孔葉軍 陳 亮

(寧波市計(jì)量測(cè)試研究院，寧波 315048)

0 引言

近年來隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，絕熱材料廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)。材料的導(dǎo)熱系數(shù)是其熱物性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，由于近年來對(duì)建筑材料等絕熱性能要求越來越高，因而產(chǎn)生了很多對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的原理和方法，目前主要有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。本文主要討論用穩(wěn)態(tài)法來校準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀。

1 導(dǎo)熱系數(shù)儀原理和特點(diǎn)

導(dǎo)熱系數(shù)儀是一種基于傅立葉導(dǎo)熱定律而進(jìn)行材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的儀器，在導(dǎo)熱過程中，單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量，與該截面的面積和垂直于該截面方向的溫度梯度成正比。防護(hù)熱板法平板導(dǎo)熱儀的核心結(jié)構(gòu)包括熱板、防護(hù)板、冷板，如圖1所示。測(cè)量時(shí)，把被測(cè)試樣放在熱板與冷板之間，熱量便由熱板通過被測(cè)試樣向冷板傳遞，防護(hù)板的作用是防止熱板熱量向邊沿?cái)U(kuò)散，保證熱板熱量垂直向冷板傳遞，以減少熱板加熱功率的損失。

圖1 防護(hù)熱板導(dǎo)熱儀核心結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)熱板溫度為T2，冷板溫度為T1，熱板加熱功率為Q，被測(cè)試樣厚度為H,面積為S，導(dǎo)熱系數(shù)為l。

由傅里葉導(dǎo)熱定律可知:單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量W與該界面的面積S和垂直于該界面的溫度梯度dT/dH成為正比，其數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

2 校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

通過以上原理可以得知，穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的困難主要在于相關(guān)參量的準(zhǔn)確獲得。由于導(dǎo)熱系數(shù)是標(biāo)志一個(gè)過程(傳熱)的性質(zhì)的熱物性參數(shù)．因此不可能通過直接靜態(tài)對(duì)比而得出?？梢詫⑼瑯映叽缫?guī)格的標(biāo)準(zhǔn)樣品(導(dǎo)熱系數(shù)已知)放在導(dǎo)熱系數(shù)儀中，在某一外部條件下，經(jīng)歷一個(gè)傳熱過程，另外再通過測(cè)量冷熱板的表面溫度，就可根據(jù)測(cè)量結(jié)果的比較而得到被測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)儀的測(cè)量準(zhǔn)確度。

2.1 校準(zhǔn)條件

2.1.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度與相對(duì)濕度應(yīng)符合以下條件：環(huán)境溫度10～30℃；相對(duì)濕度≤60%。

2.1.2 校準(zhǔn)設(shè)備

1)導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板 2 塊，使用溫度范圍能覆蓋所校準(zhǔn)的導(dǎo)熱系數(shù)儀工作溫度范圍，有證明其溯源性的標(biāo)準(zhǔn)樣品證書。

2)精密表面溫度計(jì)，測(cè)量范圍-50～200℃，其修正值的不確定度應(yīng)小于被校導(dǎo)熱系數(shù)儀最大溫差的 1%。

3)游標(biāo)卡尺測(cè)量范圍0～100mm，分度值 0.02mm。

4)刀口尺：工作棱邊長(zhǎng) 300mm。

5)塞尺：厚度0.02～0.05mm 的，B型。

2.2 基本示值誤差的校準(zhǔn)方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)板預(yù)處理

將導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板預(yù)熱至要測(cè)試的平均溫度，在一定工作壓力下用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板的厚度d，得到不同溫度和壓力下的標(biāo)準(zhǔn)板的厚度數(shù)據(jù)表。 校準(zhǔn)前先將導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板置于105℃±5℃的烘箱中烘干24h，烘干取出后放置在密封防潮袋中。

2.2.2 工作面平面度

將刀口尺放置在導(dǎo)熱系數(shù)儀各計(jì)量面板和冷卻面上，把塞尺塞入刀口尺和工作面之間的間隙，則塞尺剛剛?cè)霑r(shí)的尺寸即為該工作面的平面度，取其最大值作為被檢導(dǎo)熱系數(shù)儀的工作面平面度。

