Въведение
Новият референтен материал за топлопроводимост, ERM-FC440, е наследник на добре познатия референтен материал IRMM-440, който вече не се предлага. ERM-FC440 е сертифициран от Института за европейски референтни материали, ERM®, който се намира в Белгия [1]. Материалът е предназначен за контрол на качеството и оценка на ефективността на методите за измервания на гореща плоча с предпазител (GHP), както и за калибриране на уреди за измерване на топлинни потоци (HFM) [2].
Свойства на ERM-FC440
Стъклопластовите плоскости ERM-FC440, свързани със смола, се предлагат в три различни размера:
- 30 cm x 30 cm (ERM-FC440a)
- 50 cm x 50 cm (ERM-FC440b)
- 60 cm x 60 cm (ERM-FC440c)
Средната дебелина на ERM-FC440 е (28,65 ± 0,15) mm при натоварване от 0,25 kPa и (28,27 ± 0,19) mm при натоварване от 1,5 kPa. Плътността на всички образци ERM-FC440 е в диапазона 130 и 148 kg/m3 [2]. Дебелината и плътността на всяка отделна пластина на пробата при 0,25 kPa са посочени във всеки сертификат за референтен материал. ERM-FC440 е сертифициран за своята топлопроводимост в температурния диапазон от -10°C до 70°C [2]. Освен това са дадени индикативни стойности на топлопроводимостта в диапазона от -150°C до -10°C. Температурнозависимата топлопроводимост λ на ERM-FC440, както е посочено в сертификата, се изразява като
λ [W/(m-K)] = 0,03104 + 1,1 - 10-4 - T [°C] (1)
за целия температурен диапазон от -150 °C до 70 °C.
Разширената неопределеност е 1,1 % в диапазона от -10°C до 70°C и от 1,9 % до 1,1 % в диапазона от -150°C до -10°C. На фигура 2 е показана номиналната топлопроводимост λ на ERM-FC440 в съответствие с уравнение 1, както и бюджетът на неопределеността.
Резултати за топлопроводимостта
1. Резултати, получени с GHP 456
Техниката на защитената гореща плоча (GHP) е абсолютен метод без калибриране на топлопроводимостта. В режим на две плочи коефициентът на топлопроводност λ се изчислява от мощността Q, постъпваща в горещата плоча с измервателна площ A, температурния градиент през двете проби ΔT, както и средната дебелина на пробата d, както следва:
Измерванията на GHP върху образци ERM-FC440 бяха извършени с помощта на NETZSCH GHP 456 HT Titan®, оборудван с охлаждане с течен азот. За тестовете на GHP бяха използвани образци ERM-FC440a със серийни номера 001, 002, 003 и 005. Двойката образци 001+002 и двойката 003+005 бяха измерени едновременно в режим на две плочи. Температурният градиент по образците беше 30 K при температури под -10 °C и 20 K при 10 °C и по-високи температури. В ъглите на образците бяха поставени твърди дистанционни елементи с дължина, равна на номиналната дебелина на образеца, за да се осигури определена дебелина на образеца.
На фигура 3 са представени резултатите от измерванията на GHP: В температурния диапазон между -150°C и 70°C относителното отклонение от номиналните стойности на коефициента на топлопроводност, изчислени по уравнение 1, е по-малко от ± 1,3% за всички данни от измерванията, с изключение на една точка при -150°C, която се отклонява с -2,2%. Тези резултати са в съответствие с очакваната точност на GHP 456.
2. Резултати, получени с HFM 446
Техниката за измерване на топлинния поток (HFM) е относителен метод, основан на калибриране на сензорите за топлинен поток с помощта на референтен материал с известна топлопроводимост. Неизвестната топлопроводимост λ на пробата се изчислява от топлинния поток на площ Q/A и температурния градиент ΔT през пробата със средна дебелина d съгласно уравнението на Фурие за едномерен топлинен поток, както следва:
HFM измерванията на образците ERM-FC440 бяха извършени с помощта на уредите NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line Small, Medium и Large. Два уреда HFM 446 Large със серийни номера 0009 и 0010 на различни места бяха използвани за изпитване на образците ERM-FC440c със серийни номера 004 и 005. Два уреда HFM 446 Medium със серийни номера 0007 и 0009 бяха използвани за изпитване на образци ERM-FC440a със серийни номера 001, 002, 003 и 005. Три устройства HFM 446 Small със серийни номера 0086, 0087 и SOA-002 бяха използвани за изпитване на образци ERM-FC440 с размери 20 cm x 20 cm, изрязани от платка ERM-FC440c със сериен номер 005 след приключване на измерванията в HFM 446 Large. За целите на документацията на всяка 20-сантиметрова платка е бил присвоен идентификационен номер с пет цифри, който е бил изписан с лазер върху лицевата страна (вж. също фигура 1 вдясно). Всички устройства бяха калибрирани с NIST SRM 1450d или IRMM440. Измерванията бяха извършени при средни температури между -10°C и 70°C с температурен градиент върху пробите от 20 K и контактно налягане от максимум 2 kPa.
На фигури от 4 до 6 са представени резултатите от измерванията на всички HFM инструменти. В целия температурен диапазон относителното отклонение от номиналните стойности на коефициента на топлопроводност, изчислени по уравнение 1, е в рамките на ± 1,5 % за повечето резултати от измерванията, с изключение на някои точки на измерване при най-високата температура от 70 °C. Всички резултати са в съответствие с очакваната точност от ± 2 % за топломерите HFM 446.
Резюме
Топлопроводимостта на новия референтен материал за топлопроводимост, ERM-FC440, е изследвана в температурния диапазон между -150°C и 70°C, като са използвани едно устройство GHP 456 и няколко устройства HFM 446. Почти всички резултати съвпаднаха в рамките на ± 1,5 % с номиналните стойности, което отразява точността на уредите GHP 456 Titan® и HFM 446 Lambda от NETZSCH.