Verfahren zur Herstellung zeitlich konstanter oder mit konstanter Geschwindigkeit veränderlicher Temperaturen in einem Behälter
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung zeitlich konstanter oder mit konstanter Geschwindigkeit veränderlicher Temperaturen in einem Behälter. Der Temperaturbereich reicht vorteilhaft von -150 bis +180 C.
Zur Feststellung der Temperatur-Abhängigkeit der viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren ist es erforderlich, bei dicht benachbarten Temperaturen innerhalb eines grossen Temperaturbereiches, beispielsweise von -150 bis + 1800 C oder umgekehrt Messungen durchzuführen. Im erstgenannten Fall kann dies dadurch geschehen, dass man den Prüfkörper in ein Gefäss bringt, dessen Temperatur durch Einleiten von verdampfender flüssiger Luft auf etwa -190 bis 1800 C abgekühlt wurde. Wenn man dieses Gefäss bei Raumtemperatur stehen lässt, dann wird sich darin auch laufend die Temperatur erhöhen. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstieges kann durch Wahl der Wärmeisolierschicht und der Wärmekapazität des Gefässes beeinflusst werden.
Während dieses Temperaturanstieges kann man laufend z. B. das Torsions-Schwingungsverhalten messen. Eine entsprechende Anordnung zur Durchführung dieser Messung finder sich in dem DIN-Blatt 53 445 vom September 1959 auf Seite 2, rechte Spalte.
Nach Erreichen der Raumtemperatur setzt man die Temperierung mit Hilfe eines Flüssigkeits-Umwälz-Thermostates fort. Aus den so ermittelten viskoelastischen Eigenschaften kann man wichtige Rückschlüsse auf den molekularen Aufbau, die Kristallisa tionsfähigkeit usw. ziehen.
Bislang bereitete die Einstellung der gewünschten Temperatur innerhalb eines grossen Temperatur-Intervalles jedoch grosse Schwierigkeiten. Man kann zwar - wie schon erwähnt - die Prüfkammer zunächst einmal mittels flüssiger Luft bis auf etwa -18 C abkühlen und dann die Messungen beginnen.
Der Temperaturanstieg im Innern der Prüfkammer erfolgt aber nicht mit konstanter Geschwindigkeit.
Zunächst wird die Temperatur sehr schnell zunehmen, aber dann asymptotisch der Raumtemperatur, wie aus Fig. 1 für Zeiten grösser als 180 min (ausgezogene Kurve) ersichtlich. (In. Fig. 1 gibt die ausgezogene Kurve den zeitlichen Temperaturverlauf bei einer Kühlung eines Temperiergefässes von 20 auf 1480 C und den anschliessenden Temperaturanstieg wieder.) Nun hängt aber das viskoelastische Verhalten insbesondere kristallisierender Polymerer davon ab, mit welcher Geschwindigkeit die Temperatur variiert wird.
Um jederzeit reproduzierbare Werte zu erhalten, ist es erforderlich, den Temperaturanstieg so zu regeln, dass er innerhalb des gesamten zu durchfahrenden Temperatur-Intervalls z. B. 1" C/Min. beträgt.
Graphisch lässt sich eine solche Zeit-Temperatur Abhängigkeit als Gerade darstellen, wie dies in Fig 1 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Dies ist das sogenannte lineare Temperatur-Zeit-Programm. Aber auch bei diesem Verfahren ist kein konstanter Temperaturanstieg bis 200 C gewährleistet, weil oberhalb -25"C (Punkt P in Fig. 1) die Wärmeisolation und die Wäremekapazität des Temperiergefässes allein den weiteren Anstieg der Temperatur bestimmen. Die oberhalb 200 C übliche Verwendung eines Flüssigkeits-Umwälz-Thermostaten bringt die bekannten Schwierigkeiten von Zwei Stoff-Systemen hinsichtlich der notwendigen Reinigung beim Übergang von Flüssigkeit auf Kaltluft mit sich. Darüber hinaus führt die Nahtstelle beim Übergang von Kaltluft auf Flüssigkeit zu Unstetigkei ten der Temperatur-Zeit-Kurve, die den Messvorgang stören.
