Bedienungsanleitung. SolidTherm. Messgerät für Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Feststoffen.

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1 Bedienungsanleitung SolidTherm Messgerät für Wärme- und Temperaturleitfähigkeit von Feststoffen Version: Copyright

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Allgemeine Hinweise Sicherheitshinweise Anwendungsbereich Komponenten des Messsystems Messprinzip und Grundlagen Messumgebung und Messablauf Berechnung Wärmeleitfähigkeit Berechnung Temperaturleitfähigkeit Messung Inbetriebnahme des Messsystems Messvorbereitungen Temperaturgleichgewicht im Messsystem Wärmeübergang zwischen Sonde und Probe Probenmaterial Durchführung einer Messung Mit Messgerät verbinden Temperaturausgleich beobachten Messung starten Messung auswerten Simulation Technische Daten...19 I

3 Einleitung 1 Einleitung 1.1 Allgemeine Hinweise Bitte lesen Sie die Bedienungsanleitung sorgfältig durch. Nichtbeachtung von Empfehlungen der Bedienungsanleitung kann zu falschen Messergebnissen oder Beschädigungen am Messsystem führen. Bei Fragen kontaktieren Sie bitte: info@geotec-instruments.com Das Messsystem SolidTherm besteht aus dem Messgerät, einer oder mehrerer anschließbarer Stab-Messsonden und der PC-Software zur Steuerung des Messvorgangs. Haftungsausschluss Es wird keine Garantie für die Richtigkeit der Informationen übernommen, die sich auf technische Eigenschaften sowie die hier vorliegende Dokumentation beziehen. Das in dieser Bedienungsanleitung beschriebene Produkt und dessen Zubehör unterliegen einer ständigen Verbesserung und Weiterentwicklung. Aus diesem Grund wird das Recht vorbehalten, Komponenten, Zubehör, technische Spezifikationen sowie die hier vorliegende Dokumentation des Produkts ohne vorherige Ankündigung jederzeit zu ändern. GeoTec Prof. Dr. G. Buntebarth, 2015 GeoTec Geophysikalisch-Technisches Büro für Labor- und Geländeuntersuchungen Prof. Dr. Günter Buntebarth Burgstätter Str. 6 D Clausthal-Zellerfeld Telefon: / info@geotec-instruments.com Seite 1

4 Anwendungsbereich 1.3 Anwendungsbereich Das Messsystem SolidTherm dient der Messung von Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit von festen Materialien. Es wurde für die Ermittlung mittlerer thermischer Leitfähigkeiten (siehe Tabelle 1) entwickelt und eignet sich insbesondere für inhomogene Stoffe, wie Gesteine oder Bau- und Feuerfeststoffe in einem Temperaturbereich zwischen -10 C und +50 C. Messgröße Messbereich für Temperaturen von -10 C bis 50 C Wärmeleitfähigkeit (WLF) K= 0, ,00 Temperaturleitfähigkeit (TLF) κ= 0, ,50 [ ] W m K [ m s ] Tabelle 1: Messbereiche. Zur Vermessung muss ein passgenaues Loch in die Materialprobe gebohrt werden, damit die Stab-Messsonde des Messgerätes eingeführt werden kann. Die Probe muss eine Mindestgröße aufweisen, wie sie in Abbildung 1 dargestellt ist. Während der zweiminütigen Messung wird der Sensorbereich der Messsonde leicht aufgeheizt, so dass sie sich um ca. 0,8 bis 1,4 C erwärmt. Währenddessen erfasst ein präziser Temperaturfühler die gemittelte Temperatur über den gesamten Sensorbereich der Sonde. Messsonden anderer Hersteller verfügen in der Regel nur über eine punktförmige Temperaturerfassung, weshalb sich diese nur für die Vermessung homogener, leicht bearbeitbarer Materialien eignen. Mit seiner flächigen Temperaturerfassung lassen Abbildung 1: Mindestmaße der zu vermessenden Materialprobe. Seite 3

5 Anwendungsbereich sich mit SolidTherm hingegen insbesondere auch inhomogene, grobkörnige und poröse Materialien messen, wie z.b. Gesteine. Der Messvorgang wird von einem angeschlossenen PC oder Laptop-Computer (nicht im Lieferumfang enthalten) gesteuert. Die mitgelieferte Messsoftware (für Microsoft Windows XP oder höher) berechnet über die numerische Lösung der Wärmeleitungsgleichung für den gemessenen Temperaturverlauf die Wärmeleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit der Probe. Wegen der Temperaturempfindlichkeit des Messsystems ist während der Messung auf eine möglichst hohe Konstanz der Umgebungstemperatur zu achten. Daher ist SolidTherm für den Einsatz in Laboren und Betriebsgebäuden vorgesehen. Seite 4

