CN103868948A - 单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法，该修正方法包括标准物质、热板/护板间和热板/背板间的热交换功率算法、以及修正热交换功率后的热导率的计算公式。将所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式通过单试件防护热板法热导率测试仪的计算机，就可以对任意被测试件进行高精度的热导率测试。本发明的效果是对热板/护板和热板/背板间的总的功率偏差的补偿，可以将单试件防护热板法热导率在室温附近的温度范围，即0～100度之间的测量精度提高±1.5%以上，而在-160度～0度及100度～1000度的温度范围的测量精度提高±3.0～±5.0%，越远离室温范围，精度提高的效果越明显。

Description

单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法

技术领域

本发明属于材料热物理特性的检测技术领域，特别是一种单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法。

背景技术

单试件防护热板法热导率测试仪是一种常用的采用稳态法测试隔热材料热导率的仪器，也是公认的准确度最高的一种测试手段。但是，由于在单试件防护热板法热导率测试仪的热板/护板和热板/背板间存在热交换功率，以热板/护板间的热交换为例，当热板温度T_r高于护板温度T_h时，热板会有一部分热量ΔP_r/h传递到护板，此时仪器提供给热板的加热功率包括了维持样品两面之间的功率P_S以及传递给护板的功率ΔP_r/h两部分，根据公式（1）可知，这将导致计算得到的样品的热导率偏大；反之，当热板温度T_r低于护板温度T_h时，护板会有一部分热量ΔP_r/h传递到热板，此时仪器仅需要提供给热板的加热功率是维持样品两面之间的功率P_S和护板传递给热板的功率ΔP_r/h之差，根据公式（1）可知，这导致计算得到的样品的热导率偏小。类似地，可以分析背板与热板间的温差ΔT_r/b引起的功率损失ΔP_r/b。热板/护板和热板/背板间存在热交换功率使得该方法的测量准确度大大降低。

传统的单试件防护热板法热导率测试仪主要以温度标定来保证热板/护板以及热板/背板间的热平衡，但这种方法在实际中实施起来比较困难。以热板/护板为例，由于护板和热板间的热交换发生在护板和热板相邻的隔缝之间，而护板和热板的温度传感器与隔缝存在一定距离，在温度传感器和隔缝之间会存在温度梯度，即温度传感器并不能直接反映隔缝处的温度。

因此，通常热板和护板之间难以保证温度完全相等，即热板和护板间总是存在温差，从而导致它们之间存在热交换。同理，热板和背板之间也会存在热交换。热板/护板及热板/背板间的热交换将降低该测试方法的准确度。因此，建立一种方法来修正这种交换功率并进一步提高仪器的准确度是十分必要的。

总之，热板/护板和热板/背板间存在的热交换功率使得该方法的测量精度大大降低，在室温附近即0～100度之间的测量精度只能在±3.0%，而当在远离室温的温度点进行热导率测量时，这种热板/护板和热板/背板间存在热交换功率对测量结果的影响更大，如在200度以上的高温段和-50度以下的低温段时，测量精度仅为±7.0%～±10%，远不能满足保温材料的科研和质量保证的检测要求。

发明内容

本发明提供一种单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法，以利于通过在单试件防护热板法热导率测试仪上对标准物质测试，实现对热板/护板和热板/背板间热交换功率的修正，对单试件防护热板法热导率测试仪的热板/护板和热板/背板间存在的热交换功率进行补偿，从而提高该仪器的测量准确度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法，该方法包括标准物质、热板/护板间和热板/背板间的热交换功率算法以及修正热交换功率后的热导率的计算公式；