Ein lineares Temperatur-Zeit-Programm lässt sich mit den bisher bekannten Anordnungen nicht realisieren. Insbesondere ist das lineare Absteigen der Temperatur im Bereich unterhalb Raumtemperatur bis -150" C nicht möglich.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können in einem Behälter zeitlich konstante oder mit konstanter Geschwindigkeit veränderliche Temperaturen erzeugt werden. Das entsprechende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Kalt- oder Heissluft, mit Hilfe eines Programmreglers dosiert, dem Behälter zugeführt wird.
Nach der vorliegenden Erfindung, die in folgendem beispielsweise näher erläutert wird, lässt sich nun in einem geschlossenen Temperiergefäss ein derartiger Temperaturanstieg sowie auch -abstieg verwirklichen. Zu diesem Zweck leitet man zweckmässig in das Temperiergefäss abwechselnd kalte Luft von z. B. -180" C oder Heissluft von z. B. 4000 C. Durch die im folgenden beschriebene Regel-Vorrichtung kann die Zuleitung von kalter bzw. heisser Luft so eingestellt werden, dass sich eine gewünschte Temperatur innerhalb kürzester Zeit einstellt.
Die Fig. 2 erläutert das Prinzip des Reglungsvorganges. Das in der Abluftleitung befindliche Thermo- element 1 liefert dem elektrischen Teil 2 des elektropneumatischen Reglers (z. B ein Isopneu-Regler der Firma Siemens & Halske, Karlsruhe) die der Ist Temperatur entsprechende Thermospannung. Der Programm-Geber (Motor-Programmgeber der Firma Joens, Düsseldorf) liefert die derSoll-Temperatur entsprechende elektrische Spannung ebenfalls an den elektrischen Teil des Reglers, der mit der Differenz beider Spannungen den pneumatischen Teil 4 steuert.
(Der pneumatische Teil wird aus dem Pressluftnetz 5, der elektrische Teil aus dem elektrischen Netz gespeist; letztgenannte Leitung ist in Fig. 2 weggelassen.)
Liegt die Ist-Temperatur 1 zu hoch, dann schliesst der vom pneumatischen Teil 4 gelieferte Steuerluftstrom 6 das Mikroventil 7 für die Heissluft, er schliesst ferner das Mikroventil 8, so dass die Steuerluft 6 über die pneumatische Drossel 9 auf das Hebersystem des Dewargefässes 10 wirkt und flüssigen Stickstoff durch die Kaltluftzuleitung 11 in das Temperiergefäss 12 fördert.
Liegt die Ist-Temperatur 1 zu tief, dann öffnet der Steuerluftstrom 6 das Mikroventil 7, so dass Heissluft, die im Wärmeaustauscher 13 erzeugt wird, über die Heissluftleitung 14 in das Temperiergefäss
11 gelangt. Gleichzeitig öffnet der Steuerluftstrom 6 das Mikroventil 8, so dass der die Drossel 9 passierende Luftstrom bei 15 ins Freie entweichen kann und nicht mehr auf das Hebersystem des Dewargefässes wirkt.
Die Öffnung bei 15 entlastet ausserdem den flüssigen Stickstoff von dem Druck, der durch eine ständige Verdampfung entsteht; in diesem Zustand hört daher jegliche Zufuhr kalten Stickstoffs in das Temperiergefäss 12 auf.
Wenn die Ist-Temperatur 1 mit der Solltemperatur 3 übereinstimmt, dann ist der Steuerluftdruck 6 gerade so gross, dass das Heissluftventil 7 geschlossen und das Kaltluftventil 8 geöffnet bleibt, so dass weder Heiss- noch Kaltluft in das Temperiergefäss 12 gelangt.
Der Programmgeber 3 gewährleistet einen gleichmässigen Temperaturan- oder -abstieg (+ 10 C/Min.) im Temperiergefäss. Es ist auch möglich, den Programmvorschub in jedem Zeitpunkt stillzusetzen, so dass sich im Temperiergefäss 12 eine konstante Tem peratur einstellt.
Fig. 3 stellt das Messergebnis vom zeitlichen Temperaturverlauf bei aufsteigender Temperatur dar.
