfähigkeitsmessungen für mittlere Probentemperaturen im Bereich von -10°C bis 50°C bei einer Temperaturdifferenz der Messplatten von 5 K bis 15 K möglich sind. Die Temperaturmessung an beiden Probenseiten erfolgt im Gegensatz zu üblichen konventionellen Geräten nicht punktuell mit Thermoelementen, sondern über die gesamte Messfläche integrierend und gewährleistet so eine hohe Messgenauigkeit auch bei inhomogenen Proben.

Die günstigste Probenabmessung sind Platten in der Größe 500 x 500 mm². Die eigentliche Messzone des Gerätes liegt in der Mitte der Probe und hat je nach Geräteversion eine unterschiedliche Größe (z. B. 200 x 200 mm²). Somit wird bei einer Probenabmessung von 500 x 500 mm² die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Materials bestimmt, das innerhalb dieser Messzone liegt. Das sich daran anschließende äußere Material geht nicht in das Messergebnis ein. Es ist aber erforderlich, damit die thermischen Bedingungen geschaffen werden können, die innerhalb der Messzone ein eindimensionales stationäres Temperaturfeld sichern.

Die obere Baugruppe enthält die gesamte Elektronik, den elektrischen Hubzylinder für das Verfahren der mittleren Baugruppe und die Weg- und Druckmesseinrichtung zur Bestimmung der Probendicke und des Anpressdruckes sowie die Anzeige- und Bedienelemente. Hervorzuheben ist das sehr einfache Handling. Mit dem elektrischen Hubmechanismus, bedienbar mittels der beiden Taster auf der Frontplatte, wird die obere Messplatte soweit angehoben, dass die Probe eingelegt werden kann. Um das zu erleichtern, ist das Gerät seitlich offen. Beim Absenken der oberen Messplatte erfolgt kurz vor dem Aufsetzen auf die Probe ein Umschalten auf einen Schleichgang - ausgelöst durch das Aufsetzen des vorn rechts aus der oberen Messplatte herausstehenden Stiftes bzw. der daran gekoppelten Lichtschranke - um eine präzise Dickenmessung zu sichern und Beschädigungen auszuschließen. Der Antrieb wird automatisch gestoppt, wenn die Druckmesseinrichtung das Erreichen des voreingestellten Prüfdrucks signalisiert. Damit entspricht die Dickenmessung den Normen DIN 18164 bzw. DIN 18165, die eine bestimmte flächenhafte Beanspruchung der Probe (Prüfdruck von 0,05 ... 2,5 kN/m²) für die Messung der Probendicke vorschreiben.

Aufbau und Funktion der Messplatten - thermische Verhältnisse in der Probe
bei einer λ10-Messung

Bei einer Einplattenapparatur muss die Messheizung einseitig durch eine Gegenheizplatte thermisch so abgeschirmt werden, dass die zugeführte Energie vollständig durch die zu messende Probe fließt. Beim Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e werden mittels einer äußerst empfindlichen Wärmeflussplatte auch minimalste resultierende Wärmeströme zwischen Messheizung und Gegenheizplatte erfasst, was eine präzisere Kompensation als durch die punktuelle Messung z. B. mit Thermoelementen ermöglicht. Auch für die Unterbindung von Querwärmeströmen zwischen Messfläche und Schutzheizring wurde eine besonders effiziente und exakte technische Lösung gefunden. Der Schutzheizring wird nicht, wie vielfach üblich, durch eine Differenztemperaturmessung mit einigen wenigen Thermoelementen beidseitig des Spaltes gesteuert, sondern es werden über 100 Thermoelemente gleichverteilt über den Spalt der Messfläche angeordnet und zu einer Thermoelementkette zusammengefasst. Sie detektieren selbst kleinste Querwärmeströme, die dann mittels des inneren Schutzheizringes ausgeregelt werden können. Dieser Schutzheizring wird von einem weiterem Schutzheizring und dieser noch von einem Kühl- bzw. Temperierring umschlossen. Wärmeflüsse zwischen diesen Ringen werden mit Thermoelementketten (Wärmestromsensoren) erfasst. An definierten Punkten werden die Absoluttemperaturen gemessen. Aus diesen Daten, dem programmierten Messregime, der Probendicke und der Raumtemperatur berechnet das Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e das in der Probe vorliegende Temperaturfeld und daraus die Stellgrößen für die Schutzheizringe und den Kühl- bzw. Temperierring.

Bild 2 - konventionelles Temperaturfeld eines Plattengerätes

Die in der gemessenen Probe vorliegenden thermischen Verhältnisse sollen die beiden Prinzipdarstellungen (Bild 2 und Bild 3) der Temperaturfelder für λ10-Messungen einer 120 mm dicken Probe mit zwei unterschiedlichen, aber gemäß ISO 8302 ausgeführten Plattengeräten veranschaulichen. Dem Temperaturfeld, das sich bei einer konventionell aufgebauten Plattenapparatur gemäß ISO 8302, Punkt 2.1.3., Abb. 5-a einstellt (Bild 2) ist ein Temperaturfeld gegenübergestellt, das beim vorliegenden Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e erzeugt wird (Bild 3) und das dem entspricht, das entsteht, wenn der Aufbau gemäß ISO 8302, Punkt 2.1.3., Abb. 5-c um einen weiteren Heizring und einen zusätzlichen Kühlring erweitert wird.

Man erkennt, dass bei der einen Anordnung (siehe Bild 2) ein eindimensionales stationäres Temperaturfeld nur dann vorliegt, wenn die Temperatur an den Randstirnflächen der Probe etwa der mittleren Probentemperatur entspricht. Bei der Anordnung des λ-Meter EP500e (siehe Bild 3) wird durch die Heiz- und Kühlflächen auf beiden Seiten der Probe ein solches Temperaturfeld erzeugt, das im Bereich der Mess- und Schutzheizzone unabhängig von der Temperatur der Randstirnfläche (Raumtemperatur) ebenfalls eindimensional und stationär ist.

Bild 3 - beispielhaftes Temperaturfeld des λ-Meter EP500e

Beim vorliegenden Geräteaufbau des Wärmeleitfähigkeitsmessgerätes λ-Meter EP500e (guarded hot plate apparatus) gemäß ISO 8302, Punkt 2.1.3., Abb. 5‑c  wird bei einer λ10-Messung somit die Randzone der Probe von beiden Seiten so abgekühlt, dass sich eine erhöhte Randstirnflächentemperatur (Raumtemperatur) nicht ins Innere der Probe ausbreiten kann. Innerhalb der für das Gerät angegebenen Bereiche der Messtemperatur und der Probendicke wird so für den Bereich der Mess- und Schutzheizzone ein exakt eindimensionales, stationäres Temperaturfeld erzeugt. Eine thermostatisierte Messkammer ist dazu nicht erforderlich!

Der zusätzliche Kühlring wirkt als „Feuchtefalle“. Eindringende Luftfeuchte und etwaige Feuchte im Randbereich der Probe schlägt sich am Kühlring nieder und kann somit das Messergebnis nicht verfälschen. Zusätzlich verringert sich dadurch die Messzeit – beides ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen Plattengeräten (guarded hot plate apparatus).

Eine intelligente Steuerung ermittelt für jede Messaufgabe die optimalen Prozessparameter und gewährleistet so minimale Messzeiten. Deshalb ist das  Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter EP500e in jedem beliebigen Arbeitsraum nutzbar und erfordert keine thermostatisierte Messumgebung.