導熱系數(shù)儀(穩(wěn)態(tài)法)校準方法的研究

孔葉軍 陳 亮

(寧波市計量測試研究院，寧波 315048)

0 引言

近年來隨著人們對節(jié)能環(huán)保意識的提高，絕熱材料廣泛應用于建筑行業(yè)。材料的導熱系數(shù)是其熱物性的一項重要指標，由于近年來對建筑材料等絕熱性能要求越來越高，因而產(chǎn)生了很多對材料導熱系數(shù)進行測量的原理和方法，目前主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。本文主要討論用穩(wěn)態(tài)法來校準導熱系數(shù)測試儀。

1 導熱系數(shù)儀原理和特點

導熱系數(shù)儀是一種基于傅立葉導熱定律而進行材料導熱系數(shù)測量的儀器，在導熱過程中，單位時間內(nèi)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。防護熱板法平板導熱儀的核心結構包括熱板、防護板、冷板，如圖1所示。測量時，把被測試樣放在熱板與冷板之間，熱量便由熱板通過被測試樣向冷板傳遞，防護板的作用是防止熱板熱量向邊沿擴散，保證熱板熱量垂直向冷板傳遞，以減少熱板加熱功率的損失。

圖1 防護熱板導熱儀核心結構示意圖

設熱板溫度為T2，冷板溫度為T1，熱板加熱功率為Q，被測試樣厚度為H,面積為S，導熱系數(shù)為l。

由傅里葉導熱定律可知:單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量W與該界面的面積S和垂直于該界面的溫度梯度dT/dH成為正比，其數(shù)學關系式為：

2 校準項目和校準方法

通過以上原理可以得知，穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)的困難主要在于相關參量的準確獲得。由于導熱系數(shù)是標志一個過程(傳熱)的性質(zhì)的熱物性參數(shù)．因此不可能通過直接靜態(tài)對比而得出?？梢詫⑼瑯映叽缫?guī)格的標準樣品(導熱系數(shù)已知)放在導熱系數(shù)儀中，在某一外部條件下，經(jīng)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(jù)測量結果的比較而得到被測導熱系數(shù)儀的測量準確度。

2.1 校準條件

2.1.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度與相對濕度應符合以下條件：環(huán)境溫度10～30℃；相對濕度≤60%。

2.1.2 校準設備

1)導熱系數(shù)標準板 2 塊，使用溫度范圍能覆蓋所校準的導熱系數(shù)儀工作溫度范圍，有證明其溯源性的標準樣品證書。

2)精密表面溫度計，測量范圍-50～200℃，其修正值的不確定度應小于被校導熱系數(shù)儀最大溫差的 1%。

3)游標卡尺測量范圍0～100mm，分度值 0.02mm。

4)刀口尺：工作棱邊長 300mm。

5)塞尺：厚度0.02～0.05mm 的，B型。

2.2 基本示值誤差的校準方法

2.2.1 標準板預處理

將導熱系數(shù)標準板預熱至要測試的平均溫度，在一定工作壓力下用游標卡尺測量標準板的厚度d，得到不同溫度和壓力下的標準板的厚度數(shù)據(jù)表。 校準前先將導熱系數(shù)標準板置于105℃±5℃的烘箱中烘干24h，烘干取出后放置在密封防潮袋中。

2.2.2 工作面平面度

將刀口尺放置在導熱系數(shù)儀各計量面板和冷卻面上，把塞尺塞入刀口尺和工作面之間的間隙，則塞尺剛剛?cè)霑r的尺寸即為該工作面的平面度，取其最大值作為被檢導熱系數(shù)儀的工作面平面度。

2.2.3 示值誤差校準

導熱系數(shù)儀接入穩(wěn)壓電源，開啟電源預熱。根據(jù)導熱系數(shù)儀的結構，將相應數(shù)量的導熱系數(shù)標準板分別放入導熱系數(shù)儀的測試腔中。分別將5支精密溫度計放入標準板和冷卻單元面板、計量單元面板之間，溫度計的測量端分別放置在冷板和熱板的幾何中心點和距標準板邊緣 30mm的四個點。

啟動相關測量軟件，輸入標準板的厚度d等參數(shù)，設置冷板和熱板的溫度，使其溫差為20℃，試件平均溫度為298K，開始進行測量。待該儀器穩(wěn)定30min后，分別讀取精密溫度計上的示值，10min后再讀取一次示值，并計算兩次讀數(shù)的平均值。測量結束后，讀取導熱系數(shù)儀的試件平均導熱系數(shù)測量值l。 待測量結束后，等儀器恢復到常溫，取出導熱系數(shù)標準板，關閉電源。導熱系數(shù)標準板的平均溫度按下式計算：

(1)

式中：Tm為導熱系數(shù)標準板的平均溫度，K；t0Q為標準板冷面中心點測得溫度值，℃；t0P為標準板熱面中心點測得溫度值，℃；Δt0Q為放置于標準板冷面中心點溫度計修正值，℃；Δt0P為放置于標準板熱面中心點溫度計修正值，℃。

根據(jù)導熱系數(shù)標準板證書上的導熱系數(shù)計算公式，可以得到標準導熱系數(shù)值l0，如果是雙試件導熱系數(shù)儀，則l0為兩塊標準板得到的標準導熱系數(shù)值的平均值。

導熱系數(shù)儀的示值誤差用以下公式計算：

δ=l-l0

(2)

式中：l為導熱系數(shù)儀測得的試件平均導熱系數(shù)示值，W/(mK)；l0為參考標準得到的試件平均導熱系數(shù)值，W/(mK)。

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學模型

導熱系數(shù)測試儀示值誤差的計算公式為式(2)。

按照試件平均溫度298K，溫差 20℃為例進行導熱系數(shù)測量結果不確定度分析。

3.2 方差與靈敏度系數(shù)

式中l(wèi)，l0相互獨立，因而得：

3.3 不確定度來源及分析

3.3.1 由輸入量l引入的標準不確定度u(l)

由輸入量l引入 的標準不確定度主要來源于導熱系數(shù)儀測量的重復性。對導熱系數(shù)標準板作10次獨立重復測量，10次讀數(shù)分別為:0.03352,0.03336,0.03354,0.03368,0.03342,0.03353,0.03360,0.03347,0.03349,0.03365W/(mK)。取其中一次讀數(shù)作為測量結果，得到其重復性引入的標準不確定度：

3.3.2 由標準量l0引入的標準不確定度u(l0)

由標準量l0引入的標準不確定度主要來源于導熱系數(shù)標準板證書上導熱系數(shù)公式和冷面溫度及計量面溫度的測量。計算得到的標準導熱系數(shù)值l0為0.03315W/(mK)。

根據(jù)導熱系數(shù)標準板證書可以得到導熱系數(shù)計算公式的不確定度在298K時為8×10-4W/(mK)(k=2)，則得到由其引入的標準不確定度：

u(l0)=4×10-4W/(mK)

3.3 合成標準不確定度

3.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，則：

U=kuc=9×10-4W/(mK)

4 結束語

通過溫度基本示值誤差和導熱系數(shù)基本示值誤差的校準，可以提高導熱系數(shù)儀的綜合測量準確度。

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