Wprowadzenie
Nowy materiał referencyjny dla przewodności cieplnej, ERM-FC440, jest następcą dobrze znanego materiału referencyjnego IRMM-440, który nie jest już dostępny. ERM-FC440 został certyfikowany przez Instytut Europejskich Materiałów Odniesienia ERM® z siedzibą w Belgii [1]. Materiał ten jest przeznaczony do kontroli jakości i oceny wydajności metody pomiarów z wykorzystaniem strzeżonej płyty grzejnej (GHP), a także do ok.libratacji przyrządów do pomiaru przepływu ciepła (HFM) [2].
Właściwości ERM-FC440
Płyty z włókna szklanego łączone żywicą ERM-FC440 są dostępne w trzech różnych rozmiarach:
- 30 cm x 30 cm (ERM-FC440a)
- 50 cm x 50 cm (ERM-FC440b)
- 60 cm x 60 cm (ERM-FC440c)
Średnia grubość ERM-FC440 wynosi (28,65 ± 0,15) mm pod obciążeniem 0,25 kPa i (28,27 ± 0,19) mm pod obciążeniem 1,5 kPa. Gęstości wszystkich próbek ERM-FC440 mieszczą się w zakresie od 130 do 148 kg/m3 [2]. Grubość i gęstość każdej pojedynczej płytki próbki przy ciśnieniu 0,25 kPa są podane na każdym certyfikacie materiału referencyjnego. ERM-FC440 posiada certyfikat przewodności cieplnej w zakresie temperatur od -10°C do 70°C [2]. Ponadto podano orientacyjne wartości przewodności cieplnej w zakresie od -150°C do -10°C. Zależna od temperatury 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 λ ERM-FC440, jak podano w certyfikacie, jest wyrażona jako
λ [W/(m-K)] = 0,03104 + 1,1 - 10-4 - T [°C] (1)
dla całego zakresu temperatur od -150°C do 70°C.
Niepewność rozszerzona wynosi 1,1% w zakresie od -10°C do 70°C i 1,9% do 1,1% w zakresie od -150°C do -10°C. Rysunek 2 przedstawia nominalną przewodność cieplną λ ERM-FC440 zgodnie z równaniem 1, a także budżet niepewności.
Wyniki przewodności cieplnej
1. Wyniki uzyskane za pomocą GHP 456
Technika osłoniętej płyty grzejnej (GHP) jest metodą bezwzględną, bez jakiejkolwieklibratacji przewodności cieplnej. W trybie dwupłytowym 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 λ jest obliczana na podstawie mocy Q przepływającej do płyty grzejnej o powierzchni pomiarowej A, gradientu temperatury na dwóch próbkach ΔT oraz średniej grubości próbki d w następujący sposób:
Pomiary GHP na próbkach ERM-FC440 przeprowadzono przy użyciu urządzenia NETZSCH GHP 456 HT Titan® wyposażonego w chłodzenie ciekłym azotem. Do testów GHP wykorzystano próbki ERM-FC440a o numerach seryjnych 001, 002, 003 i 005. Para próbek 001+002 i para 003+005 były mierzone jednocześnie w trybie dwupłytkowym. Gradient temperatury w próbkach wynosił 30 K w temperaturach poniżej -10°C i 20 K w temperaturach 10°C i wyższych. Próbki miały sztywne przekładki w rogach o długości identycznej z nominalną grubością próbki w celu zapewnienia określonej grubości próbki.
Rysunek 3 przedstawia wyniki pomiarów GHP: W zakresie temperatur od -150°C do 70°C względne odchylenie od nominalnych wartości przewodności cieplnej obliczonych na podstawie równania 1 jest mniejsze niż ± 1,3% dla wszystkich danych pomiarowych, z wyjątkiem jednego punktu w temperaturze -150°C, który różni się o -2,2%. Wyniki te są zgodne z oczekiwaną dokładnością GHP 456.
2. Wyniki uzyskane za pomocą HFM 446
Technika przepływomierza ciepła (HFM) jest metodą względną opartą na ok.libratacji czujników strumienia ciepła przy użyciu materiału referencyjnego o znanej przewodności cieplnej. Nieznana 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 λ próbki jest obliczana na podstawie strumienia ciepła na powierzchnię Q/A i gradientu temperatury ΔT na próbce o średniej grubości d zgodnie z równaniem Fouriera dla jednowymiarowego przepływu ciepła w następujący sposób:
Pomiary HFM na próbkach ERM-FC440 przeprowadzono za pomocą przyrządów NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line Small, Medium i Large. Dwa urządzenia HFM 446 Large o numerach seryjnych 0009 i 0010 w różnych lokalizacjach zostały użyte do przetestowania próbek ERM-FC440c o numerach seryjnych 004 i 005. Dwa urządzenia HFM 446 Medium o numerach seryjnych 0007 i 0009 zostały użyte do przetestowania próbek ERM-FC440a o numerach seryjnych 001, 002, 003 i 005. Trzy urządzenia HFM 446 Small o numerach seryjnych 0086, 0087 i SOA-002 zostały użyte do przetestowania próbek ERM-FC440 o wymiarach 20 cm x 20 cm wyciętych z płyty ERM-FC440c o numerze seryjnym 005 po zakończeniu pomiarów w urządzeniu HFM 446 Large. Do celów dokumentacyjnych, każdej 20-centymetrowej płytce przypisano numer identyfikacyjny składający się z pięciu cyfr, który został laserowo naniesiony na przednią powierzchnię (patrz także rysunek 1 po prawej stronie). Wszystkie urządzenia zostałylibrated z NIST SRM 1450d lub IRMM440. Pomiary przeprowadzono w średnich temperaturach od -10°C do 70°C z gradientem temperatury na próbkach wynoszącym 20 K i ciśnieniem kontaktowym wynoszącym maksymalnie 2 kPa.
Rysunki od 4 do 6 przedstawiają wyniki pomiarów ze wszystkich przyrządów HFM. W całym zakresie temperatur względne odchylenie od nominalnych wartości przewodności cieplnej obliczonych przy użyciu równania 1 mieści się w zakresie ± 1,5% dla większości wyników pomiarów, z wyjątkiem niektórych punktów pomiarowych w najwyższej temperaturze 70°C. Wszystkie wyniki są zgodne z oczekiwaną dokładnością ± 2% dla przepływomierzy ciepła HFM 446.
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 nowego materiału referencyjnego dla przewodności cieplnej, ERM-FC440, została zbadana w zakresie temperatur od -150°C do 70°C przy użyciu jednego urządzenia GHP 456 i kilku urządzeń HFM 446. Prawie wszystkie wyniki były zgodne z wartościami nominalnymi w zakresie ± 1,5%, co odzwierciedla dokładność przyrządów GHP 456 Titan® i HFM 446 Lambda NETZSCH .