所述的标准物质由标号分别为S1、S2和S3的三块样品组成，且满足以下条件：

（1）由同种材料采用完全相同的工艺制作而成，即它们的热导率是相同的；

（2）所述标准物质的热导率是已知的，且在0.001～1.0W/m·K之间；

（3）所述标准物质的横向尺寸为0.30m×0.30m，厚度分别为d₁、d₂、d₃，满足2.25×d1≤1.50×d2≤d3≤0.375m，且d1≥0.10m；

所述热板/护板间与热板/背板间的热交换功率算法为对所述标准物质的三块样品，在单试件防护热板发热导率测试仪上对三块标准物质分别进行测试，则通过下式计算：

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ΔP}}_{r/h}+\mathrm{\Δ}{P}_{r/b}=\frac{1}{3}(\frac{d_3{P}_{s3}-d_1{P}_{s1}}{d_3-d_1}+\frac{d_2{P}_{s2}-d_1{P}_{s1}}{d_2-d_1}+\frac{d_3{P}_{s3}-d_2{P}_{s2}}{d_3-d_2})---\left(1\right)$

式中：

ΔP是热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/h是热板与护板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/b是热板与背板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

S1、S2和S3是三块标准物质的编号；

d₁、d₂和d₃分别是S1、S2和S3三块标准物质的厚度值，单位是米（m）；

P_s1是S1号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s2是S2号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s3是S3号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

所述修正热交换功率后的热导率的计算是通过上述公式（1），可以得到所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{d(P_r-\mathrm{\ΔP})}{A(T_r^{\′}-T_l^{\′})}---\left(2\right)$

式中：

λ是任意被测样品的导热系数，单位是瓦/米·开尔文（W/m·K）；

d是被测样品的厚度，单位是米（m）；

P_r由仪器测量计算出来的热板加热功率；

ΔP是利用公式(1)计算出来的热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

A是单试件防护热板法热导率测试仪的热板面积，单位是平方米（m²）；

T′_r是测试时热板的实际温度，单位是开尔文（K）；

T′_l是测试时冷板的实际温度，单位是开尔文（K）；

将所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式(1)和(2)通过单试件防护热板法热导率测试仪的计算机，就能够对被测试件进行热导率测试。

本发明的效果是通过对单试件防护热板法热导率测试仪的热板/护板及热板/背板间的热交换功率修正方法，使得单试件防护热板法热导率测试仪在很宽的温度范围内，如-160度～1000度的每个温度点的热板/护板和热板/背板间存在热交换功率均接近于零，克服远离室温段时防护热板法热导率测定仪的测量精度低的难题，保证在宽温度范围，如-160度～1000度，热导率的测量精度，同时，本发明的热板/护板及热板/背板间的热交换功率修正方法，还克服了热板和护板内的测温元件的布局位置对热板/护板间热功率交换的影响，使得嵌入在热板和护板上任何位置的测温元件都可以得到很高的热导率测量精度。总之，本发明可以将单试件防护热板法热导率在室温附近的温度范围，即0～100度之间的测量精度提高±1.5%以上，而在-160度～0度及100度～1000度的温度范围的测量精度提高±3.0～±5.0%，越远离室温范围，精度提高的效果越明显。

附图说明

图1是单试件防护热板法热导率测试仪结构示意图。

图中：

1、冷板  2、被测试件  3、热板  4、护板  5、保温层  6、背板

7、冷板加热元件   8、冷板测温元件   9、冷板温度控制器

10、热板测温元件  11、热板加热元件  12、热板温度控制器

13、护板测温元件  14、护板加热元件  15、护板温度控制器

16、背板测温元件  17、背板加热元件  18、背板温度控制器

19、计算机        20、仪器测控软件

具体实施方式

结合附图对本发明的单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法加以说明。

本发明的单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法，该方法包括标准物质、热板/护板间和热板/背板间的热交换功率算法以及修正热交换功率后的热导率的计算公式；

