بررسی فنی رسانایی‌سنج حرارتی MY-207: چگونه روش منبع حرارتی مسطح گذرا، اندازه‌گیری رسانایی حرارتی را به عصر "سطح 5 ثانیه" وارد می‌کند
ضریب هدایت حرارتی کمیت فیزیکی اساسی است که برای تعیین کمیت عملکرد هدایت حرارتی یک ماده استفاده می شود. این به طور مستقیم بر تصمیمات محصول در زمینه هایی مانند طراحی اتلاف حرارت الکترونیکی، ارزیابی بهره وری انرژی ساختمان، و تحقیق و توسعه مواد انرژی جدید تأثیر می گذارد. روش‌های سنتی حالت پایدار (مثلاً روش صفحه محافظت‌شده) برای تکمیل یک اندازه‌گیری و تحمیل الزامات سختگیرانه برای آماده‌سازی نمونه، به چندین ساعت نیاز دارد. سنج رسانایی حرارتی MY-207 از فناوری منبع حرارتی مسطح گذرا (TPS) استفاده می کند که یک اندازه گیری را به 5 تا 160 ثانیه فشرده می کند در حالی که محدوده بسیار وسیعی از 0.0001-300 W/(m·K) را پوشش می دهد. بنابراین یک آزمایش واحد می تواند به طور همزمان هم ضریب هدایت حرارتی و هم انتشار حرارتی را ارائه دهد. این بررسی دستگاه را از چهار بعد بررسی می‌کند: پارامترهای فنی، روش‌های آزمایش، مقایسه‌های روش‌شناختی، و چالش‌های اجرایی عملی.
▎من. پارامترهای فنی و سیستم پروب
محدوده اندازه گیری هسته MY-207 شش مرتبه بزرگ را شامل می شود - از مواد عایق (0.0001 W/(m·K)) تا فلزات با رسانایی حرارتی بالا (300 W/(m·K)) – با پوشش قطعه بندی شده که از طریق سه کاوشگر با قطرهای مختلف به دست می آید. مشخصات فنی کامل در زیر ارائه شده است.
| موارد پارامتر | صلاحیت | توضیح دهید |
|---|---|---|
| مشخصات تست | 0.0001 ~ 300 W/(m·K) | از مواد عایق گرفته تا فلزات با رسانایی بالا |
| دقت | ± 3٪ | در شرایط بهینه در ± 0.5٪ قابل دستیابی است |
| خطای تکرارپذیری | ≤3٪ | سازگاری اندازه گیری های متعدد از یک نمونه |
| زمان اندازه گیری | 5 تا 160 ثانیه | می توان بر اساس خواص مواد پیکربندی کرد |
| افزایش دمای نمونه | ≤15℃ | آزمایش غیر مخرب؛ نمونه ها قابل استفاده مجدد هستند |
| توان کل | ≤500 وات | |
| منبع | AC 220 ولت | |
| محدوده دما | -20 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد | یک دستگاه کنترل دمای خارجی باید انتخاب و پیکربندی شود. |
راه حل تطبیق محدوده سه پروب
پوشش وسیع این تجهیزات به تطابق تقسیم شده سه نوع پروب بستگی دارد. منطق اصلی برای انتخاب یک کاوشگر به شرح زیر است: از یک پروب کوچک برای مواد با رسانایی حرارتی پایین استفاده کنید (گرما متمرکز می شود و در نتیجه دماهای بالاتری ایجاد می شود) و از یک پروب بزرگ برای مواد با رسانایی حرارتی بالا استفاده کنید (گرما به سرعت پخش می شود و نیاز به منطقه گرمایشی بزرگتر است).
| کاوشگر | قطر | مواد قابل اجرا | الزامات اندازه تک نمونه | حداکثر قدرت |
|---|---|---|---|---|
| پروب شماره 1 | 7.5 میلی متر | مواد نازک با هدایت حرارتی کم (تخته های عایق حرارتی، فوم و غیره) | ≥15×15×3.75 میلی متر | <0.4 وات |
| پروب شماره 2 | 15 میلی متر | همه منظوره (پلاستیک، لاستیک، سنگ معدن و غیره) | ≥30×30×7.5 میلی متر | < 14 وات |
| پروب شماره 3 | 30 میلی متر | مواد رسانایی حرارتی بالا (فلزات، سرامیک و غیره) | ≥60×60×20mm | < 7 وات |
[نکته فنی] پروب TPS از یک ورق نازک با ساختار دو مارپیچی پیوسته تشکیل شده است که از یک آلیاژ رسانا از طریق اچ ساخته شده و با یک لایه محافظ عایق دولایه پوشانده شده است. پروب به طور همزمان به عنوان یک منبع گرما و یک سنسور دما عمل می کند: ضریب مقاومت حرارتی آلیاژ رابطه خطی با دما را نشان می دهد. بنابراین با اندازه گیری تغییرات مقاومت می توان تغییرات دما را بدون نیاز به سنسور دمای خارجی استنباط کرد. این طراحی "منبع گرما به عنوان حسگر" نوآوری اصلی روش TPS را تشکیل می دهد.
