Визначення теплопровідності твердих матеріалів шляхом плоского шару. Методи визначення теплопровідності металів Б.1 Загальні вимоги

ГОСТ 7076-99

УДК 691:536.2.08:006.354 Група Ж19

МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ

МАТЕРІАЛИ ТА ВИРОБИ БУДІВЕЛЬНІ

Метод визначення теплопровідності та термічного опору

при стаціонарному тепловому режимі

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Метод визначення стереотипної держави thermal

conductivity і thermal resistance

Дата введення 2000-04-01

Передмова

1 РОЗРОБЛЕНО Науково-дослідним інститутом будівельної фізики (НДІСФ) Російської Федерації

ВНЕСЕН Держбудом Росії

2 ПРИЙНЯТЬ Міждержавною науково-технічною комісією зі стандартизації, технічного нормування та сертифікації у будівництві (МНТКС) 20 травня 1999 р.

Найменування держави	Найменування органу державного управління будівництвом
республіка Арменія	Міністерство містобудування Республіки Вірменія
Республіка Казахстан	Комітет у справах будівництва Міністерства енергетики, промисловості та торгівлі Республіки Казахстан
Киргизька Республіка	Державна інспекція з архітектури та будівництва при Уряді Киргизької Республіки
Республіка Молдова	Міністерство розвитку територій, будівництва та комунального господарства Республіки Молдова
Російська Федерація	Держбуд Росії
Республіка Таджикистан	Комітет у справах архітектури та будівництва Республіки Таджикистан
Республіка Узбекистан	Державний Комітет з архітектури та будівництва Республіки Узбекистан
	Державний Комітет будівництва, архітектури та житлової політики України

3 ВЗАМІН ГОСТ 7076-87

4 Введено в дію з 1 квітня 2000 р. як державний стандарт Російської Федерації постановою Держбуду Росії від 24 грудня 1999 р. № 89

Вступ

Цей стандарт гармонізований зі стандартами ISO 7345:1987 та ISO 9251:1987 в частині термінології та відповідає основним положенням ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, що встановлюють методи визначення термічного опору та ефективної теплопровідності за допомогою приладу. охоронної зони.

Відповідно до стандартів ІСО у цьому стандарті встановлено вимоги до зразків, приладу та його градуювання, прийнято дві основні схеми випробування: асиметрична (з одним тепломіром) та симетрична (з двома тепломірами).

1 Область застосування

Цей стандарт поширюється на будівельні матеріали та вироби, а також на матеріали та вироби, призначені для теплової ізоляції промислового обладнання та трубопроводів, та встановлює метод визначення їх ефективної теплопровідності та термічного опору за середньої температури зразка від мінус 40 до + 200 °С.

Стандарт не поширюється на матеріали та вироби з теплопровідністю понад 1,5 Вт/(м × К).

ГОСТ 166-89 Штангенциркулі. Технічні умови

ГОСТ 427-75 Лінійки вимірювальні металеві. Технічні умови

ГОСТ 24104-88 Ваги лабораторні загального призначення та зразкові. Загальні технічні умови

3 Визначення та позначення

3.1 У цьому стандарті застосовують такі терміни з відповідними визначеннями.

Тепловий потік- кількість теплоти, що проходить через зразок за одиницю часу.

Щільність теплового потоку- Тепловий потік, що проходить через одиницю площі.

Стаціонарний тепловий режим- Режим, при якому всі теплофізичні параметри, що розглядаються, не змінюються з часом.

Термічний опір зразка- Відношення різниці температур лицьових граней зразка до щільності теплового потоку в умовах стаціонарного теплового режиму.

Середня температура зразка- Середньоарифметичне значення температур, виміряних на лицьових гранях зразка.

Ефективна теплопровідністьl effматеріалу(відповідає терміну «коефіцієнт теплопровідності», прийнятому в діючих нормах з будівельної теплотехніки) - відношення товщини зразка матеріалу, що випробовується. dдойого термічного опору R.

3.2 Позначення величин та одиниці виміру наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Позначення	Величина	Одиниця виміру
l eff	Ефективна теплопровідність	Вт/(м × К)
	Термічний опір	м 2 × К/Вт
	Товщина зразка до випробування
	Термічні опори стандартних зразків	м 2 × К/Вт
D T 1 , D Т 2	Різниця температур лицьових граней стандартних зразків
e 1 , e 2	Вихідні сигнали тепломіра приладу за його градуювання за допомогою стандартних зразків
f 1 , f 2	Градуювальні коефіцієнти тепломіра приладу за його градуювання за допомогою стандартних зразків	Вт/(мВ × м 2)
	Товщина зразка у процесі випробування
	Термічний опір випробуваного зразка	м 2 × К/Вт
	Відносна зміна маси зразка після сушіння
	Відносна зміна маси зразка у процесі випробування
	Маса зразка при отриманні від виробника
	Маса зразка після сушіння
	Маса зразка після випробування
D T u	Різниця температур лицьових граней випробуваного зразка
	Середня температура випробуваного зразка
	Температура гарячої лицьової грані випробуваного зразка
	Температура холодної лицьової грані випробуваного зразка
	Значення градуювального коефіцієнта тепломіра приладу, що відповідає значенню теплового потоку, що протікає через зразок, що випробовується після встановлення стаціонарного теплового режиму (при асиметричній схемі випробування)	Вт/(мВ × м 2)
	Вихідний сигнал тепломіра приладу після встановлення стаціонарного теплового потоку через зразок, що випробовується (при асиметричній схемі випробування)
	Термічний опір між лицьовою гранню зразка та робочою поверхнею плити приладу
l effu	Ефективна теплопровідність матеріалу випробуваного зразка	Вт/(м × К)
	Термічний опір листового матеріалу, з якого виготовлено дно та кришка ящика для зразка насипного матеріалу.	м 2 × К/Вт
f ¢ u , f² u	Значення градуювального коефіцієнта першого і другого тепломірів приладу, що відповідають значенню теплового потоку, що протікає через зразок, що випробовується після встановлення стаціонарного теплового режиму (при симетричній схемі випробування)	Вт/(мВ × м 2)
e ¢ u , e² u	Вихідний сигнал першого і другого тепломірів після встановлення стаціонарного теплового потоку через випробуваний зразок (при симетричній схемі випробування)
	Щільність стаціонарного теплового потоку, що проходить через випробуваний зразок
	Площа зони виміру
	Електрична потужність, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу

4 Загальні положення

4.1 Сутність методу полягає у створенні стаціонарного теплового потоку, що проходить через плоский зразок певної товщини і спрямованого перпендикулярно до лицьових (найбільших) граней зразка, вимірювання щільності цього теплового потоку, температури протилежних лицьових граней та товщини зразка.

4.2 Кількість зразків, необхідна для визначення ефективної теплопровідності або термічного опору, та порядок відбору зразків повинні бути зазначені у стандарті на конкретний матеріал або виріб. Якщо у стандарті на конкретний матеріал або виріб не вказано кількість зразків, що підлягають випробуванню, ефективну теплопровідність або термічний опір визначають на п'яти зразках.

4.3 Температура та відносна вологість повітря приміщення, в якому проводять випробування, повинні бути відповідно (295 ± 5) К та (50 ± 10) %.

5 Засоби вимірювання

Для проведення випробування застосовують:

прилад для вимірювання ефективної теплопровідності та термічного опору, атестований у встановленому порядку та задовольняє вимогам, наведеним у додатку А;

прилад визначення щільності волокнистих матеріалів за ГОСТ 17177;

прилад визначення товщини плоских волокнистих виробів за ГОСТ 17177;

електрошафа сушильна, верхня межа нагріву якого не менше 383 К, межа допустимої похибки завдання та автоматичного регулювання температури - 5 К;

штангенциркуль за ГОСТ 166:

Для вимірювання зовнішніх і внутрішніх розмірів з діапазоном вимірювання 0-125 мм, значенням відліку по ноніусу - 0,05 мм, межею похибки, що допускається - 0,05 мм;

Для вимірювання зовнішніх розмірів з діапазоном вимірювання 0-500 мм, значенням відліку по ноніусу - 0,1 мм, межею похибки, що допускається -0,1 мм;

лінійка металева вимірювальна за ГОСТ 427 з верхньою межею вимірювання 1000 мм, межею відхилення від номінальних значень довжини шкали і відстаней між будь-яким штрихом і початком або кінцем шкали - 0,2 мм;

лабораторні ваги загального призначення за ГОСТ 24104:

З найбільшою межею зважування 5 кг, ціною розподілу – 100 мг, середнє квадратичне відхилення показань ваг – не більше 50,0 мг, похибка від нерівноплечності коромисла – не більше 250,0 мг, межа допустимої похибки – 375 мг;

З найбільшою межею зважування 20 кг, ціною розподілу – 500 мг, середнє квадратичне відхилення показань ваг – не більше 150,0 мг, похибка від нерівноплечності коромисла – не більше 750,0 мг, межа допустимої похибки – 1500 мг.

