DE3011224A1 - Verfahren zum bestimmen der substanz eines materials sowie thermischer komparator zum gebrauch bei der bestimmung von substanzen - Google Patents

Description

UNISEARCH LIMITED, 1 Barker Street, Kensington, New South Wales, Australia

Verfahren zum Bestimmen der Substanz eines Materials sowie thermischer Komparator zum Gebrauch bei der Bestimmung von Substanzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Substanz-Bestimmung eines Materials durch Bestimmen seiner thermischen Leitfähigkeit sowie einen thermischen Komparator zur Anwendung bei der Substanzbestimmung von Materialien wie Edelsteinen.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Vergleich von Materialien an Hand ihrer thermischen Leitfähigkeit, insbesondere zur Unterscheidung von Edelsteinen, die nur in sehr kleinen Proben vorliegen können.

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-BOEHMERT <3r BOEHMERT

Es ist, insbesondere bei sehr kleinen Steinen, häufig schwierig, Edelsteine zu bestimmen. Chemische Methoden verbieten sich meist, da dadurch ein Verlust des kostbaren Materials eintreten könnte. Häufig wird Refraktionsmessung eingesetzt, welche jedoch in vielen Fällen an Genauigkeit zu wünschen übrig läßt. Insbesondere für Diamanten ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten, da sowohl kubisches Kristallgitter als auch ihr Refraktionsindex von denen anderer Edelsteine schwer zu unterscheiden sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Bestimmung von Edelsteinen zu liefern, welches weder die chemische Zerstörung eines Teils derselben noch aufwendige technische Methoden bei genügender Unterscheidungsgenauigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das gekennzeichnet ist durch Anwendung eines Thermoelementes auf das Material, wobei das Thermoelement zwei unterschiedliche Metalle mit nahe beieinanderliegenden Verbindungsstellen aufweist; Anwendung von Wärme auf eine der Verbindungsstellen und Drücken der anderen Verbindungsstelle in Kontakt mit dem Material; Aufzeichnen der zwischen den Verbindungsstellen entwickelten thermoelektrischen EMK und Bestimmen der Substanz des Materials durch Bezug auf die maximale thermale EMK oder durch die Änderungsgeschwindigkeit der EMK.

Der erfindungsgemäße thermische Komparator für die Verwendung zur Bestimmung von Substanzen wie Edelsteinen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator ein Thermoelement zwischen zwei unterschiedlichen Metallen aufweist, welches ein Zwischenstück zwischen zwei Verbindungsstellen besitzt, wobei

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BOEHMEUT & BOEHMERT

dieses Zwischenstück kurzzeitig die Hauptwärmequelle bildet, nachdem eine der Verbindungsstellen in Kontakt mit dem zu bestimmenden Material gebracht worden ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren die Anwendung eines Thermoelements auf das zu bestimmende Material auf, wobei dieses Thermoelement in der Form von zwei unterschiedlichen Metallen aus nahe beieinanderliegende Verbindungsstellen besteht, Wärme auf eine der beiden Verbindungsstellen einwirkt und die andere Verbindungsstelle in Kontakt mit dem Material gebracht wird, wobei die zwischen beiden Verbindungsstellen entwickelte thermoelektrische EMK (elektromotorische Kraft) aufgezeichnet wird und die Substanz des Materials durch Bezug auf die maximale elektromotorische Kraft oder auf die Änderungsgeschwindigkeit der EMK bestimmt wird.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein thermischer Komparator zur Verwendung einer Bestimmung der Substanzen von Materialien wie Edelsteinen zugänglich, wobei dieser Komparator ein Thermoelement zwischen zwei verschiedenen Metallen mit einem Zwischenstück zwischen^seinen beiden Verbindungsstellen sitzt, wobei dieses Zwischenstück die Hauntwr.rmequelle für eine kurze Zeit, nachdem eine der beiden Verbindungsstellen in Kontakt mit dem zu bestimmenden Material gebracht worden ist, bildet.

Durch die Verwendung eines wie oben beschriebenen Komparators ist es angenähert möglich,zu sehen, daß die maximale Temperaturdifferenz über das Thermoelement durch das Verhältnis des thermischen Widerstands des Zwischenstücks zwischen den Verbindungen des Thermoelements zum thermischen Widerstand der

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Kpntaktfläche zwischen der in Kontakt befindlichen Verbindungsstelle und dem Testinaterial bestimmt ist. Letztere ist eine Funktion der thermischen Leitfähigkeit des Testmaterials, vorausgesetzt, daß die Kontaktfläche genügend konstant ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Komparators wurde als kurzes Zwischenstück des Thermoelements ein Stück Kupferdraht von etwa 0,3 mm Durchmesser und etwa 1 cm Länge eingesetzt, wobei der Rest des Thermoelements aus Konstantandrähten von angenähert gleichem Durchmesser bestand. Die Konstantandrähte wurden aufgerollt, um eine Feder innerhalb einer Glasrohre von etwa 3 mm Innendurchmesser zu bilden. Es wurde dem Kupferdraht erlaubt, sich über den Konstantandraht hinauserstreckend,gegen die an das Material gehaltene Verbindungsstelle zu drücken, so daß diese Kontaktfläche immer zwischen Kupfer und Testmaterial liegt. Es wurde so möglich, daß der Druck gegen die den Kontakt liefernde Feder immer den gleichen Wert aufweist. Bei einer weiteren Anordnungsform ist die gesamte Vorrichtung erhitzt worden und von der Wärmequelle vor In-Kontakt-Bringen der Verbindungsstelle mit dem Material getrennt worden. Die resultierende EMK hängt von der thermischen Leitfähigkeit des Testmaterials ab.

