Способи вимірювання теплопровідності: відмінності між версіями

[неперевірена версія]

Вилучено вміст Додано вміст

Лінійно

Версія за 12:55, 18 травня 2017

Є кілька можливих способів вимірювання теплопровідності, кожен з яких підходить для обмеженого кола матеріалів, в залежності від термічних властивостей і температури середовища. Існують два класи методів для вимірювання теплопровідності: стаціонарні і не стаціонарні (або перехідні) методи.

Стаціонарні методи

В цілому, стаціонарні методи вимірювання застосовують, коли температура матеріалу не змінюється з часом. Це робить аналіз прямим. Недоліком є те, що, як правило, потрібна добре спроектована експериментальна установка.

Перехідні методи

Перехідні методи вимірювання виконуються в процесі нагрівання. Перевага полягає в тому, що вимірювання можуть бути зроблені відносно швидко. Перехідні методи, як правило, здійснюються за допомогою голчастих електродів.

Нестаціонарні методи вимірювання теплопровідності не вимагають сигналу для отримання постійного значення. Замість цього, сигнал вивчається як функція часу. Перевага цих методів полягає в тому, що вони можуть в цілому бути виконані більш швидко, так як немає необхідності чекати стаціонарної ситуації. Недолік полягає в тому, що математичний аналіз даних в цілому складніше.

Метод джерела перехідних площин

Метод джерела перехідних площин, який використовує датчик площини та спеціальну математичну модель, яка описує теплопровідність, в поєднанні з електронікою, дозволяє використовувати цей метод для вимірювання теплових транспортних властивостей. Він охоплює діапазон теплопровідності щонайменше 0,01-500 Вт / м / К (відповідно до ISO 22007-2) і може бути використаний для вимірювання різних видів матеріалів, таких як тверді речовини, рідина, паста і тонкі плівки і т.д. У 2008 році він був затверджений як стандарт ISO-для вимірювання теплових транспортних властивостей полімерів (листопад 2008 року). Цей стандарт TPS охоплює також застосування цього методу, щоб перевірити, як ізотропні і анізотропні матеріали.

Метод джерела перехідних площин зазвичай використовує дві частини зразків, між якими затиснутий датчик. Зазвичай частинки повинні бути однорідними, але широке використання перехідних випробувань плоского джерела гетерогенного матеріалу можливо, при правильному виборі розміру датчика, щоб максимізувати проникнення зразка. Цей метод також може бути використаний в одній односторонній конфігурації, з введенням відомого ізолюючого матеріалу, що використовується в якості опори датчика.

Плоский датчик складається з безперервної подвійної спіралі електропровідного нікелю (Ni). Спіраль Нікелю розташована між двома шарами тонкої плівки полііміду. Тонкі плівки забезпечують електричну ізоляцію і механічну стійкість до датчика. Датчик поміщається між двома половинками зразка. Під час вимірювання постійний електричний струм проходить через провідну спіраль, збільшуючи температуру датчика.Тепло розсіюється з обох сторін датчика, зі швидкістю, яка залежить від теплових транспортних властивостей матеріалу.

MTPS-метод

Різновидом вищевказаного способу є метод МТРS, розроблений доктором Ненсі Матіс. Пристрій використовує односторонній, на межі поділу фаз, датчик теплового коефіцієнта відбиття. Різниця між цим методом і традиційним методом, описаним вище, є те, що нагрівальний елемент, нанесений на підкладку, що тут забезпечується механічна опора, електрична ізоляція і теплоізоляція. Ця модифікація забезпечує односторонній міжфазовий вимір, пропонуючи максимальну гнучкість при випробуванні рідин, порошків, паст і твердих речовин.

.

Метод лазерного спалаху

Метод лазерного спалаху використовується для вимірювання температуропровідності тонкого диску в напрямку товщини. Цей метод базується на вимірюванні підвищення температури на задній поверхні тонкого диска, отриманої за допомогою короткого імпульсу енергії на передній поверхні. З еталонного зразка питома теплоємність може бути досягнута і при відомій щільності результати теплопровідності будуть наступним

k(T)=a(T)\cdot c_{P}(T)\cdot \rho (T)

де

k

- це теплопровідність зразка [W·m⁻¹·K⁻¹]

a

- температуропровідність зразка [m² ·s⁻¹]

c_{P}

- питома теплоємність зразка [J·kg⁻¹·K⁻¹]

\rho

- це щільність зразка [kg·m⁻³]

Він підходить для безлічі різних матеріалів в широкому діапазоні температур.^[1]

3ω-метод

Одним з популярних способів для електротермічної характеристики матеріалів є 3ω-метод, в якому тонка структура металу (як правило, провід або плівка) наносять на зразок, в якості резистивного нагрівача і резистивного датчика температури. Нагрівач приводиться в дію від мережі змінного струму. Виникає затримка між нагріванням зразка і температурою реакції, яка залежить від термічних властивостей датчика / зразка. Ця відповідь температури вимірюється за допомогою реєстрації амплітуди і фази затримки сигналу напруги змінного струму від нагрівача за діапазоном частот. Зауважимо, що фазова затримка сигналу є затримкою між сигналом нагріву і температурного відгуку.

