DE10323827A1

DE10323827A1 - Heating strip sensor for measuring the thermal conductivity of a sample, has two electrically isolated, but thermally connected, conducting strips that form the heating strip

Info

Publication number: DE10323827A1
Application number: DE2003123827
Authority: DE
Inventors: Vladislav Meier; Ulf Dr. Hammerschmidt
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertreten Durch Den Bundesminister fur Wirtschaft Dieser Vertreten Durch Den Prasidenten Der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt; Federal Government of Germany
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr D D Bundesmin
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: DE10323827B4

Abstract

Ein Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe nach dem Heizstreifenverfahren, bei dem ein Heizstreifen (1) durch einen druchfließenden elektrischen Strom erhitzt und der elektrische Widerstand zweier unterschiedlicher Längen des Sensors bestimmt wird, ermöglicht eine sehr genaue Messung mit ausreichend großen Messsignalen dadurch, dass der Heizstreifen (1) durch einen ersten, einen ersten Heizkreis bildenden Leiterstreifens (2) mit zwei Anschlüssen (4) und durch einen zweiten, einen zweiten Heizkreis bildenden Leiterstreifen (3) mit zwei Anschlüssen (5) gebildet ist, wobei die beiden Heizkreise durch einen schmalen Spalt (6) elektrisch voneinander getrennt sind, sich jedoch thermisch zu dem Heizstreifen (1) mit einer vorgegebenen Gesamtlänge und einer vorgegebenen Breite ergänzen.A sensor for measuring the thermal conductivity of a sample according to the Heizstreifenverfahren in which a heating strip (1) heated by a druchfließenden electric current and the electrical resistance of two different lengths of the sensor is determined, allows a very accurate measurement with sufficiently large measurement signals in that the Heating strip (1) by a first, a first heating circuit forming conductor strip (2) with two terminals (4) and by a second, a second heating circuit forming conductor strip (3) with two terminals (5) is formed, wherein the two heating circuits by a narrow gap (6) are electrically separated from each other, but complement each other thermally to the heating strip (1) having a predetermined total length and a predetermined width.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe nach dem Heizstreifenverfahren, bei dem ein Heizstreifen durch einen durchfließenden elektrischen Strom erhitzt und der elektrische Widerstand zweier unterschiedlicher Längen des Heizstreifens bestimmt wird.The The invention relates to a sensor for measuring the thermal conductivity a sample after Heizstreifenverfahren in which a heating strip through a flowing Electric current heated and the electrical resistance of two different lengths of the heating strip is determined.

Bekanntlich wird die Wärmeleitfähigkeit einer Materialprobe, die ein Feststoff, ein Fluid oder ein Schüttgut sein kann, indirekt aus dem Temperaturanstieg ΔT der Probe bestimmt, den ein Wärmestrom Φ bekannter Stärke hervorruft. Im Prinzip werden hierzu eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und ein oder mehrere Thermometer benötigt. Die Wärmequelle erzeugt den Wärmestrom, der auf dem Weg zur Wärmesenke durch die Probe fließt. Bei einem instationären Verfahren messen Thermometer in der Probe deren zeitlichen Temperaturanstieg. Den funktionalen Zusammenhang zwischen Φ und ΔT zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit λ liefert das zweite Fouriersche Gesetz.generally known becomes the thermal conductivity a material sample, which may be a solid, a fluid or a bulk material can, indirectly determined from the temperature increase ΔT of the sample, the Heat flux Φ known Strength causes. In principle, this will be a heat source, a heat sink and one or more thermometers needed. The heat source generates the heat flow, the on the way to the heat sink flowing through the sample. In a transient Method thermometers in the sample measure their temporal temperature rise. The functional relationship between Φ and ΔT provides for the determination of the thermal conductivity λ the second Fourier law.

