Instationäre Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit mittels Wärmeleuchte

Keiner eine Idee?

Das ist eine Standardmethode zur zerstörungsfreien Inspektion von z.B. 
Schweißverbindungen. Um die ungefähre Energie abzuschätzen: 3-10mF mit 
ca. 2kV aufgeladen regen eine Blitzlampe an. Eine Wärmekamera nimmt dann 
einige ms später das Bauteil von der Rückseite auf. So läßt sich die 
Qualität einer Schweißung sehr gut erkennen. Mit einer solchen Anordnung 
können Stähle bis ca. 6mm "durchleuchtet" werden.

Mir wurde kürzlich berichtet, daß neue Systeme mit wesentlich besseren 
Kameras auch mit kleineren Blitzlampen auskommen.

Nochmal n Wort zur stationären Messung, klar wäre es mathematisch 
einfacher die Wärmekapazität zu bestimmen. Jedoch muss eine extrem gute 
Wärmedämmung erfolgen, damit die Wärmeenergie möglichst komplett durch 
den Probekörper geht.

Wieviel Kelvin Temperaturänderung muss denn erzeugt werden für die 
instationäre Messung? Die Wärmekapazität kann man in Erfahrung bringen 
und mit einer Pulsdauer von wenigen ms auch die erforderliche 
Pulsleistung

Welche Temperaturerhöhung man noch messen kann, hängt vom Sensor / 
Messsystem ab. Da es nur um relative Änderungen, kann man da ggf. auch 
recht kleine Erwärmungen noch messen - was statisch ggf. so nicht geht. 
Andererseits gibt eine schnelle Messung auch mehr Rauschen - als Abhilfe 
kann man die Messung aber auch mehrmals Wiederholen und mitteln.

Ich habe so etwas ähnliches mal gemacht (Zeitskala etwa 10 ms) - da hat 
eine Temperaturerhöhung im Bereich mK gereicht - allerdings mit vielen 
(teils über 1000) Wiederholungen. Bei einem anderen Versuch (mit 
Thermoelementen) sollte es schon in Richtung 0,1 - 1 K gehen. Ein 
Thermoelement ist dabei nicht unbedingt der optimale Sensor. Oft ist es 
auch so das Rauschen zu niedrigen Frequenzen zunimmt - schnelle Effekte 
kommen damit mit kleineren Temperaturerhöhungen aus, wenn man die 
kürzere Zeit für mehr Wiederholungen nutzt.

Für eine Dicke von 10 mm wird das System schon recht langsam sein. Die 
wichtige Größe ist die Temperaturleitfähigkeit (= Wärmeleitfähigkeit 
geteilt durch Wärmekapazität pro Volumen). So grob würde ich eine 
Zeitskala (da geht die Dicke quadratisch ein) im Bereich 100 Sekunden 
schätzen - das kann man nachrechnen, wenn man die Wärmeleitfähigkeit 
grob kennt. Die Wärmequelle kann also ggf. schon langsamer (z.B. 
Halogenlampe) sein. Entsprechend muss der Sensor auch nicht so super 
schnell sein.

Bei einer Bestrahlungsdauer von max. 1s bräuchte ich bei 1cm Dicke und 
gewünschter Temperaturänderung von 1K grob 1000W Strahlungsleistung (c = 
2000J/kgK, a = 1,4*10-5m^2/s). Klingen die Zahlen einigermaßen 
realistisch?

Habe ich das so richtig verstanden: um instationär zu bleiben, muss die 
Bestrahlung maximal so lang sein, dass die ausbreitende Wärmefront noch 
nicht das andere Ende der Platte erreicht hat. Graphisch gesehen muss 
zunächst die pulsartige Beleuchtung erfolgen und dann nach kurzer Pause 
ein Temperaturanstieg am anderen Ende der Platte. Andernfalls würde das 
System langsam in den Sättigungsbereich übergehen.

So nach erneutem Überschlagen:
Bei der zu erwärmenden Probenmasse (0,3kg) und gewünschter 
Temperaturdifferenz (0,5 K) benötige ich in etwa 300 J Heizleistung.
Mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca 200 W/mK komme ich auf ein t_1/2 = 
0,42 s (Zeit bis etwa die Hälfte der maximal Temperatur erreicht wurde).
a = 3,3*10^-5 m^2/s
Dicke der Probe = 1 cm
c = 2000 J/kgK

Wie lange sollte dann mein Erwärmungsstahlungsimpuls andauern?

Weis jemand dazu eine geeignete Beleuchtungsquelle die man auch 
elektronisch verschalten könnte?

Die Wärmeleitfähigkeit vom 200 W/m/K ist unrealistisch (das ist schon 
mehr als die meisten reinen Metalle). Entsprechend wird die Zeit länger 
sein. Je nach Aufbau des Akkus würde ich eher so mit 1-10 W/m/K rechnen. 
Entsprechend länger werden die Zeiten (dann eher 10-100s).

Der "Puls" zum Aufheizen kann im Prinzip bis etwa zur Zeitkonstante lang 
sein, wenn man die Pulslänge in der Auswertung mit Berücksichtigt. Will 
man die Pulslänge nicht berücksichtigen sollte der Puls deutlich kürzer 
als die Zeitkonstante (etwa 1/10) sein.

Als Strahlungsquellen kämen etwa viele Hochleistungs-IR LEDs oder 
Halogenstrahler in Frage. In beiden Fällen wird man ggf. noch eine 
aktive Kühlung brauchen, damit die Wärme von der Lichtquelle nicht noch 
nachstrahlt, bzw. um die LEDs schnell genug wieder abzukühlen.

Werner M. schrieb:
> Sebastian Siegl schrieb:
>> 300 J Heizleistung
>
> Was denn nun? Energie oder Leistung?

Sorry Heizenergie

Hab nun genauere Daten für meinen Messaufbau:

Bei einer gewünschten Temperaturdifferenz von ~0,5 K, brauche ich etwa 
800J Wärmeenergie.
mit t = 0,5x²*1/a erhalte ich Diffusionszeiten von ca 110s. Wenn man nun 
mit etwa 10% der Zeit beleuchtet muss ich ca 80W Heizleistung auf der 
Oberfläche erzeugen.
Hat jemand eine Idee mit welchen Strahler man 80W auf der Oberfläche 
erzeugen kann?

Für 80 W Strahlung wird man so etwa 500-1000 W an Halogenlampen oder 
vielleicht 200 W für (IR oder ggf. gute blaue) LEDs brauchen. Den 
genauen Wirkungsgrad müsste man noch nachschlagen - bei den 
Halogenlampen ist halt auch viel IR mit dabei - so schlecht wie im 
sichtbaren sind die also nicht.

Die LEDs sind mehr Aufwand, aber wohl auch gleichmäßiger zu 
kontrollieren, und vor allem sofort aus, wenn der Strom aus ist. Die 
LEDs wird man wohl auch gut kühlen müssen.

Meinst du mit mehr Aufwand die Kühlung der LEDs?

Die LEDs muss man kühlen, und viele LEDs (wohl Größenordnung 400 Stück, 
je nach Typ) zu verlöten ist auch nicht so ohne Aufwand.

Muss man des selber zusammenlöten oder kann man da was fertig kaufen?

Ich kenne jetzt keine so massiven IR LED Strahler, wie man hier brauchen 
würde. Es gibt kleinere für die IR Beleuchtung für Kameras, aber hier 
braucht man schon wirklich viel Leistung - muss dafür auch nicht für den 
Dauerbetrieb ausgelegt sein. Man kann versuchen was passendes zu finden, 
aber ich fürchte da ist selber löten angesagt.