V=IR=I_{0}e^{i\omega t}\left(R_{0}+{\frac {\partial R}{\partial T}}\Delta T\right)=I_{0}e^{i\omega t}\left(R_{0}+C_{0}e^{i2\omega t}\right)

,

де C₀ - це константа. Теплопровідність визначається лінійним нахилом ΔT в порівнянні з кривою log(ω). Основною перевагою 3ω-методу мінімізації радіаційних ефектів є простіше отримання температурної залежності теплопровідності, на відміну від стаціонарних методів.

Окремий випадок 3ω-методу

Окремий випадок 3ω-методу ^[2]^[3] запропоновано і розроблено для звичайного методу 3ω для вимірювання теплофізичних властивостей.Метод включає визначення твердих речовин, порошків і рідин від кріогенних температур до приблизно 400 К.^[4] Теплопровідність і теплова ефузія можуть бути виміряні з використанням обраних датчиків, відповідно.

Метод теплового відбиття випромінювання

У тимчасовій області являє собою коефіцієнт відбиття теплового випромінювання метод, за допомогою якого можуть бути виміряні термічні властивості матеріалу, що найбільш важливо - теплопровідність. Цей метод може бути застосований в першу чергу для тонких плівкових матеріалів. Ідея цього методу полягає в тому, що, як тільки матеріал нагрівається, зміна відбивної здатності поверхні може бути використана для отримання термічних властивостей.

Вимірювальні пристрої

Тестери теплопровідності; інструменти гемології, які визначають, чи є мінерали дорогоцінними.

Для прикладу, див. вимірювач теплопровідності ІТП-MG4 «Зонд» (Росія).^[5]

Стандарти

EN 12667, "Thermal performance of building materials and products. Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods. Products of high and medium thermal resistance", ISBN 0-580-36512-3.
ISO 8301, "Thermal insulation – Determination of steady-state thermal resistance and related properties – Heat flow meter apparatus" [1]
ISO 8497, "Thermal insulation – Determination of steady-state thermal transmission properties of thermal insulation for circular pipes", ISBN 0-580-26907-8 [2]
ISO 22007-2:2008 "Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 2: Transient plane heat source (hot disc) method" [3]
ISO 22007-4:2008 "Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method" ^[1]
IEEE Standard 442–1981, "IEEE guide for soil thermal resistivity measurements", ISBN 0-7381-0794-8. See also soil thermal properties. [4] ^[6]
IEEE Standard 98-2002, "Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials", ISBN 0-7381-3277-2 [5] ^[7]
ASTM Standard C518 – 10, "Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus" [6]
ASTM Standard D5334-08, "Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure" ^[8]
ASTM Standard D5470-06, "Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials" [7]
ASTM Standard E1225-04, "Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique" [8]
ASTM Standard D5930-01, "Standard Test Method for Thermal Conductivity of Plastics by Means of a Transient Line-Source Technique" [9]
ASTM Standard D2717-95, "Standard Test Method for Thermal Conductivity of Liquids" [10]

Посилання

↑ ^а ^б ISO22007-4:2008 Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method
↑ Qiu, L.; Tang, D. W.; Zheng, X. H.; Su, G. P. (2011). The freestanding sensor-based 3ω technique for measuring thermal conductivity of solids: Principle and examination. Review of Scientific Instruments. 82 (4): 045106. doi:10.1063/1.3579495.
↑ Qiu, L.; Zheng, X. H.; Zhu, J.; Tang, D. W. (2011). Note: Non-destructive measurement of thermal effusivity of a solid and liquid using a freestanding serpentine sensor-based 3ω technique. Review of Scientific Instruments. 82 (8): 086110. doi:10.1063/1.3626937.
↑ Qiu, L.; Zheng, X. H.; Su, G. P.; Tang, D. W. (21 September 2011). Design and Application of a Freestanding Sensor Based on 3ω Technique for Thermal-Conductivity Measurement of Solids, Liquids, and Nanopowders. International Journal of Thermophysics. 34 (12): 2261—2275. doi:10.1007/s10765-011-1075-y.
↑ http://www.stroypribor.ru/produkt/catalog/izmeriteli-teploprovodnosti/izmeritel-teploprovodnosti-itp-mg4-zond.html
↑ IEEE Standard 442-1981- IEEE guide for soil thermal resistivity measurements, doi:10.1109/IEEESTD.1981.81018
↑ IEEE Standard 98-2002 – Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials, doi:10.1109/IEEESTD.2002.93617
↑ ASTM Standard D5334-08 – Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure, doi:10.1520/D5334-08