Es ist bekannt, in die Mitte der Probe einen dünnen Metallstreifen mit dem elektrischen Widerstand R₀ einzubetten und den Metallstreifen gleichzeitig als Joulesche Wärmequelle und als Widerstandsthermometer zu verwenden. Die Probe dient dabei als Wärmesenke. Wird der Metallstreifen mit einem elektrischen Strom der Stärke I aufgeheizt, erfährt er eine zeitliche Widerstandsänderung R(T(t)) = R₀(1 + αΔT(t)), die seiner Temperaturzunahme ΔT(t) gegenüber der homogenen Anfangstemperatur T entspricht, wobei α den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands bezeichnet. Trägt man dieses Signal über einer logarithmischen Zeitachse, lnt, auf, so läßt sich ein mittleres Intervall linearisieren. Die Steigung der Geraden ist das Maß für die Wärmeleitfähigkeit. Aus Steigung und Achsenabschnitt des Intervalls läßt sich zusätzlich die Temperaturleitfähigkeit der Probe bestimmen. Dieses Heizstreifenverfahren benötigt nur einen geringen apparativen Aufwand und kurze Messzeiten.It is known to embed in the middle of the sample a thin metal strip with the electrical resistance R ₀ and to use the metal strip simultaneously as a Joule heat source and as a resistance thermometer. The sample serves as a heat sink. If the metal strip is heated with an electric current of intensity I, it experiences a time change in resistance R (T (t)) = R ₀ (1 + αΔT (t)), which corresponds to its temperature increase ΔT (t) with respect to the homogeneous initial temperature T, where α denotes the temperature coefficient of electrical resistance. If one applies this signal over a logarithmic time axis, lnt, a middle interval can be linearized. The slope of the straight line is the measure of the thermal conductivity. From the slope and intercept of the interval, the temperature conductivity of the sample can also be determined. This Heizstreifenverfahren requires only a small amount of equipment and short measurement times.

Nachteilig an dem Heizstreifenverfahren ist jedoch, dass es nur zu einem relativ kleinen Messsignal führt. Es eignet sich darüber hinaus nicht zur Messung elektrisch leitfähiger Proben, z. B. Metalle, Salzlösungen, die den Streifen elektrisch kurzschließen würden.adversely however, the heater strip method is that it is only relative to one small measurement signal leads. It is suitable In addition, not for measuring electrically conductive samples, eg. Metals, saline solutions, which would electrically short the strip.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Metallstreifen an seinen beiden Enden stetig Wärme mit den elektrischen Zuleitungen austauschen kann. So kann entweder ein Teil der vorgegebenen Jouleschen Wärme vom Streifen abfließen oder zusätzliche Stromwärme in ihn eingeleitet werden. Dieser „Randeffekt" stört den von der Theorie geforderten homogenen Verlauf der Temperatur längs des Streifens. Die Störung wirkt sich um so stärker aus, je kürzer der Streifen ist. Sie wirkt sich nachteilig auf die Reproduzierbarkeit des Messverfahrens und damit auf die Messunsicherheit aus.One Another disadvantage is that the metal strip on his both ends constantly heat with can replace the electrical leads. So either can a part of the given Joule heat flow off the strip or additional Joule be initiated into it. This "edge effect" disturbs the of the theory required homogeneous course of the temperature along the Strip. The disorder affects all the more out, the shorter the strip is. It has a detrimental effect on the reproducibility of the measuring method and thus on the measurement uncertainty.

Die Reduzierung des Randeffektes gelingt grundsätzlich durch eine Vergrößerung der Länge des Streifens, wodurch die inhomogenen Bereiche an den Rändern klein gegen die Gesamtlänge werden. Entsprechende Korrekturrechnungen zei gen, dass die übliche Streifen- und Probenlänge von üblicherweise 10 cm bis 20 cm mindestens zu verdreifachen wäre. Der gewünschte kompakte Messaufbau des Verfahrens ist dann nicht mehr möglich.The Reduction of the edge effect succeeds basically by an enlargement of the Length of the Strip, making the inhomogeneous areas at the edges small against the total length become. Corresponding correction calculations show that the usual strip and sample length from usually 10 cm to 20 cm would be at least triple. The desired compact measurement setup of the Procedure is then no longer possible.