Der Komparator ist insbesondere dann, wenn die Kontaktverbindungsstelle eine kleine thermische Kapazität aufweist,zur Bestimmung von kleinen Materialproben geeignet. Bei einer anderen bevorzugten Anordnungsform wurde die vom Testmaterial entfernte Verbindungsstelle kontinuierlich mit Hilfe einer kleinen elektrischen Heizeinrichtung aufgeheizt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist besonders günstig bei der Unterscheidung von Diamanten von anderen Edel-

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steinen, wobei diese anderen Edelsteine eine ähnliche kubische Struktur und einen nahe dem des Diamanten befindlichen Refraktionsindex besitzen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, das sie ein zerstörungsfreies Bestimmen von Proben ermöglicht, die nur in sehr kleinen Mengen zugänglich sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispxel an Hand der Zeichnung erläutert ist. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische geschnittene Ansicht eines thermischen Komparators nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der EMK von der Zeit für verschiedene Edelsteine, wie durch den Komparator der Figur 1 gemessen, zeigt.

Wie in Figur 1 gezeigt, wird im Komparator ein Thermoelement durch zwei Stücke emaillierten Konstantandrahtes 10 mit 0,46 mm Durchmesser und ein kurzes (10 mm) Stück Kupferdraht 11 von 0,22 mm Durchmesser gebildet. Ein konischer Kupferkopf

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12 mit etwas weniger als 1 mm Volumen ist an einer der Thermoelement-Verbindungen angelötet. Der Kupferdraht 11 und die beiden Verbindungen sind in einen PVC-Mantel 13 gehalten, der in einem Glasrohr 14 verschiebbar ist. Die Konstantandrähte 10 sind bei 15 an einem Ende des Glasrohres festgeklebt und nehmen eine Spiralform über einen Teil ihrer Gesamtlänge ein. Die Spitze des Kupferkopfes 12 steht aus dem anderen Ende des Glasrohres 14 um etwa 1 mm vor, kann sich

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BOEHMERT δι B0E4MERT

jedoch um diese Größe zurückziehen, wenn die Anordnung gegen eine harte Oberfläche, wie die von Edelsteinen, gedrückt wird. In Versuchen wurden die freien Enden 10' der Konstantandrähte 10 (über Kupferverbindungen bei gleicher Temperatur) mit einem digitalen Millivoltmeter (nicht gezeigt) verbunden, wobei dieses eingesetzte Instrument ein maximales Auflösungsvermögen von nicht mehr als 100 μν besaß.

Zum Einsatz dieses Komparators wurde er zuerst in.eine Umgebung mit einer bestimmten erhöhten Temperatur gebracht In einem Beispiel wurde ein Reagenzglas in einem Becher kochenden Wassers yerwandt und gefunden, daß der Komparator mit seiner Umgebung nach etwa 2 Minuten in Gleichgewicht kam. Daraufhin wurde er aus dem Reagenzglas genommen und der Kupferkopf 12 gegen den zu untersuchenden Edelstein gepreßt, wobei die maximale EMK am Millivoltmeter beobachtet wurde. Die Geschwindigkeit der Änderung der EMK mit der Zeit ist vielleicht ein empfindlichereres Maß der thermischen Leitfähigkeit, aber die maximale EMK ist leichter zu bestimmen. Die Tabelle stellt die Werte zusammen, die mit unterschiedlichen Edelsteinen erhalten wurden. Diamant gab stete die höchste EMK und kubisches Zirkoniumdioxid stets die kleinste.

Die Änderungen der EMK mit der Zeit wurde unter Verwendung eines Tektronix Typs 7623A Speicheroszillographen mit einem iierstärkereinschub des Typs 7A22 beobachtet. Das Verhalten einiger Edelsteine und eines Glasstückes ist in Figur 2 gezeigt.,Es soll darauf hingewiesen werden, daß eine sehr geringe Änderung der EMK stattfindet, während der Komparator vom kochenden Wasser zur Probe bewegt wird. Weiterhin wird üblicherweise der schnelle Anstieg der EMK beim In-Kontakt-Bringen mit der Probe durch ein relativ langsames Abfallen ge-

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MSRT

folgt. Es wird angenommen, daß die maximale EMK relativ genau dem Wert entsprechen sollte, der erwartet werden sollte, wenn der Großteil der Edelsteine kontinuierlich bei Raumtemperatur gehalten werden würde und die entfernte Thermoelementverbindung bei 100° C gehalten würde. Unter Verwendung der Gleichung von Clark und Powell (J. Sei. Instrum. _3£/ 545 - 51, 1962) für thermischen Widerstand beim Zusammenziehen, wurde gefunden, daß die Resultate mit einem sinnvollen Wert für den Kontaktradius von etwa 10 mm konsistent waren.