Допускається застосування інших засобів вимірювання з метрологічними характеристиками та обладнання з технічними характеристиками не гірше, ніж зазначені в цьому стандарті.

6 Підготовка до випробування

6.1 Виготовляють зразок у вигляді прямокутного паралелепіпеда, найбільші (лицьові) грані якого мають форму квадрата зі стороною, що дорівнює стороні робочих поверхонь плит приладу. Якщо робочі поверхні плит приладу мають форму кола, то найбільші грані зразка повинні мати форму круга, діаметр якого дорівнює діаметру робочих поверхонь плит приладу (додаток А, п. А. 2.1).

6.2 Товщина зразка, що випробовується, повинна бути менше довжини ребра лицьової грані або діаметра не менше ніж у п'ять разів.

6.3 Грані зразка, що контактують із робочими поверхнями плит приладу, повинні бути плоскими та паралельними. Відхилення лицьових граней жорсткого зразка від паралельності має бути більше 0,5 мм.

Жорсткі зразки, що мають різнотовщинність та відхилення від площинності, шліфують.

6.4 Товщину зразка-паралелепіпеда вимірюють штангенциркулем з похибкою не більше 0,1 мм у чотирьох кутах на відстані (50,0 ± 5,0) мм від вершини кута та посередині кожної сторони.

Товщину зразка-диска вимірюють штангенциркулем з похибкою не більше 0,1 мм утворюючим, розташованим у чотирьох взаємно перпендикулярних площинах, що проходять через вертикальну вісь.

За товщину зразка приймають середньоарифметичне значення результатів усіх вимірів.

6.5 Довжину та ширину зразка в плані вимірюють лінійкою з похибкою не більше 0,5 мм.

6.6 Правильність геометричної форми та розміри зразка теплоізоляційного матеріалу визначають за ГОСТ 17177.

6.7 Середній розмір включень (гранули заповнювача, великі пори тощо), відмінних за своїми теплофізичними показниками від основного зразка, повинен становити не більше 0,1 товщини зразка.

Допускається випробування зразка, має неоднорідні включення, середній розмір яких перевищує 0,1 його товщини. У протоколі випробування має бути зазначений середній розмір включень.

6.8 Визначають масу зразка М 1 при отриманні від виробника.

6.9 Зразок висушують до постійної маси за температури, вказаної в нормативному документі на матеріал або виріб. Зразок вважають висушеним до постійної маси, якщо втрата його маси після чергового висушування протягом 05 год не перевищує 01%. Після закінчення сушіння визначають масу зразка М 2 та його щільність r u, після чого зразок негайно поміщають або в прилад для визначення його термічного опору, або герметичний посудину.

Допускається випробування вологого зразка при температурі холодної лицьової грані більше 273 К та перепаді температури не більше 2 К на 1 см товщини зразка.

6.10 Зразок висушеного насипного матеріалу повинен бути поміщений у ящик, дно та кришка якого виготовлені з тонкого листового матеріалу. Довжина і ширина ящика повинні дорівнювати відповідним розмірам робочих поверхонь плит приладу, глибина - товщині зразка, що випробовується. Товщина зразка насипного матеріалу повинна бути не менш ніж у 10 разів більшою за середній розмір гранул, зерен і лусочок, з яких складається цей матеріал.

Відносна напівсферична випромінювальна здатність поверхонь дна та кришки ящика повинна бути більше 0,8 за тих температур, які ці поверхні мають у процесі випробування.

Термічний опір R Lлистового матеріалу, з якого виготовляють дно та кришку ящика, має бути відомо.

6.11 Пробу насипного матеріалу ділять на чотири рівні частини, які по черзі насипають у ящик, ущільнюючи кожну частину так, щоб вона зайняла відповідну їй частину внутрішнього об'єму ящика. Ящик закривають кришкою. Кришку прикріплюють до бокових стінок ящика.

6.12 Зважують ящик із зразком насипного матеріалу. За певним значенням маси ящика із зразком та попередньо визначеним значенням внутрішнього об'єму та маси порожнього ящика обчислюють щільність зразка насипного матеріалу.

6.13 Похибка визначення маси та розміру зразків не повинна перевищувати 0,5 %.

7 Проведення випробування

7.1 Випробування повинні проводитись на попередньо градуйованому приладі. Порядок та періодичність градуювання наведено у додатку Б.

7.2 Зразок, що підлягає випробуванню, поміщають у прилад. Розташування зразка – горизонтальне або вертикальне. При горизонтальному розташуванні зразка напрямок теплового потоку зверху вниз.

У процесі випробування різниця температур лицьових граней зразка D T uповинна становити 10-30 К. Середня температура зразка під час випробування має бути зазначена у нормативному документі на конкретний вид матеріалу чи виробу.

7.3 Встановлюють задані значення температур робочих поверхонь плит приладу та послідовно через кожні 300 с проводять вимірювання:

сигналів тепломіра е uі датчиків температур лицьових граней зразка, якщо щільність теплового потоку через випробовуваний зразок вимірюють за допомогою тепломіра;

потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу, і сигналів датчиків температур лицьових граней зразка, якщо щільність теплового потоку через зразок, що випробовується, визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу.

7.4 Тепловий потік через випробуваний зразок вважають встановленим (стаціонарним), якщо значення термічного опору зразка, обчислені за результатами п'яти послідовних вимірювань сигналів датчиків температур і щільності теплового потоку, відрізняються один від одного менш ніж на 1%, при цьому ці величини не зростають і не спадають монотонно.

7.5 Після досягнення стаціонарного теплового режиму вимірюють товщину вміщеного в прилад зразка d uштангенциркулем з похибкою трохи більше 0,5 %.

7.6 Після закінчення випробування визначають масу зразка M 3 .

8 Обробка результатів випробування

8.1 Обчислюють відносну зміну маси зразка внаслідок його сушіння т r та в процесі випробування т w і щільність зразка r uза формулами:

тr =(М 1 ¾ М 2 )/М 2 , (2)

тw= (М 2 ¾ М 3 )/М 3 , (3)

Об'єм випробуваного зразка V uобчислюють за результатами вимірювання його довжини та ширини після закінчення випробування, а товщини - у процесі випробування.

8.2 Обчислюють різницю температур лицьових граней D T uі середню температуру випробуваного зразка T muза формулами:

D T u = T 1u ¾ T 2u , (5)

T mu= (T 1u + T 2u .)/2 (6)

8.3 При обчисленні теплофізичних показників зразка і щільності стаціонарного теплового потоку в розрахункові формули підставляють середньоарифметичні значення результатів п'яти вимірювань сигналів датчиків різниці температур і сигналу тепломіра або електричної потужності, виконаних після встановлення стаціонарного теплового потоку через випробуваний зразок.

8.4 Під час проведення випробування на приладі, зібраному за асиметричною схемою, термічний опір зразка R uобчислюють за формулою

(7)

де R kприймають рівним 0,005м 2 × К/Вт, а для теплоізоляційних матеріалів та виробів – нулю.

8.5 Ефективну теплопровідність матеріалу зразка l effuобчислюють за формулою

(8)

8.6 Термічний опір R uта ефективну теплопровідність l effuзразка насипного матеріалу обчислюють за формулами:

, (9)

. (10)

8.7 Щільність стаціонарного теплового потоку q uчерез зразок, що випробовується на приладі, зібраному за асиметричною та симетричною схемами, обчислюють відповідно за формулами:

q u = f u e u , (11)

. (12)

8.8 При проведенні випробування на приладі з гарячою охоронною зоною, в якому щільність теплового потоку визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу, термічний опір, ефективну теплопровідність та щільність стаціонарного теплового потоку через зразок обчислюють за формулами:

, (13)

, (14)

При випробуванні насипних матеріалів формули (13) і (14) замість R kпідставляють значення R L ..

8.9 За результат випробування приймають середньоарифметичні значення термічного опору та ефективної теплопровідності всіх випробуваних зразків.

9 Протокол випробування

У протоколі випробування мають бути наведені такі відомості:

Найменування матеріалу чи виробу;

Позначення та найменування нормативного документа, за яким виготовлено матеріал або виріб;

Підприємство-виробник;

Номер партії;

Дата виготовлення;

загальна кількість випробуваних зразків;

Тип приладу, у якому проведено випробування;

Положення зразків, що випробовуються (горизонтальне, вертикальне);

Методика виготовлення зразків насипного матеріалу із зазначенням термічного опору дна та кришки ящика, в якому випробовувалися зразки;

Розміри кожного зразка;

Товщина кожного зразка перед початком випробування та у процесі випробування із зазначенням, чи проводилося випробування при фіксованому тиску на зразок або при фіксованій товщині зразка;

Фіксований тиск (якщо він був фіксований);

Середній розмір неоднорідних включень у зразках (якщо є);

Методика сушіння зразків;

Відносна зміна маси кожного зразка внаслідок його доби;

Вологість кожного зразка до початку та після закінчення випробування;

Щільність кожного зразка у процесі випробування;

Відносна зміна маси кожного зразка, що сталася у процесі випробування;

Температура гарячої та холодної лицьових граней кожного зразка;

Різниця температур гарячої та холодної лицьових граней кожного зразка;

Середня температура кожного зразка;

Щільність теплового потоку через кожний зразок після встановлення стаціонарного теплового режиму;

Термічний опір кожного зразка;

Ефективна теплопровідність матеріалу кожного зразка;

Середньоарифметичне значення термічного опору всіх випробуваних зразків;

Середньоарифметичне значення ефективної теплопровідності всіх випробуваних зразків;

Напрямок теплового потоку;

Дата випробування;

Дата останнього градуювання приладу (якщо випробування проведено на обладнаному тепломіром приладі);

Для стандартних зразків, використаних під час градуювання приладу, має бути зазначено: тип, термічний опір, дата перевірки, термін дії перевірки, організація, яка проводила перевірку;

Оцінка похибки вимірювання термічного опору чи ефективної теплопровідності;

Заява про повну відповідність або часткову невідповідність процедури випробування вимогам цього стандарту. Якщо під час проведення випробування було допущено відхилення від вимог цього стандарту, вони повинні бути зазначені у протоколі випробування.

