Тестирование точности GHP 456 и HFM 446 с новым эталонным материалом ERM-FC440

Введение

Новый эталонный материал для определения теплопроводности ERM-FC440 является преемником известного эталонного материала IRMM- 440, который больше не выпускается. ERM-FC440 был сертифицирован Институтом европейских стандартных образцов ERM®, расположенным в Бельгии [1].libraМатериал предназначен для контроля качества и оценки эффективности метода измерений с помощью защитной горячей пластины (GHP), а также для контроля качества приборов теплового расходомера (HFM) [2].

Свойства ERM-FC440

Плиты ERM-FC440 из стекловолокна на основе смолы выпускаются в трех различных размерах:

  • 30 см x 30 см (ERM-FC440a)
  • 50 см x 50 см (ERM-FC440b)
  • 60 см x 60 см (ERM-FC440c)

Средняя толщина ERM-FC440 составляет (28,65 ± 0,15) мм при нагрузке 0,25 кПа и (28,27 ± 0,19) мм при нагрузке 1,5 кПа. Плотность всех образцов ERM-FC440 находится в диапазоне 130 и 148 кг/м3 [2]. Толщина и плотность каждой отдельной пластины образца при давлении 0,25 кПа указаны в каждом сертификате стандартного материала. ERM-FC440 сертифицирован на теплопроводность в диапазоне температур от -10°C до 70°C [2]. Кроме того, указаны ориентировочные значения теплопроводности в диапазоне от -150°C до -10°C. Зависимая от температуры теплопроводность λ ERM-FC440, как указано в сертификате, выражается как

λ [Вт/(м-К)] = 0,03104 + 1,1 - 10-4 - T [°C] (1)

для всего диапазона температур от -150°C до 70°C.

1) Материал ERM-FC440 в оригинальной упаковке (слева) и с лазерной маркировкой NETZSCH (справа)

Расширенная неопределенность составляет 1,1 % в диапазоне от -10°C до 70°C и от 1,9 % до 1,1 % в диапазоне от -150°C до -10°C. На рисунке 2 показана номинальная теплопроводность λ ERM-FC440 в соответствии с уравнением 1, а также бюджет неопределенности.

2) Зависимая от температуры номинальная теплопроводность ERM-FC440 (сплошная линия) с учетом расширенной неопределенности (пунктирные линии).

Результаты по теплопроводности

1. Результаты, полученные с помощью GHP 456

libraМетод горячей пластины с защитой (GHP) является абсолютным методом без учета теплопроводности. В режиме двух пластин теплопроводность λ рассчитывается из мощности Q, поступающей в горячую пластину с площадью измерения A, градиента температуры по двум образцам ΔT, а также средней толщины образца d следующим образом:

Измерения GHP на образцах ERM-FC440 проводились с помощью прибора NETZSCH GHP 456 HT Titan®, оснащенного охлаждением жидким азотом. Для испытаний GHP использовались образцы ERM-FC440a с серийными номерами 001, 002, 003 и 005. Пара образцов 001+002 и пара 003+005 были измерены одновременно в режиме двух пластин. Градиент температуры по образцам составлял 30 К при температурах ниже -10°C и 20 К при температурах 10°C и выше. В углах образцов были установлены жесткие прокладки длиной, равной номинальной толщине образца, чтобы обеспечить определенную толщину образца.

2) Зависимая от температуры номинальная теплопроводность ERM-FC440 (сплошная линия) с учетом расширенной неопределенности (пунктирные линии).

На рисунке 3 представлены результаты измерений GHP: В диапазоне температур от -150°C до 70°C относительное отклонение от номинальных значений теплопроводности, рассчитанных по уравнению 1, составляет менее ±1,3% для всех данных измерений, за исключением одной точки при -150°C, которая отклоняется на -2,2%. Эти результаты соответствуют ожидаемой точности прибора GHP 456.

3) Относительное отклонение зависящей от температуры теплопроводности от номинальных значений для двух пар образцов ERM-FC440a (серийные номера 001+ 02 и 003+005), измеренных с помощью прибора GHP 456 HT Titan® в режиме двух пластин.

