瞬態熱線法(探針式) Transient Line Source (TLS)

為何要了解材料的熱性能? 熱性能對於各種應用的重要性為何?

瞬態熱線法 (Transient Line Source, TLS) 是一種成熟的絕對測量法，用於測量土壤、岩石、混凝土和聚合物的導熱係數。過去 70 年來，這種熱性能測試方法加速了建築、環境、再生能源業的發展。提供準確的數據對於以下方面至關重要：

  • 預測傳熱：精確的熱導率數據對於設計節能建築和優化電子設備冷卻系統至關重要。
  • 材料選擇和開發：為特定應用選擇合適的材料通常取決於其熱性能。
  • 品質控制和製程監控：需要可靠的導熱率測量來確保產品的一致性並遵守熱性能解決方案。

TLS 方法是一種強大且通用的技術，用於測量不同材料的 TC。讓我們來探討一下它的原理、應用和優點。

了解導熱率

熱導率 (k)是指材料傳遞熱量的能力。換句話說，它是熱量穿過特定材料的速率。導熱率高的材料（例如金屬）可以有效導熱，而導熱係數較低的材料（例如絕緣體）則阻礙傳熱。

熱導率圖表
圖1. 熱導示意圖

精確的熱導測量有利於了解材料是如何幫助或限制熱流以及材料在其預期使用壽命內的性能，對於建築、製造、技術和醫療等各個行業都至關重要。

測量熱導率的方法有多種，其中最常見 3 種標準方法為：

  1. 熱流計 (Heat Flow Meter, HFM)
  2. 瞬態平面熱源法 (Transient Plane Source, TPS)
  3. 瞬態線熱源法 (Transient Line Source, TLS)

瞬態熱線法簡介

歷史與起源

施萊爾馬赫 (Schleiermacher) 於 1888 年在研究氣體熱導率時首次報導了瞬態熱線法理論。 1931 年，Stalhane 和 Pyk 開發了第一個用於瞬態熱線法的套管探頭。然而，直到 1950 年，Hooper 和 Lepper 在認識到保護熱板法的局限性後才詳細闡述了該理論。不久之後，Hooper和Chang於 1953 年開發了第一個官方熱探針。

什麼是 TLS 方法？

瞬態線源 (TLS) 方法是一種簡單、可攜式的方法，用於測試各種材料（主要是土壤、岩石、混凝土和聚合物）的導熱率。 TLS 方法利用細長的探針作為熱源和電阻溫度計。將針完全插入樣品中，將材料加熱一段時間，同時以恆定的時間間隔進行溫度測量。在冷卻期間，以相同的時間間隔重新讀取溫度讀數。

使用所得的數據和以下方程式計算樣品的熱導率：

k=q/4πa

其中 k 是熱導率，單位為 W/mK，q 是針的加熱功率，a 是溫度隨時間對數上升的線的斜率。

瞬態熱線法的工作原理

要使用 TLS 方法進行測量，您必須在樣品中心建立一個與針具有相同直徑和長度的孔。對於泥土等軟樣品，您可以使用撲克工具打孔。然而，對於岩石和混凝土等更具挑戰性的樣品，您必須使用微型鑽頭為感測器打一個孔。測試鑽孔、不均勻或固體材料時，應在針式探頭上塗抹導熱膏，以盡量減少接觸電阻的影響。

插入樣品後，等待十分鐘，讓樣品和感測器達到等溫。在測量過程中，針以恆定的速率將熱量傳遞到樣品中，並記錄規定時間內的溫度。然後，使用繪圖的斜率來計算熱導率 (k)。

顯示 TLS 方法如何運作的視覺指南。
圖 2. 顯示 TLS 方法如何運作的視覺指南。

TLS 快速指南：

  1. 探頭插入： 將包含加熱元件和溫度感測器的細長探頭插入被測材料中。
  2. 熱脈衝應用： 受控電流通過加熱元件，在探頭內產生短熱脈衝。
  3. 溫度監控： 探頭的溫度感測器記錄熱量擴散到周圍材料時的溫度升高。
  4. 數據分析： 使用專門的軟體對收集到的溫度數據進行分析，以計算材料的導熱率。

瞬態熱線法的優點與應用

在開發 TLS 方法之前，科學家主要使用防護熱板 (GHP) 方法來測量材料的熱性能。該技術必須在實驗室條件下進行測量，通常需要較長的測試時間和較大的樣本量；因此，為什麼需要很少設定的高度便攜式瞬態探頭的概念是非常值得期待的。 TLS 探頭的堅固設計允許進行實驗室或現場測試，並且與其他 TC 測量技術相比具有多種優勢。

TLS 方法的主要優點之一是其可移植性。堅固的設計使得該方法能夠透過簡單的樣品設置提供準確的原位和實驗室測量結果。與其他方法相比，TLS 技術快速、易於使用且可靠。事實證明，即使在測試含有水分的多孔材料時，該方法也能發揮作用。穩態方法無法解釋水分蒸發和冷凝對熱導率的變化，因此瞬態線方法給出了最準確的結果。

TLS 方法是建築業的首選方法
圖 3. TLS 方法是建築業的首選方法。瞬態線源方法可應用於各個產業，其中最常見的是建築、再生能源和環境技術。這種方法在建築業中受到高度青睞，因為它破壞性較小，並且可以解釋建築和 隔熱材料內部的水分。由於其卓越的土壤測試能力，該方法在環境研究中也越來越受歡迎，包括管道和地下電力線。

與其他熱導率測量方法的比較

雖然 TLS 方法具有顯著的優勢，但有必要將其與瞬態平面源 (TPS)、瞬態熱線 (THW) 和熱流計 (HFM) 技術等其他標準技術進行比較。

瞬態平面熱源 (TPS)

TPS 方法採用與樣品材料表面接觸的盤形感測器。熱脈衝通過感測器發送，並記錄由此產生的上升。然後根據感測器溫度恢復到原始狀態的速率計算樣品材料的熱導率。此方法最適合測試固體、糊劑和粉末。

瞬態熱絲法 (THW)

THW 方法由一根細電熱絲完全浸入待測量的小體積樣品中組成。電流通過金屬絲，不僅加熱金屬絲，還加熱樣品。隨著時間的推移測量電線中的電阻，由此可以確定測試樣品的熱性能。 THW 方法測試液體和相變材料的熱性能。

熱流計 (HFM)

HFM 是一種確定絕緣材料和建築材料導熱係數的穩態方法。此方法將樣品放置在已知溫差的兩個板之間。然後測量通過樣品的熱流速率，並可根據樣品尺寸計算熱導率。

與其他技術相比，TLS 可以測試許多材料，包括土壤、岩石、混凝土、聚合物、潮濕和多孔材料甚至液體。該方法還非常便攜、緊湊且便宜。與穩態 HFM 方法不同，TLS 不需要實驗室測試或大樣本量。 TLS 方法通常提供更通用、更有效率的替代方案，特別是對於不同的材料類型。

下一章節 將討論 TLS 進行研究與應用的實際案例 …

(English version)

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