Es ist ferner erwogen worden, zur Messung des elektrischen Widerstandes Potentialabgriffe mit Abstand von den Stromanschlussenden an dem Streifen anzubringen, um die Temperaturmessung im homogenen Bereich stattfinden zu lassen. Aber auch die Abgriffe selbst stören die Gleichförmigkeit des Temperaturverlaufs, da auch sie Wärme zu- oder abführen können. Eine gewisse, jedoch nicht prinzipielle Verbesserung entsteht dadurch, dass man nur einen Abgriff vorsieht, der den Streifen in zwei fiktive Teile von unterschiedlichen Längen aufteilt, sodass zwei Einzelwiderstände R_l und R_k hintereinander geschaltet sind. Die Differenz der individuellen Signale bildet das Messsignal, das weitgehend unabhängig von Randeffekten ist. Aber auch der einzelne Abgriff stört die homogene Temperaturverteilung.It has also been considered, for measuring the electrical resistance, to apply potential taps at a distance from the power terminal ends to the strip to allow the temperature measurement to take place in the homogeneous range. But even the taps themselves disrupt the uniformity of the temperature profile, since they too heat can supply or dissipate. A certain, but not fundamental improvement arises from the fact that only one tap is provided, which divides the strip into two fictitious parts of different lengths, so that two individual resistors R _l and R _k are connected in series. The difference of the individual signals forms the measurement signal, which is largely independent of edge effects. But even the single tap interferes with the homogeneous temperature distribution.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, einen Sensor für das Heizstreifenverfahren zu entwickeln, mit dem Randeffekte weitgehend ausgeschaltet werden können und eine höhere Genauigkeit unter Beibehaltung eines kompakten Aufbaus der Messanordnung erzielbar ist.Of the The present invention is therefore based on the problem a sensor for to develop the Heizstreifenverfahren, with the edge effects largely can be turned off and a higher one Accuracy while maintaining a compact design of the measuring arrangement is achievable.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Sensor der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstreifen durch einen ersten, einen ersten Heizkreis bildenden Leiterstreifen mit zwei Anschlüssen und durch einen zweiten, einen zweiten Heizkreis bildenden Leiterstreifen mit zwei Anschlüssen gebildet ist, wobei die beiden Heizkreise durch einen schmalen Spalt elektrisch voneinander getrennt sind, sich jedoch thermisch zu dem Heizstreifen mit einer vorgegebenen Gesamtlänge und einer vorgegebenen Breite ergänzen.to solution This problem is a sensor of the type mentioned in the present invention characterized in that the heating strip by a first, a first heating circuit forming conductor strip with two terminals and by a second, a second heating circuit forming conductor strip with two connections is formed, with the two heating circuits through a narrow gap are electrically isolated from each other, but thermally to the Heating strip with a predetermined total length and a given Add width.