10 Похибка визначення ефективної теплопровідності

та термічного опору

Відносна похибка визначення ефективної теплопровідності та термічного опору даним методом не перевищує ±3 %, якщо випробування проведено у повній відповідності до вимог цього стандарту.

ДОДАТОК А

(обов'язкове)

Вимоги до приладів для визначення ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі

А.1 Схеми приладу

Для вимірювання ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі застосовують прилади:

Зібрані за асиметричною схемою, оснащені одним тепломіром, який розташований між зразком, що випробувається, і холодною плитою приладу або між зразком і гарячою плитою приладу (рисунок А.1);

Зібрані за симетричною схемою, оснащені двома тепломірами, один з яких розташований між зразком і холодною плитою приладу, а другий - між зразком і гарячою плитою приладу (рисунок А.2);

Прилад, в якому щільність теплового потоку, що проходить через зразок, що випробовується, визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу (прилад з гарячою охоронною зоною) (рисунок А.3).

1 - нагрівач; 2 - тепломір; 3 - випробуваний зразок; 4 - холодильник

Малюнок А.1 - Схема приладу з одним тепломіром

1 - Нагрівач; 2 - тепломіри; 3 - холодильник; 4 - випробуваний зразок

Малюнок А.2 - Схема приладу із двома тепломірами

1 - холодильник; 2 - випробувані зразки; 3 - плити нагрівача зони виміру;

4 - обмотка нагрівача зони виміру; 5 – плити нагрівача охоронної зони;

6 - обмотка нагрівача охоронної зони

Малюнок А. 3 - Схема приладу із гарячою охоронною зоною

А.2 Нагрівач та холодильник

А.2.1 Плити нагрівача або холодильника можуть мати форму квадрата, сторона якого має бути не менше 250 мм, або кола, діаметр якого має бути не менше 250 мм.

А.2.2 Робочі поверхні плит нагрівача та холодильника мають бути виготовлені з металу. Відхилення від площинності робочих поверхонь має бути не більше 0,025% їхнього максимального лінійного розміру.

А.2.3 Відносна напівсферична випромінювальна здатність робочих поверхонь плит нагрівача і холодильника, що стикаються з зразком, що випробовується, повинна бути більше 0,8 при тих температурах, які ці поверхні мають в процесі випробування.

А.3 Тепломір

А.3.1 Розміри робочих поверхонь тепломіра повинні дорівнювати розмірам робочих поверхонь плит нагрівача та холодильника.

А. 3.2 Відносна напівсферична випромінювальна здатність лицьової грані тепломіра, що стикається з зразком, що випробовується, повинна бути більше 0,8 при тих температурах, які ця грань має в процесі випробування.

А. 3.3 Зона вимірювання тепломіра має бути розташована в центральній частині його лицьової грані. Її площа має становити не менше 10 % і не більше 40 % усієї площі лицьової грані.

А.3.4 Діаметр термопарних проводів, які застосовуються при виготовленні термоелектричної батареї тепломіра, повинен бути не більше 0,2 мм.

А.4 Датчики температури

Число датчиків температури на кожній робочій поверхні плит нагрівача або холодильника і лицьової грані тепломіра, що стикається з зразком, що випробовується, повинно дорівнювати цілій частині числа 10 Ö А і бути не менше двох. Діаметр проводів, які підходять до цих датчиків, повинен бути не більше 0,6 мм.

А.5 Електрична вимірювальна система

Електрична вимірювальна система повинна забезпечувати вимірювання сигналу датчиків різниці температур поверхонь з похибкою не більше 0,5 %, сигналу тепломіра - з похибкою не більше 0,6 % або електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу - з похибкою не більше 0 2%.

Сумарна похибка вимірювання різниці температур поверхонь плит приладу і тепломіра, що стикаються з лицьовими гранями зразка, що випробовується, не повинна бути більше 1 %. Сумарна похибка - сума похибок, що виникають внаслідок спотворення температурного поля біля датчиків температури, зміни характеристик цих датчиків під впливом зовнішніх умов та похибки, що вноситься електричною вимірювальною системою.

А.6 Пристрій для вимірювання товщини випробуваного зразка

Прилад повинен бути оснащений пристроєм, що дозволяє виміряти товщину зразка в процесі випробування штангенциркулем з похибкою не більше 0,5%.

А.7 Каркас приладу

Прилад повинен бути оснащений каркасом, що дозволяє зберігати різну орієнтацію в просторі блоку приладу, що містить зразок.

А.8 Пристрій для фіксації випробуваного зразка

Прилад повинен бути оснащений пристроєм, який або створює постійний заданий тиск на зразок, що поміщається в прилад, або підтримує постійну величину зазору між робочими поверхнями плит приладу.

Максимальний тиск, створюваний цим пристроєм на зразок, що випробовується, повинен бути 2,5 кПа, мінімальний - 0,5 кПа, похибка завдання тиску - не більше 1,5 %.

А.9 Пристрій для зменшення бічних тепловтрат або теплонадходів зразка, що випробовується.

Бічні тепловтрати або теплонадходження в процесі випробування повинні бути обмежені за допомогою ізоляції бічних граней зразка, що випробовується, шаром теплоізоляційного матеріалу, термічний опір якого не менше термічного опору зразка.

А. 10 Кожух приладу

Прилад повинен бути оснащений кожухом, температура повітря в якому підтримується рівною середній температурі зразка.

ДОДАТОК Б

(обов'язкове)

Градуювання приладу, оснащеного тепломіром

Б.1 Загальні вимоги

Градуювання приладу, оснащеного тепломіром, слід проводити за допомогою трьох атестованих в установленому порядку стандартних зразків термічного опору, виготовлених відповідно з оптичного кварцового скла, органічного скла та пінопласту або скловолокна.

Розміри стандартних зразків повинні дорівнювати розмірам зразка, що підлягає випробуванню. У процесі градуювання приладу температура лицьових граней стандартних зразків повинна бути відповідно рівна тим температурам, які в процесі випробування матимуть лицьові грані випробуваного зразка.

Весь діапазон значень термічного опору, які можуть бути виміряні на приладі, слід розділити на два піддіапазони:

нижньою межею першого піддіапазону є мінімальне значення термічного опору, яке може бути виміряне на даному приладі; верхньою межею - значення термічного опору стандартного зразка, виготовленого з органічного скла і має товщину, що дорівнює товщині зразка, що підлягає випробуванню;

нижньою межею другого піддіапазону є верхня межа першого піддіапазону; верхньою межею - максимальне значення термічного опору, яке можна виміряти цьому приладі.

Б.2 Градуювання приладу, зібраного за асиметричною схемою

До початку градуювання слід оцінити чисельне значення термічного опору зразка, що підлягає випробуванню, за відомими довідковими даними і визначити, якому піддіапазону це значення належить. Градуювання тепломіра проводять лише у цьому піддіапазоні.

Якщо термічний опір зразка, що підлягає випробуванню, відноситься до першого піддіапазону, градуювання тепломіра

проводять за допомогою стандартних зразків, виготовлених з оптичного кварцового та органічного скла. Якщо термічний опір зразка відноситься до другого піддіапазон, градуювання проводять за допомогою стандартних зразків, виготовлених з органічного скла і теплоізоляційного матеріалу.

Поміщають у пристрій перший стандартний зразок з меншим термічним опором R S 1 , D T 1 його лицьових граней та вихідний сигнал тепломіра е 1 за методикою, описаною в розділі 7. Потім прилад поміщають другий стандартний зразок з великим термічним опором R S 2 , вимірюють різницю температур D T 2 його лицьових граней та вихідний сигнал тепломіра е 2 за цією ж методикою. За результатами цих вимірювань обчислюють градуювальні коефіцієнти f 1 та f 2 тепломіри за формулами:

Значення градуювального коефіцієнта тепломіра f u ,відповідне значення теплового потоку, що протікає через випробуваний зразок після встановлення стаціонарного теплового потоку, визначають шляхом лінійної інтерполяції за формулою

. (Б.3)

Б.З Градуювання приладу, зібраного за симетричною схемою

Методика визначення градуювального коефіцієнта кожного тепломіра приладу, зібраного за симетричною схемою, аналогічна методиці визначення градуювального коефіцієнта тепломіра, описаної в Б.2.