Tabelle; Maximale EMK vom thermischen Komparator

Probe	Thermische	Maximale EMK, mV	1,47-1,63
	Leitfähigkeit*W/mK	mittlerer Bereich von 5 Ablesungen	1,07 - 1,27
Diamant	990-2320	1,56
Korund	32-35	1,19	0,97 - 1,06
(synthetisch)			0,97 - 1,04
Topas	19	1,01	0,74 - 0,96
Z irkon	4,1 - 4,2	0,99
Spinell	12	0,83	0,70 - 0,80
(synthetisch)			0,67 - 0,82
YAG+		0,75	0,58 - 0,65
Quarz	5,9 - 11	0,75	0,45 - 0,53
GGG+++		0,62
Kubisches Z irkoniumdioxid		0,50

* Werte in der Nähe der Raumtemperatur vom CRC "Handbook of Chemistry and Physics" 57th Edition 1976 - 7.

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-BOEKMEKT & BÖEBMSRT

+ Yttrium-Aluminiuiti-Granat
++ Gadolinium-Germanium-Granat

Die Wärmequelle für die Thermoelementdrähte kann die Form eines elektrischen Widerstandselementes annehmen, das an den Drähten angeklebt ist. Eine Widerstandsheizung kann zusätzlich oder anstatt indirekter Heizung, wie beim Ausführungsbeispiel beschrieben, eingesetzt werden.

Weiterhin kann das Erhitzen eines Zwischenstückes, des Thermoelements näher am Zentralbereich des Zwischenstückes als an der Verbindungsstelle stattfinden. Wenn ein Heizschaltkreis vorgesehen ist, kann dieser eine Verstärkungseinrichtung aufweisen, so daß der Komparator seinen Arbeitszustand fast sofort erreicht.

Der Kopf 12 des Komparators kann aus anderen Materialien als Kupfer sein und beispielsweise aus Gold, Platin oder anderem sein, das geeigneter für spezielle Anwendungsformen der Erfindung sein kann.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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Akte: UX 148

BEZUGSZEICHENLI3TE (LIST OF REFERENCE NUMERALS)

1	10' freies Ende von 10	1
2		?
3	Konstantan-Draht
	Kupfer-Draht	4
5	Kupfer-Kopf	5
6	PVC-Mant-pl	6
7	Glasrohr	7
8	Klebestelle von 10 an 14	8
9		9
10		10
11		11
12		12
ι?		15
14		14
1?		15
16		16
17		17
18		18
19		19
20		20
21	•	21
22		22
23	030041/0671	25
24	24
25	25
?fi	26
27	27
28	28
29	29
30	30

Claims (7)

1. BOEHMERT & BOEHMERT

   UX 148

   ANSPRÜCHE

   1J Verfahren zur Substanz-Bestimmung eines Materials durch Bestimmen seiner thermischen Leitfähigkeit/ gekennzeichnet durch Anwendung eines Thermoelementes auf das Material, wobei das
   Thermoelement zwei unterschiedliche Metalle mit nahe beieinanderliegenden Verbindungsstellen aufweist; Anwendung von
   Wärme auf eine der Verbindungsstellen und Drücken der anderen
   Verbindungsstelle in Kontakt mit dem Material; Aufzeichnen der zwischen den Verbindungsstellen entwickelten thermoelektrischen EMK und bestimmen der Substanz des Materials durch Bezug auf
   die maximale thermale EMK oder durch die Änderungsgeschwindigkeit der EMK.
2. 2. Thermischer Komparator zur Anwendung bei der Substanzbestimmung von Materialien wie Edelsteinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator ein Thermoelement zwischen zwei unterschiedlichen Metallen aufweist, welches ein Zwischenstück (11) zwischen zwei Verbindungsstellen besitzt, wobei dieses Zwischenstück kurzzeitig die Hauptwärmequelle bildet, nachdem eine der Verbindungsstellen in Kontakt mit dem zu bestimmenden Material gebracht worden ist.
3. 3. Thermischer Komparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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   ORIGINAL INSPECTED

   BÜEHMERT & BOEHMERT

   •i'

   daß die beiden unterschiedlichen Metalle Kupfer und Konstantan sind.
4. 4. Thermischer Komparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer zum In-Kontakt-Bringen mit dem zu bestimmenden Material eingerichtet ist.
5. 5. Thermischer Komparator nach Anspruch 3 oder.4, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstantan die Form eines zusammengerollten Drahtes besitzt, welche als Feder wirkt, um eine konstante Kontaktkraft zwischen Verbindungsstelle und dem· zu bestiiümenden Material zu gewährleisten.
6. 6. Thermischer Komparator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Widerstand an den Metallen als Wärmequelle befestigt ist.
7. 7. Thermischer Komparator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kupferkopf (12) an der einen Verbindung aufweist, wobei dieser Kopf dazu geeignet ist,

   in Kontakt mit dem Material gebracht zu werden.

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