▎II. روش تست: از آماده سازی نمونه تا خواندن داده ها
روش آزمایش برای MY-207 به طور قابل توجهی ساده تر از روش معمولی حالت پایدار است. مرحله اصلی آن شامل یک پیکربندی ساندویچی است که در آن "دو نمونه بین یک پروب نگه داشته می شود." روش عملیاتی کامل در زیر ارائه شده است.
مرحله 1: انتخاب پروب و آماده سازی نمونه
مدل پروب را بر اساس ترتیب اندازه تخمینی رسانایی حرارتی انتخاب کنید. دو نمونه تهیه کنید که ابعاد آنها با الزامات مشخص شده مطابقت داشته باشد - هر کدام باید طول و عرض حداقل دو برابر قطر پروب داشته باشند - و سطوح آنها نسبتاً صاف و صاف باشد. هیچ پولیش یا ماشینکاری خاصی مورد نیاز نیست. کافی است سطح جامد توده نسبتاً صاف باشد. برای نمونه هایی با سطح صاف و ویسکوزیته بالا، چندین نمونه نازک را می توان در کنار هم قرار داد تا ضخامت مورد نیاز را برآورده کند.
مرحله 2: نصب پروب و بستن نمونه
پروب انتخاب شده را بین دو نمونه قرار دهید تا یک پیکربندی ساندویچی تشکیل شود. از مکانیسم تنظیم مرحله نمونه برای بستن نمونه ها استفاده کنید و از تماس سطحی خوب بین پروب و هر دو سطح نمونه اطمینان حاصل کنید. کیفیت این تماس مستقیماً بر دقت اندازه گیری تأثیر می گذارد: گرمای تولید شده توسط پروب باید به طور کامل توسط نمونه ها جذب شود. هر شکافی باعث از دست دادن حرارت و سوگیری اندازه گیری می شود.
مرحله 3: پیکربندی پارامتر و تست راه اندازی
قدرت گرمایش و مدت زمان تست را روی صفحه لمسی LCD رنگی تنظیم کنید. تنظیم توان به مدل پروب و ویژگی‌های هدایت حرارتی مواد بستگی دارد: برای مواد با رسانایی حرارتی کم از توان کم استفاده کنید (برای جلوگیری از افزایش دما از حد بالایی 15 درجه سانتیگراد)، و از قدرت بالا برای مواد با رسانایی حرارتی بالا استفاده کنید (برای اطمینان از سیگنال پاسخ دمای کافی). مدت زمان آزمون را می توان از 5 تا 160 ثانیه انتخاب کرد. برای مواد رسانایی حرارتی پایین، معمولاً از مدت زمان آزمایش طولانی‌تری برای به دست آوردن منحنی پاسخ دما کامل استفاده می‌شود. پس از راه‌اندازی، ریزپردازنده ARM تراشه جمع‌آوری داده را کنترل می‌کند تا به طور مداوم مقاومت پروب (یعنی دما) را در زمان واقعی با وضوح بالا ثبت کند زیرا در طول زمان دچار تغییرات گذرا می‌شود.
مرحله 4: محاسبه داده و خروجی نتیجه
پس از اتمام آزمایش، الگوریتم هسته برازش مدل ریاضی بر روی داده‌های گذرا دما-زمان به‌دست‌آمده توسط کاوشگر انجام می‌دهد. بر اساس تئوری پاسخ دمای گذرا یک منبع حرارتی دیسک مرحله‌ای گرم‌شده در یک محیط بی‌نهایت، روش TPS تعیین مستقیم دو پارامتر - هدایت حرارتی و انتشار حرارتی - را از طریق برازش مدل، بدون نیاز به ورودی چگالی نمونه (تمایز از روش لیزر) امکان‌پذیر می‌سازد. نتایج بر روی یک صفحه نمایش لمسی نمایش داده می شوند و همچنین می توانند از طریق یک رابط ارتباطی به رایانه برای پردازش گزارش صادر شوند.