Б.4 Періодичність градуювання приладу

Градуювання приладу повинно бути проведене протягом 24 годин, що передують випробуванню або наступним за випробуванням.

Якщо згідно з результатами градуювань, що проводяться протягом 3 міс., зміна градуювального коефіцієнта тепломіра не перевищує ± 1 %, цей прилад можна градуювати один раз на 15 днів. У цьому випадку результати випробування можуть бути передані замовнику тільки після проведення градуювання, наступного за випробуванням, і якщо величина градуювального коефіцієнта, визначеного за результатами наступного градуювання, відрізняється від величини коефіцієнта, визначеного за результатами попереднього градуювання, не більше ніж ±1%.

Градуювальний коефіцієнт, що використовується при обчисленні теплофізичних показників зразка, що випробовується, визначають як середньоарифметичне значення двох зазначених величин цього коефіцієнта.

Якщо відмінність величини градуювального коефіцієнта перевищує ± 1 %, результати всіх випробувань, виконаних у проміжку часу між цими двома градуюваннями, вважають недійсними, і випробування мають бути проведені повторно.

ДОДАТОК В

Бібліографія

ISO 7345:1987 Теплоізоляція. Фізичні величини та визначення

ISO 9251:1987 Теплоізоляція. Режими перенесення тепла та властивості матеріалів

ISO 8301:1991 Теплоізоляція. Визначення термічного опору та пов'язаних з ним теплофізичних показників при стаціонарному тепловому режимі. Прилад оснащений тепломіром

ISO 8302:1991 Теплоізоляція. Визначення термічного опору та пов'язаних з ним теплофізичних показників. Прилад із гарячою охоронною зоною

Ключові слова: термічний опір, ефективна теплопровідність, стандартний зразок

Вступ

1 Область застосування

3 Визначення та позначення

4 Загальні положення

5 Засоби вимірювання

6 Підготовка до випробування

7 Проведення випробування

8 Обробка результатів випробування

9 Протокол випробування

10 Похибка визначення ефективної теплопровідності та термічного опору

Додаток А Вимоги до приладів для визначення ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі

Додаток Б Градуювання приладу, оснащеного тепломіром

Додаток В Бібліографія

Відповідно до вимог федерального закону № 261-ФЗ «Про енергозбереження» вимоги до теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів у Росії були посилені. Сьогодні вимірювання теплопровідності є одним із обов'язкових пунктів при прийнятті рішення про використання матеріалу як утеплювач.

Для чого необхідний вимір теплопровідності у будівництві?

Контроль теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів проводиться на всіх стадіях їх сертифікації та виробництва у лабораторних умовах, коли матеріали піддають впливу різних факторів, що впливають на його експлуатаційні властивості. Є кілька поширених методів вимірювання теплопровідності. Для точних лабораторних випробувань матеріалів низької теплопровідності (нижче 0,04 – 0,05 Вт/м*К) рекомендують використовувати прилади, які використовують метод стаціонарного теплового потоку. Їхнє застосування регламентовано ГОСТ 7076.

Компанія «Інтерприлад» пропонує вимірювач теплопровідності, ціна якого вигідно відрізняється від наявних на ринку та відповідає всім сучасним вимогам. Він призначений для лабораторного контролю якості будівельних та теплоізоляційних матеріалів.

Переваги вимірювача теплопровідності ІТС-1

Вимірник теплопровідності ІТС-1 має оригінальне моноблочне виконання та характеризується такими перевагами:

• автоматичний цикл вимірів;
• високоточний вимірювальний тракт, що дозволяє стабілізувати температури холодильника та нагрівача;
• можливість градуювання приладу під окремі види досліджуваних матеріалів, що додатково підвищує точність результатів;
• експрес-оцінка результату у процесі виконання вимірювань;
• оптимізована «гаряча» охоронна зона;
• інформативний графічний дисплей, що спрощує контроль та аналіз результатів вимірів.

ІТС-1 поставляється в єдиній базовій модифікації, яка за бажанням клієнта може бути доповнена контрольними зразками (оргскло та піноплекс), коробом для сипучих матеріалів та захисним кофром для зберігання та транспортування приладу.

Здатність матеріалів та речовин проводити тепло називається теплопровідністю (X,) і виражається кількістю тепла, що проходить через стінку площею 1 м2,Товщиною 1 м за 1 год. при різниці температур на протилежних поверхнях стінки в 1 град. Одиниця виміру теплопровідності - Вт/(м-К) або Вт/(м-°С).

Теплопровідність матеріалів визначають

Де Q- кількість тепла (енергії), Вт; F- площа перерізу матеріалу (зразка), перпендикулярна до напряму теплового потоку, м2; At-різниця температур на протилежних поверхнях зразка, К або °С; б-товщина зразка, м.

Теплопровідність – один із головних показників властивостей теплоізоляційних матеріалів. Цей показник залежить від цілого ряду факторів: загальної пористості матеріалу, розміру та форми пір, виду твердої фази, виду газу, що заповнює пори, температури тощо.

Залежність теплопровідності від цих чинників найбільш універсальному вигляді виражають рівнянням Лееба:

_______ Аs ______ - і

Де Кр - теплопровідність матеріалу; Xs – теплопровідність твердої фази матеріалу; Рс- кількість пір, що перебувають у перерізі, перпендикулярному потоку тепла; Pi-кількість пір, що знаходяться в перерізі, паралельному потоку тепла; б – радіальна постійна; є - випромінюваність; v - геометричний фактор, що впливає. випромінювання всередині пір; Tt- Середня абсолютна температура; d- Середній діаметр пір.

Знання теплопровідності того чи іншого теплоізоляційного матеріалу дозволяє правильно оцінити його теплоізоляційні якості та розрахувати товщину теплоізоляційної конструкції із цього матеріалу за заданими умовами.

Нині існує низка методів визначення теплопровідності матеріалів, заснованих на вимірі стаціонарного та нестаціонарного потоків тепла.

Перша група методів дозволяє проводити вимірювання в широкому діапазоні температур (від 20 до 700 ° С) і отримувати більш точні результати. Недоліком методів вимірювання стаціонарного потоку тепла є тривалість досвіду, що вимірюється годинами.

Друга група методів дозволяє проводити експеримент впротягом декількох хвилин (до 1 ч), зате придатна визначення теплопровідності матеріалів лише за порівняно низьких температурах.

Вимір теплопровідності будівельних матеріалів цим методом проводять, користуючись приладом, зображеним на рис. 22. При цьому за допомогою малоінерційного тепломіра виробляютьвимірювання стаціонарного теплового потоку, що проходить через випробуваний зразок матеріалу.

Прилад складається з плоского електронагрівача 7 та малоінерційного тепломіра 9, встановленого на відстані 2 мм від поверхні холодильника 10, через який безперервно протікає вода із постійною температурою. На поверхнях нагрівача та тепломіра закладені термопари 1,2,4 та 5. Прилад поміщений у металевий кожух 6, заповнений теплоізоляційним матеріалом. Щільне прилягання зразка 8 до тепломіру та нагрівача забезпечується притискним пристроєм 3. Нагрівач, тепломірта холодильник мають форму диска діаметром 250 мм.

Тепловий потік від нагрівача через зразок та малоінерційний тепломір передається холодильнику. Величина теплового потоку, що проходить через центральну частину зразка, вимірюється тепломіром, що є термобатарею на паранітовому диску, аботепло - мірою з елементом, що відтворює, в який вмонтований плоский електричний нагрівач.

Прилад можна вимірювати теплопровідність при температурі на гарячій поверхні зразка від 25 до 700° С.

У комплект приладу входять: терморегулятор типу РО-1, потенціометр типу КП-59, лабораторний автотрансформатор типу РНО-250-2, перемикач термопар МГП, термостат ТС-16, технічний амперметр змінного струму до 5 А і термос.

Зразки матеріалу, що піддаються випробуванню, повинні мати у плані форму кола діаметром 250 мм. Товщина зразків повинна бути не більше 50 та не менше 10 мм. Товщину зразків вимірюють з точністю до 0,1 мм і визначають як середнє арифметичне результатів чотирьох вимірювань. Поверхні зразків повинні бути плоскими та паралельними.

При випробуванні волокнистих, сипких, м'яких і напівжорстких теплоізоляційних матеріалів відібрані зразки поміщають в обойми діаметром 250 мм та висотою 30-40 мм, виготовлені з азбестового картону завтовшки 3-4 мм.

Щільність відібраної проби, що знаходиться під питомим навантаженням, повинна бути рівномірна по всьому об'єму та відповідати середній щільності випробуваного матеріалу.

Зразки перед випробуванням мають бути висушені до постійної маси при температурі 105-110°.

