اختبار دقة جهازي GHP 456 و HFM 446 باستخدام المادة المرجعية الجديدة ERM-FC440

مقدمة

المادة المرجعية الجديدة للتوصيل الحراري، ERM-FC440، هي المادة المرجعية الجديدة للموصلية الحرارية، ERM-FC440، وهي المادة المرجعية الخلف للمادة المرجعية المعروفة IRMM- 440، التي لم تعد متوفرة. وقد تم اعتماد ERM-FC440 من قبل معهد المواد المرجعية الأوروبية، ERM®، الموجود في بلجيكا [1]. وتهدف هذه المادة إلى مراقبة الجودة وتقييم أداء طريقة قياسات الألواح الساخنة المحروسة (GHP) وكذلك لمعايرة أجهزة قياس التدفق الحراري (HFM) [2].

خصائص ERM-FC440

تتوفر ألواح الألياف الزجاجية المربوطة بالراتنج ERM-FC440 بثلاثة أحجام مختلفة:

  • 30 سم × 30 سم (ERM-FC440a)
  • 50 سم × 50 سم (ERM-FC440b)
  • 60 سم × 60 سم (ERM-FC440c)

يبلغ متوسط سُمك نموذج ERM-FC440 (28.65 ± 0.15) مم تحت حمولة 0.25 كيلو باسكال و(28.27 ± 0.19) مم تحت حمولة 1.5 كيلو باسكال. تتراوح كثافة جميع عينات ERM-FC440 في نطاق 130 و148 كجم/م3 [2]. يتم ذكر سُمك وكثافة كل صفيحة عينة فردية عند 0.25 كيلو باسكال على كل شهادة مادة مرجعية. تم اعتماد ERM-FC440 لتوصيلها الحراري في نطاق درجات الحرارة من -10 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية [2]. بالإضافة إلى ذلك، يتم إعطاء قيم الموصلية الحرارية الإرشادية في النطاق من -150 درجة مئوية إلى -10 درجة مئوية. يتم التعبير عن الموصلية الحرارية المعتمدة على درجة الحرارة λ من ERM-FC440، كما هو مذكور في الشهادة، على النحو التالي

λ [W/(m-K)] = 0.03104 + 1.1 - 10-4 - T [درجة مئوية] (1)

لنطاق درجة الحرارة بالكامل من -150 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية.

1) مادة ERM-FC440 في العبوة الأصلية (على اليسار) ومع علامة الليزر NETZSCH (على اليمين)

تبلغ نسبة عدم اليقين الموسع 1.1% في النطاق من -10 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية و1.9% إلى 1.1% في النطاق من -150 درجة مئوية إلى -10 درجة مئوية. ويعرض الشكل 2 الموصلية الحرارية الاسمية λ لـ ERM-FC440 وفقًا للمعادلة 1 بالإضافة إلى ميزانية عدم اليقين.

2) الموصلية الحرارية الاسمية المعتمدة على درجة الحرارة ل ERM-FC440 (خط متصل) بما في ذلك عدم اليقين الموسع (خطوط متقطعة).

نتائج التوصيل الحراري

1. النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام GHP 456

تقنية الصفيحة الساخنة المحروسة (GHP) هي طريقة مطلقة دون أي معايرة للتوصيل الحراري. في وضع الصفيحتين، يتم حساب الموصلية الحرارية λ من الطاقة Q المتدفقة إلى الصفيحة الساخنة ذات مساحة القياس A، وتدرج درجة الحرارة عبر العينتين ΔT وكذلك متوسط سمك العينة d على النحو التالي:

أُجريت قياسات GHP على عينات ERM-FC440 باستخدام جهاز NETZSCH GHP 456 HT Titan® المجهز بتبريد النيتروجين السائل. استُخدمت عينات ERM-FC440a ذات الأرقام التسلسلية 001 و002 و003 و005 لاختبارات GHP. تم قياس كل من زوج العينات 001+002 وزوج العينات 003+005 في وقت واحد في وضع اللوحين. كان التدرج في درجة الحرارة عبر العينات 30 كلفن عند درجات حرارة أقل من -10 درجات مئوية، و20 كلفن عند 10 درجات مئوية ودرجات حرارة أعلى. كانت العينات مزودة بفواصل صلبة في زواياها بطول مماثل لسمك العينة الاسمي لضمان تحديد سمك العينة.

2) الموصلية الحرارية الاسمية المعتمدة على درجة الحرارة ل ERM-FC440 (خط متصل) بما في ذلك عدم اليقين الموسع (خطوط متقطعة).

ويوضح الشكل 3 نتائج قياس التوصيل الحراري العام: في نطاق درجة الحرارة بين -150 درجة مئوية و70 درجة مئوية، يكون الانحراف النسبي عن قيم التوصيل الحراري الاسمية المحسوبة من المعادلة 1 أقل من ± 1.3% لجميع بيانات القياس باستثناء نقطة واحدة عند -150 درجة مئوية التي تنحرف بنسبة -2.2%. وتتوافق هذه النتائج مع الدقة المتوقعة لجهاز GHP 456.