6 Komponenten des Messsystems 1.4 Komponenten des Messsystems Das Messsystem SolidTherm besteht aus einem Messgerät, einer Stab-Messsonde, einem USB-Kabel zur Verbindung zwischen Messgerät und Computer sowie der Messsoftware (siehe Abbildung 2). Die Bedienelemente des Messgerätes werden in Abbildung 3 erläutert. Abbildung 2: Komponenten des Messsystems. Abbildung 3: Bedienelemente am Messgerät. Zu der Temperaturanzeige (Abbildung 3, Nr. 3) ist eine gesonderte Bedienungsanleitung im Lieferumfang enthalten. Änderungen an den Einstellungen werden jedoch nicht empfohlen. Seite 5

7 3.3.2 Durchführung einer Messung Temperaturausgleich beobachten Drücken Sie nun den Button Temperaturbeobachtung Starten, um sich die aktuelle Temperatur der Messsonde in der Messdatenanzeige anzeigen zu lassen. In diesem Modus wird fortlaufend der Temperaturverlauf der letzten 2 Minuten angezeigt. Ein farbiger Balken (siehe Abbildung 6) zeigt Ihnen die durchschnittliche Steigung (Temperaturgradient) der letzten 20 Messwerte an. Je nach Steigung, wechselt er die Farbe von Rot (hohe Steigung) über Orange nach Grün (vernachlässigbare Steigung). Der Balken soll Ihnen dabei helfen, schnell und unkompliziert beurteilen zu können, ob die Probentemperatur (in Sondennähe) bereits ausgeglichen ist. Der Temperaturausgleich ist erreicht, wenn über die gesamte Anzeige keine Tendenz des Temperaturverlaufs mehr zu erkennen ist sowie der Temperaturgradient-Balken grün ist und in seiner Steigung gleichmäßig zwischen Steigen und Fallen wechselt Messung starten Stellen Sie nun die Heizleistung Q im entsprechenden Eingabefeld ein. Sie ist so zu wählen, dass bei der nachfolgenden Messung eine Temperaturerhöhung von 0,8 bis 1,4 C erzielt wird. Dieser Zielbereich ist in der Messdatenanzeige der Software als grüner Bereich markiert (siehe Abbildung 7). Warnung: Messsonde nicht überhitzen! Wird die Messsonde während einer Messung (Heizung aktiv) nicht ausreichend gekühlt, kann sie durch Überhitzung beschädigt werden. Starten Sie keine Messung, wenn sich die Messsonde außerhalb einer Probe befindet! Wenn die Temperatur während einer Messung eine Erwärmung von 1,4 C übersteigt, beenden Sie die Messung unverzüglich, indem Sie am Messgerät die Taste Heizung Aus drücken bis die Betriebsanzeige Heizung erlischt! (siehe Abbildung 3, Nr. 5 und 6) Nach Eingabe einer Heizleistung, drücken Sie den Button Messung Starten. Das Messgerät startet nun den Messvorgang, indem es zunächst die Grundtemperatur Tg als Mittelwert über 5 Sekunden bildet. Daraufhin wird die Messsondenheizung mit der eingegebenen Heizleistung gestartet. Am Messgerät leuchtet die Betriebsanzeige der Heizung auf (siehe Abbildung 3, Nr. 6). Die Messung wird automatisch nach 120 Sekunden beendet. Sollten Sie bereits während der Messung erkennen, dass die gewählte Heizleistung zu niedrig oder zu hoch ist, beenden Sie die Messung, indem Sie am Messgerät die Taste Heizung Aus (Abbildung 3, Nr.5) drücken bis die Betriebsanzeige Heizung Seite 15

8 Durchführung einer Messung (Abbildung 3, Nr.6) erlischt. Sie können nun die Heizleistung Q im entsprechenden Eingabefeld anpassen. Warten Sie mit dem erneuten Start der Messung allerdings, bis die Temperatur im Inneren der Probe wieder ausgeglichen ist. Den Temperaturausgleich können Sie über den Button Temperaturbeobachtung Starten kontrollieren (siehe Kapitel Temperaturausgleich beobachten). Bei Bedarf können Sie nach Abschluss der Messung die gemessenen Daten mit dem Button Messdaten Speichern als Datentabelle im Format.CSV speichern. Die gespeicherten Messdaten können Sie später in der Programmfunktion Messung Auswerten oder in gängigen Tabellenkalkulationsprogrammen öffnen. Mit dem Button Messung Auswerten können Sie nun die Auswertung starten. Abbildung 7: Messsoftware SolidTherm, Messung. Warnung: Nach Messung Messsonde nicht in Probe stecken lassen! Steht die Messsonde längere Zeit (mehrere Tage) in wässriger Umgebung, so kann die Verbindungsstelle am unteren Sensorbereich elektrochemisch angegriffen werden. Dadurch kann die Messsonde unbrauchbar werden. Seite 16