Підготовлений до випробувань зразок укладають на тепломір та притискають нагрівачем. Потім терморегулятор нагрівача приладу встановлюють на задану температуру і включають нагрівач в мережу. Після встановлення стаціонарного режиму, при якому протягом 30 хв показання тепломіра будуть постійними, відзначають термопар показання за шкалою потенціометра.

При застосуванні малоінерційного тепломіра з відтворюючим елементом переводять показання тепломіра на нуль-гальванометр і включають струм через реостат, і міліамперметр компенсацію, домагаючись при цьому положення стрілки нуль-гальванометра на 0, після чого реєструють показання за шкалою приладу в мА.

При вимірюванні кількості тепла малоінерційним тепломіром з елементом, що відтворює, розрахунок теплопровідності матеріалу виробляють за формулою

Де б - товщина зразка, м; T - Температура гарячої поверхні зразка, °С; - температура холодної поверхні зразка, °З; Q- кількість тепла, що проходить через зразок у напрямку, перпендикулярному його поверхні, Вт /м2.

Де R - постійний опір нагрівача тепломіра, Ом; / - Сила струму, A; F- Площа тепломіра, м2.

При вимірюванні кількості тепла (Q) градуйованим малоінерційним тепломіром розрахунок виробляють за формулою Q= AE(Вт/м2), де Е- електрорушійна сила (ЕРС), мВ; А - постійна приладу, вказана в свідоцтві про градуювання на тепломір.

Температуру поверхонь зразка вимірюють з точністю до 0,1 З (за умови стаціонарного стану). Тепловий потік обчислюють з точністю до 1 Вт/м2, а теплопровідність до 0,001 Вт/(м-°С).

Працюючи на даному приладі необхідно проводити його періодичну перевірку шляхом випробування стандартних зразків, які надають науково-дослідні інститути метрології та лабораторії Комітету стандартів, заходів та вимірювальних приладів при Раді Міністрів СРСР.

Після проведення досвіду та отримання даних становлять свідоцтво про випробування матеріалу, в якому мають бути такі дані: найменування та адреса лабораторії, яка проводила випробування; дата проведення випробування; найменування та характеристика матеріалу; середня щільність матеріалу у сухому стані; середня температура зразка під час випробування; теплопровідність матеріалу за цієї температури.

Метод двох пластин дозволяє отримувати більш достовірні результати, ніж розглянуті вище, тому що випробування піддають відразу два зразки-близнюки і, крім того, тепловий потік, що проходить череззразки, має два напрями: через один зразок він йде знизу нагору, а через інший - зверху вниз. Ця обставина значною мірою сприяє усередненню результатів випробування та наближає умови досвіду до реальних умов служби матеріалу.

Принципова схема двопластинчастого приладу визначення теплопровідності матеріалів методом стаціонарного режиму показано на рис. 23.

Прилад складається з центрального нагрівача 1, охоронного нагрівача 2, охолоджувальних дисків 6, які од-

Але тимчасово притискають зразки матеріалу 4 до нагрівачів, ізоляційного засипання 3, термопар 5 та кожуха 7.

У комплект приладу входить наступна регулююча та вимірювальна апаратура. Стабілізатор напруги (СН),автотрансформатори (Т),ватметр (W), Амперметри (А), регулятор температури охоронного нагрівача (Р), перемикач термопар (Я), гальванометр або потенціометр для вимірювання температури (Г)І посудина з льодом (С).

Для забезпечення однакових граничних умов у периметра зразків, що випробовуються, форма нагрівача прийнята дисковою. Діаметр основного (робочого) нагрівача для зручності розрахунку прийнятий рівним 112,5 мм, що відповідає площі 0,01 м2.

Випробування матеріалу на теплопровідність роблять у такий спосіб.

З відібраного для випробування матеріалу виготовляють два зразки-близнюки у вигляді дисків діаметром, що дорівнює діаметру охоронного кільця (250 мм). Товщина зразків повинна бути однаковою і бути в межах від 10 до 50 мм. Поверхні зразків повинні бути плоскими та паралельними, без подряпин та вм'ятин.

Випробування волокнистих і сипких матеріалів роблять у спеціальних обоймах з азбестового картону.

Перед випробуванням зразки висушують до постійної маси та вимірюють їх товщину з точністю до 0,1 мм.

Зразки укладають з двох сторін електронагрівача і притискають до нього охолоджувальними дисками. Потім встановлюють регулятор напруги (латр) у положення, при якому забезпечується задана температура електронагрівача. Включають циркуляцію води в охолоджувальних дисках і після досягнення режиму, що спостерігається по гальванометру, вимірюють температуру біля гарячих і холодних поверхонь зразків, для чого користуються відповідними термопарами і гальванометром або потенціометром. Одночасно вимірюють витрати електроенергії. Після цього вимикають електронагрівач, а через 2-3 години припиняють подачу води в охолоджувальні диски.

Теплопровідність матеріалу, Вт/(м-°С),

Де W- Витрата електроенергії, Вт; б – товщина зразка, м; F- площа однієї поверхні електронагрівача, м2; t - температура біля гарячої поверхні зразка, °С; І2- Температура біля холодної поверхні зразка, °С.

Остаточні результати визначення теплопровідності відносять до середньої температури зразків.
де t - температура біля гарячої поверхні зразка (середня двох зразків), °С; t 2 - температура біля холодної поверхні зразків (середня двох зразків), °С.

Спосіб труби. Для визначення теплопровідності теплоізоляційних виробів з криволінійною поверхнею (шкаралуп, циліндрів, сегментів) застосовують установку, принципова схема якої показана на

Мал. 24. Ця установка є сталевою трубою діаметром 100-150 мм і довжиною не менше 2,5 м. Усередині труби на вогнетривкому матеріалі змонтований нагрівальний елемент, який розділений на три самостійні секції по довжині труби: центральну (робочу), що займає приблизно ]/ з довжини труби, та бічні, що служать для усунення витоку тепла через торці приладу (труби).

Трубу встановлюють на підвісках або на підставках на відстані 1,5-2 м від підлоги, стін та стелі приміщення.

Температуру труби та поверхні випробуваного матеріалу вимірюють термопарами. При проведенні випробування необхідно регулювати потужність електроенергії, що споживається охоронними секціями, для виключення перепаду температури між робочою та охоронними секціями.
ми. Випробування проводять при тепловому режимі, при якому температура на поверхнях труби і ізоляційного матеріалу постійна протягом 30 хв.

Витрата електроенергії робочим нагрівачем можна вимірювати як ватметром, так і окремо вольтметром і амперметром.

Теплопровідність матеріалу, Вт/(м ■ °С),

X -_____ D

Де D - Зовнішній діаметр випробуваного виробу, м; d - Внутрішній діаметр випробуваного матеріалу, м; - температура поверхні труби, °С; t 2 - Температура на зовнішній поверхні випробуваного виробу, ° С; I – довжина робочої секції нагрівача, м.м.

Крім теплопровідності на даному приладі можна заміряти величину теплового потоку теплоізоляційної конструкції, виготовленої з того чи іншого теплоізоляційного матеріалу. Тепловий потік (Вт/м2)

Визначення теплопровідності, що ґрунтується на методах нестаціонарного потоку тепла (методи динамічних вимірювань). Методи, засновані на Вимірювання нестаціонарних потоків тепла (методи динамічних вимірювань), останнім часом все ширше застосовуються для визначення теплофізичних величин. Перевагою цих методів є не лише порівняльна швидкість проведення дослідів, алебільший обсяг інформації, одержуваної за досвід. Тут до інших параметрів контрольованого процесу додається ще один час. Завдяки цьому лише динамічні методи дозволяють отримувати за результатами одного досвіду теплофізичні характеристики матеріалів такі, як теплопровідність, теплоємність, температуропровідність, темп охолодження (нагрівання)

В даний час існує велика кількість методів та приладів для вимірювання динамічних температур та теплових потоків. Однак усі вони вимагають знає
Нія конкретних умов та введення поправок до отриманих результатів, оскільки процеси вимірювання теплових величин відрізняються від вимірювання величин іншої природи (механічних, оптичних, електричних, акустичних та ін) своєю значною інерційністю.

Тому методи, засновані на вимірюванні стаціонарних потоків тепла, відрізняються від методів, що розглядаються, значно більшою ідентичністю між результатами вимірювань і істинними значеннями вимірюваних теплових величин.

Досконалість динамічних методів вимірювань йде за трьома напрямками. По-перше, це розвиток методів аналізу похибок та запровадження поправок у результати вимірювань. По-друге, розробка автоматичних коригувальних пристроїв для компенсації динамічних похибок.

Розглянемо два найпоширеніших у СРСР методи, заснованих на вимірі нестаціонарного потоку тепла.

1. Метод регулярного теплового режиму з бікало – риметром. При застосуванні цього можуть бути використані різні типи конструкції бикалориметров. розглянемо один із них – малогабаритний плоский бікалорі – метр типу МПБ-64-1 (рис. 25), який призначений
для визначення теплопровідності напівжорстких, волокнистих та сипких теплоізоляційних матеріалів при кімнатній температурі.