2.2.3 示值誤差校準(zhǔn)

導(dǎo)熱系數(shù)儀接入穩(wěn)壓電源，開啟電源預(yù)熱。根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)儀的結(jié)構(gòu)，將相應(yīng)數(shù)量的導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板分別放入導(dǎo)熱系數(shù)儀的測(cè)試腔中。分別將5支精密溫度計(jì)放入標(biāo)準(zhǔn)板和冷卻單元面板、計(jì)量單元面板之間，溫度計(jì)的測(cè)量端分別放置在冷板和熱板的幾何中心點(diǎn)和距標(biāo)準(zhǔn)板邊緣 30mm的四個(gè)點(diǎn)。

啟動(dòng)相關(guān)測(cè)量軟件，輸入標(biāo)準(zhǔn)板的厚度d等參數(shù)，設(shè)置冷板和熱板的溫度，使其溫差為20℃，試件平均溫度為298K，開始進(jìn)行測(cè)量。待該儀器穩(wěn)定30min后，分別讀取精密溫度計(jì)上的示值，10min后再讀取一次示值，并計(jì)算兩次讀數(shù)的平均值。測(cè)量結(jié)束后，讀取導(dǎo)熱系數(shù)儀的試件平均導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量值l。 待測(cè)量結(jié)束后，等儀器恢復(fù)到常溫，取出導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板，關(guān)閉電源。導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板的平均溫度按下式計(jì)算：

(1)

式中：Tm為導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板的平均溫度，K；t0Q為標(biāo)準(zhǔn)板冷面中心點(diǎn)測(cè)得溫度值，℃；t0P為標(biāo)準(zhǔn)板熱面中心點(diǎn)測(cè)得溫度值，℃；Δt0Q為放置于標(biāo)準(zhǔn)板冷面中心點(diǎn)溫度計(jì)修正值，℃；Δt0P為放置于標(biāo)準(zhǔn)板熱面中心點(diǎn)溫度計(jì)修正值，℃。

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板證書上的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式，可以得到標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)值l0，如果是雙試件導(dǎo)熱系數(shù)儀，則l0為兩塊標(biāo)準(zhǔn)板得到的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)值的平均值。

導(dǎo)熱系數(shù)儀的示值誤差用以下公式計(jì)算：

δ=l-l0

(2)

式中：l為導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)得的試件平均導(dǎo)熱系數(shù)示值，W/(mK)；l0為參考標(biāo)準(zhǔn)得到的試件平均導(dǎo)熱系數(shù)值，W/(mK)。

3 不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀示值誤差的計(jì)算公式為式(2)。

按照試件平均溫度298K，溫差 20℃為例進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果不確定度分析。

3.2 方差與靈敏度系數(shù)

式中l(wèi)，l0相互獨(dú)立，因而得：

3.3 不確定度來源及分析

3.3.1 由輸入量l引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l)

由輸入量l引入 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)量的重復(fù)性。對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板作10次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，10次讀數(shù)分別為:0.03352,0.03336,0.03354,0.03368,0.03342,0.03353,0.03360,0.03347,0.03349,0.03365W/(mK)。取其中一次讀數(shù)作為測(cè)量結(jié)果，得到其重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.3.2 由標(biāo)準(zhǔn)量l0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(l0)

由標(biāo)準(zhǔn)量l0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源于導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板證書上導(dǎo)熱系數(shù)公式和冷面溫度及計(jì)量面溫度的測(cè)量。計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)值l0為0.03315W/(mK)。

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)板證書可以得到導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式的不確定度在298K時(shí)為8×10-4W/(mK)(k=2)，則得到由其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u(l0)=4×10-4W/(mK)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.4 擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則：

U=kuc=9×10-4W/(mK)

4 結(jié)束語

通過溫度基本示值誤差和導(dǎo)熱系數(shù)基本示值誤差的校準(zhǔn)，可以提高導(dǎo)熱系數(shù)儀的綜合測(cè)量準(zhǔn)確度。

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