THW - Transient Hot-Wire Thermal Conductivity Measurement Device

1. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
1/46
Πρότυπα υλικά θερμικής αγωγιμότητας - Pyroceram 9606
Ενώ όλοι μετρούν με αβεβαιότητα της τάξης του 2-3%....

2. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
2/46
Ιδανικό μοντέλο Η τεχνική του θερμαινόμενου σύρματος (THW)
εφαρμόζεται στο LTPEP από το 1982.
Λεπτό μεταλλικό σύρμα μέσα στο υλικό:
-λειτουργεί συνεπώς ως γραμμική πηγή θερμότητας, και
ρευστό -ως θερμόμετρο αντίστασης.
q (W/m)
Προσεγγιστική ανάλυση (Heally 1976)
ΔΤ
q 4kt q
ΔTid = 4πλ ln( α2C )
ρCp? 4πλ
ακτίνα
σύρματος α ΔTid = ΔΤw + Σ δTi
Ωστόσο, η μέθοδος αυτή δεν εφαρμόζεται πλέον!!! t
ΔΤ
Επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς θερμότητας για
-το σύρμα και
-το ρευστό Όλη η καμπύλη ρCp & λ
με χρήση πεπερασμένων στοιχείων.
Δεν υπάρχουν προσεγγίσεις!
t

3. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
3/46
Επομένως, στην περίπτωση των ρευστών…
Η συσκευή θερμαινόμενου σύρματος αποτελείται από 2 σύρματα (συνήθως Ta)
Άγνωστοι: λ, (ρCp) του ρευστού
Σύγκριση πειραματικής καμπύλης με αυτή που προκύπτει από FEM
Θερμική αγωγιμότητα με απόλυτη αβεβαιότητα 0.5%
ΔT, K
x πειραματικά σημεία
- καμπύλη FEM
t, s

4. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
4/46
Στην περίπτωση των στερεών
Στρώμα αέρα Τα σύρματα τοποθετούνται ΔT
απλά μεταξύ δύο στερεών
υλικών . Το στρώμα αέρα
είναι αναπόφευκτο.
t
Στρώμα σκόνης Για την αποφυγή του αέρα, ΔT
το κενό που δημιουργείται
καλύπτεται με σκόνη του
ίδιου υλικού.
t
Στρώμα σιλικόνης ΔT
Ο χώρος ανάμεσα στα
σύρματα και τα δείγματα
καλύπτεται με ένα στρώμα
ελαστικής σιλικόνης.
t
Επομένως, η θερμότητα μεταδίδεται από το σύρμα στη σιλικόνη και από τη σιλικόνη στο στερεό.
Άρα πρέπει να επιλυθούν 3 εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας με χρήση FEM.

5. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
5/46
Comsol Multiphysics
Μοντέλο FE για στερεά Άγνωστες Παράμετροι:
Σιλικόνη : λsp, (ρCp)sp
Στερεό: λs , (ρCp)s
Γνωστές Παράμετροι:
λW, (ρCp)W του σύρματος
Το πάχος της σιλικόνης είναι 1 mm
Άρα υπολογίζονται 4 άγνωστες παράμετροι!

6. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
6/46
Τυπικά διαγράμματα FEM
Στερεό Στερεό
Στερεό
500 Kapton
μm
Σιλικόνη
Σιλικόνη
500 μm Σιλικόνη 0
Σύρμα
Σύρμα

7. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
7/46
Θερμοκρασιακή Αύξηση έναντι Χρόνου
Έχουμε πλήρη αναπαραγωγή της θερμοκρασιακής αύξησης
ξεκινώντας από πραγματικό χρόνο μηδέν.

8. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
8/46
Πειραματική συσκευή – Αισθητήρας THW (2/2)
Ειδική κατασκευή σιλικόνης
Τροποποιήση: Βελτιώση:
 Εξάλειψη σφαλμάτων λόγω ηλεκτρικών συγκολλήσεων
 Χρήση συρμάτων Ta
διαφορετικών υλικών
 Χρήση στηριγμάτων 1 mm  Πλήρης καθορισμός του πάχους της σιλικόνης στο 1 mm
 Συμπαγής διάταξη  Στιβαρή κατασκευή αισθητήρα

9. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
9/46
Πειραματική συσκευή – Γέφυρα Wheatstone
Ρυθμός δειγματοληψίας: 20 μs
Πραγματικός αρχικός χρόνος t = 0
Η θερμοκρασιακή μεταβολή ενός σύρματος
χωρίς άκρα προκύπτει από τη μέτρηση της
μεταβολής των αντιστάσεων των δύο
συρμάτων και τον υπολογισμό της διαφοράς
της αντίστασης του μεγάλου από το μικρό.

10. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
10/46

11. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
11/46
Αβεβαιότητα
Η μέθοδος του θερμαινόμενου σύρματος είναι απόλυτη.
Τα σφάλματα που υπεισέρχονται στη μέτρηση και τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας ενός στερεού είναι:
i.Καταγραφή πειραματικού χρόνου: ± 1 μs ή 10-3 %
ii.Επιβαλλόμενη τάση: ± 1 μV ή 10-4 %
iii.Θερμοκρασία: ±10 mK ή αμελητέο
iv.Άλλες παράμετροι 0.05%
v.Διακριτική ικανότητα FEM: 0.5% για τη θερμική
αγωγιμότητα
Επομένως, η απόλυτη αβεβαιότητα της μεθόδου είναι (ISO-GUM 2008) :
1% για την θερμική αγωγιμότητα
5% για το γινόμενο (πυκνότητα x ειδική θερμοχωρητικότητα)

12. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
12/46
Έλεγχος Λειτουργίας – Μετρήσεις Τολουολίου
Η απόκλιση από την
πρότυπη τιμή είναι πάντα
μικρότερη από 0.5%

13. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
13/46
Έλεγχος Λειτουργίας – Μετρήσεις Τολουολίου
Πλήρης ταύτιση της πειραματικής αύξησης της θερμοκρασίας με αυτήν
που προκύπτει από το Comsol Multiphysics

14. Μετρήσεις Μετρήσεις
Εισαγωγή Μέθοδος Συσκευή Συμπεράσματα
Στερεών Υλικών Σύνθετων Υλικών TPL
14/46
Πρότυπα στερεά υλικά και σιλικόνη
ΑS1803 (ACC silicones)
Pyroceram 9606
Σιλικόνη Boro, Type 650 (VersaChem)
Pyrex 7740
Polymethyl Methacrylate (PMMA)
Borosilicate Crown Glass BK7 Οι διαστάσεις των δειγμάτων
είναι 2x10x2 cm3 ή 2x10x1 cm3
Η αβεβαιότητα όλων των μετρήσεων είναι
1% για τη θερμική αγωγιμότητα και
5% για το γινόμενο (ρCp)