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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.