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Aufbau und Funktion

Das Rohr-Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter RP1000 ist ein kompaktes Tischgerät.
Im oberen Teil des Gerätes befindet sich eine Messkammer, die von oben zugänglich ist. In diese Messkammer wird die Messanordnung von oben eingesetzt.
Die Messanordnung besteht aus einem Prüfrohr mit geregelten Rohrenden, der das Prüfrohr umschließenden Probe und einem um die Probe gewickelten geregelten Prüfmantel, der durch eine Isolierschicht thermisch von der Luft in der Messkammer abgeschirmt ist. Mittels luftgekühlter Peltierelemente kann die Messkammer auf beliebige Temperaturen zwischen 0 °C und 35 °C thermostatisiert werden, so dass Wärmeleitfähigkeitsmessungen für mittlere Probentemperaturen im Bereich von 10 °C bis 40 °C bei einer Temperaturdifferenz der Probenoberflächen von 10 K bis 15 K möglich sind. Unterhalb der Messkammer ist die gesamte Elektronik eingebaut. Die Rechnerplatine mit den Speicherschaltkreisen für die Gerätefirmware ist nach Abnahme einer Verkleidung an der rechten Geräteseite zugänglich, die restliche Elektronik durch Abnahme der Verkleidung an der Geräteunterseite.

Der prinzipielle Aufbau der Messanordnung ist folgender:

Das Prüfrohr besteht aus drei miteinander verbunden dickwandigen Aluminiumrohrabschnitten. Die Dickwandigkeit gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der einzeln geheizten Abschnitte. Um den mittleren Rohrabschnitt, die Messzone, zu den beiden Randzonen thermisch zu isolieren, besteht die mechanische Verbindung über die Spalte im wesentlichen aus dünnwandigen PVC-Rohren.

Die Messzone hat eine Länge von 600 mm, gemessen von Spaltmitte zu Spaltmitte. Die Randbereiche haben eine Länge von jeweils 200 mm und dienen der axialen Abschirmung der Messzone. Zu diesem Zweck befinden sich in den Verbindungsbereichen Thermoelementketten als hochempfindliche Wärmestromsensoren für die Spaltregelung.

Um die Aluminiumrohrabschnitte sind 70 µm dicke Temperaturmess- und Heizfolien und darüber eine ca. 25 µm dicke Schutzschicht angeordnet. Die Heizfolie des mittleren Rohrabschnittes, die Messheizung, führt der Probe die Heizenergie zum Aufbau der gewünschten Kerntemperatur zu, während die beiden äußeren Heizfolien des Prüfrohres so geregelt werden, dass über die beiden Spalte kein axialer Wärmetransport stattfindet. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die gesamte Heizenergie der Messheizung in radialer Richtung durch die Probe fließt.
Die Temperaturmessfolie befindet sich an der Außenseite dieser Anordnung und misst integrierend über die gesamte Messfläche die mittlere Temperatur der Probeninnenseite. Das sichert eine höhere Messgenauigkeit als die bei anderen Geräten übliche nur punktuelle Messung mit Thermoelementen.
Der über die äußere Schutzschicht des Prüfrohres (und des Prüfmantels) entstehende Temperaturabfall von einigen mK wird während der Messung bei der Bestimmung der effektiven Temperaturdifferenz zwischen den Probenoberflächen berücksichtigt und führt somit nicht zu einer Verfälschung des Messergebnisses!

Die zur Störunterdrückung voneinander getrennten Verbindungskabel für die Heizer und Sensoren verlaufen innerhalb des Prüfrohres und werden an einer Seite herausgeführt. Die andere Seite des Prüfrohres erlaubt somit ein Aufstecken der Probe.

Die das Prüfrohr umschließende Probe wird mit dem Prüfmantel umwickelt. Der Prüfmantel ist eine dünne Folie, die auf der Innenseite einen flächenförmigen Temperatursensor zur Messung der Oberflächentemperatur der Probe und auf der Außenseite einen flächenförmigen Heizer enthält und die noch von einer Isolierschicht (ca. 4 mm dicke Matte aus Moosgummi) umschlossen wird. Der Heizer bringt den Prüfmantel auf die gewünschte Manteltemperatur, die 10 K ... 15 K unterhalb der Kerntemperatur liegt.

Um die durch die Heizer erzeugte Wärme radial abzuführen, muss die Temperatur außerhalb dieser Messanordnung noch unterhalb der Prüfmanteltemperatur liegen. Dies wird durch Einbau dieser Messanordnung in die thermostatisierte Messkammer erreicht, in der die jeweils erforderliche Temperatur konstant gehalten wird.
Dieses Prinzip des geregelten Prüfmantels ermöglicht eine präzise Konstanz der gewünschten Messtemperatur und Temperaturdifferenz und somit genaueste Wärmeleitfähigkeitsmessungen.
Die gesamte von der Messheizung des Prüfrohres abgegebene Energie q strömt durch die zu messende Probe radial nach außen und führt zu einer Temperaturdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der Probe, so dass die Wärmeleitfähigkeit aus dieser Temperaturdifferenz ΔJ, der Länge der Messzone L und dem Innen- und Außendurchmesser da bzw. di nach folgender Gleichung bestimmt werden kann:

Mit dem Rohr-Wärmeleitfähigkeitsmessgerät λ-Meter RP1000 können Proben mit einer Länge von 1 m und verschiedenen Innen- bzw. Außendurchmessern gemessen werden. Gemäß dem Innendurchmesser der Probe ist ein Prüfrohr von etwa diesem Durchmesser erforderlich, damit eine luftspaltfreie Ankopplung der Probe an das Prüfrohr möglich ist.

Entsprechend des Außendurchmessers der Probe und damit ihres Umfanges ist ein Prüfmantel einzusetzen, dessen Breite in etwa diesem Umfang entspricht.
Damit ergeben sich die messbaren Probeninnen- und außendurchmesser aus den Abmessungen der vorhandenen Prüfrohre und -mäntel.