一、概述

RHA-DRE-2C導(dǎo)熱系數(shù)測試儀采用瞬態(tài)平面熱源法，主要測量固體、粉末、膠狀、各向異性材料等的蓄熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)（熱擴散系數(shù)）和比熱。本儀器基于TPS瞬態(tài)平面熱源技術(shù)，用Hot Disk作為探頭的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。Hot Disk法的優(yōu)點有：

(1)直接測量熱傳播，可以節(jié)約大量的時間；

(2)不會和靜態(tài)法一樣受到接觸熱阻的影響；

(3)無須特別的樣品制備，只需相對平整的樣品表面。

二、 主要技術(shù)指標(biāo)

1、導(dǎo)熱系數(shù)測定范圍：0.01—100W/mk。

2、測量時間：1-600秒。

3、準(zhǔn)確度：優(yōu)于5％

4、溫度范圍：標(biāo)準(zhǔn)測量：室溫，可選配試樣溫度控制器如：-20℃～120℃，費用另計。

5、樣本尺寸：大于15mm高，大于直徑45mm相對平整的樣品表面。

6、電源：220V，功率：200W。

三、瞬態(tài)平面熱源法測量原理

瞬態(tài)平面熱源法(Transient Plane Source Method，TPS)是在熱線法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該方法也被稱為“Gustafsson”探頭法或Hot Disk法，TPS探頭可以看成由金屬絲(一般采用金屬鎳)彎成的同心圓環(huán)，并在圓環(huán)的兩面覆蓋有抗腐蝕性和機械性能良好的聚合物保護層。在本方法中，探頭是由導(dǎo)電金屬鎳經(jīng)刻蝕處理后形成的連續(xù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的薄片，外層為附有一層保護層，它令探頭具有一定的機械強度，同時保持探頭與樣品之間的電緣性。探頭通常被放存兩片樣品中間進行測試。探頭的溫升是時間的函數(shù)。探頭既是溫度傳感器又作為加熱源(自加熱傳感器)。然后利用對應(yīng)的模型和邊界條件對響應(yīng)進行分析。

在測試過程中，電流通過鎳絲時會產(chǎn)生的熱量，熱量會同時向探頭兩側(cè)的樣品進行擴散。熱量在材料中擴散的速率依賴于材料的熱擴散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等熱特性。通過記錄溫度與探頭的響應(yīng)時間，材料的這些特性可以被計算出來。由于Hot Disk探頭既是熱源又是溫度傳感器，因而本方法非常快捷和便利，同時也相當(dāng)。

其物理模型與熱線法相似， Carslaw和Jaeger基于材料對一小、長熱線源恒定熱流的溫度響應(yīng)給出了熱線法計算材料導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)學(xué)解：

（1） 式中θ為探頭溫升，T為t時刻探頭溫度，T₀為探頭初始溫度，q為加熱功率，λ為樣品導(dǎo)熱系數(shù)，α為樣品熱擴散系數(shù)，r為測試徑向位置，E_i為指數(shù)積分函數(shù)，其表達式為：

（2）

其中μ=r²/4αt，當(dāng)r²/4αt << 1時，可用其前兩項表示，從而得到：

（3）

其中歐拉常數(shù)C=0.57726。對上式兩端取微分可得到樣品導(dǎo)熱系數(shù)：

（4）

以上推導(dǎo)忽略了探頭的尺寸和熱容等影響因素，實際測量中，由于探頭具有一定體積和熱容，因此在探頭開始加熱時，樣品溫升會有個時間滯后，在對數(shù)時間—溫升曲線圖上表現(xiàn)為一非線性段，這個時間取決于探針尺寸和結(jié)構(gòu)，之后進入線性段，后曲線將趨于平穩(wěn)。本儀器采用用篩選數(shù)據(jù)法取線性段上的數(shù)據(jù)進行線性擬合，從而得到導(dǎo)熱系數(shù)值。當(dāng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)已計算出，也就能計算出熱擴散系數(shù)。

比熱容通過如下公式計算：

C=λ/(a*p)

a：熱擴散率，單位m²／s

λ：導(dǎo)熱系數(shù)，單位W／(m·K)

p：密度，單位g／m³

C：比熱容，單位KJ／(kg·K)

四、儀器安裝調(diào)試

1、將儀器安置在平穩(wěn)堅固的工作臺上，連接好電源線。

2、連接好傳感器線和儀器與計算機的通信線。

3、計算機系統(tǒng)必須Microsoft XP系統(tǒng)，在計算機中安裝Microsoft office Excel2003和Microsoft office Access2003，再安裝DRH導(dǎo)熱系數(shù)測試軟件，如需打印報表還要安裝打印機。

