热线法导热系数测定仪的升级改造及误差因素分析

　　1 前言

　　导热是物质具有的一项基本属性，导热系数则表征着物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的一个重要参数。从常见的砖瓦石材，到用作航天飞机挡热板的新型陶瓷，无论是人类使用了几千年的传统隔热材料，还是高新技术领域里面使用的新材料，凡是和热相关的领域都离不开种类各异的材料，要在这些领域很好地使用这些材料，就必须精确测量它们的热物理性能。各种物质的导热系数，一般都是用不同的实验方法测定的。测量导热系数的方法很多，按照测试状态分类，可分为稳态法与非稳态法;按照被测试样的形状与种类，导热系数的测量方法可分为平板法、棒状试样法、圆筒形法、圆球法等;按照被测量物状态又可分为针对气体的、液体的、松散物料的、薄膜的等。在过去的几十年里，发展了大量的测试方法与系统，然而对于一定的应用场合来说并非所有方法都能适用。采用何种测试方法或仪器装置，往往要从材料的导热系数范围、样品可能做成的几何形状、数据所需的精确度、测量周期及所需费用等一系列因素综合考虑后确定。

　　基于傅里叶导热定律所描述的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料，这些方法包括热板法、保护热板法、热流法、保护热流法、沸腾换热法等等。动态 ( 瞬时 ) 方法，如热线法、激光散射法，主要用于在高温条件下测量高导热系数材料。此外，还有一些测量方法或测量技巧，包括热脉冲法、准稳态测量法、恒功率平面热源法等，应用于特殊场合或特定的测量对象。

　　耐火材料种类繁多，主要可分为定形材料和不定形材料两大类，定形材料一般比不定形材料要致密，但与陶瓷等致密材料相比气孔率仍然大很多，而不定形材料一般比定形材料松散一些，但与保温棉相比仍然相当致密，因而耐火材料导热系数范围大，而且使用温度高，许多重质材料导热系数也相对较大，因而适宜使用动态方法测量导热系数。耐火材料中有大量的颗粒，尤其在不定性材料中的骨料颗粒更大，导致其均匀性不好，如果样品尺寸过小将不能完全反映材料的性质，因而应使用尺寸较大的样品，才能反映出材料的实际性能，因此热线法适用于耐火材料导热系数的测量。但十字热线法只适用于导热系数低于 2W/(m·K) 的材料，而平行热线法测量范围达到 20W/(m·K)，如图 1 所示，因此平行热线法是高温条件下高导热系数的耐火材料最合适的导热系数测量方法，如图 2 所示。

　　2 仪器设备改造

　　本升级改造工作是在原有的 TC-51 导热系数测定仪的基础上进行的，在对原有设备进行了详细的研究和分析后，从加热炉的控制及加热系统、热线供电加热系统、热电偶的测量系统、确定新系统的基本常数及分析误差的影响因素等五方面对设备进行了升级改造及误差分析。根据平行热线法的原理，经推导得到以下计算公式：