Прилад МПБ-64-1 являє собою циліндричну форму роз'ємну оболонку (корпус) з внутрішнім діаметром 105 мм, вцентрі якої вбудований сердечник із вмонтованим внього нагрівачем та батареєю диференціальних термопар. Прилад виготовлений із дюралюмінію марки Д16Т.

Термобатарея диференціальних термопар бікало – риметра оснащена мідно-капелевими термопарами, діаметр електродів яких дорівнює 0,2 мм. Кінці витків термобатарей виведені на латунні пелюстки кільця зі склотканини, просоченої клеєм БФ-2, і далі через дроти до вилки. Нагрівальний елемент, виконаний зНіхромового дроту діаметром 0,1 мм, нашитий на просочену клеєм БФ-2 круглу пластинку Склотканини. Кінці дроту нагрівального елемента, як і кінці дроту термобатареї, виведені на латунні пелюстки кільця і ​​далі, через вилку, до джерела живлення. Нагрівальний елемент може живитися від мережі змінного струму напругою 127 Ст.

Прилад герметичний завдяки ущільненню з вакуумної гуми, закладеної між корпусом та кришками, а також сальниковому набивці (пеньково-суриковій) між ручкою, бобишкою та корпусом.

Термопари, нагрівач та їх висновки мають бути добре ізольовані від корпусу.

Розміри випробуваних зразків не повинні перевищувати в діаметрі 104 мм та по товщині-16 мм. На приладі одночасно виробляють випробування двох зразків-близнюків.

Робота приладу ґрунтується на наступному принципі.

Процес охолодження твердого тіла, нагрітого до температури T° та поміщеного в середу з температурою ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от теладоСередовищі («->-00) і при постійній температурі цього середовища (0 = const), ділиться на три стадії.

1. Розподіл температури вТіло носить спочатку випадковий характер, тобто має місце невпорядкований тепловий режим.

2. З часом охолодження стає впорядкованим, тобто настає регулярний режим, при якому
ром зміна температури в кожній точці тіла підпорядковується експоненційному закону:

Q - AUe.-"1

Де © - підвищена температура в якійсь точці тіла; U – деяка функція координат точки; е-основа натуральних логарифмів; т – час від початку охолодження тіла; т – темп охолодження; А - стала приладу, що залежить від початкових умов.

3. Після регулярного режиму охолодження характеризується настанням теплової рівноваги тіла із навколишнім середовищем.

Темп охолодження т після диференціювання виразу

за ту координатах InУ-Твиражається так:

Де А і В - константи приладу; З - Повна теплоємність випробуваного матеріалу, рівна добутку питомої теплоємності матеріалу на його масу, Дж / (кг - ° С); Т - Темп охолодження, 1 / год.

Випробування проводять у такий спосіб. Після розміщення зразків у прилад кришки приладу щільно притискають до корпусу за допомогою гайки з накаткою. Прилад опускають у термостат з мішалкою, наприклад термостат ТС-16, заповнений водою кімнатної температури, потім приєднують термобатарею диференціальних термопар до гальванометра. Прилад витримують у термостаті до вирівнювання температур зовнішньої та внутрішньої поверхонь зразків випробуваного матеріалу, що фіксується показанням гальванометра. Після цього включають нагрівач сердечника. Серце нагрівають до температури, що перевищує на 30-40° температуру води в термостаті, а потім вимикають нагрівач. Коли стрілка гальванометра повернеться у межі шкали, виконують запис спадних у часі показань гальванометра. Усього записують 8-10 крапок.

У системі координат 1п0-т будують графік, який повинен мати вигляд прямої лінії, що перетинає в деяких точках осі абсцис та ординат. Потім розраховують тангенс кута нахилу отриманої прямої, який виражає величину темпу охолодження матеріалу:

__ In 6t - In O2 __ 6 02

ТІЬ- - j

T2 - Tj 12 - "El

Де Bi і 02 – відповідні ординати для часу Ті та Т2.

Досвід повторюють знову і вкотре визначають темп охолодження. Якщо розбіжність у значеннях темпу охолодження, обчисленого при першому та другому дослідах, менше 5%, то обмежуються цими двома дослідами. Середнє значення темпу охолодження визначають за результатами двох дослідів та обчислюють величину теплопровідності матеріалу, Вт/(м*°С)

Х = (А + ЯСУР)/і.

приклад. Випробуваний матеріал - мінераловатний мат на фенольному сполучному із середньою щільністю в сухому стані 80 кг/м3.

1. Обчислюємо величину навішування матеріалу, що міститься в прилад,

Де Рп - навішування матеріалу, що міститься в одну циліндричну ємність приладу, кг; Vn - Об'єм однієї циліндричної ємності приладу, рівний 140 см3; РСР - середня щільність матеріалу, г/см3.

2. Визначаємотвір BCYP , де У - Константа приладу, що дорівнює 0,324; З - питома теплоємність матеріалу, що дорівнює 0,8237 кДж/(кг-К). Тоді ВСУР = =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.

3. Результати спостережень заохолодженням зразків у приладі у часі заносимо до табл. 2.

Розбіжності у значеннях темпу охолодження т і т2 менше 5%, тому повторні досліди можна не робити.

4. Обчислюємо середній темп охолодження

Т = (2,41 + 2,104) / 2 = 2,072.

Знаючи всі необхідні величини, підраховуємо теплопровідність

(0,0169 +0,00598) 2,072 = 0,047 Вт / (м-К)

Або Вт/(м-°С).

При цьому середня температура зразків становила 303 або 30° С. У формулі 0,0169 -Л (константа приладу) .

2. Зондовий метод.Існує кілька різновидів зондового методу визначення теплопроводу
ності теплоізоляційних матеріалів, що відрізняються один від одного застосовуваними приладами та принципами нагрівання зонда. Розглянемо один із цих методів - метод циліндричного зонда без електронагрівача.

Цей метод ось у чому. Металевий стрижень діаметром 5-6 мм (мал. 26) і довжиною близько 100 мм вводять у товщу гарячого теплоізоляційного матеріалу та за допомогою вмонтованого всередині стрижня

Термопари визначають температуру. Визначення температури виробляють у два прийоми: на початку досвіду (у момент нагрівання зонда) та в кінці, коли настає рівноважний стан та підвищення температури зонда припиняється. Час між цими двома відліками вимірюють за допомогою секундоміра. ч Теплопровідність матеріалу, Вт/(м °С), , R2CV

Де R- Радіус стрижня, м; З- Питома теплоємність матеріалу, з якого виготовлений стрижень, кДж/(кгХ ХК); V-обсяг стрижня, м3; т - проміжок часу між відліками температури, год; tx і U - значення температур у момент першого та другого відліків, До або °С.

Цей спосіб дуже простий і дозволяє швидко визначити теплопровідність матеріалу як у лабораторних, так і у виробничих умовах. Проте він придатний лише грубої оцінки цього показника.

2

1 Державна бюджетна освітня установа вищої професійної освіти Московської області «Міжнародний університет природи, суспільства та людини «Дубна» (Університет «Дубна»)

2 ЗАТ «Міжрегіональне виробниче об'єднання технічного комплектування «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» (ЗАТ «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ»)

Розроблено метод вимірювання теплопровідності полікристалічних алмазних пластин. Метод включає нанесення з протилежних сторін пластини двох тонкоплівкових термометрів опору, виконаних за мостовою схемою. З одного боку, у місці розташування одного з термометрів опору пластина нагрівається за допомогою контакту з гарячим мідним стрижнем. З протилежного боку (у місці розташування іншого термометра опору) проводиться охолодження пластини за допомогою контакту з мідним стрижнем, що охолоджується водою. Тепловий потік, що протікає через пластину, вимірюється за допомогою термопар, встановлених на гарячому мідному стрижні, та регулюється автоматичним пристроєм. Тонкоплівкові термометри опору, нанесені методом вакуумної депозиції, мають товщину 50 нанометрів і становлять практично одне з поверхнею пластини. Тому температури, що вимірюються, точно відповідають температурам на протилежних поверхнях пластини. Висока чутливість тонкоплівкових термометрів опору забезпечується завдяки підвищеному опору їх резисторів, що дозволяє використовувати напругу живлення моста не менше 20 В.

теплопровідність

полікристалічні алмазні пластини

тонкоплівковий мостовий датчик температури

1. Бітюков В.К., Петров В.А., Терьошин В.В. Методологія визначення коефіцієнта теплопровідності напівпрозорих матеріалів// Міжнародна теплофізична школа, Тамбов, 2004. - C. 3-9.

2. Духновський М.П., ​​Ратнікова А.К. Спосіб визначення теплофізичних характеристик матеріалу та пристрій для його здійснення//Патент РФ № 2319950 МПК G01N25/00 (2006).

3. Ковпаков А., Карташев Е. Контроль теплових режимів силових модулів. //Компоненти та технології. - 2010. - №4. - С. 83-86.

4. Визначення теплопровідності алмазних полікристалічних плівок з допомогою фотоакустичного ефекту // ЖТФ, 1999. – Т. 69. – Вип. 4. - С. 97-101.

