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導(dǎo)熱系數(shù)儀可靠的校準(zhǔn)方法
在節(jié)能意識(shí)逐步提高的今天，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，已經(jīng)在廣大檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于它的校準(zhǔn)方法現(xiàn)今還沒(méi)有一個(gè)可靠穩(wěn)妥的方法。本文在多次校準(zhǔn)比較的基礎(chǔ)上提出一種校準(zhǔn)方法供大家探討，在實(shí)際工作中也有一定的參考價(jià)值。
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(cè)量的儀器，在導(dǎo)熱過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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：
（1）
經(jīng)過(guò)積分換算，公式（1）可以推導(dǎo)出
（2）
其中， ——為被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)， ；
Q——為通過(guò)被測(cè)材料試樣的傳熱量，W；
h——為被測(cè)材料試樣的厚度，m；
A——為計(jì)量板的面積，㎡；
——為被測(cè)材料試樣高溫傳熱面的平均溫度，℃；
——為被測(cè)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(méi)有熱傳遞或熱損失；（2）被測(cè)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(cè)材料兩個(gè)傳熱面上溫度的差值。但是，在實(shí)際中測(cè)量由于儀器設(shè)備和測(cè)量手段的約束，往往無(wú)法理想的滿(mǎn)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(cè)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(cè)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。
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(cè)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(guò)以上原理可以得知，穩(wěn)態(tài)法測(cè)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(guò)程（傳熱）的性質(zhì)的熱物性參數(shù)．因此不可能通過(guò)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(guò)程，另外再通過(guò)測(cè)量冷熱板的表面溫度，就可根據(jù)測(cè)量結(jié)果的比較而得到被測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)儀的測(cè)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(guó)家建材研究院研制，這是一種通過(guò)多臺(tái)精密導(dǎo)熱系數(shù)儀比對(duì)定值的已經(jīng)通過(guò)國(guó)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(cè)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(guò)以下公式得到：
（3）
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(cè)量范圍（0~100）℃，測(cè)量準(zhǔn)確度±1.2℃，用來(lái)測(cè)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(cè)量采用游標(biāo)卡尺，測(cè)量范圍（0~300）mm，測(cè)量準(zhǔn)確度±0.04mm，用來(lái)測(cè)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(cè)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(cè)量參比板的厚度。將導(dǎo)熱系數(shù)儀接入穩(wěn)壓電源，在測(cè)量過(guò)程中電源電壓的波動(dòng)應(yīng)在±10％以?xún)?nèi)。
將導(dǎo)熱系數(shù)儀的電源開(kāi)啟，如果是自動(dòng)控制類(lèi)型的導(dǎo)熱系數(shù)儀同時(shí)也將控制軟件開(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)試，當(dāng)溫度和傳熱達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，測(cè)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：
（5）
式中，Δt——被校儀器的表面溫度測(cè)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：
（6）
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(cè)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(cè)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(cè)量的不確定度。通過(guò)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(cè)量準(zhǔn)確度，提高導(dǎo)熱系數(shù)儀對(duì)材料熱物性測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確度。通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)儀的計(jì)量表面溫度的測(cè)量，對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)儀我們可以更加方便、準(zhǔn)確的測(cè)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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