Wprowadzenie
Technika przepływomierza ciepła (HFM) jest dobrze znaną i akceptowaną metodą określania przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych, takich jak EPS, wełna mineralna lub płyty z włókna szklanego. Za pomocą HFM można również badać materiały budowlane, takie jak beton o wyższej przewodności cieplnej i sztywnej strukturze. Zestaw oprzyrządowania rozszerza zakres pomiarowy do 2 W/(m∙K). Niniejsza nota aplikacyjna szczegółowo opisuje zestaw oprzyrządowania i przedstawia dane uzyskane na Pyrex® za pomocą HFM 436/3/1 (rysunek 1). Jego skuteczność została zademonstrowana poprzez korelację danych z techniką Laser Flash Analysis (LFA, rysunek 2).
Zestaw oprzyrządowania
Podczas testowania materiałów izolacyjnych za pomocą techniki HFM, opory cieplne między próbką a płytkami HFM są zwykle pomijalne w stosunku do oporu cieplnego próbki. W przypadku próbek o wysokiej przewodności i/lub sztywności założenie to nie jest już ważne. Nawet jeśli powierzchnie próbki są bardzo płaskie i równoległe, zawsze pozostają pewne small szczeliny powietrzne na styku, co prowadzi do znacznych różnic między temperaturami powierzchni płyt i próbki oraz niejednorodnego przepływu ciepła przez próbkę. Aby uniknąć tych niedociągnięć, niezbędny jest zestaw oprzyrządowania. Składa się on z dwóch zewnętrznych termopar i dwóch warstw interfejsu (rysunek 3). Warstwy interfejsu poprawiają kontakt termiczny między płytkami a próbką, podczas gdy zewnętrzne termopary są w bezpośrednim kontakcie z powierzchniami próbki (rysunek 4) i dlatego mierzą dokładną i "prawdziwą" temperaturę powierzchni (rysunek 5).
Porównanie danych pomiarowych na Pyrex® przy użyciu HFM z zestawem oprzyrządowania i techniką LFA
Wydajność zestawu oprzyrządowania została zademonstrowana przy użyciu Pyrex®, jednorodnego, stabilnego chemicznie i dobrze znanego materiału odniesienia przewodności cieplnej od lat 60-tych XX wieku, o przewodności cieplnej około 1,14 W/(m∙K) w temperaturze 23°C [1].
Podane dane zostały przeprowadzone na próbkach o wymiarach 300 mm x 300 mm x 20 mm z zestawem oprzyrządowania i bez niego.libraCzujniki strumienia ciepła zostały wykonane przy użyciu certyfikowanej przez NIST płytki z włókna szklanego (1450D) bez zestawu oprzyrządowania, zgodnie z ASTM C 518. Przetestowano trzy różne próbki Pyrex (A, B, C) z tej samej partii. Dwie próbki (1, 2) o średnicy 12,7 mm i grubości 2,5 mm zostały również przygotowane z tej samej partii do testów LFA. Pomiary przeprowadzono za pomocą urządzenia LFA467 Hyperflash.
Tabela 1 przedstawia wyniki różnych testów HFM i LFA w temperaturze 23°C. Odchylenie standardowe small (1,7%) testów HFM wskazuje na dobrą odtwarzalność metody. Średnia Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wynosząca 1,15 W/(m∙K) wykazuje odchylenie tylko 0,88% od średniej wartości z LFA i literatury. Dowodzi to dokładności pomiarów HFM za pomocą zestawu oprzyrządowania.
Tabela 1: Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna Pyrex® w temperaturze 23°C przy użyciu HFM i LFA
Metoda | Próbka/Pomiar | W/(m∙K) | W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Pyrex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex bez zestawu oprzyrządowania | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Bez zestawu oprzyrządowania, wysoka rezystancja kontaktu termicznego i nieznane temperatury powierzchni prowadzą do przewodności cieplnej 0,53 W/(m∙K), znacznie niższej niż oczekiwana wartość.
Rysunek 6 przedstawia wyniki od 10°C do 65°C z HFM, LFA i wartościami literaturowymi (słupki błędów ± 5%). W całym zakresie temperatur wyniki HFM i LFA są w dobrej zgodności z wartościami literaturowymi (maksymalne odchylenie 2,8% - LFA i 3,9% - HFM).
Podsumowanie
Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna sztywnych materiałów do 2 W/(m∙K) może być wiarygodnie badana za pomocą HFM, pod warunkiem, że temperatury powierzchni są dokładnie mierzone. Osiąga się to dzięki zestawowi oprzyrządowania, który zapewnia jednorodny przepływ ciepła i rzeczywistą temperaturę powierzchni próbki. Dane z pomiarów HFM za pomocą zestawu oprzyrządowania są wysoce powtarzalne i zgodne z wynikami techniki LFA i literaturą. Co więcej, długoterminowa stabilność kwalifikuje Pyrex® jako materiał z wyboru do weryfikacji wydajności HFM z zestawem oprzyrządowania przed pomiarem nieznanych próbek o wysokim przewodnictwie.