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BRR比热容测试仪测试比热容方法验证

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江苏中设集团试验检测中心有限公司

用BRR比热容测试仪测试比热容方法验证确认
一、概述
BRR比热容测试仪采用冷却混合法。因土样的不均质特性，在取样的量上充分考虑了土样的代表性。在土样中心插入热电偶，可准确测量土样热量传递过程，与水温热电偶数值比较，能判断热量传递后达到温度平衡状态。本装置采用了高精度的测温热电偶和测温仪表，保证了测量的准确性。
二、验证目的
为确认BRR比热容测试仪测试土样样品比热容结果的可靠性。
三、验证依据
1、《比热容测试方法》Q/JZJC02-2011
2、BRR比热容测试仪使用说明书
四、验证方法
(1)样品选取
选取试样(土样编号G1-10)
(2）试验用配套设备
①高精度恒温箱。
②铜质试样筒。
③保温桶。
④插入式测温热电偶。
⑤高精度测温仪表。
⑥称重设备（电子天平1000g/0.1g）。
(3）标准样品的选取
选取纯水为标准试样，纯水的比热容为4.2×103J／(kg·℃)
(4）土样样品的测试
①将土样装入试样筒内，称重，计算试样重量（试样重量=总重-试样筒重量）。
②将装好样的试样筒放入恒温箱（或恒温水槽）中加温，当土样中温度与恒温箱温度相等时，认为土样温度均匀。此时的温度为土样温度（土样下落时的初温）。
③保温桶中装入一定重量的纯水，测温热电偶读出水的温度（保温桶水的初温）。
④快速从恒温箱中把土样倒入保温桶的水中。
⑤摇动保温桶，记录水和土样混合物温度，当温度不变化时，混合物温度是水的计算终温。

（5）计算公式

C=4.2×G1×(T3-T2)/ G2×(T1-T3)
C=4.2×
式中：
4.2—纯水在t3到t2温度范围内的平均比热容(J/kg.K);
T1—土样下落时的初温（℃）;
T2—保温桶中水的初温（℃）;
T3—保温桶中水的计算终温（℃）;
G1—水重量（g）;
G2—土样重量（g）;
(T3-T2)为水温上升值;
(T1-T3)为土样品温度下降值。

五、测试结果不确定度分析
（1）测试原理
根据牛顿冷却定律用冷却法测定物质的比热容是热学中常用的方法之一。本测试方法以纯水为标准样品，而测定土样、水的比热容为 4.2kJ/(kg·℃)，将加热的土样（温度及热电偶测量）放入水中，水放入恒温保温瓶中。水随着加热的土样而温度升高，热电偶数字显示水的温度，热电偶的冷端放入冰块中，热电偶测温技术是当前生产实际中常用的测试方法，它比一般的温度计测温方法有着测量范围广，测量值精度高，可以自动补偿热电偶的非线性因素等优点。
单位质量的物质，其温度升高或降低1K（或1℃）所需的或失放热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为M1的土样加热后，放到较低温度的介质（例如水）中，样品将会逐渐冷却。其单位时间的热量损失（△Q/△t）与温度下降的速率成正比，于是得到下述关系式：
（1）

式（1）中C1为该土样样品在温度θ1时的比热容，为土样样品在θ1的温度下降速率。
单位质量的水，其温度升高1K（或1℃）所需的热量称为该物质的比热容，其值随温度而变化。将质量为M1的加热土样样品，放到较低温度的介质水中，样品将会逐渐冷却。水的温度上升，其单位时间的得到热量（△Q/△t）与温度上升的速率成正比，于是得到下述关系式：
（2）

式（2）中C2为土样品在温度θ2时的比热容，为土样品在θ2的温度上升速率，
当在水中的温度稳定后，水与土样处于同一温度

（3）

已知纯水的比热容C2为4.2kJ/(kg·℃、质量M2；待测土样样品的质量M1及两样品在温度θ时冷却速率之比，就可以求出待测的土样的比热容C1。
土样的比热容可从下式得到:
C1=4.2×(M2×ΔT2)/(M1×ΔT1)
式中ΔT2 为水温上升值; ΔT1为土样样品温度下降值。

（2）误差分析
根据
C=4.2×
式中：
4.2—纯水在t3到t2温度范围内的平均比热容(J/kg.K);
T1—土样下落时的初温（℃）;
T2—保温桶中水的初温（℃）;
T3—保温桶中水的计算终温（℃）;
G1—纯水质量（g）;
G2—土样质量（g）;

样品比热容C 的误差由以下因素有关:
1)常量(4.2kJ/(kg·℃)的误差:误差为0.05 kJ/(kg·℃;
2)土样下落时的初温测量误差ΔT1:误差为0.2℃;
3)保温桶中水的初温测量误差ΔT2:误差为0.2℃;
4)保温桶中水的计算终温测量误差ΔT3:误差为0.2℃;
5)水质量称重误差ΔG1:误差为0.2g;
6)土样质量称重误差ΔG2:误差为0.2g。
根据以上分析，可得到不确定度的计算公式为：

在这试验中
1)土样下落时的初温T1为50.00℃
3)保温桶中水的初温T2为18.90℃
4)保温桶中水的终温T3为23.89℃
5)纯水质量称重G1为368.50g
6)土样质量称重G2为159.90g
C=4.2×368.50×(23.89-18.90)/(159.90×(50-23.89)=1.858 kJ/(kg·℃

=0.045
ΔC=0.045×1.858=0.084 kJ/(kg·℃

六、验证结论

本测试方法误差在5%以内,同无锡水文工程地质勘察院试验室对相同样品的比对结果误差在3%以内,(见附测试报告)本测试方法有效。

江苏中设集团试验检测中心有限公司
2011年5月25日

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