Как снизить ошибку в местах контакта зонда с исследуемым материалом при измерении теплофизических свойств

Прибор для определения теплофизических параметров материалов KD2 Pro измеряет теплопроводность, удельного теплового сопротивления и температуропроводность (термодиффузия) образца с помощью линейного нагреваемого зонда с одним щупом. Зонд имеет нагреватель и температурный датчик, контролирующего температуру при подаче тепла к зонду. Теплофизические свойства материала определяются при помощи модели теплового распространения тепла, называемого линейный источник нагрева. Данная информация хорошо представлена в стандарте ASTM D5334-08.

Данная модель распространения тепла подразумевает хороший контакт между зондом и исследуемым материалом. Соответственно, жидкости имеют наилучший контакт с зондом. Измерение теплофизических свойств таких веществ, а также гранул, находящихся в большом объеме жидкости, дают хорошие результаты. В сухом гранулированном образце, в особенности для образцов с гранулами больших размеров, даже минутный контакт между зондом и материалом приводит к росту контактного сопротивления точке соприкосновения, что ведет к падению отвода тепла от зонда. Контактное сопротивление не учитывается в модели линейного источника тепла, и поэтому может приводить к ошибкам при измерении теплофизических параметров материалов. Поэтому необходимо добиться снижения данной ошибки при измерении теплофизических параметров с помощью использования термопасты, как рекомендуется в стандарте ASTM D5334-08.

Действительное термическое сопротивление материалов было определено с помощью измерения теплового потока и температурной разницы в тепловой ячейке с постоянной подачей тепла. Установка состоит из теплового нагревателя длиной 25 см (1 см в диаметре), и медной трубки с внутренним диаметром 3 см. нагреватель был сделан путем намотки на графитовый стержень изолированной меди длинной 14,6 м. Хромель-константановая термопара была подсоединена одним концом к середине термопары, другим концом к медной трубке. Пространство между нагревателем и медной трубкой было заполнено тестируемым материалом. Объемная плотность данного материала определялась как деление общей массы материала на объем между нагревателем и медной трубкой.
По достижении стального состояния, измерялись поступающее тепло и температурная разница. Теплопроводность рассчитывалась как:

где Q (Ватты) – поступающее от нагревателя тепло, l – длина нагревателя (метр), r1 – радиус нагревателя, r2 – внутренний радиус трубки, ΔT – разница температур между нагревателем и трубкой. Тестирования были проведены не менее трех часов. Все данные записывались, чтобы быть уверенными в стабильном постоянном состоянии системы. Результаты измерений приведены в Таблице 1.
Стандарт ASTM D5334-08 предполагает использование термопаст с теплопроводностью выше 4 Вт/(м*К), чтобы снизить ошибку при контактном сопротивлении. Компанией Decagon Devices, Inc. при проведении исследований были использованы два типа термопаст: Thermalloy и Arctic Silver.
Измерения были проведены с помощью прибора KD2 Pro с применением и без применения термопасты. В тех исследованиях, где применялась термопаста, она была нанесена на зонд щупа тонким слоем по всей длине. Измерения теплопроводности проводилось в течение двух дней. В некоторых измерениях зонд помещался в контейнер с тестируемым образцом после чего зонд засыпался дополнительным материалом сверху. В других случаях зонд просто устанавливался в тестируемый образец. Образцы, на которых проводили тестирования – кварцевый песок ,а также стеклянные шарики четырех размеров.

Данные об исследуемых материалах и результаты измерений

Результаты исследований

По сравнению с данными, полученными в тепловой ячейке, значения удельного теплового сопротивления, полученные с помощью прибора KD2 Pro, усиливались с увеличением содержания жидких компонентов (термопасты), а также при снижении размеров тестируемых частиц. Результаты, получаемые на образцах без термопасты, показывали большое значение ошибки. В случае использования на данных материалах термопасты, мы получали близкие, хотя слегка заниженные результаты, по сравнению с результатами, полученными в тепловой ячейки. Результаты измерений приведены в Таблице 1. В данном случае согласованность результатов находится в пределах ошибки, что может быть связано с тем, что нельзя было создать образцы с одинаковой объемной плотностью. Кроме того, в тепловой ячейке оценивалась потеря только по одному направлению, хотя потери идут со всех направлений. Различия, полученные при использовании двух термопаст, нельзя назвать значимыми. Однако значения, получаемые на термопасте Arctic silver всегда были слегка выше. Увеличение размеров образцов стеклянных шариков без использования термопасты приводило к увеличению ошибки. Однако, даже в случае 6 мм шариков, теплопроводность была измерена достаточно верно, если использовалась термопаста.

Заключение

Контактное сопротивление при измерении удельного теплового сопротивления может давать большую ошибку при работе с прибором KD2 Pro, особенно если размеры исследуемого образца большие. Данную ошибку можно значительно снизить, если использовать термопасту высокой проводимости для покрытия щупа зонда. В исследуемых материалах, с размером частиц значительно больше размеров зонда, величина ошибки из-за контактного сопротивления может достигать 50%. При использовании термопасты в таких образцах снижает величину ошибки до нескольких процентов.

Термопасты, содержащие в своем составе серебро, дают более низкое значение сопротивления, чем термопасты с теплоизоляционным составом, несмотря на то, что паста с серебром имеет в 20 раз меньшее тепловое сопротивление, чем паста с теплоизоляционным составом.