導(dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證方案

DRPL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證編制：日期:審批：日期:江蘇中設(shè)集團(tuán)試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司用DRPL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)驗(yàn)證確認(rèn)一、概述DRPL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀基于穩(wěn)態(tài)平板法測(cè)試原理，在熱面加入穩(wěn)定的熱面溫度，熱量通過試樣傳遞到冷面，測(cè)量傳遞的熱流，再根據(jù)試樣的厚度和傳熱面積可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。二、驗(yàn)證目的為確認(rèn)DRPL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試巖土材料導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果的可靠性。三、驗(yàn)證依據(jù)1、《導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法》Q/JZJC012、DRPL-I導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀使用說明書四、驗(yàn)證方法A、樣品的選取選取試樣（土樣編號(hào)G1-10）B、樣品的制作試樣制備按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）第3.1.4條的規(guī)定進(jìn)行，其中環(huán)刀直徑按樣品杯（塑料杯）的直徑選取。將帶有試樣的環(huán)刀刃口向上對(duì)準(zhǔn)樣品環(huán)（塑料環(huán)），用透水板將試樣壓到樣品環(huán)內(nèi)；在樣品環(huán)內(nèi)土樣兩端面均勻地涂少量導(dǎo)熱硅脂；C、樣品的測(cè)試1、打開儀器電源開關(guān)（觀察加熱器溫控表下顯示框是否Stop閃動(dòng)，否則按“▲”鍵，停止運(yùn)行升溫程序），開啟電腦，啟動(dòng)DRPL導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀程序。2、在程序主界面“設(shè)定溫度”文本框中輸入熱面溫度值45°C，按“確認(rèn)設(shè)置”鍵，此時(shí)，加熱溫控表下顯示框出現(xiàn)上顯示框的數(shù)值與Stop交替閃動(dòng)，否則重按“確認(rèn)設(shè)置”鍵。再控“加熱啟動(dòng)”鍵，此時(shí)，加熱溫控表下顯示框出現(xiàn)上顯示框的數(shù)值并向上增加，打開儀器“加熱開關(guān)”，儀器進(jìn)入升溫狀態(tài)。再打開“風(fēng)扇開關(guān)”。3、裝樣：將試樣冷熱面涂上少量導(dǎo)熱硅脂后，試樣放冷熱面正中間，壓緊試樣。4、輸入試樣厚度和試樣截面積數(shù)據(jù)后，按“確認(rèn)”鍵。5、輸入自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔和次數(shù)數(shù)據(jù)后，按“確認(rèn)”鍵。6、按“自動(dòng)測(cè)試”鍵，儀器進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試狀態(tài)，完成后自動(dòng)生成報(bào)表，提供測(cè)試結(jié)果。五、測(cè)試結(jié)果不確定度分析（1）測(cè)試原理為了測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù)，首先從熱導(dǎo)率的定義和它的物理意義入手。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Z0處取一個(gè)垂直截面積dS（如圖1）以牛表示在z處的溫度梯度，以dQ表示在該處的傳熱速率（單位時(shí)間內(nèi)通dzdt過截面積dS的熱量），那么傳導(dǎo)定律可表示成：一,dT、■■dQ——人（—）ds?dt（S1-1）dz%式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相

反）。式中比例系數(shù)入即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見熱導(dǎo)率的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。dz利用（S1-1）式測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)入，需解決的關(guān)鍵問題兩個(gè)：一個(gè)是在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度四，并確定其數(shù)值；另一個(gè)是測(cè)量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速1、關(guān)于溫度梯度當(dāng)dzdz圖（2）為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾在兩塊良導(dǎo)體——銅板之間（圖2）使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和“，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。樣品厚度可做成h忍D（樣品直徑）。這樣，由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于銅是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為同一銅板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同一平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測(cè)出樣品的厚度h和兩塊銅板的溫度T1、“，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度度。銅板與樣品表面的需緊密接觸（無圖（2）2、關(guān)于傳熱速率華dt單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面積的熱量dQ是一個(gè)無法直接測(cè)定的量，我們?cè)O(shè)法將這個(gè)量dt轉(zhuǎn)化為較容易測(cè)量的量。為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)銅板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)銅板，低溫側(cè)銅板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)，此時(shí)低溫側(cè)銅板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測(cè)量低溫側(cè)銅板在穩(wěn)態(tài)溫度t2下散熱的速率，也就間接測(cè)量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，銅板的散熱速率也不易測(cè)量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們知道，銅板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）—有dtdQ