5. Установка для вимірювання теплопровідності порошкових матеріалів // Тези доповідей, представлених на Третю міжнародну конференцію та Третю міжнародну Школу молодих учених та спеціалістів «Взаємодія ізотопів водню з конструкційними матеріалами» (INISM-07). - Саров, 2007. - С. 311-312.

6. Царькова О.Г. Оптичні та теплофізичні властивості металів, керамік та алмазних плівок при високотемпературному лазерному нагріванні // Праці Інституту загальної фізики ім. А.М.Прохорова, 2004. - Т. 60. - C. 30-82.

7. Minituarized thin film temperature sensor for wide range of measurement // Proc. з 2nd IEEE International workshop on advances in sensors and interfaces, IWASI. - 2007. - P.120-124.

Сучасні компоненти електроніки, особливо силовий електроніки, виділяють значну кількість тепла. Для забезпечення надійної роботи цих компонентів в даний час створюються пристрої теплотводу, в яких використовуються пластини з синтетичних алмазів, що мають надвисоку теплопровідність. Точне вимірювання коефіцієнта теплопровідності цих матеріалів має значення для створення сучасних пристроїв силової електроніки.

Для вимірювання з прийнятною точністю величини теплопровідності в основному напрямку тепловідведення (перпендикулярно товщині пластини) необхідно створити на поверхні зразка тепловий потік з поверхневою щільністю не менше 20 внаслідок дуже великої теплопровідності полікристалічних алмазних пластин-тепловідводів. Описані в літературі методи з використанням лазерних установок (див. ) забезпечують недостатню поверхневу щільність теплового потоку 3,2 і, крім того, викликають небажаний розігрів вимірюваного зразка. Методи вимірювання теплопровідності, що використовують імпульсне нагрівання зразка сфокусованим променем, і методи, що використовують фотоакустичний ефект, не є прямими методами, і тому не можуть забезпечити необхідний рівень достовірності та точності вимірювань, а також вимагають складної апаратури та громіздких обчислень. Метод вимірювань, описаний у роботі, основою якого покладено принцип плоских теплових хвиль, придатний лише матеріалів із порівняно невисокою теплопровідністю. Метод стаціонарної теплопровідності може бути застосований тільки для вимірювання теплопровідності в напрямку вздовж пластини, а цей напрямок не є основним напрямком тепловідведення і не представляє наукового інтересу.

Опис вибраного методу вимірювань

Необхідну поверхневу щільність стаціонарного теплового потоку можна забезпечити за допомогою контакту гарячого мідного стрижня з одного боку алмазної пластини та контакту з холодним мідним стрижнем з протилежного боку алмазної пластини. Вимірюваний перепад температур може бути при цьому невеликим, наприклад, лише 2 °С. Тому необхідно досить точно вимірювати температуру з обох боків пластини у місцях контакту. Це можна зробити за допомогою мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору, які можуть бути виготовлені методом вакуумної депозиції бруківки вимірювальної схеми термометра на поверхню пластини. У роботі описано наш попередній досвід у конструюванні та виготовленні мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору високої точності, який підтверджує можливість та корисність застосування цієї технології у цьому випадку. Тонкоплівкові термометри мають дуже малу товщину 50-80 нм, і тому їх температура не відрізняється від температури поверхні пластини, на яку вони нанесені. Гарячий мідний стрижень нагрівається за допомогою електроізольованого ніхромового дроту, обмотаного навколо цього стрижня на значній довжині, щоб забезпечити підведення необхідної теплової потужності. Теплопровідність мідного стрижня забезпечує передачу в осьовому напрямку стрижня теплового потоку з щільністю щонайменше 20 . Вимірювання величини цього теплового потоку здійснюється за допомогою двох тонких хромель-алюмелевих термопар, розташованих на заданій відстані один від одного у двох перерізах по осі стрижня. Відведення потоку тепла, що проходить через пластину, здійснюється за допомогою мідного стрижня, що охолоджується водою. Для зниження теплових опорів у місцях контакту мідних стрижнів із пластиною застосовується силіконове мастило типу DowCorningTC-5022. Теплові контактні опори не впливають на величину теплового потоку, що вимірювається, вони викликають незначне підвищення температури пластини і нагрівача. Таким чином, теплопровідність пластини в основному напрямку тепловідведення визначається прямими вимірами величини теплового потоку, що походить через пластину і перепаду величин температур на її поверхнях. Для цих вимірювань може бути використаний зразок пластини розмірами приблизно 8х8мм.

Слід зазначити, що тонкоплівкові термометри опору можуть бути використані надалі для моніторингу функціонування виробів силової електроніки, що містять алмазні тепловідвідні пластини. У літературі також наголошується на важливості вбудованого контролю теплового стану силових модулів.

Опис конструкції стенда, його основних елементів та приладів

Тонкоплівкові мостові датчики температури

Для високоточного вимірювання температури на поверхню пластини з штучного полікристалічного алмазу методом магнетронного напилення наноситься мостова схема термометра опору. У цій схемі два резистори виготовляються з платини або з титану, а два інших виготовляються з ніхрому. При кімнатній температурі опору всіх чотирьох резисторів однакові та рівні. Розглянемо випадок, коли два резистори виготовляються із платини. При зміні температури на опір резисторів зростає:

Суми опорів: . Опір моста дорівнює. Величина сигналу на вимірювальній діагоналі моста дорівнює: U m= I 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- I 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

При малій зміні температури на кілька градусів можна прийняти припущення, що сумарний опір моста дорівнює R0, струм через плече моста дорівнює 0,5.U0/R0, де U0-напруга живлення моста. При цих припущеннях отримаємо величину вимірювального сигналу, що дорівнює:

U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.

Припустимо, що величина Δ T= 2? Cтоді при напрузі живлення 20 В ми отримаємо величину вимірювального сигналу рівною U m=70 мВ. Зважаючи на те, що похибка вимірювальних приладів буде не більше 70 мкВ, ми отримаємо, що теплопровідність пластини може бути виміряна з похибкою не гірше 0,1%.

Для тензо- і терморезисторів зазвичай приймається величина потужності, що розсіюється, не більше 200 мВт. При напрузі живлення 20 це означає, що опір моста має бути не менше 2000 Ом. З технологічних причин терморезистор складається з n ниток шириною 30 мкм, розташованих з відривом 30 мікрон друг від друга. Товщина нитки резистора 50 нм. Довжина нитки резистора 1,5 мм. Тоді опір однієї нитки із платини дорівнює 106 Ом. 20 платинових ниток складуть резистор із опором 2120 Ом. Ширина резистора становитиме 1,2 мм. Опір однієї нитки з ніхрому дорівнює 1060 Ом. Отже, резистор з ніхрому матиме 2 нитки і ширину 0,12 мм. У тому випадку, коли два резистори R 0 , R 3 виготовляються з титану, чутливість датчика знизиться на 12%, проте замість 20 платинових ниток резистор можна буде виконати з 4-х титанових ниток.

На малюнку 1 представлена ​​схема тонкопленочного мостового датчика температури.

Рис.1. Тонкоплівковий мостовий датчик температури

Зразок пластини має розмір 8х8 мм і товщину 0,25 мм. Розміри відповідають тому випадку, коли використовуються платинові резистори, а резистори з ніхрому. З'єднання 2 резисторів між собою (заштриховані), контактні майданчики 3,4,5,6 шин живлення та вимірювання виконані мідно-нікелевими провідниками. Коло контакту з мідними стрижнями нагрівача 7, з одного боку, охолоджувача, з іншого боку має діаметр 5мм. Зображена малюнку 1 електрична схема термометра опору наноситься з обох сторін зразка-пластини. Для електроізоляції поверхня кожного термометра опору покривається тонкою плівкою двоокису кремнію або окису кремнію за допомогою вакуумної депозиції.

Пристрої нагріву та охолодження

Для створення стаціонарного перепаду температури між двома поверхнями алмазної пластини використовуються нагрівач та охолоджувач (рисунок 2).

Мал. 2. Схема стенду:

1 - корпус, 2 - корпус охолодження, 3 - алмазна пластина, 4 - стрижень нагрівача, 5 - ніхромовий дріт, 6 - склянка, 7 - теплоізоляція, 8 - гвинт мікрометричний, 9 - кришка корпусу, 10 - пружина тарілчаста, 11, 12 - термопари, 13 - сталева кулька,

14 - опорна пластина; 15 - гвинт.

Нагрівач складається з електроізольованого ніхромового дроту 5, який намотаний на мідний стрижень нагрівача 4. З зовнішнього боку нагрівач закритий мідною трубкою 6, оточеної теплоізоляцією 7. У нижній частині мідний стрижень 4має діаметр 5мм і торець стрижня 4контактує з поверхнею. З протилежного боку алмазна пластина контактує з верхньою циліндричною частиною мідного корпусу 2, що охолоджується водою (корпус охолодження). 11,12-хромель-алюмелеві термопари.