[نکته فنی] در مقایسه با روش لیزر: روش لیزری (روش فلاش) مستقیماً انتشار حرارتی و گرمای ویژه را اندازه گیری می کند. هدایت حرارتی باید پس از وارد کردن اضافی چگالی نمونه محاسبه شود. در مقابل، روش TPS هدایت حرارتی را مستقیماً در یک مرحله فراهم می‌کند، در نتیجه منابع خطای معرفی شده توسط تبدیل‌های میانی را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، روش لیزری الزامات سختی را برای آماده‌سازی نمونه اعمال می‌کند (نمونه باید دیسکی شکل و ضخامت مشخصی داشته باشد)، در حالی که روش TPS الزامات خاصی را برای شکل نمونه اعمال نمی‌کند.
▎ III. مروری بر سناریوهای کاربردی
MY-207 طیف گسترده ای از مواد آزمایشی را ارائه می دهد که همه چیز را از مواد جامد با رسانایی حرارتی بالا مانند فلزات و سرامیک گرفته تا مواد عایق حرارتی با رسانایی حرارتی پایین مانند پلاستیک های فوم و پشم معدنی را پوشش می دهد. همچنین می تواند پودرها و ذرات و همچنین مایعات، کلوئیدها و مواد خمیر مانند را آزمایش کند. در زیر پنج حوزه کاربردی معمولی آورده شده است.
ارزیابی عملکرد حرارتی مصالح صرفه جویی در انرژی ساختمان
آزمایش هدایت حرارتی بر روی مصالح ساختمانی مانند دیوارهای سیمانی، پشم معدنی، تخته های سیمانی-پلی استایرن، بتن ساندویچ و پانل های کامپوزیت با پانل های پلاستیکی تقویت شده با فایبرگلاس انجام می شود و پارامترهای حرارتی لازم را برای طراحی بازده انرژی ساختمان فراهم می کند. پروب شماره 2 (15 میلی متر) برای آزمایش معمول اکثر مصالح ساختمانی مناسب است، در حالی که پروب شماره 3 (30 میلی متر) برای نمونه های با اندازه بزرگ مانند بتن سیمانی مناسب است.
انتخاب بسته بندی الکترونیکی و مواد رابط حرارتی
رسانایی حرارتی مواد رابط حرارتی مانند ورق های سیلیکونی حرارتی، گریس حرارتی (خمیر)، مواد تغییر فاز دهنده و پدهای حرارتی را اندازه گیری کنید، در نتیجه داده های انتخاب مواد را برای طراحی اتلاف حرارتی دستگاه های الکترونیکی ارائه دهید. خمیر و مواد کلوئیدی نشان دهنده مزیت منحصر به فرد روش TPS است. روش لیزر و روش صفحه محافظ برای جابجایی نمونه ها در این فرم مناسب نیستند.
تحقیق و توسعه پلیمرها و مواد کامپوزیت
خصوصیات حرارتی و فیزیکی بر روی موادی مانند کامپوزیت های زمینه پلیمری، پلاستیک های تقویت شده با الیاف، پانل های لانه زنبوری کاغذی و پارچه ها انجام می شود، در نتیجه از بهینه سازی فرمول مواد و بهبود فرآیند پشتیبانی می شود. قابلیت آزمایش غیرمخرب به این معنی است که نمونه‌های یک دسته را می‌توان برای آزمایش‌های مکانیکی بعدی یا سایر آنالیزها مجدداً استفاده کرد و مصرف نمونه را کاهش داد.
تأیید مدیریت حرارتی برای مواد انرژی جدید
ارزیابی‌های هدایت حرارتی را بر روی مواد مرتبط با انرژی جدید، از جمله جداکننده‌های باتری، مواد ذخیره‌سازی انرژی تغییر فاز، و مواد لایه عایق حرارتی انجام دهید. با قابلیت اندازه‌گیری حد پایین‌تر 0.0001 W/(m·K)، این سیستم می‌تواند الزامات آزمایش مواد فوق‌عایق مانند نمدهای هواژل را برآورده کند.
