Συμβουλές & κόλπα
Πώς να μετρήσετε άκαμπτα δείγματα υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας με τη βοήθεια του HFM
Η μέθοδος του μετρητή ροής θερμότητας (NETZSCH HFM 436 Lambda στο σχήμα 1) εφαρμόζεται συνηθέστερα σε μετρήσεις της θερμικής αγωγιμότητας μονωτικών υλικών, όπως υαλοβάμβακα, ορυκτές ίνες και πολυμερείς αφροί, σε εύρος περίπου 0,02 έως 0,1 W/(m-K) και πάχος 20 έως 100 mm.
Με ειδικές προφυλάξεις όσον αφορά την προετοιμασία του δείγματος, τη μέτρηση της θερμοκρασίας και τις ρυθμίσεις του οργάνου, το εύρος της μεθόδου HFM μπορεί να επεκταθεί σε μετρήσεις δομικών υλικών όπως σκυρόδεμα, τοιχοποιία και ξύλο, καθώς και πλαστικών, σύνθετων υλικών και γυαλιού με θερμική αγωγιμότητα έως και 2 W/(m-K) και θερμική αντίσταση έως και 0,02 (m2-K)/W (βλ. παράδειγμα στον Πίνακα 1).
Πίνακας 1. Μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας τσιμέντου με χρήση HFM 436/3 με κιτ οργάνων (φύλλα καουτσούκ και θερμοστοιχεία δείγματος)
| Δείγμα | Δείγμα πάχος (mm) | Πίεση στοίβας (PSI) k(PA) | Μέση θερμοκρασία (°C) | Θερμοκρασία Δ πλάκες δείγματος (K) | Δείγμα πυκνότητα (kg/m³) | Θερμική αντίσταση (m²-K/W) | Θερμική αγωγιμότητα (W/m-K) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Τσιμέντο | 76.25 | 2.0 13.8 | 26.1 | 19.2 14.3 | 1959 | 0.0617 | 1.24 |
Με τυπικές μετρήσεις HFM μονωτικών υλικών, η διαφορά θερμοκρασίας στο δείγμα (ΔT), όπως μετράται από τα θερμοστοιχεία που είναι ενσωματωμένα στις επιφάνειες της θερμής και της ψυχρής πλάκας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Αν και υπάρχει πάντα μια θερμική αντίσταση small και πτώση θερμοκρασίας στις διεπιφάνειες της πλάκας με το δείγμα, μπορούν να αμεληθούν σε σύγκριση με την πολύ μεγαλύτερη θερμική αντίσταση larger του δείγματος και τη ΔT. Για τα συμπιέσιμα μονωτικά υλικά, η καλή θερμική επαφή εξασφαλίζεται εάν το δείγμα συμπιέζεται ελαφρώς από τις πλάκες. Για πιο άκαμπτα υλικά, όπως ο πλαστικός αφρός, αυτές οι αντιστάσεις επαφής μπορούν ακόμη να αμεληθούν εφόσον οι επιφάνειες του δείγματος είναι επίπεδες και παράλληλες και ασκείται επαρκής πίεση από τις πλάκες HFM.
Για υλικά με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα, γενικά με θερμική αγωγιμότητα > 0,5 W/(m-K) και θερμική αντίσταση < 0,1 (m2-K)/W, οι αντιστάσεις επαφής της πλάκας με το δείγμα δεν μπορούν πλέον να αμεληθούν. Επίσης, δεδομένου ότι αυτά τα υλικά είναι γενικά άκαμπτα και ασυμπίεστα και μπορεί να έχουν τραχιές επιφάνειες, η θερμική επαφή με τις πλάκες HFM μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο από κενά και μεμβράνες αέρα. Για να ξεπεραστούν αυτές οι επιδράσεις, χρησιμοποιούνται θερμοστοιχεία τοποθετημένα στην επιφάνεια του δείγματος και φύλλα διεπαφής από καουτσούκ, όπως περιγράφεται παρακάτω.
Προετοιμασία δείγματος
Για να υπάρχει επαρκής θερμική αντίσταση του δείγματος και Δ T, συνιστάται ελάχιστο πάχος δείγματος 50 mm. Το μέγιστο πάχος είναι περίπου 90 mm για να υπάρχει χώρος για τα μαξιλαράκια διεπαφής και την εγκατάσταση και αφαίρεση του δείγματος.