所述的标准物质由标号分别为S1、S2和S3的三块样品组成，且满足以下条件：

（1）由同种材料采用完全相同的工艺制作而成，即它们的热导率是相同的；

（2）所述标准物质的热导率是已知的，且在0.001～1.0W/m·K之间；

（3）所述标准物质的横向尺寸为0.30m×0.30m，厚度分别为d₁、d₂、d₃，满足2.25×d1≤1.50×d2≤d3≤0.375m，且d1≥0.10m；

所述热板/护板间与热板/背板间的热交换功率算法为对所述标准物质的三块样品，在单试件防护热板发热导率测试仪上对三块标准物质分别进行测试，则通过下式计算：

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ΔP}}_{r/h}+\mathrm{\Δ}{P}_{r/b}=\frac{1}{3}(\frac{d_3{P}_{s3}-d_1{P}_{s1}}{d_3-d_1}+\frac{d_2{P}_{s2}-d_1{P}_{s1}}{d_2-d_1}+\frac{d_3{P}_{s3}-d_2{P}_{s2}}{d_3-d_2})---\left(1\right)$

式中：

ΔP是热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/h是热板与护板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/b是热板与背板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

S1、S2和S3是三块标准物质的编号；

d₁、d₂和d₃分别是S1、S2和S3三块标准物质的厚度值，单位是米（m）；

P_s1是S1号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s2是S2号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s3是S3号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

所述修正热交换功率后的热导率的计算是通过上述公式（1），可以得到所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{d(P_r-\mathrm{\ΔP})}{A(T_r^{\′}-T_l^{\′})}---\left(2\right)$

式中：

λ是任意被测样品的导热系数，单位是瓦/米·开尔文（W/m·K）；

d是被测样品的厚度，单位是米（m）；

P_r由仪器测量计算出来的热板加热功率；

ΔP是利用公式(1)计算出来的热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

A是单试件防护热板法热导率测试仪的热板面积，单位是平方米（m²）；

T′_r是测试时热板的实际温度，单位是开尔文（K）；

T′_l是测试时冷板的实际温度，单位是开尔文（K）；

将所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式(1)和(2)通过单试件防护热板法热导率测试仪的计算机，就能够对被测试件进行热导率测试。

图1是单试件防护热板法热导率测试仪结构示意图。单试件防护热板法热导率测试仪结构主要包括冷板1、被测试件2、热板3、护板4、保温层5、背板6、冷板加热元件7、冷板测温元件8、冷板温度控制器9、热板测温元件10、热板加热元件11、热板温度控制器12、护板测温元件13、护板加热元件14、护板温度控制器15、背板测温元件16、背板加热元件17、背板温度控制器18、计算机19以及仪器测控软件20。在冷板1和热板3之间放置被测试件2，所述热板3的四周由护板4围住，构成了所述热板3的横向热防护，而保温层5和背板6构成了对所述热板3的另外一个方向的热防护，这种结构可以尽量使得所述热板3的热量经过所述的被测试件2流向所述的冷板1。在横向方向上，所述的冷板1、被测试件2、热板3、护板4、保温层5、背板6等可以采用方形结构，也可以采用圆形结构，但一般要求所述的被测试件2的横向宽度，即方形结构的边长或者圆形结构的直径，必须大于所述被测试件2的厚度。

实验时，在单试件防护热板法热导率测试仪的计算机19上运行的仪器测控软件20的界面上，设置所述热板3的温度为T_热，所述冷板1的温度为T_冷，一般T_热-T_冷为20～40°，同时，设置所述的护板4和所述的背板5的温度与所述热板3的温度T_热相等。所述热板3的温度由热板测温元件10测得，传输给所述的热板温度控制器12，所述的热板温度控制器12将所述的热板测温元件10提供的所述热板3的温度值与从所述计算机19传输来的所述热板3的温度设置值T_热进行比对，并根据比对结果控制所述的热板加热元件11的加热功率，从而实现对所述热板3的温度控制。

所述的热板温度控制器12同时具有测量所述热板3上的所述热板加热元件10的加热功率P_热的功能，并将所述的加热功率P_热传输给所述的计算机19和所述的仪器测控软件20。所述冷板1的温度由冷板测温元件8测得，传输给所述冷板温度控制器9，所述的冷板温度控制器9将所述的冷板测温元件8提供的所述冷板1的温度值与从所述计算机19传输来的所述冷板1的温度设置值T_冷进行比对，并根据比对结果控制所述的冷板加热元件8的加热功率，从而实现对所述冷板1的温度控制。