9 3.3.4 Durchführung einer Messung Messung auswerten Nach Aufruf der Programmfunktion Messung Auswerten erscheint der in Abbildung 8 dargestellte Bildschirm. Er besteht aus dem Auswahl- und Infobereich der auszuwertenden Messdaten sowie der Ergebnisanzeige in der rechten Bildhälfte. Wenn Sie gerade eine erfolgreiche Messung durchgeführt haben, ist der Bereich Messdaten bereits ausgefüllt und sie können die Auswertung direkt über den Button Auswertung Starten beginnen. Wenn Sie die Programmfunktion direkt aufgerufen haben, können Sie über den Button Auswählen... eine zuvor gespeicherte Messdatendatei (Format.CSV ) öffnen. Beginnen Sie die Auswertung mit dem Button Auswertung Starten. In der Ergebnisanzeige erscheint nun im oberen Bereich das Auswertungsergebnis für die Wärmeleitfähigkeit der Probe K_probe. Im Anschluss startet die Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit, die im Diagrammfenster verfolgt werden kann. Wurde die beste Übereinstimmung der blauen Messkurve mit der (grünen, nach Beendigung roten) Berechnungskurve gefunden, endet die Auswertung. Das Auswertungsergebnis für die Temperaturleitfähigkeit der Probe wird im Anzeigefeld kappa_probe angezeigt. Optional kann die Berechnung der Temperaturleitfähigkeit auch mit einem frei wählbaren Wert für die Wärmeleitfähigkeit durchgeführt werden. Schalten Sie hierfür im Feld Wärmeleitfähigkeit auf die Option Wert Vorgeben um und geben Sie einen Wert in das Eingabefeld K_probe ein. Starten Sie dann die Auswertung. Abbildung 8: Messsoftware SolidTherm, Messung Auswerten. Seite 17

10 Durchführung einer Messung Für die repräsentative Ermittlung der thermischen Leitfähigkeiten eines Probenmaterials empfiehlt es sich (mindestens) drei Messungen durchzuführen und im Anschluss an die Auswertungen die Mittelwerte der thermischen Leitfähigkeiten zu berechnen. Hinweis: Zwischen Einzelmessungen einer Probe Messsondenposition wechseln Der Wärmeübergang zwischen Messsonde und Probenwand variiert immer ein wenig mit der Position der Sonde in der Probe. Für einen repräsentativen Durchschnittswert sollte die Messsonde daher zwischen den Einzelmessungen aus der Probe gezogen und ein wenig weitergedreht wieder hineingesteckt werden. 3.4 Simulation Mit der optionalen Programmfunktion Simulation können Sie den räumlichen (T(r)) und zeitlichen Temperaturverlauf (Th(t)) für frei wählbare Materialwerte simulieren (siehe Abbildung 9). Füllen Sie sämtliche Eingabefelder (Probeneigenschaften, Versuchsparameter) aus, wählen Sie die gewünschte Anzeigeform des Simulationsergebnis und beginnen Sie die Simulation mit Simulation Starten. In der Anzeigeform T(r) markiert eine blaue Linie die Grenze zwischen der Messsonde und der Probe. Abbildung 9: Messsoftware SolidTherm, Simulation. Seite 18

11 Technische Daten 4 Technische Daten Messbereich Wärmeleitfähigkeit 0, ,00 [ ] Temperaturleitfähigkeit 0, ,50 [ Genauigkeit Wärmeleitfähigkeit Temperaturleitfähigkeit Temperaturbereich ± 5 ± W m K m s ] [ %] [ %] [ C] Messgerät Spannungsversorgung 230 Leistungsaufnahme 30 [ VAC ] ± 10 % [ W] 50 [ Hz ] Systemanforderungen der Messsoftware Betriebssystem Microsoft Windows 8 / 7 / Vista / XP Prozessor mind. Arbeitsspeicher mind. Speicherplatz GHz 512 MB 600 MB (abhängig von bereits installierten Systemkomponenten) Seite 19