2. Результаты, полученные с помощью прибора HFM 446

libraМетод измерения теплового потока (HFM) - это относительный метод, основанный на использовании датчиков теплового потока с эталонным материалом с известной теплопроводностью. Неизвестная теплопроводность λ образца рассчитывается из теплового потока на площадь Q/A и градиента температуры ΔT по образцу со средней толщиной d в соответствии с уравнением Фурье для одномерного теплового потока следующим образом:

ВЧ-измерения образцов ERM-FC440 проводились с помощью приборов NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line Small, Medium и Large. Два прибора HFM 446 Large с серийными номерами 0009 и 0010 в разных местах были использованы для тестирования образцов ERM-FC440c с серийными номерами 004 и 005. Два устройства HFM 446 Medium с серийными номерами 0007 и 0009 использовались для испытания образцов ERM-FC440a с серийными номерами 001, 002, 003 и 005. Три прибора HFM 446 Small с серийными номерами 0086, 0087 и SOA-002 использовались для испытания образцов ERM-FC440 размером 20 см x 20 см, вырезанных из платы ERM-FC440c с серийным номером 005 после завершения измерений в приборе HFM 446 Large. Для целей документирования каждой 20-сантиметровой плате был присвоен идентификационный номер из пяти цифр, который был нанесен лазером на лицевую поверхность (см. также рис. 1 справа).libraВсе приборы были обработаны с помощью NIST SRM 1450d или IRMM440. Измерения проводились при средних температурах от -10°C до 70°C с градиентом температуры по образцам 20 K и контактным давлением не более 2 кПа.

3) Относительное отклонение зависящей от температуры теплопроводности от номинальных значений для двух пар образцов ERM-FC440a (серийные номера 001+ 02 и 003+005), измеренных с помощью прибора GHP 456 HT Titan® в режиме двух пластин.

На рисунках 4-6 представлены результаты измерений, полученные с помощью всех приборов HFM. Во всем диапазоне температур относительное отклонение от номинальных значений теплопроводности, рассчитанных по уравнению 1, находится в пределах ±1,5% для большинства результатов измерений, за исключением некоторых точек измерения при самой высокой температуре 70°C. Все результаты соответствуют ожидаемой точности ± 2 % для измерителей теплового потока HFM 446.

4) Относительное отклонение зависящей от температуры теплопроводности от номинальных значений для двух образцов ERM-FC440c (серийные номера 004 и 005), измеренных с помощью двух приборов HFM 446 Large.
5) Относительное отклонение зависящей от температуры теплопроводности от номинальных значений для четырех образцов ERM-FC440a (серийные номера 001, 002, 003 и 005), измеренных с помощью двух приборов HFM 446 Medium.
6) Относительное отклонение зависящей от температуры теплопроводности от номинальных значений для четырех образцов размером 20 см x 20 см large ERM-FC440 (вырезанных из платы с серийным номером 005), измеренное с помощью трех приборов типа HFM 446 Small.

Резюме

Теплопроводность нового эталонного материала для определения теплопроводности, ERM-FC440, была исследована в диапазоне температур от -150°C до 70°C с помощью одного прибора GHP 456 и нескольких приборов HFM 446. Почти все результаты совпали с номинальными значениями в пределах ±1,5%, что отражает точность приборов GHP 456 Titan® и HFM 446 Lambda по адресу NETZSCH.

Literature

  1. [1]
    arcЕвропейские эталонные материалы (ERM®), Европейскаякомиссия, Объединенный центр исследований, Директорат F -Здоровье, потребители и эталонные материалы, Retieseweg111, 2440 Geel, Бельгия.
  2. [2]
    T. Линсингер, Сертификация теплопроводностиплит из стекловолокна, склеенных смолой: ERM®-FC440a,ERM®-FC440b и ERM®-FC440c, EUR 30859 EN, PublicationsOfficeof the European Union, Luxembourg,2021, ISBN 978-92-76-42259-4, doi:10.2760/759309,JRC126677.