کنترل کیفیت برای مواد پودری و گرانولی
اندازه گیری های هدایت حرارتی سریع بر روی مواد خام پودری و پرکننده های دانه ای برای کنترل کیفیت در طول دسته های تولید انجام می شود. مدت زمان آزمایش 5 تا 160 ثانیه، بازرسی های نمونه برداری درون خطی را امکان پذیر می کند. در مقایسه با چرخه‌های اندازه‌گیری چند ساعته مورد نیاز روش سنتی حالت پایدار، راندمان ده‌ها برابر افزایش می‌یابد.
▎IV. چالش ها و راه حل های تست معمولی
اگرچه روش TPS فرآیند آزمایش را ساده می‌کند، اما هنوز چندین مسئله در اجرای عملی ایجاد می‌شود که نیاز به مدیریت صحیح دارد. در زیر به تشریح هشت مشکل اغلب یا چالش برانگیز و اقدامات متقابل مربوط به آنها اشاره شده است.
چالش 01: تماس ضعیف بین پروب و نمونه منجر به دست کم گرفتن مقدار اندازه گیری شده می شود.
فرکانس بالامشاهده | هدایت حرارتی همان نمونه بین دو آزمایش بیش از 5٪ متفاوت است (شاخص تکرارپذیری ≤ 3٪)، و مقادیر اندازه گیری شده به طور سیستماتیک پایین هستند. فاصله کمی بین پروب و نمونه قابل مشاهده است.
علت اصلی | فرض اساسی زیربنای اندازه گیری در روش TPS این است که تمام گرمای تولید شده توسط پروب به طور کامل توسط نمونه جذب می شود. تماس ضعیف باعث می شود بخشی از گرما از طریق شکاف هوا هدایت شود (رسانایی حرارتی هوا تنها 0.026 W/(m·K) است). این معادل قرار دادن یک لایه مقاومت حرارتی به صورت سری بین پروب و نمونه است که در نتیجه مقدار هدایت حرارتی اندازه گیری شده کمتر از مقدار واقعی است. علل اولیه شامل ناهمواری سطح نمونه، نیروی گیره ناکافی در مرحله نمونه، یا ضخامت ناهموار نمونه است که باعث می شود یک طرف پروب بدون تکیه گاه باقی بماند.
اقدامات متقابل | ① اطمینان حاصل کنید که سطح نمونه نسبتاً صاف و بدون برآمدگی یا فرورفتگی است (لازم نیست پولیش آینه ای باشد، اما سطح باید صاف و عاری از سوراخ باشد). ② مکانیسم بستن مرحله نمونه را تنظیم کنید تا اطمینان حاصل شود که پروب به طور یکنواخت روی هر دو طرف نمونه فشرده می شود. برای بررسی شکاف بین لبه پروب و نمونه از یک سنج 0.02 میلی متری استفاده کنید (شکاف باید برای عبور گیج خیلی کوچک باشد). ③ برای نمونه هایی با سطوح سفت، یک لایه بسیار نازک از گریس حرارتی بین پروب و نمونه بمالید تا شکاف های میکروسکوپی پر شود (توجه داشته باشید که ضخامت لایه گریس باید بسیار نازک باشد، در غیر این صورت، خود به یک لایه مقاومت حرارتی تبدیل می شود).
چالش 02: انتخاب نادرست مدل پروب منجر به قدرت سیگنال ناکافی یا افزایش بیش از حد دما می شود
مشترکمشاهده | هنگام استفاده از پروب شماره 2 (15 میلی متر) برای آزمایش فلزات با رسانایی حرارتی بالا (مثلاً مس خالص، تقریباً 400 W/(m·K))، سیگنال پاسخ دما بسیار ضعیف است، منحنی نصب شده نویز قابل توجهی نشان می دهد، و نتیجه بیش از 10٪ منحرف می شود. از طرف دیگر، هنگام استفاده از پروب شماره 1 (7.5 میلی‌متر) برای آزمایش فوم‌های با رسانایی حرارتی پایین، افزایش دما از حد بالایی 15 درجه سانتیگراد فراتر می‌رود و مکانیزم حفاظتی را فعال می‌کند.
علت اصلی | اصل اساسی در انتخاب کاوشگر تطبیق است: گرما در مواد با رسانایی حرارتی پایین آهسته تر پخش می شود، بنابراین یک پروب کوچک (7.5 میلی متر) می تواند گرما را متمرکز کند و سیگنال افزایش دما کافی تولید کند. در مواد با رسانایی حرارتی بالا، گرما به سرعت از بین می‌رود و به یک کاوشگر بزرگتر (30 میلی‌متر) نیاز دارد تا منطقه گرمایش و قدرت کافی را فراهم کند. انتخاب یک پروب نامناسب می تواند منجر به نسبت سیگنال به نویز ناکافی یا افزایش کنترل نشده دما شود.