Позначимо температуру, що вимірюється термопарою 11, - температуру, що вимірюється термопарою 12, - температуру на поверхні пластини 3 з боку нагрівача, - температуру на поверхні пластини 3 з боку охолоджувача і - температуру води. В описаному пристрої мають місце теплообмінні процеси, що характеризуються такими рівняннями:

(1)

( (2)

) (4)

де: - Електрична потужність нагрівача,

Коефіцієнт корисної дії нагрівача,

Теплопровідність міді,

l-довжина контактного стрижня,

d- діаметр контактного стрижня,

Очікувана теплопровідність пластини 3,

t-товщина пластини,

Коефіцієнт відведення тепла для швидкості води,

Площа поверхні охолодження,

Об'ємна теплоємність води,

D-діаметр водопровідної трубки в корпусі охолодження,

Зміна температури води.

Допустимо, що перепад температур на пластині дорівнює 2°C. Тоді через пластину проходить тепловий потік 20. При діаметрі мідного стрижня рівному 5мм тепловому потоку відповідає потужність 392,4Вт. Приймаючи коефіцієнт корисної дії нагрівача рівним 0,5 отримаємо електричну потужність нагрівача 684,8 Вт. З рівнянь (3,4) випливає, що вода майже не змінює свою температуру, а температура на поверхні алмазної пластини 3 дорівнюватиме З рівнянь (1,2) отримаємо (при довжині контактного мідного стрижня дорівнює 2мм, і що температура, що вимірюється термопарою 11 дорівнює = 248 ºC.

Для нагрівання мідного стрижня 4використовується ніхромовий дріт5, в ізоляції. Кінці проводів нагрівача виходять через проточку в деталі 4.Провода нагрівача через більш товсті мідні проводи приєднуються до підсилювача симістора електричної потужності PR1500, який управляється регулятором ТРМ148. Програма регулятора задається за величиною температури вимірюваної термопарою 11, яка використовується як зворотний зв'язок для регулятора.

Пристрій охолодження зразка складається з мідного корпусу 2, що має у верхній частині контактний циліндр діаметром 5мм. Корпус 2 охолоджується водою.

Нагрівальний пристрій встановлюється на тарілчасту пружину 10 і пов'язано з головкою точного гвинта 8 за допомогою кульки 13, який розташований в поглибленні деталі 4.Пружина 10 дозволяє регулювати напруги в контакті стрижня 4 зі зразком 3. Це досягається обертанням верхньої головки точного гвинта 8. Певному переміщенню гвинта відповідає відоме зусилля пружини 10. Виконуючи початкове градуювання зусиль пружини без зразка при контакті стрижня 4 з корпусом 2, ми можемо досягти хорошого механічного контакту поверхонь при допустимих напругах. У разі необхідності точного вимірювання контактної напруги конструкцію стенда можна доопрацювати, з'єднавши корпус 2 тарованими пластинчастими пружинами з нижньою частиною корпусу стенда 1.

Термопари 11 і 12 встановлюються, як показано на малюнку 2 у вузькі пропили в головці стрижня 4. Термопарний дріт хромель і алюмель діаметром 50 мкм зварюється між собою і для електроізоляції покривається епоксидним клеєм, потім встановлюється у пропил і закріплюється клеєм. Можна також зачеканити кінець кожного виду термопарного дроту поблизу один одного без утворення спаю. На відстані 10 см до тонких термопарних дротів потрібно підпаяти більш товсті (0,5 мм) однойменні дроти, які будуть приєднані до регулятора та мультиметра.

Висновок

За допомогою методу та засобів вимірювань, описаних у цій роботі, можна з високою точністю проводити вимірювання коефіцієнта теплопровідності пластин із синтетичних алмазів.

Розробка методу вимірювання теплопровідності проводиться в рамках роботи «Розробка перспективних технологій та конструкцій виробів інтелектуальної силової електроніки для застосування в апаратурі побутового та промислового призначення, на транспорті, паливно-енергетичному комплексі та спеціальних системах (силовий модуль з полікристалічним алмазним тепловідведенням)» при фінансовій підтримці Міністерства освіти і науки Російської Федерації у рамках державного контракту № 14.429.12.0001 від 05 березня 2014 р.

Рецензенти:

Акішин П.Г., д.ф-м.н., старший науковий співробітник (доцент), заступник начальника відділу, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна;

Іванов В.В., д.ф-м.н., старший науковий співробітник (доцент), головний науковий співробітник, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна.

Бібліографічне посилання

Міодушевський П.В., Бакмаєв С.М., Тінгаєв Н.В. ТОЧНИЙ ВИМІР СВЕРХВИСОКОГО КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ МАТЕРІАЛУ НА ТОНКИХ ПЛАСТИНАХ // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2014. - № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Теплопровідність – найважливіша теплофізична характеристика матеріалів. Її необхідно враховувати при конструюванні нагрівальних пристроїв, виборі товщини захисних покриттів, обліку теплових втрат. Якщо під рукою чи немає відповідного довідника, а склад матеріалу точно не відомий, його теплопровідність необхідно обчислити або виміряти експериментально.

Складові теплопровідності матеріалів

Теплопровідність характеризує процес теплоперенесення в однорідному тілі з габаритними розмірами. Тому вихідними параметрами для вимірювання є:

1. Площа у напрямі, перпендикулярному напрямку теплового потоку.
2. Час, протягом якого відбувається перенесення теплової енергії.
3. Температурний перепад між окремими, найвіддаленішими один від одного частинами деталі або досліджуваного зразка.
4. Потужність теплового джерела.

Для дотримання максимальної точності результатів потрібно створити стаціонарні умови теплопередачі, що встановилися в часі. У цьому випадку фактор часу можна знехтувати.

Визначити теплопровідність можна двома способами - абсолютним та відносним.

Абсолютний метод оцінки теплопровідності

В даному випадку визначається безпосереднє значення теплового потоку, що прямує на досліджуваний зразок. Найчастіше зразок приймається стрижневим або пластинчастим, хоча в деяких випадках (наприклад, при визначенні теплопровідності коаксіально розміщених елементів) він може мати вигляд порожнистого циліндра. Недолік пластинчастих зразків - необхідність суворої плоскопаралельності протилежних поверхонь.

Тому для металів, що характеризуються високою теплопровідністю, найчастіше приймають зразок у формі стрижня.

Суть вимірів ось у чому. На протилежних поверхнях підтримуються постійні температури, що виникають від джерела тепла, розташованого строго перпендикулярно до однієї з поверхонь зразка.

У цьому випадку потрібний параметр теплопровідності λ складе
λ=(Q*d)/F(T2-T1), Вт/м∙К, де:
Q – потужність теплового потоку;
d - Товщина зразка;
F - площа зразка, на яку впливає тепловий потік;
Т1 та Т2 – температури на поверхнях зразка.

Оскільки потужність теплового потоку для електронагрівачів може бути виражена через їх потужність UI, а для вимірювання температури можуть бути використані підключені до зразка термодатчики, обчислити показник теплопровідності λ не складе особливих труднощів.

Для того, щоб виключити непродуктивні втрати тепла, і підвищити точність методу, вузол зразка і нагрівача слід помістити в ефективний об'єм, що теплоізолює, наприклад, в посудину Дьюара.

Відносний метод визначення теплопровідності

Виключити з розгляду фактор потужності теплового потоку можна, якщо використати один із способів порівняльної оцінки. З цією метою між стрижнем, теплопровідність якого потрібно визначити, і джерелом тепла поміщають еталонний зразок, теплопровідність матеріалу якого 3 відома. Для виключення похибок виміру зразки щільно притискаються один до одного. Протилежний кінець вимірюваного зразка занурюється в ванну, що охолоджує, після чого до обох стрижнів підключаються по дві термопари.

Теплопровідність обчислюється з виразу
λ=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), де:
d - відстань між термопарами в досліджуваному зразку;
d 3 - відстань між термопарами у зразку-еталоні;
T1 3 і T2 3 - показання термопар, встановлених у зразку-еталоні;
Т1 і Т2 - показання термопар, встановлених у досліджуваному зразку.

Теплопровідність можна визначити і за відомою електропровідністю γ матеріалу зразка. Для цього як випробуваний зразок приймають провідник з дроту, на кінцях якого будь-яким способом підтримується постійна температура. Через провідник пропускається постійний електричний струм силою I, причому клемний контакт має наближатися до ідеального.

Після досягнення стаціонарного теплового стану температурний максимум T max буде розташовуватися посередині зразка, з мінімальними значеннями Т1 і Т2 на його торцях. Вимірявши різницю потенціалів U між крайніми точками зразка, значення теплопровідності можна встановити із залежності

Точність оцінки теплопровідності зростає із зростанням довжини випробуваного зразка, а також зі збільшенням сили струму, що пропускається через нього.

Відносні методи вимірювання теплопровідності точніше абсолютних і зручніші в практичному застосуванні, проте вимагають суттєвих витрат часу на виконання вимірів. Це з тривалістю встановлення стаціонарного теплового стану у зразку, теплопровідність якого визначається.