導熱系數儀的原理和特點

1. 導熱系數儀原理和特點

　　導熱系數儀是一種基于傅立葉導熱定律而進行材料導熱系數測量的儀器，在導熱過程中，單位時間內通過給定截面的熱量，與該截面的面積和垂直于該截面方向的溫度梯度成正比，在一維穩態導熱時，其數學表達為：

　　（1）

　　經過積分換算，公式（1）可以推導出

　　（2）

　　其中， ——為被測材料的導熱系數， ;

　　Q——為通過被測材料試樣的傳熱量，W;

　　h——為被測材料試樣的厚度，m;

　　A——為計量板的面積，㎡;

　　——為被測材料試樣高溫傳熱面的平均溫度，℃;

　　——為被測材料試樣低溫傳熱面的平均溫度，℃

　　這個公式成立有3個前提條件：（1）傳熱是一維傳熱，側面沒有熱傳遞或熱損失;（2）被測材料具有各向同性或垂直導熱截面上有相同的熱物性;（3）溫差是被測材料兩個傳熱面上溫度的差值。但是，在實際中測量由于儀器設備和測量手段的約束，往往無法理想的滿足這三個條件，只能使之產生的影響zui小化。例如使被測材料材質盡量均勻，在側面增加絕熱板，減小側面熱損失，在盡量靠近熱板表面處埋設溫度傳感器，減小接觸熱阻等。

　　所以，實際應用中的導熱系數儀通常由計量加熱單元、冷板單元、防護單元、控制系統、測量系統、壓緊系統和制冷機構組成。裝置主要結構如圖1所示。

　　3. 校準方法

　　通過以上原理可以得知，穩態法測量導熱系數的困難主要在于相關參量的準確獲得。由于導熱系數是標志一個過程（傳熱）的性質的熱物性參數.因此不可能通過直接靜態對比而得出。所以，可以將同樣尺寸規格的標準樣品（導熱系數已知）放在導熱系數儀中，在某一外部條件下，經歷一個傳熱過程，另外再通過測量冷熱板的表面溫度，就可根據測量結果的比較而得到被測導熱系數儀的測量準確度。

　　3.1 校準條件

　　校準導熱系數儀用的主要標準器有導熱系數標準參比板和精密表面溫度計。其中導熱系數標準參比板由國家建材研究院研制，這是一種通過多臺精密導熱系數儀比對定值的已經通過國家審核認可的標準樣品，使用溫度范圍在（270～373）K之內，具有很高的可靠性和穩定性，測量不確定度2.5%（95%置信概率時）。它的標準導熱系數值通過以下公式得到：

　　（3）

　　式中：T——導熱系數參比板的平均溫度，K;

　　λ標——由導熱系數參比板得到的參考導熱系數值，

　　精密表面溫度計，測量范圍（0~100）℃，測量準確度±1.2℃，用來測量平板表面溫度，它應有（0～100）℃之間整十度溫度點修正值。

　　另外，對尺寸的測量采用游標卡尺，測量范圍（0~300）mm，測量準確度±0.04mm，用來測量標準參比板的厚度。

　　3.2基本示值誤差的校準方法

　　測試前先將導熱系數參比板在105℃±5℃的烘箱中烘干48小時，再在濕度低于30%RH的干燥柜中冷卻至室溫，再用游標卡尺測量參比板的厚度。將導熱系數儀接入穩壓電源，在測量過程中電源電壓的波動應在±10%以內。

　　將導熱系數儀的電源開啟，如果是自動控制類型的導熱系數儀同時也將控制軟件開啟。充分預熱后將導熱系數標準參比板放入導熱系數儀測試腔中，再將精密表面溫度計分別放入加熱板和參比板之間以及參比板和冷板之間，感溫頭應貼附在參比板表面上，放置位置位于參比板的中心。自動壓緊裝置的啟動壓緊裝置，手動壓緊的上緊裝置將參比板壓緊，壓緊程度以使參比板和冷熱板緊密接觸為宜。

　　設置好測試時的熱板溫度、冷板溫度和試樣厚度，啟動導熱系數儀進行測試，當溫度和傳熱達到穩定平衡時，測量此時的表面溫度計讀數，讀取熱板和冷板的4個表面溫度t1、t2、t3和t4（單位℃）。之后每間隔10min讀一次數，共讀取十次數據，分別計算其平均值 、 、 、 ，求出參比板平均溫度T。

　　or （4）

　　式中： 、 、 、 分別是構成一維傳熱的一對傳熱板表面溫度，℃;

　　、 、 、 分別是表面溫度計在該溫度下的修正值，℃。

　　求出參比板的平均溫度后，代入式（3）可以計算得到各參比板的參考導熱系數值λ標。

　　3.3 基本示值誤差計算

　　導熱系數儀的溫度基本示值誤差為：

　　（5）

　　式中，Δt——被校儀器的表面溫度測量誤差，℃;

　　td——被校儀器讀取的該表面溫度示值平均值，℃

　　t標——精密表面溫度計讀取的溫度示值平均值，℃

　　te——表面溫度計在實際溫度下的修正值，℃。

　　導熱系數儀的導熱系數基本誤差按下式計算：

　　（6）

　　式中：Δλ——為導熱系數儀的導熱系數基本誤差， ;

　　λd——為導熱系數儀所測量得到的導熱系數值， ;

　　λ標1——由*塊導熱系數參比板得到的參考導熱系數值，由式（3）計算得到， ;

　　λ標2——由第二塊導熱系數參比板得到的參考導熱系數值，對于單試件導熱系數儀，λ標2=λ標1， ;

　　Δλ的zui后結果應按照數據修約規則化整到與導熱系數儀的分辨力一致。

　　導熱系數儀校準的測量不確定度實際由兩部分組成：導熱系數參比板計算的不確定度和溫度測量的不確定度。通過溫度基本示值誤差和導熱系數基本示值誤差的校準，我們可以得到該導熱系數儀的綜合測量準確度，提高導熱系數儀對材料熱物性測量的可靠性和準確度。通過對導熱系數儀的計量表面溫度的測量，對于導熱系數儀我們可以更加方便、準確的測量其導熱系數基本誤差，達到校準的目的。