4、如計算機沒有2個9針COM口，需配RS232轉(zhuǎn)USB線或RS232板卡，并安裝相應(yīng)驅(qū)動。

5、打開儀器電源開關(guān)，啟動計算機，運行DRE導(dǎo)熱系數(shù)測試軟件。如通信端口設(shè)置正確，自動進入測試軟件主界面。否則彈出通信端口設(shè)置界面，分別選擇恒流源和電壓表通信端口地址，按“測試”鍵，如文本框中讀到與儀器相對應(yīng)數(shù)據(jù)，請按“停止”鍵。如果恒流源和電壓表的數(shù)據(jù)都能讀入計算機，請按“進入測試界面”鍵進人測試軟件主界面。否則需檢查通訊線路和通訊端口設(shè)置是否正確。

6、單擊菜單“參數(shù)設(shè)置-探頭參數(shù)”，彈出用戶驗證界面，輸入用戶名和密碼（儀器用戶名：xt，密碼：808），進入探頭參數(shù)設(shè)置界面，請輸入探頭參數(shù)，確認退出。

五、儀器操作

（一）、測試樣品準(zhǔn)備

1、對各向同性大樣本材料，樣本的形狀可以是圓柱形，方形或者長方形。沒有必要加工成特定的形狀，只要樣本與傳感器的接觸平面足夠光滑平整。

2、樣本的厚度要求與其材料的屬性有關(guān)。因為TPS過程中熱量的擴散與樣本材料的熱特性相關(guān)，必須保證熱波在熱流方向在測量的時間內(nèi)進入樣本的厚度不大于樣本自身的厚度。

3、樣本尺寸選擇的標(biāo)準(zhǔn)是盡可能的減少外表面對測量結(jié)果的影響。樣本的大小應(yīng)該滿足這樣的要求：從探頭的雙螺旋的任何部分到樣本外表的任何部分的距離大于雙螺旋線的平均直徑。對導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，其試樣尺寸要更大。

4、樣本與傳感器接觸的表面應(yīng)當(dāng)是平整、光滑的，樣本應(yīng)夾住Hot Disk探頭的兩側(cè)表面。

5、粉狀、膠狀試樣需多少體積符合上述2、3、條要求。

（二）、控制參數(shù)設(shè)置

1、單擊菜單“參數(shù)設(shè)置-控制參數(shù)”，彈出控制參數(shù)設(shè)置界面。

2、計算開始點是人為的去掉時間對數(shù)-溫升曲線前面一段線性不好的曲線，其 數(shù)值是將實驗數(shù)據(jù)采集的個數(shù)前多少個數(shù)據(jù)去掉，實驗數(shù)據(jù)采集的個數(shù)可根據(jù)測試時間和采樣間隔計算出來，一般可去掉10%的數(shù)據(jù)。測試時間一般2分鐘，導(dǎo)熱系數(shù)高的材料和易產(chǎn)生對流的材料測試時間就要短。采樣間隔一100ms能滿足要求。調(diào)零電流設(shè)置一般不大于2ma,避免在實驗前大電流對探頭提前加熱，影響后面測量結(jié)果。測試電流設(shè)置一般使溫升不超過3℃。

（三）、將探頭置于試樣中，等溫度穩(wěn)定均勻（按“調(diào)零輸出”鍵，從電壓表讀數(shù)是否穩(wěn)定可判斷試樣溫度是否穩(wěn)定）后，按“調(diào)零輸出”鍵，調(diào)“調(diào)零”電位器，使電壓表讀數(shù)在零附近。

（四）、按“開始測試”鍵，儀器進入自動測試狀態(tài)，完成后自動顯示測量結(jié)果。

（五）、如需保存結(jié)果，按菜單“保存結(jié)果”，彈出保存結(jié)果界面，按“確認”后，結(jié)果保存。如需保存曲線圖，單擊菜單“試驗曲線-保存曲線”，把圖形保存在選定的位置。

（六）、按菜單“生成報告”，彈出輸入實驗信息界面，輸入相關(guān)信息后按“確認”鍵，Excel文件型的報告自動生成，如報告需保存，請另存。其操作與Excel一樣。

六、注意事項

1、儀器測試前，需進行約30分鐘預(yù)熱。

2、儀器附近不能有大的電干擾，試樣必須在環(huán)境溫度相對穩(wěn)定的無風(fēng)環(huán)境下測試。

3、探頭置于試樣中后，約20分鐘溫度穩(wěn)定期，使試樣和探頭溫度達到一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)，才能進行測試。同一試樣重復(fù)測試，需30分鐘以上的時間間隔。如試樣在溫度控制器中測試，必須有充足的時間，使試樣溫度均勻穩(wěn)定，否則影響測試結(jié)果?？傊?，試樣和探頭溫度必須均勻穩(wěn)定后才能進行測試。

4、測試過程中，當(dāng)時間對數(shù)-溫升曲線出現(xiàn)如下狀況時，可能存在的原因如下：

a、曲線不光滑，可能是試樣與探頭接觸不好。

b、曲線后段翹尾，可能試樣尺寸偏小。

c、曲線后段走平，可能測試電流偏小。

七、儀器成套

1、測試主機 1臺

2、探頭 1個

3、通訊套件 1套