3) الانحراف النسبي للتوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة عن القيم الاسمية لزوجين من عينات ERM-FC440a (الرقمان التسلسليان 001+02 و003+005)، مقيسين بجهاز GHP 456 HT Titan® في وضع اللوحين.

2. النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام HFM 446

إن تقنية مقياس التدفق الحراري (HFM) هي طريقة نسبية تعتمد على معايرة مستشعرات التدفق الحراري باستخدام مادة مرجعية ذات توصيلية حرارية معروفة. يتم حساب الموصلية الحرارية المجهولة λ للعينة من التدفق الحراري لكل مساحة Q/A وتدرج درجة الحرارة ΔT عبر العينة مع متوسط السماكة d وفقًا لمعادلة فورييه للتدفق الحراري أحادي البعد على النحو التالي:

أُجريت قياسات HFM على عينات ERM-FC440 باستخدام أجهزة NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line الصغيرة والمتوسطة والكبيرة. استُخدم جهازان من أجهزة HFM 446 الكبيرة ذات الأرقام التسلسلية 0009 و0010 في مواقع مختلفة لاختبار عينات ERM-FC440c ذات الأرقام التسلسلية 004 و005. استُخدم جهازان من أجهزة HFM 446 المتوسطة ذات الرقمين المتسلسلين 0007 و0009 لاختبار عينات ERM-FC440a ذات الأرقام التسلسلية 001 و002 و003 و005. استُخدمت ثلاثة أجهزة HFM 446 صغيرة ذات الأرقام التسلسلية 0086 و0087 وSOA-002 لاختبار عينات ERM-FC440 بحجم 20 سم × 20 سم مقطوعة من لوحة ERM-FC440c ذات الرقم التسلسلي 005 بعد اكتمال القياسات في HFM 446 Large. لأغراض التوثيق، تم تخصيص رقم تعريفي لكل لوحة مقاس 20 سم برقم تعريفي مكون من خمسة أرقام، تم لصقه على الوجه الأمامي (انظر أيضًا الشكل 1 على اليمين). تمت معايرة جميع الأجهزة إما بمعيار NIST SRM 1450d أو IRMM440. أُجريت القياسات عند درجات حرارة متوسطة تتراوح بين -10 درجة مئوية و70 درجة مئوية مع تدرج درجة حرارة عبر العينات بمقدار 20 كلفن وضغط تلامس بحد أقصى 2 كيلو باسكال.

3) الانحراف النسبي للتوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة عن القيم الاسمية لزوجين من عينات ERM-FC440a (الرقمان التسلسليان 001+02 و003+005)، مقيسين بجهاز GHP 456 HT Titan® في وضع اللوحين.

توضح الأشكال من 4 إلى 6 نتائج القياس من جميع أجهزة HFM. عبر نطاق درجات الحرارة بالكامل، يكون الانحراف النسبي عن قيم التوصيل الحراري الاسمية المحسوبة باستخدام المعادلة 1 في حدود ± 1.5% لمعظم نتائج القياس، باستثناء بعض نقاط القياس عند أعلى درجة حرارة 70 درجة مئوية. تتوافق جميع النتائج مع الدقة المتوقعة البالغة ± 2% لمقاييس التدفق الحراري HFM 446.

4) الانحراف النسبي للتوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة عن القيم الاسمية لعينتين من ERM-FC440c (الرقمان التسلسليان 004 و005) مقيستين بجهازين كبيرين من طراز HFM 446.
5) الانحراف النسبي للتوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة عن القيم الاسمية لأربع عينات ERM-FC440a (الأرقام التسلسلية 001 و002 و003 و005) مقيسة بجهازين متوسطين من طراز HFM 446.
6) الانحراف النسبي للتوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة عن القيم الاسمية لأربع عينات كبيرة مقاس 20 سم × 20 سم من نوع ERM-FC440 (مقطوعة من اللوحة رقم تسلسلي 005) مقيسة بثلاثة أجهزة من نوع HFM 446 Small.

الملخص

تم فحص التوصيل الحراري للمادة المرجعية الجديدة للتوصيل الحراري، ERM-FC440، في نطاق درجة الحرارة بين -150 درجة مئوية و70 درجة مئوية باستخدام جهاز GHP 456 وعدة أجهزة HFM 446. كانت جميع النتائج تقريبًا متفقة في حدود ± 1.5% مع القيم الاسمية، مما يعكس دقة أجهزة GHP 456 Titan® وHFM 446 Lambda من NETZSCH.

Literature

  1. [1]
    European Reference Materials (ERM®), EuropeanCommission, Joint Research Centre, Directorate F –Health, Consumers and Reference Materials, Retieseweg111, 2440 Geel, Belgium.
  2. [2]
    T. Linsinger, The certification of the thermal conductivityof a resin bonded glass fiber board: ERM®-FC440a,ERM®-FC440b and ERM®-FC440c, EUR 30859 EN, PublicationsOffice of the European Union, Luxembourg,2021, ISBN 978-92-76-42259-4, doi:10.2760/759309,JRC126677.

Related Application Notes