Suggerimenti e trucchi
Come misurare campioni rigidi e ad alta conducibilità termica con l'HFM
Il metodo del misuratore di flusso di calore (NETZSCH HFM 436 Lambda nella Figura 1) è più comunemente applicato alle misure di conducibilità termica di materiali isolanti come la fibra di vetro, la fibra minerale e le schiume polimeriche nell'intervallo approssimativo da 0,02 a 0,1 W/(m-K) e con uno spessore da 20 a 100 mm.
Con particolari precauzioni relative alla preparazione del campione, alla misurazione della temperatura e alle impostazioni dello strumento, la gamma del metodo HFM può essere estesa alle misure di materiali da costruzione come calcestruzzo, muratura e legno, oltre a plastiche, compositi e vetro con conducibilità termica fino a 2 W/(m-K) e resistenza termica fino a 0,02 (m2-K)/W (vedere l'esempio nella Tabella 1).
Tabella 1. Misura della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del cemento con HFM 436/3 e kit di strumentazione (fogli di gomma e termocoppie campione)
| Campione | Campione spessore (mm) | Pressione della pila (PSI) k(PA) | Temp. media (°C) | Temp.Δ piastre campione (K) | Densità del campione (kg/m³) | Resistenza termica (m²-K/W) | Conducibilità termica (W/m-K) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cemento | 76.25 | 2.0 13.8 | 26.1 | 19.2 14.3 | 1959 | 0.0617 | 1.24 |
Con le tipiche misure HFM di materiali isolanti, la differenza di temperatura attraverso il campione (ΔT) misurata dalle termocoppie incorporate nelle superfici della piastra calda e della piastra fredda può essere utilizzata per il calcolo della conducibilità termica. largeSebbene sia sempre presente una small resistenza termica e una caduta di temperatura alle interfacce piastra-campione, esse possono essere trascurate rispetto alla resistenza termica del campione e al ΔT. Per i materiali isolanti comprimibili, un buon contatto termico è assicurato se il campione viene leggermente compresso dalle piastre. Per i materiali più rigidi, come la schiuma plastica, queste resistenze di contatto possono ancora essere trascurate, purché le superfici del campione siano piane e parallele e le piastre HFM applichino una pressione sufficiente.
Per i materiali a più alta conducibilità termica, generalmente con conducibilità termica > 0,5 W/(m-K) e resistenza termica < 0,1 (m2-K)/W, le resistenze di contatto tra piastra e campione non possono più essere trascurate. Inoltre, poiché questi materiali sono generalmente rigidi e incomprimibili e possono avere superfici ruvide, il contatto termico con le piastre HFM può essere ulteriormente ridotto da spazi vuoti e pellicole d'aria. Per superare questi effetti, si utilizzano termocoppie montate sulla superficie del campione e fogli di interfaccia in gomma, come descritto di seguito.
Preparazione del campione
Per ottenere una sufficiente resistenza termica del campione e un Δ T, si raccomanda uno spessore minimo del campione di 50 mm. Lo spessore massimo è di circa 90 mm per lasciare spazio alle piastre di interfaccia e all'installazione e rimozione del campione.
Preparare le superfici del campione a contatto con le piastre in modo che siano il più possibile lisce, piane e parallele entro circa 0,3 mm. Sebbene ciò possa essere difficile per molti materiali da costruzione come il cemento, è necessario per un buon contatto termico con le piastre HFM anche quando si seguono queste procedure speciali.
Prima dell'installazione nell'HFM, è necessario misurare accuratamente lo spessore del campione in diversi punti vicino all'area di misurazione centrale e calcolarne la media.
HFM Calibratazione
È sufficiente una normale calibratificazione utilizzando il pannello in fibra di vetro standard fornito. Non è necessario effettuare una calibratificazione utilizzando le termocoppie campione e i fogli di interfaccia o con un campione standard a più alta conducibilità termica. I test hanno dimostrato che la calibratificazione del trasduttore di flusso di calore utilizzando il pannello in fibra di vetro standard è valida in un large intervallo di resistenza termica.
Procedura - NETZSCH HFM 436/3 con kit di strumentazione opzionale
- Vengono fornite due termocoppie e due fogli di interfaccia in gomma siliconica (Figura 2). Segnare il punto centrale di ciascuna superficie del campione, posizionare le sonde della termocoppia superiore e inferiore con l'estremità vicina al segno centrale e fissarle con il nastro adesivo, come mostrato nella Figura 3.
- Posizionare i fogli di gomma su ciascun lato del campione sopra le termocoppie di superficie e fissarli con il nastro adesivo intorno ai bordi del campione, come mostrato nella Figura 4. Il nastro impedirà ai fogli di spostarsi. Il nastro impedirà ai fogli di spostarsi o piegarsi durante il caricamento del campione.
- Caricare il campione nella camera HFM e abbassare la piastra finché non si ferma automaticamente (carico massimo della piastra applicato). Se si utilizza la funzione opzionale di caricamento in pila, si raccomanda una pressione della piastra di circa 2 PSI (circa 14 kPa) per migliorare il contatto termico.
- Inserire il connettore della termocoppia campione superiore nella posizione sinistra (kit di strumentazione) e il connettore della termocoppia campione inferiore nella posizione destra. Chiudere lo sportello dell'HFM.
- Nel software Q-Lab:
Per la definizione del campione, è necessario inserire nella finestra User Thickness ( select) lo spessore del campione in cm. Lo spessore del campione verrà utilizzato per calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Si noti che il Gauge Thickness ora include lo spessore dei fogli di gomma di interfaccia.
A seconda della resistenza termica del campione, sarà normalmente necessario definire una smalltemperatura Δ per evitare la saturazione delle letture del trasduttore di flusso di calore, Q Upper e Q Lower. Per campioni come il calcestruzzo (spessore di 50 mm, Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica > 1 W/m-K) è necessario un Δ di 10 K o meno (su tutto il campione). Il Δ deve essere selectper mantenere le letture Q Upper e Q Lower in equilibrio a circa 32000 uV o meno. Ciò può richiedere l'impostazione di più setpoint con Δ diversi quando si analizzano campioni sconosciuti. Il Delta minimo consigliato è di circa 4 K.