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平板導(dǎo)熱儀的原理和特點(diǎn)
閱讀：3265發(fā)布時(shí)間：2016-5-23
1. 導(dǎo)熱系數(shù)儀原理和特點(diǎn)
導(dǎo)熱系數(shù)儀是一種基于傅立葉導(dǎo)熱定律而進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)測量的儀器，在導(dǎo)熱過程中，單位時(shí)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，在一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：
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經(jīng)過積分換算，公式（1）可以推導(dǎo)出
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其中， ——為被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)， ;
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(jì)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(gè)公式成立有3個(gè)前提條件：
（1）傳熱是一維傳熱，側(cè)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(dǎo)熱截面上有相同的熱物性;
（3）溫差是被測材料兩個(gè)傳熱面上溫度的差值。但是，在實(shí)際中測量由于儀器設(shè)備和測量手段的約束，往往無法理想的滿足這三個(gè)條件，只能使之產(chǎn)生的影響zui小化。例如使被測材料材質(zhì)盡量均勻，在側(cè)面增加絕熱板，減小側(cè)面熱損失，在盡量靠近熱板表面處埋設(shè)溫度傳感器，減小接觸熱阻等。
所以，實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)熱系數(shù)儀通常由計(jì)量加熱單元、冷板單元、防護(hù)單元、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、壓緊系統(tǒng)和制冷機(jī)構(gòu)組成。裝置主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3. 校準(zhǔn)方法
通過以上原理可以得知，穩(wěn)態(tài)法測量導(dǎo)熱系數(shù)的困難主要在于相關(guān)參量的準(zhǔn)確獲得。由于導(dǎo)熱系數(shù)是標(biāo)志一個(gè)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(duì)比而得出。所以，可以將同樣尺寸規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)樣品（導(dǎo)熱系數(shù)已知）放在導(dǎo)熱系數(shù)儀中，在某一外部條件下，經(jīng)歷一個(gè)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(jié)果的比較而得到被測導(dǎo)熱系數(shù)儀的測量準(zhǔn)確度。
3.1 校準(zhǔn)條件
校準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)儀用的主要標(biāo)準(zhǔn)器有導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)參比板和精密表面溫度計(jì)。其中導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)參比板由國家建材研究院研制，這是一種通過多臺(tái)精密導(dǎo)熱系數(shù)儀比對(duì)定值的已經(jīng)通過國家審核認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)樣品，使用溫度范圍在（270～373）K之內(nèi)，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，測量不確定度2.5%（95%置信概率時(shí)）。它的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)值通過以下公式得到：
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式中：T——導(dǎo)熱系數(shù)參比板的平均溫度，K;
λ標(biāo)——由導(dǎo)熱系數(shù)參比板得到的參考導(dǎo)熱系數(shù)值，
精密表面溫度計(jì)，測量范圍（0~100）℃，測量準(zhǔn)確度±1.2℃，用來測量平板表面溫度，它應(yīng)有（0～100）℃之間整十度溫度點(diǎn)修正值。
另外，對(duì)尺寸的測量采用游標(biāo)卡尺，測量范圍（0~300）mm，測量準(zhǔn)確度±0.04mm，用來測量標(biāo)準(zhǔn)參比板的厚度。
3.2基本示值誤差的校準(zhǔn)方法
測試前先將導(dǎo)熱系數(shù)參比板在105℃±5℃的烘箱中烘干48小時(shí)，再在濕度低于30%RH的干燥柜中冷卻至室溫，再用游標(biāo)卡尺測量參比板的厚度。將導(dǎo)熱系數(shù)儀接入穩(wěn)壓電源，在測量過程中電源電壓的波動(dòng)應(yīng)在±10%以內(nèi)。
將導(dǎo)熱系數(shù)儀的電源開啟，如果是自動(dòng)控制類型的導(dǎo)熱系數(shù)儀同時(shí)也將控制軟件開啟。充分預(yù)熱后將導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)參比板放入導(dǎo)熱系數(shù)儀測試腔中，再將精密表面溫度計(jì)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(yīng)貼附在參比板表面上，放置位置位于參比板的中心。自動(dòng)壓緊裝置的啟動(dòng)壓緊裝置，手動(dòng)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(shè)置好測試時(shí)的熱板溫度、冷板溫度和試樣厚度，啟動(dòng)導(dǎo)熱系數(shù)儀進(jìn)行測試，當(dāng)溫度和傳熱達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，測量此時(shí)的表面溫度計(jì)讀數(shù)，讀取熱板和冷板的4個(gè)表面溫度t1、t2、t3和t4（單位℃）。之后每間隔10min讀一次數(shù)，共讀取十次數(shù)據(jù)，分別計(jì)算其平均值 、 、 、 ，求出參比板平均溫度T。
or （4）
式中： 、 、 、 分別是構(gòu)成一維傳熱的一對(duì)傳熱板表面溫度，℃;
、 、 、 分別是表面溫度計(jì)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(jì)算得到各參比板的參考導(dǎo)熱系數(shù)值λ標(biāo)。
3.3 基本示值誤差計(jì)算
導(dǎo)熱系數(shù)儀的溫度基本示值誤差為：
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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(biāo)——精密表面溫度計(jì)讀取的溫度示值平均值，℃
te——表面溫度計(jì)在實(shí)際溫度下的修正值，℃。
導(dǎo)熱系數(shù)儀的導(dǎo)熱系數(shù)基本誤差按下式計(jì)算：
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式中：Δλ——為導(dǎo)熱系數(shù)儀的導(dǎo)熱系數(shù)基本誤差， ;
λd——為導(dǎo)熱系數(shù)儀所測量得到的導(dǎo)熱系數(shù)值， ;
λ標(biāo)1——由*塊導(dǎo)熱系數(shù)參比板得到的參考導(dǎo)熱系數(shù)值，由式（3）計(jì)算得到， ;
λ標(biāo)2——由第二塊導(dǎo)熱系數(shù)參比板得到的參考導(dǎo)熱系數(shù)值，對(duì)于單試件導(dǎo)熱系數(shù)儀，λ標(biāo)2=λ標(biāo)1， ;
Δλ的zui后結(jié)果應(yīng)按照數(shù)據(jù)修約規(guī)則化整到與導(dǎo)熱系數(shù)儀的分辨力一致。
導(dǎo)熱系數(shù)儀校準(zhǔn)的測量不確定度實(shí)際由兩部分組成：導(dǎo)熱系數(shù)參比板計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)基本示值誤差的校準(zhǔn)，我們可以得到該導(dǎo)熱系數(shù)儀的綜合測量準(zhǔn)確度，提高導(dǎo)熱系數(shù)儀對(duì)材料熱物性測量的可靠性和準(zhǔn)確度。通過對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)儀的計(jì)量表面溫度的測量，對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)儀我們可以更加方便、準(zhǔn)確的測量其導(dǎo)熱系數(shù)基本誤差，達(dá)到校準(zhǔn)的目的。
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