Da sich die erfindungsgemäß ausgebildeten beiden Leiterstreifen thermisch wie ein einziger kompakter Streifen verhalten, ist sichergestellt, dass die Arbeitsglei chung des Heizstreifenverfahrens angewendet werden kann. Zur Messung werden die beiden Heizkreise elektrisch hintereinander geschaltet. Das Messsignal des einen (kürzeren) Leiterstreifens wird dann von dem Messsignal des anderen (längeren) Heizleiterstreifens subtrahiert, wobei Randeffekte praktisch vollständig eliminiert werden.Since the inventively designed two conductor strips behave thermally like a single compact strip, it is ensured that the Arbeitsglei chung the Heizstreifenverfahrens can be applied. To measure the two heating circuits are electrically connected in series. The measurement signal of the one (shorter) conductor strip is then subtracted from the measurement signal of the other (longer) Heizleitererstreifens, with edge effects are virtually completely eliminated.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der beiden Leiterstreifen bietet den Vorteil, dass die Leiterstreifen mehrfach abgewinkelt werden können, wobei insbesondere eine mäanderförmige Struktur mit zueinander in Längsrichtung parallelen Abschnitten ausgebildet werden kann. Dadurch kann die Länge der beiden Leiterstreifen deutlich vergrößert und damit der elektrische Widerstand erhöht werden. Dies führt zu einer Vergrößerung der Temperatur-Messsignale, wodurch die erzielbare Genauigkeit der Messung verbessert wird. Zweckmäßig ist es dabei, die Abstände zwischen den parallelen Abschnitten der Mäanderstruktur klein gegen die Breite der Abschnitte zu wählen und darüber hinaus die Breite des schmalen Spalts zwischen den beiden Leiterstreifen klein gegen die Breite der Leiterstreifen auszubilden, um mit den beiden Leiterstreifen einen thermisch einheitlichen kompakten Heizstreifen zu gewährleisten.The inventive training the two conductor strips offers the advantage that the conductor strips can be angled several times, in particular a meandering structure with each other in the longitudinal direction can be formed parallel sections. This allows the Length of both conductor strips significantly increased and thus the electric Resistance increased become. this leads to to an enlargement of the Temperature measurement signals, increasing the achievable accuracy of the measurement is improved. Is appropriate it, the distances between the parallel sections of the meander structure small against the Width of the sections to choose and above In addition, the width of the narrow gap between the two conductor strips small form against the width of the conductor strips, with the two Conductor strips a thermally uniform compact heating strip to ensure.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterstreifen zwischen zwei Isolierfolien eingebettet. Dabei können die Leiterstreifen aus einer Metallfolie ausgestanzt sein, bevorzugt ist jedoch deren Ausbildung als gedruckte Leiterbahn. Dabei werden so dünne Isolierfolien verwendet, dass diese mit ihrem thermischen Widerstand nicht signifikant in das Messergebnis eingehen. Dennoch erlauben die Isolierfolien eine Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors auch bei elektrisch leitfähigen Proben, da die Gefahr eines Kurzschlusses der Leiterstreifen nicht besteht.In a particularly preferred embodiment The invention relates to the conductor strips between two insulating films embedded. The can Be printed conductor strips from a metal foil, preferably but is their training as a printed conductor. It will be so thin Insulating foils used that with their thermal resistance do not significantly contribute to the measurement result. Nevertheless, allow the insulating films use the sensor according to the invention also with electrically conductive Samples, as the risk of short circuiting of the conductor strips not consists.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to an illustrated in the drawing embodiment be explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt einen Heizstreifen 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der aus einem ersten Leiterstreifen 2 und einem zweiten Leiterstreifen 3 besteht. Der erste Leiterstreifen 2 ist deutlich kürzer ausgebildet als der zweite Leiterstreifen 3. Seine Länge beträgt weniger als ein Drittel, vorzugsweise weniger als ein Viertel der Gesamtlänge des Heizstreifens 1. Demgemäß ist die Länge des zweiten Leiterstreifens 3 zwei bis dreimal so groß wie die Länge des ersten Leiterstreifens 2.The drawing shows a heating strip 1 according to an embodiment of the invention, consisting of a first conductor strip 2 and a second conductor strip 3 consists. The first conductor strip 2 is significantly shorter than the second conductor strip 3 , Its length is less than a third, preferably less than a quarter of the total length of the heating strip 1 , Accordingly, the length of the second conductor strip 3 two to three times the length of the first conductor strip 2 ,

Beide Leiterstreifen 2, 3 weisen jeweils zwei Anschlussflächen 4, 5 auf, wodurch die beiden Leiterstreifen 2, 3 jeweils einen eigenen Heizkreis bilden. Die beiden Leiterstreifen 2, 3 sind elektrisch durch einen schmalen Spalt 6 voneinander getrennt.Both conductor strips 2 . 3 each have two connection surfaces 4 . 5 on, making the two conductor strips 2 . 3 each form a separate heating circuit. The two conductor strips 2 . 3 are electrically through a narrow gap 6 separated from each other.