所述护板4的温度由所述的护板测温元件13测得，传输给所述的护板温度控制器15，所述的护板温度控制器15将所述的护板测温元件13提供的所述护板4的温度值与从所述计算机19传输来的所述护板4的温度设置值T_热进行比对，并根据比对结果控制所述的护板加热元件13的加热功率，从而实现对所述护板4的温度控制。所述背板6的温度由所述的背板测温元件16测得，传输给所述的背板温度控制器18，所述的背板温度控制器18将所述的背板测温元件16提供的所述背板6的温度值与从所述计算机19传输来的所述背板6的温度设置值T_热进行比对，并根据比对结果控制所述的背板加热元件17的加热功率，从而实现对所述背板6的温度控制。

理论上，所述的热板3、护板4和背板6均可以达到完全热平衡状态，即所述的热板3、护板4和背板6的各个部分的温度完全相同，同时，所述的护板4和所述背板6也可以与所述的热板3温度完全相同，在这种理想状态下，所述的热板3和所述的护板4之间，以及所述的热板3与所述的背板6之间将不存在任何热功率交换，可以直接利用防护热板法的热导率理论公式进行导热系数的计算。实际上，所述的热板3、护板4和背板6均不可能达到完全热平衡状态，即所述的热板3、护板4和背板6的各个部分的温度不会完全相同，同时，所述的护板4和所述背板6也不可能与所述的热板3温度完全相同。在这种状态下，所述的热板3和所述的护板4之间，以及所述的热板3与所述的背板6之间将会存在热功率交换。这样，直接利用防护热板法的热导率理论公式进行导热系数的计算将带来较大误差。

通过以下实验步骤可以准确获得所述的热板3和所述的护板4之间，以及所述的热板3与所述的背板6之间的热功率交换，并对热导率理论公式进行修正，从而提高热导率的测量精度。

第一步：将本发明所述的标号为S1、厚度为d1的标准物质放入单试件防护热板法热导率测试仪的试件2的位置；

第二步：给整个仪器送电，启动所述的计算机19，打开所述的仪测控软件20的界面，设置热板温度为T_热、冷板温度为T_冷，运行所述的仪器测控软件20，仪器开始运行；

第三步：热平衡状态监测。在仪器运行过程中，通过所述的仪器测控软件20监控所述的热板3、所述的护板4、所述的背板6、所述的冷板1的温度，当所述的热板3、所述的护板4、所述的背板6、所述的冷板1的温度的温度变化在5分钟的时间段内不大于0.1°，仪器已经达到热平衡状态，程序运行停止。记录此时所述的热板温度控制器12提供给所述的仪器测控软件20的热板功率值；

第四步：重复上述第三步的实验5～8次，得到同一条件下的多次热板功率值，把多次测量得到的热板功率值进行算术平均，得到使用所述的S1标准物质的热板功率值P_s1；

第五步：使用标号为S2、厚度为d2的标准物质，重复上述第二步到第四步的实验，得到使用所述的S2、厚度为d2的标准物质的热板功率值P_s2；

第六步：使用标号为S3、厚度为d3的标准物质，重复上述第二步到第四步的实验，得到使用所述的S3、厚度为d3的标准物质的热板功率值P_s2；

第七步：根据所述的标号为S1、厚度为d1的标准物质的热板功率值P_s1，所述的标号为S2、厚度为d2的标准物质的热板功率值P_s2，以及所述的标号为S3、厚度为d3的标准物质的热板功率值P_s3，依据下式可以得到所述的热板3与所述的护板4之间以及所述的热板3与所述的背板6之间的热交换功率值ΔP：

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ΔP}}_{r/h}+\mathrm{\Δ}{P}_{r/b}=\frac{1}{3}(\frac{d_3{P}_{s3}-d_1{P}_{s1}}{d_3-d_1}+\frac{d_2{P}_{s2}-d_1{P}_{s1}}{d_2-d_1}+\frac{d_3{P}_{s3}-d_2{P}_{s2}}{d_3-d_2})---\left(1\right)$