Зовнішні посилання

An alternative traditional method using real thermometers is described at [11].
A brief review of new methods measuring thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat within a single measurement is available at [12].
A brief description of Modified Transient Plane Source (MTPS) at http://patents.ic.gc.ca/opic-cipo/cpd/eng/patent/2397102/page/2397102_20120528_description.pdf

[ISO22007-4-1] а ^б ISO22007-4:2008 Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method

[2] Qiu, L.; Tang, D. W.; Zheng, X. H.; Su, G. P. (2011). The freestanding sensor-based 3ω technique for measuring thermal conductivity of solids: Principle and examination. Review of Scientific Instruments. 82 (4): 045106. doi:10.1063/1.3579495.

[3] Qiu, L.; Zheng, X. H.; Zhu, J.; Tang, D. W. (2011). Note: Non-destructive measurement of thermal effusivity of a solid and liquid using a freestanding serpentine sensor-based 3ω technique. Review of Scientific Instruments. 82 (8): 086110. doi:10.1063/1.3626937.

[4] Qiu, L.; Zheng, X. H.; Su, G. P.; Tang, D. W. (21 September 2011). Design and Application of a Freestanding Sensor Based on 3ω Technique for Thermal-Conductivity Measurement of Solids, Liquids, and Nanopowders. International Journal of Thermophysics. 34 (12): 2261—2275. doi:10.1007/s10765-011-1075-y.

[5] ttp://www.stroypribor.ru/produkt/catalog/izmeriteli-teploprovodnosti/izmeritel-teploprovodnosti-itp-mg4-zond.html

[6] IEEE Standard 442-1981- IEEE guide for soil thermal resistivity measurements, doi:10.1109/IEEESTD.1981.81018

[7] IEEE Standard 98-2002 – Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials, doi:10.1109/IEEESTD.2002.93617

[8] ASTM Standard D5334-08 – Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure, doi:10.1520/D5334-08