اقدامات کاهشی | ① قبل از آزمایش، ترتیب بزرگی هدایت حرارتی ماده را تخمین بزنید: از پروب شماره 1 برای مقادیر ≤ 0.1 W/(m·K) استفاده کنید. پروب شماره 2 برای مقادیر بین 0.1 و 50. و پروب شماره 3 برای مقادیر> 50; ② اگر مقدار نامشخص است، ابتدا یک اندازه گیری آزمایشی با استفاده از پروب شماره 2 (کاوشگر جهانی) انجام دهید، سپس تنظیمات را بر اساس افزایش دما و کیفیت سیگنال تنظیم کنید. ③ حداکثر حد توان را برای هر پروب (پروب شماره 1: <0.4 وات؛ پروب شماره 2: <14 وات؛ پروب شماره 3: <7 وات) اکیداً رعایت کنید تا از آسیب پروب ناشی از تجاوز از درجه توان جلوگیری کنید.
چالش 03: تداخل اثر مرزی ناشی از اندازه نمونه ناکافی است
فرکانس بالامشاهده | نتایج آزمون با حجم نمونه متفاوت است - وقتی حجم نمونه افزایش می‌یابد، مقادیر اندازه‌گیری شده افزایش یافته و تثبیت می‌شوند. برای نمونه های کوچک، مقادیر اندازه گیری شده به طور سیستماتیک کمتر است.
علت اصلی | مدل ریاضی زیربنای روش TPS بر فرض یک "میانگین بی نهایت" استوار است: گرمای تولید شده توسط کاوشگر در یک دوره زمانی محدود دارای محدوده انتشار محدود است. اگر اندازه نمونه برای در نظر گرفتن "بی نهایت" کافی نباشد، گرما با رسیدن به مرز نمونه منعکس می شود، در نتیجه شرایط مرزی مدل را نقض می کند و منجر به سوگیری اندازه گیری می شود. دفترچه راهنمای دستورالعمل مشخص می کند که طول و عرض نمونه باید حداقل دو برابر قطر پروب باشد. با این حال، تجربه عملی نشان داده است که دو برابر قطر صرفاً حد پایین است.
اقدامات کاهشی | ① حداقل اندازه مورد نیاز را به شدت رعایت کنید: برای پروب شماره 1، نمونه باید ≥15×15 میلی متر باشد. برای پروب شماره 2، ≥30×30 میلی متر؛ و برای پروب شماره 3، ≥60×60 میلی متر. ② برای موادی با رسانایی حرارتی بالا (که گرما را به سرعت پخش می کنند)، توصیه می شود که اندازه نمونه به 3-4 برابر قطر پروب افزایش یابد تا به طور کامل فرض "بی نهایت" برآورده شود. ③ ضخامت نمونه نیز حیاتی است - ضخامت نمونه در یک طرف پروب باید از شعاع پروب بیشتر باشد. اگر نمونه خیلی نازک باشد، می توان چندین نمونه را با هم چید.
چالش 04: فرو رفتن پروب یا چسبندگی حباب در طول آزمایش نمونه مایع
دشوار استپدیده | هنگام اندازه‌گیری رسانایی حرارتی یک مایع، پروب به دلیل وزن خود در مایع فرو می‌رود یا حباب‌های ریز به سطح پروب می‌چسبند و در نتیجه نوسانات غیرعادی در نتایج اندازه‌گیری ایجاد می‌شود.
علت اصلی | پروب TPS طوری طراحی شده است که بین دو نمونه جامد بسته شود. هنگام آزمایش یک مایع، پروب باید در مایع غوطه ور شود. ساختار مارپیچی فلزی کاوشگر دارای وزن مشخصی است و ممکن است به آرامی در مایعات کم ویسکوزیته فرو رفته و تغییر مکان دهد. لایه عایق روی سطح پروب به راحتی حباب های هوا را هنگامی که در مایع غوطه ور می شود به دام می اندازد. از آنجایی که حباب های هوا رسانای حرارتی ضعیفی هستند، به طور موثر یک لایه مقاومت حرارتی اضافی روی سطح پروب ایجاد می کنند.
