Inleiding
Het nieuwe referentiemateriaal voor Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, ERM-FC440, is de opvolger van het bekende referentiemateriaal IRMM-440, dat niet langer beschikbaar is. ERM-FC440 is gecertificeerd door het Instituut voor Europese Referentiematerialen, ERM®, gevestigd in België [1]. Het materiaal is bedoeld voor kwaliteitscontrole en beoordeling van de methodeprestaties van GHP-metingen met bewaakte verwarmingsplaat en voor kalibratie van instrumenten voor warmtestroommeters (HFM) [2].
Eigenschappen van ERM-FC440
ERM-FC440 harsgebonden glasvezelplaten zijn verkrijgbaar in drie verschillende afmetingen:
- 30 cm x 30 cm (ERM-FC440a)
- 50 cm x 50 cm (ERM-FC440b)
- 60 cm x 60 cm (ERM-FC440c)
De gemiddelde dikte van ERM-FC440 is (28,65 ± 0,15) mm bij een belasting van 0,25 kPa en (28,27 ± 0,19) mm bij een belasting van 1,5 kPa. De dichtheden van alle ERM-FC440 monsters liggen tussen 130 en 148 kg/m3 [2]. De dikte en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van elke afzonderlijke monsterplaat bij 0,25 kPa staan vermeld op elk referentiemateriaalcertificaat. ERM-FC440 is gecertificeerd voor zijn Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in het temperatuurbereik van -10 °C tot 70 °C [2]. Daarnaast worden indicatieve waarden voor Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid gegeven in het bereik van -150 °C tot -10 °C. De temperatuurafhankelijke warmtegeleidingscoëfficiënt λ van ERM-FC440, zoals vermeld in het certificaat, wordt uitgedrukt als
λ [W/(m-K)] = 0,03104 + 1,1 - 10-4 - T [°C] (1)
voor het volledige temperatuurbereik van -150 °C tot 70 °C.
De uitgebreide onzekerheid is 1,1% in het bereik van -10°C tot 70°C en 1,9% tot 1,1% in het bereik van -150°C tot -10°C. Figuur 2 toont de nominale Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid λ van ERM-FC440 volgens vergelijking 1 en het onzekerheidsbudget.
Resultaten warmtegeleidingsvermogen
1. Resultaten verkregen met de GHP 456
De GHP (guarded hot plate)-techniek is een absolute methode zonder kalibratie van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. In de tweeplaatmodus wordt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid λ berekend uit het vermogen Q dat in de verwarmingsplaat met meetoppervlak A stroomt, de temperatuurgradiënt over de twee monsters ΔT en de gemiddelde monsterdikte d als volgt:
GHP-metingen aan ERM-FC440 proefstukken werden uitgevoerd met een NETZSCH GHP 456 HT Titan® uitgerust met vloeibare stikstofkoeling. ERM-FC440a proefstukken met serienummers 001, 002, 003 en 005 werden gebruikt voor de GHP-tests. Het paar monsters 001+002 en het paar 003+005 werden elk gelijktijdig gemeten in de tweeplaatmodus. De temperatuurgradiënt over de proefstukken was 30 K bij temperaturen onder -10 °C en 20 K bij 10 °C en hogere temperaturen. De proefstukken hadden stijve afstandhouders in hun hoeken met een lengte die identiek was aan de nominale dikte van het proefstuk om een gedefinieerde dikte van het proefstuk te garanderen.
Figuur 3 toont de meetresultaten van GHP: In het temperatuurbereik tussen -150°C en 70°C is de relatieve afwijking van de nominale warmtegeleidingswaarden berekend met vergelijking 1 minder dan ± 1,3% voor alle meetgegevens, behalve voor één punt bij -150°C dat -2,2% afwijkt. Deze resultaten zijn in overeenstemming met de verwachte nauwkeurigheid van de GHP 456.
2. Resultaten verkregen met de HFM 446
De warmtestroommetertechniek (HFM) is een relatieve methode gebaseerd op kalibratie van de warmtestroomsensoren met behulp van een referentiemateriaal met bekende Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. De onbekende warmtegeleidingscoëfficiënt λ van een monster wordt berekend uit de warmtestroom per oppervlak Q/A en de temperatuurgradiënt ΔT over het monster met gemiddelde dikte d volgens de vergelijking van Fourier voor eendimensionale warmtestroom als volgt:
De HFM-metingen aan de ERM-FC440 monsters werden uitgevoerd met de NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line Small, Medium en Large instrumenten. Twee HFM 446 Large apparaten met serienummers 0009 en 0010 op verschillende locaties werden gebruikt om de ERM-FC440c monsters met serienummers 004 en 005 te testen. Twee HFM 446 Medium apparaten met serienummers 0007 en 0009 werden gebruikt om de ERM-FC440a exemplaren met serienummers 001, 002, 003 en 005 te testen. Drie HFM 446 Small apparaten met serienummers 0086, 0087 en SOA-002 werden gebruikt om ERM-FC440 exemplaren met de afmetingen 20 cm x 20 cm te testen die uit het ERM-FC440c bord met serienummer 005 waren gesneden nadat de metingen in de HFM 446 Large waren voltooid. Voor documentatiedoeleinden kreeg elke printplaat van 20 cm een identificatienummer van vijf cijfers, dat op de voorkant gelaserd werd (zie ook figuur 1 rechts). Alle apparaten werden gekalibreerd met NIST SRM 1450d of IRMM440. De metingen werden uitgevoerd bij gemiddelde temperaturen tussen -10°C en 70°C met een temperatuurgradiënt over de monsters van 20 K en een contactdruk van maximaal 2 kPa.
Figuren 4 tot 6 tonen de meetresultaten van alle HFM instrumenten. Over het hele temperatuurbereik is de relatieve afwijking van de nominale waarden van de warmtegeleiding berekend met vergelijking 1 binnen ± 1,5% voor de meeste meetresultaten, behalve voor enkele meetpunten bij de hoogste temperatuur van 70°C. Alle resultaten zijn in overeenstemming met de verwachte nauwkeurigheid van ± 2% voor de HFM 446 warmtestroommeters.
Samenvatting
De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het nieuwe referentiemateriaal voor thermische geleidbaarheid, ERM-FC440, werd onderzocht in het temperatuurbereik tussen -150°C en 70°C met één GHP 456 en verschillende HFM 446 apparaten. Bijna alle resultaten kwamen binnen ± 1,5% overeen met de nominale waarden, wat de nauwkeurigheid van GHP 456 Titan® en HFM 446 Lambda instrumenten door NETZSCH weerspiegelt.