T1 ist die Temperatur des Thermoelementes 1 in Fig. 2, T0 ist t die Temperatur im Innern des Tempew riergefässes 12 in Fig. 2. Die Fig. 3 lässt auch erkennen, dass konstante Temperaturen eingestellt werden können. Zur Zeit 60 Min. wurde der Programmvorschub des Programmgebers 3 in Fig. 2 ausgeschaltet.
Fig. 3 zeigt, dass T1 sofort konstant bleibt (T, =47 C) und T0 ebenfalls konstant wird (T0---520 C). Zur Zeit 120 Min. wurde der Programmvorschub wieder eingeschaltet, worauf die Temperatur wieder zeitproportional anstieg. Zur Zeit 200 Min. wurde der Programmvorschub wieder ausgeschaltet.
Messungen bei konstant gehaltener Temperatur sind z. B. Zug-Dehnungsdiagramme und die Beobachtung des Torsionsschwingungsverhaltens nach DIN 53 445, während das untersuchte Material kristallisiert.
Das Wesen bei dieser Ausführung zur Erläuterung der Erfindung besteht somit in der Steuerung des Zustroms von heisser bzw. kalter Luft über die Leitungen 14 und 11 in das Temperiergefäss 12. Gesteuert wird die kalte bzw. heisse Luftzufuhr mit Hilfe eines bekannten elektropneumatischen Reglers und eines ebenfalls bekannten Programmgebers.
Diese Apparate dienen zur Steuerung der kalten bzw. heissen Luft in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur im Temperiergefäss 12.
Auf die beschriebenen Messungen wurde nur deswegen besonders hingewiesen, weil die Prüfkammer 12, in der beliebige Temperaturen eingestellt werden können, hauptsächlich für derartige Messungen Verwendung finden können. Selbstverständlich könnte man in dem Temperiergefäs 12 auch andere Versuche vornehmen, bei denen ein geradliniger Temperaturanstieg oder -abfall vorgesehen ist.
Process for producing temperatures that are constant over time or that change at a constant rate in a container
The invention relates to a method for generating temperatures in a container that are constant over time or vary at a constant speed. The temperature range is advantageously from -150 to +180 C.
To determine the temperature dependency of the viscoelastic properties of polymers, it is necessary to carry out measurements at closely adjacent temperatures within a large temperature range, for example from -150 to + 1800 C or vice versa. In the former case, this can be done by placing the test specimen in a vessel, the temperature of which has been cooled to about -190 to 1800 C by introducing evaporating liquid air. If you leave this vessel at room temperature, the temperature in it will also rise continuously. The speed at which the temperature rises can be influenced by the choice of the thermal insulation layer and the thermal capacity of the vessel.
During this temperature rise you can continuously z. B. measure the torsional vibration behavior. A corresponding arrangement for carrying out this measurement can be found in DIN sheet 53 445 of September 1959 on page 2, right column.
After reaching room temperature, the temperature control is continued with the aid of a liquid circulating thermostat. From the viscoelastic properties determined in this way, important conclusions can be drawn about the molecular structure, the ability to crystallize, etc.
Up to now, however, the setting of the desired temperature within a large temperature range has caused great difficulties. As already mentioned, you can first of all cool the test chamber down to about -18 C using liquid air and then start the measurements.
However, the temperature rise inside the test chamber does not take place at a constant rate.
First, the temperature will increase very quickly, but then asymptotically the room temperature, as can be seen from FIG. 1 for times greater than 180 min (solid curve). (In Fig. 1, the solid curve shows the temperature profile over time when a temperature control vessel is cooled from 20 to 1480 C and the subsequent temperature rise.) Now, however, the viscoelastic behavior of crystallizing polymers in particular depends on the speed at which the temperature is varied.
In order to obtain reproducible values at any time, it is necessary to regulate the temperature rise in such a way that it occurs within the entire temperature interval to be passed through e.g. B. 1 "C / min.
Such a time-temperature dependency can be graphically represented as a straight line, as is indicated in FIG. 1 by the dashed line. This is the so-called linear temperature-time program. But even with this method, no constant temperature rise up to 200 C is guaranteed, because above -25 "C (point P in Fig. 1) the thermal insulation and the thermal capacity of the temperature control vessel alone determine the further rise in temperature. The usual use of a temperature above 200 C Liquid circulating thermostats bring about the well-known difficulties of two-substance systems with regard to the necessary cleaning when changing from liquid to cold air.In addition, the interface at the transition from cold air to liquid leads to discontinuities in the temperature-time curve, which causes the Interfere with the measurement process.