اقدامات کاهشی | ① از یک ظرف تست مایع اختصاصی استفاده کنید و پروب را در مرکز ظرف ثابت کنید تا از فرورفتن یا جابجایی جلوگیری شود. ② قبل از غوطه ور کردن پروب، یک پارچه بدون پرز را در مقدار کمی از همان نوع مایع فرو کنید و سطح پروب را مرطوب کنید تا چسبندگی حباب کاهش یابد. ③ پس از غوطه ور شدن، اجازه دهید کاوشگر به مدت 30 ثانیه بماند تا حباب ها بتوانند به طور طبیعی فرار کنند، سپس به آرامی به دیواره ظرف ضربه بزنید تا به آزاد شدن حباب کمک کند. ④ برای مایعات با ویسکوزیته پایین، زمان آزمایش ممکن است به طور مناسب افزایش یابد تا سیگنال میانگین پایدارتری به دست آید.
چالش 05: پیکربندی نامناسب زمان تست منجر به باقیمانده‌های اتصال بزرگ می‌شود
دشوار استمشاهده | هنگامی که مدت زمان آزمایش روی حداقل 5 ثانیه تنظیم می شود، باقیمانده های برازش نسبتاً بزرگ هستند (منحنی باقیمانده از توزیع تصادفی پیروی نمی کند اما روندی سیستماتیک را نشان می دهد)، که منجر به داده های هدایت حرارتی ناپایدار می شود. پس از افزایش مدت زمان به 60 ثانیه، نتایج به طور قابل توجهی بهبود می یابد.
علت اصلی | روش TPS هدایت حرارتی را با برازش منحنی دما-زمان گذرا تعیین می کند. اگر مدت زمان آزمایش خیلی کوتاه باشد، نقاط داده جمع‌آوری‌شده برای پوشش کامل فرآیند انتشار گرمای گذرا کافی نیستند. در نتیجه، مدل ریاضی فاقد داده های کافی در پنجره برازش خود است، که منجر به عدم همگرایی یا همگرایی به یک راه حل نادرست می شود. اگر مدت زمان آزمایش بیش از حد طولانی باشد، انتشار گرما ممکن است فراتر از مرزهای نمونه گسترش یابد و در نتیجه فرض "بی نهایت" را نقض کند.
توصیه ها | ① اصل تنظیم مدت زمان آزمایش: برای مواد با رسانایی حرارتی کم (انتشار حرارت آهسته)، مدت زمان تست طولانی تری را تعیین کنید (60-160 ثانیه). برای موادی با رسانایی حرارتی بالا (انتشار گرما سریع)، مدت زمان آزمایش کوتاه‌تری (5 تا 30 ثانیه) تعیین کنید. ② منحنی باقیمانده متناسب را مشاهده کنید - باقیمانده ها باید به طور تصادفی حول صفر توزیع شوند. اگر روند سیستماتیک وجود دارد، مدت زمان آزمون را تنظیم کرده و مجدداً آزمایش کنید. ③ هنگام آزمایش یک ماده برای اولین بار، توصیه می شود اندازه گیری های مقایسه ای را در 2 تا 3 دوره آزمایش مختلف انجام دهید و مقداری را انتخاب کنید که در آن باقیمانده نصب شده به حداقل می رسد و نتایج همگرا می شوند.
چالش 06: تأثیر مقاومت حرارتی تماسی در نمونه‌های چندلایه روی دقت اندازه‌گیری
فرکانس بالامشاهده | هنگامی که چندین نمونه نازک برای برآوردن نیازهای ابعادی روی هم چیده می‌شوند، مقادیر اندازه‌گیری شده کم و تکرارپذیری ضعیف است. هرچه تعداد لایه های روی هم بیشتر باشد، انحراف بیشتر است.
علت اصلی | دستورالعمل دستورالعمل بیان می کند که "اگر سطح نمونه مورد آزمایش صاف و مسطح باشد و چسبندگی نشان دهد، نمونه ممکن است انباشته شود". با این حال، انباشته شدن مقاومت حرارتی تماس بین لایه ای را معرفی می کند. شکاف های هوای میکروسکوپی بین هر دو لایه وجود دارد که یک سری لایه های مقاومت حرارتی را تشکیل می دهد. خود روش TPS تحت تأثیر مقاومت حرارتی تماس نمونه پروب قرار نمی گیرد (این مزیت آن است). با این وجود، مقاومت حرارتی تماس بین لایه های نمونه را نمی توان حذف کرد. مقدار اندازه گیری شده توسط کاوشگر "رسانایی حرارتی معادل" از جمله مقاومت حرارتی بین لایه است که کمتر از مقدار ذاتی ماده است.