Προετοιμάστε τις επιφάνειες του δείγματος που έρχονται σε επαφή με τις πλάκες ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο λείες, επίπεδες και παράλληλες με ακρίβεια περίπου 0,3 mm. Αν και αυτό μπορεί να είναι πρόκληση για πολλά δομικά υλικά όπως το σκυρόδεμα, είναι απαραίτητο για την καλή θερμική επαφή με τις πλάκες HFM ακόμη και όταν ακολουθούνται αυτές οι ειδικές διαδικασίες.
Πριν από την εγκατάσταση στο HFM, το πάχος του δείγματος πρέπει να μετρηθεί προσεκτικά σε διάφορα σημεία κοντά στην κεντρική περιοχή μέτρησης και να υπολογιστεί ο μέσος όρος.
HFM Calibration
libraΑρκεί μια κανονική μέτρηση με τη χρήση του παρεχόμενου πρότυπου πίνακα από υαλοβάμβακα. Δεν είναι απαραίτητο να γίνει calibrate χρησιμοποιώντας τα θερμοστοιχεία δείγματος και τα φύλλα διεπαφής ή με ένα πρότυπο δείγμα υψηλότερης θερμικής αγωγιμότητας. Οι δοκιμές έδειξαν ότι η μέτρηση του μετατροπέα ροής θερμότητας calibration με χρήση του πρότυπου χαρτονιού από υαλοβάμβακα είναι έγκυρη σε ένα εύρος θερμικής αντίστασης large.
Διαδικασία - NETZSCH HFM 436/3 με προαιρετικό κιτ οργάνων
- Παρέχονται δύο θερμοστοιχεία και δύο φύλλα διασύνδεσης από καουτσούκ σιλικόνης (Σχήμα 2). Σημειώστε το κεντρικό σημείο κάθε επιφάνειας του δείγματος, τοποθετήστε τον άνω και τον κάτω ανιχνευτή θερμοζεύγους με το άκρο τοποθετημένο κοντά στο κεντρικό σημείο και τοποθετήστε ταινία στη θέση του, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.
- Τοποθετήστε τα φύλλα καουτσούκ σε κάθε πλευρά του δείγματος πάνω από τα επιφανειακά θερμοστοιχεία και κολλήστε τα με ταινία στη θέση τους γύρω από τις άκρες του δείγματος, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4. Η ταινία θα εμποδίσει τα φύλλα να μετατοπιστούν ή να διπλωθούν κατά τη φόρτωση του δείγματος.
- Τοποθετήστε το δείγμα στο θάλαμο HFM και χαμηλώστε την πλάκα μέχρι να σταματήσει αυτόματα (μέγιστο φορτίο πλάκας που εφαρμόζεται). Εάν χρησιμοποιείτε την προαιρετική λειτουργία φόρτωσης στοίβας, συνιστάται πίεση πλάκας περίπου 2 PSI (περίπου 14 kPa) για τη βελτίωση της θερμικής επαφής.
- Συνδέστε τον άνω σύνδεσμο θερμοστοιχείου δείγματος στην αριστερή θέση (κιτ οργάνων) και τον κάτω σύνδεσμο θερμοστοιχείου δείγματος στη δεξιά θέση. Κλείστε τη θύρα του HFM.
- Στο λογισμικό Q-Lab:
Για τον ορισμό του δείγματος πρέπει να οριστεί το User Thickness (πάχος χρήστη) selectκαι να εισαχθεί το πάχος του δείγματος σε cm στο παράθυρο. Το πάχος του δείγματος θα χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Σημειώστε ότι το πάχος μετρητή περιλαμβάνει τώρα το πάχος των ελαστικών φύλλων διεπαφής.
Ανάλογα με τη θερμική αντίσταση του δείγματος θα πρέπει κανονικά να οριστεί μια θερμοκρασία Δ smaller για να αποφευχθεί ο κορεσμός των ενδείξεων του μετατροπέα θερμικής ροής, Q Upper και Q Lower. Για δείγματα όπως το σκυρόδεμα (πάχος 50 mm, θερμική αγωγιμότητα > 1 W/m-K) απαιτείται συνήθως Δ 10 K ή λιγότερο (σε όλο το δείγμα). Το Δ πρέπει να είναι selectώστε οι ενδείξεις Q Upper και Q Lower να διατηρούνται σε ισορροπία σε ή κάτω από περίπου 32000 uV. Αυτό μπορεί να απαιτήσει τη ρύθμιση πολλών σημείων ρύθμισης με διαφορετικό Δ κατά τη δοκιμή άγνωστων δειγμάτων. Το ελάχιστο συνιστώμενο Δ είναι περίπου 4 Κ.