Johdanto
Lämpövirtamittari (HFM) on tunnettu ja hyväksytty menetelmä eristemateriaalien, kuten EPS-, kivivilla- tai lasikuitulevyjen, lämmönjohtavuuden määrittämiseksi. Myös rakennusmateriaaleja, kuten betonia, joilla on korkeampi LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus ja jäykkä rakenne, voidaan tutkia HFM-menetelmällä. Mittalaitesarja laajentaa mittausalueen 2 W/(m∙K):iin. Tässä sovellusohjeessa kuvataan Instrumentation Kit yksityiskohtaisesti ja esitellään tietoja, jotka on saatu Pyrex®-levystä HFM 436/3/1 -laitteella (kuva 1). Laitteen tehokkuus osoitetaan korreloimalla tietoja Laser Flash Analysis (LFA, kuva 2) -tekniikan kanssa.
Instrumentointipakkaus
Kun eristysmateriaaleja testataan HFM-tekniikalla, näytteen ja HFM-levyjen väliset rajapinnan lämpöresistanssit ovat yleensä merkityksettömiä suhteessa näytteen lämpöresistanssiin. Kun kyseessä ovat hyvin johtavat ja/tai jäykät näytteet, tämä oletus ei enää päde. Vaikka näytteen pinnat olisivat hyvin tasaisia ja tasopuolisia, rajapintaan jää aina joitakin small ilmarakoja, jotka johtavat huomattaviin eroihin levyjen ja näytteen pintalämpötilojen välillä ja epähomogeeniseen lämpövirtaan näytteen läpi. Näiden puutteiden välttämiseksi tarvitaan instrumentointisarjaa. Se koostuu kahdesta ulkoisesta termoparista ja kahdesta rajapintakerroksesta (kuva 3). Rajapintakerrokset parantavat levyjen ja näytteen välistä lämpökontaktia, kun taas ulkoiset termoelementit ovat suorassa kosketuksessa näytteen pintoihin (kuva 4) ja mittaavat siten tarkat ja "todelliset" pintalämpötilat (kuva 5).
Pyrex®-levyllä tehtyjen mittaustulosten vertailu HFM with Instrumentation Kit ja LFA-tekniikalla
Mittalaitesarjan suorituskyky osoitetaan Pyrex®:llä, joka on homogeeninen, kemiallisesti vakaa ja 1960-luvulta lähtien tunnettu lämmönjohtavuuden vertailumateriaali, jonka LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on noin 1,14 W/(m∙K) 23 °C:ssa [1].
Raportoidut tiedot tehtiin näytteillä, joiden mitat olivat 300 mm x 300 mm x 20 mm ja joissa oli ja ei ollut mittalaitesarjaa. Lämpövirta-antureiden kalibrointi suoritettiin NIST:n sertifioimalla lasikuitulevyllä (1450D) ilman instrumentointisarjaa ASTM C 518:n mukaisesti. Testattiin kolme eri Pyrex-näytettä (A, B, C) samasta erästä. Samasta erästä valmistettiin myös kaksi näytettä (1, 2), joiden halkaisija oli 12,7 mm ja paksuus 2,5 mm, LFA-testejä varten. Mittaukset suoritettiin LFA467 Hyperflash-laitteella.
Taulukossa 1 esitetään eri HFM- ja LFA-testien tulokset 23 °C:ssa. small HFM-testien standardipoikkeama (1,7 %) osoittaa menetelmän hyvän toistettavuuden. Keskimääräinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus 1,15 W/(m∙K) osoittaa vain 0,88 prosentin poikkeaman LFA:n ja kirjallisuuden keskiarvosta. Tämä todistaa HFM-mittausten tarkkuuden Instrumentation Kitillä.
Taulukko 1: Pyrex®:n LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus 23 °C:ssa HFM:llä ja LFA:lla
Menetelmä | Näyte/Mittaus | W/(m∙K) | W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Pyrex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex ilman instrumenttisarjaa | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Ilman instrumentointisarjaa suuri lämpökontaktin vastus ja tuntemattomat pintalämpötilat johtavat siihen, että LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on 0,53 W/(m∙K), mikä on huomattavasti odotettua arvoa pienempi.
Kuvassa 6 esitetään tulokset 10 °C:sta 65 °C:seen HFM:n, LFA:n ja kirjallisuusarvojen avulla (virhepalkit ± 5 %). Koko lämpötila-alueella HFM- ja LFA-tulokset ovat hyvässä yhteisymmärryksessä kirjallisuusarvojen kanssa (suurin poikkeama 2,8 % - LFA ja 3,9 % - HFM).
Yhteenveto
Jäykkien materiaalien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus jopa 2 W/(m∙K) voidaan tutkia luotettavasti HFM:llä edellyttäen, että pintalämpötilat mitataan tarkasti. Tämä saavutetaan instrumentointisarjalla, joka varmistaa homogeenisen lämpövirran ja todelliset näytteen pintalämpötilat. Instrumentointisarjalla tehtyjen HFM-mittausten tiedot ovat hyvin toistettavissa ja sopivat hyvin yhteen LFA-tekniikalla ja kirjallisuudessa saatujen tulosten kanssa. Lisäksi pitkäaikaiskestävyys tekee Pyrex®:stä materiaalin, joka on suositeltava materiaali HFM:n ja Instrumentation Kitin suorituskyvyn todentamiseen ennen tuntemattomien, hyvin johtavien näytteiden mittaamista.