A linear temperature-time program cannot be implemented with the previously known arrangements. In particular, the linear decrease in temperature in the range below room temperature to -150 "C is not possible.
According to the present invention, temperatures that are constant over time or that vary at a constant speed can be generated in a container. The corresponding method is characterized in that cold or hot air, dosed with the aid of a program controller, is fed to the container.
According to the present invention, which is explained in more detail below, for example, such a temperature rise and also a fall can now be achieved in a closed temperature control vessel. For this purpose, it is advisable to alternately pass cold air into the temperature control vessel, e.g. B. -180 "C or hot air of, for example, 4000 C. By means of the control device described below, the supply of cold or hot air can be set so that a desired temperature is set within a very short time.
Fig. 2 explains the principle of the control process. The thermocouple 1 located in the exhaust air line supplies the electrical part 2 of the electropneumatic controller (e.g. an Isopneu controller from Siemens & Halske, Karlsruhe) with the thermal voltage corresponding to the actual temperature. The program generator (motor programmer from Joens, Düsseldorf) also supplies the electrical voltage corresponding to the target temperature to the electrical part of the controller, which controls the pneumatic part 4 with the difference between the two voltages.
(The pneumatic part is fed from the compressed air network 5, the electrical part from the electrical network; the latter line is omitted in FIG. 2.)
If the actual temperature 1 is too high, the control air flow 6 supplied by the pneumatic part 4 closes the micro-valve 7 for the hot air, it also closes the micro-valve 8 so that the control air 6 acts on the siphon system of the Dewar vessel 10 via the pneumatic throttle 9 and conveys liquid nitrogen through the cold air supply line 11 into the temperature control vessel 12.
If the actual temperature 1 is too low, the control air flow 6 opens the microvalve 7, so that hot air that is generated in the heat exchanger 13, via the hot air line 14, into the temperature control vessel
11 arrives. At the same time, the control air flow 6 opens the microvalve 8 so that the air flow passing through the throttle 9 can escape into the open at 15 and no longer acts on the siphon system of the Dewar vessel.
The opening at 15 also relieves the pressure of the liquid nitrogen caused by constant evaporation; In this state, therefore, any supply of cold nitrogen into the temperature control vessel 12 ceases.
If the actual temperature 1 corresponds to the target temperature 3, the control air pressure 6 is just high enough that the hot air valve 7 is closed and the cold air valve 8 remains open, so that neither hot nor cold air can enter the temperature control vessel 12.
The programmer 3 guarantees an even temperature rise or fall (+ 10 C / min.) In the temperature control vessel. It is also possible to stop the program feed at any point in time, so that a constant temperature is set in the temperature control vessel 12.
3 shows the measurement result of the temperature profile over time with increasing temperature.
T1 is the temperature of the thermocouple 1 in FIG. 2, T0 is the temperature in the interior of the temperature vessel 12 in FIG. 2. FIG. 3 also shows that constant temperatures can be set. At the time of 60 minutes, the program feed of the programmer 3 in FIG. 2 was switched off.
3 shows that T1 immediately remains constant (T, = 47 C) and T0 also becomes constant (T0 --- 520 C). At the time of 120 minutes, the program feed was switched on again, after which the temperature rose again proportionally to the time. The program feed was switched off again for 200 minutes.
Measurements at a constant temperature are e.g. B. tensile strain diagrams and the observation of the torsional vibration behavior according to DIN 53 445, while the examined material crystallizes.
The essence of this embodiment for explaining the invention consists in the control of the flow of hot or cold air via lines 14 and 11 into the temperature control vessel 12. The cold or hot air supply is controlled with the aid of a known electropneumatic regulator and another known programmer.
These devices are used to control the cold or hot air as a function of the desired temperature in the temperature control vessel 12.
The only reason that particular reference was made to the measurements described was that the test chamber 12, in which any temperature can be set, can mainly be used for such measurements. Of course, other experiments could also be carried out in the temperature control vessel 12, in which a linear temperature rise or fall is provided.