Grundlagen der Wärmeleitfähigkeitsmessung

Stationäre vs. instationäre Verfahren

Grundsätzlich unterscheidet man bei der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit zwischen den stationären und den instationären Messverfahren.

Die stationären Messmethoden sind prinzipiell einfacher, da sie von einem konstanten Temperaturprofil ausgehen, während beim instationären Verfahren zusätzlich noch das sich ändernde Temperaturfeld vorhanden ist. Dafür ist die instationäre Messmethode schneller und die Messergebnisse sind darüber frei von Einflüssen durch Konvektion.

Einfluss durch Konvektion beim stationären Verfahren

Eine Abschätzung von POLTZ verdeutlicht, wie gravierend das Problem der Wärmeleitung durch Konvektion beim stationären Verfahren ist: für Toluol reicht bereits eine mittlere vertikale Strömungsgeschwindigkeit von nur 0,01 mm/min aus, um die effektive Wärmeleitfähigkeit durch freie Konvektion um 1 % zu verfälschen. Hiernach scheint es POLTZ experimentell kaum durchführbar, mit dem stationären Verfahren bei großen Schichtdicken Messwerte zu bekommen, die keinen merklichen Konvektionsanteil enthalten. Darüber hinaus ist ebenso eine erzwungene Konvektion, z.B. durch Vibration der Messapparatur, unbedingt auszuschließen.

Wärmeleitfähigkeitsmessung mittels LAMBDA

Das LAMBDA der flucon fluid control GmbH weist die Vorzüge des instationären Hitzdrahtverfahrens auf und bietet dem Anwender zwei entscheidende Vorteile: es garantiert kurze Messzeiten (ca. 60 s) und der Einfluss von Konvektion auf das Messergebnis wird vermieden. Der Konvektionseinfluss wird hauptsächlich dadurch verhindert, dass die Messung insbesondere durch die rechnergestützte Auswertung in extrem kurzen Zeiträumen (800 ms) abläuft.

Der Hitzdraht des LAMBDA dient als Wärmequelle und Messwertaufnehmer zu­gleich; er wird zur Erwärmung von einem konstanten Messstrom durchflossen, wodurch sich in Abhängigkeit von der Wärmeleitfä­higkeit des ihn umgebenden Mediums sein ohmscher Widerstand erhöht. Die über dem Messdraht abfallende Spannungsänderung ist somit ein Maß für die Temperaturänderung des Drahtes und damit auch ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Messmediums.