dtdT=-me——t2dt關(guān)，其表達(dá)式為(1-2)T2dQ

dtdT=-me——t2dt式中的m為銅板的質(zhì)量，C為銅板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量由高溫向低溫方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測(cè)量，C為常量，這樣對(duì)銅板的散熱速率的測(cè)量又轉(zhuǎn)化為對(duì)低溫側(cè)銅板冷卻速率的測(cè)量。銅板的冷卻速率可以這樣測(cè)量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱銅板直接對(duì)下銅板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2（大約高出10°C左右），再讓其在環(huán)境中

自然冷卻，直到溫度低于T2,測(cè)出溫度在大于t2到小于t2區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出T-t曲線（見圖2）,曲線在T2處的斜率就是銅板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)T2下的冷卻速率。T(C)T21T2T22ti七t（s）t（s）應(yīng)該注意的是，這樣得出的dT是銅板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，對(duì)于園銅dt板來說，其散熱面積為2nRp2+2nRphp（其中Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度），對(duì)于正方形的銅，其散熱面積為L2+4Lhp（其中L和hp分別是下銅板的邊長和厚度）然而，設(shè)樣品截面半徑為R，在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，銅板的上表面是被樣品部分（R<L）覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，銅板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：若R=%，則若R<L，貝UdQ__…dT.冗Rp+2兀Rh~dt-~dt2兀Rp+若R=%，則若R<L，貝UdQdT2L2—兀R2+4Lh—=—mc——?pdtdt2L+4Lhp(1-3(1-3)(1-3')將（1-3）式或（1-3'）式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式，考慮到dS=nR2,可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：入=r^p+Rp.上.工?當(dāng)2h+2R兀R2T—Tdt"=T2入2L2—兀R2+4Lh1hdT1=mC—2L+4Lhp".底.T—T2.矛t=t2(1-4)(1-4')式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下銅板的質(zhì)量、c為銅的比熱容、Rp和hp分別是下銅板的半徑和厚度，對(duì)于方銅板L和hp分別是下銅板的長度和厚度。各項(xiàng)均為常量或直接易測(cè)量，則久與T1(1-4)(1-4')本測(cè)試方法選用銅一康銅熱電偶測(cè)溫度，溫差為100。。時(shí)，其溫差電動(dòng)勢(shì)約為4.277mV。由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為0°C，當(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)。（mV）與待測(cè)溫度T（C）的比值是一個(gè)常數(shù)。

（2）計(jì)算公式導(dǎo)熱系數(shù)入計(jì)算:」QxL入A（T廣TD）式中：TA:試樣熱面溫度，kTD:試樣冷面溫度，kA:試樣截面積（nR2），mm2L：試樣長度，mmQ：熱流，wdtt=t22L一兀R2+4LhdTQ=mC2L2+4Lh__^.dtt=t2P（4）誤差分析誤差分析：入的誤差由以下因素有關(guān)1）熱流的誤差：相對(duì)誤差為3%2）試樣長度的誤差：△L為0.05mm3）試樣面積的誤差：△A為2mm24）試樣熱面溫度誤差：△TA為0.2°C5）試樣冷面溫度誤差：△TD為0.2C根據(jù)以上公式，可得到不確定度的計(jì)算公式為:在這試驗(yàn)中：L樣品厚度為20mm；樣品面積為3000mm2;TA試樣熱面溫度45C;T2試樣冷面溫度27.3C土樣的導(dǎo)熱系數(shù)由計(jì)算機(jī)輸出為1.841W/m.K導(dǎo)熱系數(shù)的相對(duì)誤差為：+f02］