اقدامات کاهشی | ① برای جلوگیری از انباشته شدن، استفاده از یک نمونه دست نخورده را که الزامات ابعادی را برآورده می کند، در اولویت قرار دهید. ② هنگامی که انباشته کردن ضروری است، نمونه هایی با سطوح صاف و صافی زیاد انتخاب کنید و یک لایه بسیار نازک از گریس حرارتی بین لایه ها اعمال کنید. ③ تعداد لایه های انباشته نباید از دو (در هر طرف پروب) تجاوز کند. ④ شرایط آزمایش انباشتگی را در گزارش مشخص کنید و بیان کنید که مقدار اندازه‌گیری شده نشان‌دهنده "رسانایی حرارتی معادل از جمله مقاومت حرارتی بین لایه" است نه ویژگی ذاتی مواد.
چالش 07: آزمایش برای افزایش بیش از حد دما که باعث تغییر در خواص نمونه می شود
دشوار استپدیده | هنگام آزمایش مواد حساس به حرارت (مانند مواد تغییر فاز و آلیاژهای با نقطه ذوب پایین)، حرارت دادن پروب باعث می شود دمای محلی نمونه از نقطه تغییر فاز یا نقطه نرم شدن خود فراتر رود و در نتیجه ظاهر نمونه قبل و بعد از آزمایش تغییر کند.
علت اصلی | روش TPS پاسخ حرارتی را با القای افزایش دما از طریق گرمایش پروب اندازه گیری می کند. دستورالعمل ها مشخص می کنند که افزایش دمای نمونه باید ≤15 درجه سانتیگراد باشد. برای مواد ذخیره‌سازی انرژی با تغییر فاز (که دمای تغییر فاز آنها معمولاً بین 20 تا 60 درجه سانتیگراد متغیر است) یا مواد با نقطه ذوب پایین، افزایش دما 15 درجه سانتیگراد برای شروع تغییر فاز یا نرم شدن کافی است. در این مرحله، خواص حرارتی خود ماده تغییر کرده است و نتایج اندازه‌گیری هدایت حرارتی واقعی ماده را در دمای مورد نظر نشان نمی‌دهد.
اقدامات کاهشی | ① قدرت گرمایش را کاهش دهید و افزایش دما را بین 2 تا 5 درجه سانتیگراد نگه دارید (اگرچه سیگنال ضعیف می شود، اما از تغییر در خواص مواد جلوگیری می کند). ② مدت زمان آزمایش را کوتاه کنید تا گرمای ورودی کل کاهش یابد. ③ برای مواد با دمای تغییر فاز مشخص، آزمایش را در دمایی به اندازه کافی کمتر از دمای تغییر فاز انجام دهید. ④ اگر رسانایی حرارتی نزدیک به دمای تغییر فاز باید اندازه‌گیری شود، از یک دستگاه کنترل دمای خارجی استفاده کنید تا نمونه را روی دمای هدف از پیش تنظیم کنید و سپس آزمایش را با حداقل توان انجام دهید.
چالش 08: ناهنجاری در اکتساب داده ها - نمایشگر لمسی از بین می رود یا ارتباط برقرار نمی شود
مشترکشماره | پس از اتمام تست، صفحه لمسی "شکست در ارتباط" یا "غیر طبیعی اکتساب داده" را نمایش می دهد. نتایج را نمی توان نمایش داد. و فایل های داده صادر شده به درایو USB خالی یا خراب هستند.
علت اصلی | پیوندهای ارتباطی داده شامل سه مرحله است: تراشه اکتساب داده ← ریزپردازنده ARM ← صفحه نمایش لمسی/درایو فلش USB. خرابی های ارتباطی ممکن است ناشی از موارد زیر باشد: ① ناسازگاری سیستم فایل درایو فلش USB (دستگاه ها بهترین سازگاری را با فرمت FAT32 دارند؛ exFAT یا NTFS ممکن است باعث خرابی در نوشتن شود). ② تماس ضعیف در درایو فلش USB یا ظرفیت بیش از حد پشتیبانی شده دستگاه. یا ③ نوسانات برق در طول آزمایش باعث ایجاد وقفه در انتقال داده بین ریزپردازنده ARM و تراشه جمع‌آوری داده می‌شود.