Beide Leiterstreifen 2, 3 sind durch ihre Ausbildung in Mäanderform mit einer deutlich vergrößerten Länge ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Mäander so ausgebildet, dass sich bei beiden Leiterstreifen in Längsrichtung des Heizstreifens 1 erstreckende parallele Abschnitte 7, 8 ergeben. Die parallelen Abschnitte 7, 8 sind durch schmale Zwischenräume voneinander getrennt, deren Breite klein gegenüber der Breite der parallelen Abschnitte 7, 8 sind. In gleicher Weise ist die Breite des Spaltes 6 klein gegenüber der Breite der Leiterstreifen 2, 3 im Bereich des Spaltes 6. Die Bedingung „klein gegenüber" ist hier als erfüllt anzusehen, wenn die Breite kleiner als halb so groß wie die Bezugsbreite ist.Both conductor strips 2 . 3 are formed by their training in meandering shape with a significantly increased length. In the illustrated embodiment, the meanders are formed so that in both conductor strips in the longitudinal direction of the heating strip 1 extending parallel sections 7 . 8th result. The parallel sections 7 . 8th are separated by narrow spaces, whose width is small compared to the width of the parallel sections 7 . 8th are. In the same way is the width of the gap 6 small compared to the width of the conductor strips 2 . 3 in the area of the gap 6 , The condition "small opposite" is to be regarded as fulfilled if the width is smaller than half the reference width.

Die Zeichnung lässt erkennen, dass die Leiterstreifen 2, 3 aufgrund der schmalen Zwischenräume thermisch einen kompakten, länglichen und rechteckigen Heizstreifen 1 bilden.The drawing shows that the conductor strips 2 . 3 due to the narrow spaces thermally a compact, elongated and rectangular heating strip 1 form.

Die Leiterstreifen 2, 3 sind zweckmäßigerweise als gedruckte Leiterbahn ausgeführt und besonders bevorzugt zwischen zwei Isolierfolien eingebettet und dadurch gegenüber der Umgebung isolierend abgeschlossen, sodass der mit dem Heizstreifen 1 gebildete Sensor auch für die Messung an elektrisch leitfähigen Proben geeignet ist. In Frage kommende Isolierfolien sind beispielsweise Polyimid, Polytetrafluorethylen, Glimmer und Keramik, die extrem dünn herstellbar sind, wie dies für die vorliegende Erfindung vorteilhaft ist.The conductor strips 2 . 3 are expediently designed as a printed conductor track and particularly preferably embedded between two insulating films and thereby isolated from the environment, so that with the heating strip 1 formed sensor is also suitable for the measurement of electrically conductive samples. Suitable insulating films are, for example, polyimide, polytetrafluoroethylene, mica and ceramic, which are extremely thin to produce, as is advantageous for the present invention.

Claims

Sensor for measuring the thermal conductivity of a sample according to the heating strip method, in which a heating strip ( 1 ) is heated by a flowing electric current and the electrical resistance of two different lengths of the sensor is determined, characterized in that the heating strip ( 1 ) by a first, a first heating circuit forming conductor strip ( 2 ) with two connections ( 4 ) and by a second, a second heating circuit forming conductor strip ( 3 ) with two connections ( 5 ), wherein the two heating circuits through a narrow gap ( 6 ) are electrically isolated from each other, but thermally to the heating strip ( 1 ) with a given total length and a predetermined width.

Sensor according to claim 1, characterized in that the conductor strips ( 2 . 3 ) are angled several times.

Sensor according to claim 2, characterized in that the conductor strips ( 2 . 3 ) meandering are mig.

Sensor according to claim 2, characterized in that the meandering conductor strips ( 2 . 3 ) with longitudinally parallel sections ( 7 . 8th ) are formed.

Sensor according to claim 3 or 4, characterized in that the distances between the parallel sections ( 7 . 8th ) small against the width of the sections ( 7 . 8th ) are.

Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the width of the narrow gap ( 6 ) small against the width of the conductor strips ( 2 . 3 ).

Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the two conductor strips ( 2 . 3 ) are significantly different in length.

Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that conductor strips ( 2 . 3 ) are embedded between two insulating films.

Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the conductor strips ( 2 . 3 ) printed circuit traces are.

Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the two conductor strips ( 2 . 3 ) except for their different length mirror symmetry to the gap ( 6 ) are constructed.