PDF《稳态防护热板法导热系数测试技术应用——Application》

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26 稳态防护热板法导热系数测试技术应用――Application Note:007 防护热板法导热系数测试仪器 不确定度分析详细过程 上海依阳实业有限公司 www.

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26 摘要:防护热板法导热系数测试方法是目前保温隔热材料常用的一种测试方法,也是目前测量精度最 高的测试方法,相应的防护热板法导热系数测试仪器和设备也常被用作一种导热系数标准测试仪器.为了 评估防护热板法导热系数测试仪器和设备,必须要进行相应的测量不确定度分析.由于这种测试设备非常 复杂,相应的不确定度分析包含了众多的内容,为了便于不确定度分析的应用,本文参考了 NIST 的防护 热板法测量不确定度分析过程,详细的列出了具体分析步骤和内容. 1. 护热板法热导率测量原理 根据热板温度控制方式,护热板法热导率测量装置可以有双面加热或单面加热两种形式,对应的也就 是双试样或单试样测试形式.从原理上讲,这两种测量模式都被 ASTM C177 标准测试方法所覆盖,然而, 对于单试样测试方式,ASTM C1044 提供了附加信息. 1.1. 双试样模式 图1-1 显示了一个设计用来在室温条件下操作的双试样护热板法热导率测量装置的基本特性,各个平 板以水平方式放置并与穿过试样的热流 保持上下垂直,装置是同心圆柱型对称结构.在传统的双试样测 试模式中,两个被测试样是相同的材料,具有相同的密度和几何尺寸,并被放置在护热板两侧,通过两块 冷板牢固夹紧.理论上,护热板和冷板给试样表面提供恒温边界条件,通过适当护热方式侧向热流( 和 )可以降低到可忽略不计的程度.由此,在稳态条件下测量装置可以在一对试样量热面的法向方向 上提供一维热流. 图1-1 双试样护热板法传热形式示意图 1. 原理上: ;

;

2. 实际上: ;

在一般情况下,通过增加一个密闭容器包围住测量装置,形成第二层护热装置.这个密闭容器内通常 充满空气,容器内的温度与试样的平均温度(与试样接触的冷板和热板表面温度的平均值)相等.在稳态 条件下,两个试样的平均热导率(表观热导率) 定义为: (1.1.1) 式中: 为穿过两个试样量热面的一维热流时间变化率,在理想条件下,它等于输入给量热器板的电 功率 (单位 ) ;

为垂直于试样热流方向的量热面积 (单位 ) ;

是试样

1 表面温度差 ( ) 与试样厚度( )之比,对于试样

2 采用相同的表达. 在实际测试中,两个试样的温差和厚度近似相同,由此,(1.1.1)可变换为: (1.1.2) 公式(1.1.2)还可以用来描述两个被测试样的热阻,即: (1.1.3) 在双试样操作模式下,对应于平均温度 的热传输特性,可以表达为: .

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26 1.2. 单试样模式 图1-2 显示了一个设计用来在室温条件下操作的单试样护热板法热导率测量装置的基本特性.在单试 样操作模式下,辅助绝热材料放置在热板和辅助冷板之间,以代替图 1-1 中的其中一个试样. 图1-2 单试样护热板法传热形式示意图 1. 原理上: ;

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2. 实际上: ;

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原理上,辅助冷板和热板要保持相同的温度,流经辅助绝热材料的热流 可以用下式计算: (1.1.4) 式中, ( )符号表示与辅助绝热板有关的量;

为辅助绝热板的热传导.流经试样的热流 用下式计 算: (1.1.5) 式中: 为输入给量热计板的电量. 的典型值要小于 的1%.对于相似的材料,公式(1.1.5)中的 近似为双试样模式公式(1.1.2)中 的一半. 2. 护热板法热导率测量中不确定度分析 2.1. NIST