式中：

ΔP是热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/h是热板与护板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/b是热板与背板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

S1、S2和S3是三块标准物质的编号；

d₁、d₂和d₃分别是S1、S2和S3三块标准物质的厚度值，单位是米（m）；

P_s1是S1号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s2是S2号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s3是S3号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）。

第八步：根据第七步得到的所述的热交换功率值ΔP，可以进一步获得修正热交换功率后的所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{d(P_r-\mathrm{\ΔP})}{A(T_r^{\′}-T_l^{\′})}---\left(2\right)$

其中，

λ是任意被测样品的导热系数，单位是瓦/米·开尔文（W/m·K）；

d是被测样品的厚度，单位是米（m）；

A是单试件防护热板法热导率测试仪的热板面积，单位是平方米（m²）；

T′_r是测试时热板的实际温度，单位是开尔文（K）；

T′_l是测试时冷板的实际温度，单位是开尔文（K）。

将所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式(1)和(2)集成到单试件防护热板法热导率测试仪的计算机19中，就可以对任意被测试件进行高精度的热导率测试。利用所述的公式（2）得到的是所述的热板3温度为T′_r、所述的冷板1温度设置为T′_l条件下的任意被测样品的热导率。

Claims (1)

1.一种单试件防护热板法热导率测试仪的热交换功率的修正方法，该方法包括包括标准物质、热板/护板间和热板/背板间的热交换功率算法以及修正热交换功率后的热导率的计算公式；

所述的标准物质由标号分别为S1、S2和S3的三块样品组成，且满足以下条件：

（1）由同种材料采用完全相同的工艺制作而成，即它们的热导率是相同的；

（2）所述标准物质的热导率是已知的，且在0.001～1.0W/m·K之间；

（3）所述标准物质的横向尺寸为0.30m×0.30m，厚度分别为d₁、d₂、d₃，满足2.25×d1≤1.50×d2≤d3≤0.375m，且d1≥0.10m；

所述热板/护板间与热板/背板间的热交换功率算法为对所述标准物质的三块样品，在单试件防护热板发热导率测试仪上对三块标准物质分别进行测试，则通过下式计算：

$\mathrm{\ΔP}={\mathrm{\ΔP}}_{r/h}+\mathrm{\Δ}{P}_{r/b}=\frac{1}{3}(\frac{d_3{P}_{s3}-d_1{P}_{s1}}{d_3-d_1}+\frac{d_2{P}_{s2}-d_1{P}_{s1}}{d_2-d_1}+\frac{d_3{P}_{s3}-d_2{P}_{s2}}{d_3-d_2})---\left(1\right)$

式中：

ΔP是热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/k是热板与护板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

ΔP_r/b是热板与背板间的热交换功率，单位是瓦（W）；

S1、S2和S3是三块标准物质的编号；

d₁、d₂和d₃分别是S1、S2和S3三块标准物质的厚度值，单位是米（m）；

P_s1是S1号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s2是S2号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

P_s3是S3号标准物质的热板加热功率，单位是瓦（W）；

所述修正热交换功率后的热导率的计算是通过上述公式（1），可以得到所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{d(P_r-\mathrm{\ΔP})}{A(T_r^{\′}-T_l^{\′})}---\left(2\right)$

式中：

λ是任意被测样品的导热系数，单位是瓦/米·开尔文（W/m·K）；

d是被测样品的厚度，单位是米（m）；

P_r由仪器测量计算出来的热板加热功率；

ΔP是利用公式(1)计算出来的热板/护板间及热板/背板间的总的热交换功率，单位是瓦（W）；

A是单试件防护热板法热导率测试仪的热板面积，单位是平方米（m²）；

T′_r是测试时热板的实际温度，单位是开尔文（K）；

T′_l是测试时冷板的实际温度，单位是开尔文（K）；

将所述的修正热交换功率后的热导率的计算公式(1)和(2)通过单试件防护热板法热导率测试仪的计算机，就能够对被测试件进行热导率测试。