اقدامات کاهشی | ① از یک درایو فلش USB با ظرفیت کم با فرمت FAT32 (ترجیحاً کمتر از 8 گیگابایت) استفاده کنید. از استفاده از فرمت های exFAT یا NTFS خودداری کنید. ② اطمینان حاصل کنید که درایو فلش USB به طور کامل وارد شده است و در طول آزمایش آن را لمس نکنید. ③ اگر ارتباط ناموفق بود، فوراً مجدداً آزمایش نکنید - ابتدا دستگاه را خاموش کرده و مجدداً راه‌اندازی کنید، سپس بررسی کنید که آیا فرآیند خود تشخیصی سیستم به طور معمول کار می‌کند یا خیر. ④ اگر خرابی های ارتباطی اغلب رخ می دهد، از یک مولتی متر برای بررسی پایداری منبع تغذیه AC220V استفاده کنید. در صورت لزوم، یک تنظیم کننده ولتاژ نصب کنید. ⑤ برای دریافت آخرین نسخه نرم افزار آزمایشی و به روز رسانی درایور USB با سازنده تماس بگیرید.
▎V. مقایسه بین روش TPS و سایر روش‌های تست هدایت حرارتی
برای ارزیابی عینی مزایای فنی روش TPS، در زیر با سه روش اصلی تست هدایت حرارتی مقایسه شده است.
| بعد مقایسه | روش TPS (این واحد) | روش لیزر | روش خط تلفن | روش صفحه محافظ |
|---|---|---|---|---|
| اصل اندازه گیری | حالت ناپایدار | حالت ناپایدار | حالت ناپایدار | حالت ثابت |
| پارامترها را بدست آورید | هدایت حرارتی + انتشار حرارتی | نفوذ حرارتی + ظرفیت حرارتی ویژه | هدایت حرارتی | هدایت حرارتی |
| دامنه کاربرد | جامد / مایع / پودر / خمیر / ژل / ذرات | فقط جامد | جامد/مایع | فقط جامد |
| آماده سازی نمونه | بدون نیاز خاص | آماده سازی نمونه پیچیده | الزامات خاص اعمال می شود | سایز بزرگ |
| دقت بهینه | ± 0.5٪ | ± 10% | ± 5٪ | ± 3٪ |
| محدوده هدایت حرارتی | 0.005 ~ 300 | 10 تا 500 | 0.005 ~ 10 | 0.005 ~ 5 |
| زمان تست | 5 تا 160 ثانیه | یکی دو دقیقه | چند ده دقیقه | چندین ساعت |
[نکته فنی] روش TPS مزایای جامعی را در سه بعد ارائه می دهد: دامنه کاربرد (پوشش کامل جامدات، مایعات، پودرها، خمیرها، چسب ها و ذرات). دشواری آماده سازی نمونه (بدون نیاز خاص)؛ و زمان تست (5 تا 160 ثانیه). تنها محدودیت آن این است که اندازه گیری مواد رسانایی حرارتی فوق العاده بالا (> 300 W/(m·K))، مانند مس خالص و الماس، نیاز به مکمل با روش لیزری دارد. برای مواد مهندسی معمولی (0.005-300 W/(m·K))، با این حال، روش TPS انتخاب بهینه کلی باقی می ماند.
نتیجه گیری بررسی
رسانایی سنج حرارتی MY-207 مبتنی بر فناوری منبع حرارت مسطح گذرا TPS است. دقت اندازه گیری 3±% (بهینه 0.5±%) را در محدوده وسیعی از 0.0001-300 W/(m·K) بدست می آورد. یک تست تنها به 5 تا 160 ثانیه نیاز دارد. هیچ الزام خاصی بر هندسه نمونه تحمیل نمی کند. و غیر مخرب و قابل تکرار است. سیستم سه پروب و طراحی کاوشگر دوتایی مارپیچ پایه فنی را برای پوشش وسیع آن تشکیل می دهد. در عملیات عملی، انتخاب و تطبیق پروب مناسب، ابعاد نمونه که فرض "بی نهایت" را برآورده می کند، کیفیت تماس تضمین شده، و زمان تست به درستی تنظیم شده، چهار نقطه کنترل کلیدی برای اطمینان از قابلیت اطمینان داده ها هستند. برای نمونه هایی که کار با آنها با استفاده از روش های مرسوم دشوار است - مانند خمیرها، کلوئیدها، مایعات و پودرها - روش TPS یک مزیت غیرقابل جایگزین از نظر کاربرد دارد.