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

@@ Рядок 50: / Рядок 50: @@
 : <math>c_P</math> - <nowiki>питома теплоємність зразка [</nowiki>[[Джоуль|J]]·[[Кілограм|kg]]<sup>−1</sup>·[[Кельвін|K]]<sup>−1</sup><nowiki>]</nowiki>
 : <math>\rho</math> - це щільність зразка <nowiki>[</nowiki>[[Кілограм|kg]]·[[Метр|m]]<sup>−3</sup><nowiki>]</nowiki>
-Він підходить для безлічі різних матеріалів в широкому діапазоні температур.<ref name="ISO22007-4">{{Citation|title=ISO22007-4:2008 Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method|url=http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=40683}}</ref>
+Він підходить для безлічі різних матеріалів в широкому діапазоні температур.<ref name="ISO22007-4">{{citation|title=ISO22007-4:2008 Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method|url=http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=40683}}</ref>
 === 3ω-метод ===
@@ Рядок 58: / Рядок 58: @@
 === Окремий випадок 3ω-методу ===
-Окремий випадок 3ω-методу <ref>{{Cite document}}</ref><ref>{{Cite document}}</ref> запропоновано і розроблено для звичайного методу 3ω для вимірювання теплофізичних властивостей.Метод включає визначення твердих речовин, порошків і рідин від кріогенних температур до приблизно 400 К.<ref>{{Cite document}}</ref>  Теплопровідність і теплова [[ефузія]] можуть бути виміряні з використанням обраних датчиків, відповідно.
+Окремий випадок 3ω-методу <ref>{{cite journal|last1=Qiu|first1=L.|last2=Tang|first2=D. W.|last3=Zheng|first3=X. H.|last4=Su|first4=G. P.|title=The freestanding sensor-based 3ω technique for measuring thermal conductivity of solids: Principle and examination|journal=Review of Scientific Instruments|date=2011|volume=82|issue=4|pages=045106|doi=10.1063/1.3579495}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Qiu|first1=L.|last2=Zheng|first2=X. H.|last3=Zhu|first3=J.|last4=Tang|first4=D. W.|title=Note: Non-destructive measurement of thermal effusivity of a solid and liquid using a freestanding serpentine sensor-based 3ω technique|journal=Review of Scientific Instruments|date=2011|volume=82|issue=8|pages=086110|doi=10.1063/1.3626937}}</ref> запропоновано і розроблено для звичайного методу 3ω для вимірювання теплофізичних властивостей.Метод включає визначення твердих речовин, порошків і рідин від кріогенних температур до приблизно 400 К.<ref>{{cite journal|last1=Qiu|first1=L.|last2=Zheng|first2=X. H.|last3=Su|first3=G. P.|last4=Tang|first4=D. W.|title=Design and Application of a Freestanding Sensor Based on 3ω Technique for Thermal-Conductivity Measurement of Solids, Liquids, and Nanopowders|journal=International Journal of Thermophysics|date=21 September 2011|volume=34|issue=12|pages=2261–2275|doi=10.1007/s10765-011-1075-y}}</ref>  Теплопровідність і теплова [[ефузія]] можуть бути виміряні з використанням обраних датчиків, відповідно.
 === Метод теплового відбиття  випромінювання ===
@@ Рядок 73: / Рядок 73: @@
 * ISO 8497, "Thermal insulation – Determination of steady-state thermal transmission properties of thermal insulation for circular pipes", ISBN 0-580-26907-8 [http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=15707]
 * ISO 22007-2:2008 "Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 2: Transient plane heat source (hot disc) method" [http://www.iso.org/iso/iso_catalogue/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=40683]
-* ISO 22007-4:2008 "Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method"
+* ISO 22007-4:2008 "Plastics – Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity – Part 4: Laser flash method" <ref name="ISO22007-4" />
-* IEEE Standard 442–1981,  "IEEE guide for soil thermal resistivity measurements", ISBN 0-7381-0794-8. See also soil thermal properties. [http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=2543] <ref>{{Citation|title=IEEE Standard 442-1981- IEEE guide for soil thermal resistivity measurements|doi=10.1109/IEEESTD.1981.81018|DOI=10.1109/IEEESTD.1981.81018}}Вказано більш, ніж один <code>&#x7C;DOI=</code> та <code>&#x7C;doi=</code> ([[Довідка:Помилки посилань на джерела#redundant parameters|довідка]])
+* IEEE Standard 442–1981,  "IEEE guide for soil thermal resistivity measurements", ISBN 0-7381-0794-8. See also soil thermal properties. [http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=2543] <ref>{{citation|title=IEEE Standard 442-1981- IEEE guide for soil thermal resistivity measurements|doi=10.1109/IEEESTD.1981.81018}}</ref>
+* IEEE Standard 98-2002, "Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials", ISBN 0-7381-3277-2 [http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=7893] <ref>{{citation|title=IEEE Standard 98-2002 – Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials|doi=10.1109/IEEESTD.2002.93617}}</ref>
-[[Категорія:Сторінки з посиланнями на джерела з зайвими параметрами]]</ref>
-* IEEE Standard 98-2002, "Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials", ISBN 0-7381-3277-2 [http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=7893] <ref>{{Citation|title=IEEE Standard 98-2002 – Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid Electrical Insulating Materials|doi=10.1109/IEEESTD.2002.93617|DOI=10.1109/IEEESTD.2002.93617}}Вказано більш, ніж один <code>&#x7C;DOI=</code> та <code>&#x7C;doi=</code> ([[Довідка:Помилки посилань на джерела#redundant parameters|довідка]])
-[[Категорія:Сторінки з посиланнями на джерела з зайвими параметрами]]</ref>
 * ASTM Standard C518 – 10, "Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus" [http://www.astm.org/Standards/C518.htm]
-* ASTM Standard D5334-08, "Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure" <ref>{{Citation|title=ASTM Standard D5334-08 – Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure|doi=10.1520/D5334-08|DOI=10.1520/D5334-08}}Вказано більш, ніж один <code>&#x7C;DOI=</code> та <code>&#x7C;doi=</code> ([[Довідка:Помилки посилань на джерела#redundant parameters|довідка]])
+* ASTM Standard D5334-08, "Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure" <ref>{{citation|title=ASTM Standard D5334-08 – Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure|doi=10.1520/D5334-08}}</ref>
-[[Категорія:Сторінки з посиланнями на джерела з зайвими параметрами]]</ref>
 * ASTM Standard D5470-06, "Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials" [http://www.astm.org/cgi-bin/SoftCart.exe/DATABASE.CART/REDLINE_PAGES/D5470.htm?E+mystore]
 * ASTM Standard E1225-04, "Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids by Means of the Guarded-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique" [http://www.astm.org/cgi-bin/SoftCart.exe/DATABASE.CART/REDLINE_PAGES/E1225.htm?L+mystore+wnox2486+1189558298]

Способи вимірювання теплопровідності: відмінності між версіями

Версія за 12:55, 18 травня 2017

Зміст

Стаціонарні методи