Heat Flow Meter - Thermal Conductivity Tester

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Heat Flow Meter – Thermal Conductivity Tester QualiHFM™ 2000

The QualiHFM™ 2000 Heat Flow Meter and Thermal Conductivity Tester measures thermal conductivity, an essential property for assessing material heat resistance and insulation performance.

The QualiHFM™ 2000 accurately measures the thermal conductivity of uniform plate materials, including plastics, rubber, glass, fiberboard, styrene board, extruded board, foamed concrete, hollow glass, and wood board. It also supports testing of granular, bulk, and soft materials under varying temperature conditions to deliver precise and reliable measurement results.

Heat Flow Meter – Thermal Conductivity Tester QualiHFM™ 2000 Features

  • Stable PLC Control: An OMRON programmable logic controller (PLC) CPU unit with a dedicated temperature expansion module provides strong interference resistance and stable operation.

  • Reliable Isolation Control: Solid-state, contactless switching delivers high reliability, low noise, and rapid switching performance.

  • RS-232 Connectivity: A standard RS-232 serial port provides convenient and reliable communication.

  • Precise Temperature Regulation: Software-based PID self-tuning optimizes control parameters to maintain accurate temperature conditions.

  • Multi-Specimen Testing: The system accommodates three groups of six specimens simultaneously, helping minimize thermal conductivity deviations caused by system errors.

  • Flexible Operation: The software control system supports automatic and manual operating modes to meet different testing requirements.

Theory & Method

The QualiHFM™ Heat Flow Meter thermal conductivity tester series, including the QualiHFM™ 2000 and QualiHFM™ 510A, measures thermal conductivity (λ) using the steady-state heat flux method. The instrument establishes a controlled temperature difference (ΔT) across a specimen positioned between two temperature-regulated plates. Thermal transport properties are then calculated using Fourier’s Law of Heat Conduction in accordance with ASTM C518, ISO 8301, and DIN EN 12667.

Core Measurement Principle

A test specimen measuring 300 mm × 300 mm, with a thickness (d) ranging from 10 mm to 60 mm, is placed between the upper and lower plates. Integrated thermoelectric modules regulate the plate temperatures from -5°C to 95°C, with a resolution of 0.01°C, establishing a one-dimensional temperature gradient across the specimen.

Heat flows from the warmer plate through the test material toward the cooler plate. Once steady-state heat transfer is established, calibrated heat flux transducers measure the heat flux density (q). The instrument then calculates thermal conductivity using Fourier’s equation:

λ = (q × d) / ΔT

Where:

  • λ — Thermal Conductivity: Measured over a range of 0.001 to 2.000 W/(m·K), with an accuracy of ±3%.

  • q — Heat Flux Density: The measured rate of heat energy transfer per unit surface area.

  • d — Specimen Thickness: The actual sample thickness measured during testing, with a standard baseline of 25 mm.

  • ΔT — Temperature Difference: The temperature difference between the hot and cold plates.

  • R — Thermal Resistance: The calculated thermal resistance, with a specified value of ≥ 0.02 m²·K/W.

Testing Workflow and Instrument Architecture

The QualiHFM™ Thermal Conductivity Tester combines automated plate positioning with software-controlled temperature regulation to support consistent thermal conductivity measurements.

1. Specimen Placement: Place flat material specimens on the lower plate. Suitable materials include plastics, rubber, glass, fiberboard, styrene board, extruded board, foamed concrete, wood, and soft materials. The specimen surface flatness should remain within 0.1 mm.

2. Motorized Clamping: Automated plate drives apply a controlled clamping force of ≤ 2.5 kPa, ensuring uniform contact between the specimen and the plates while minimizing insulating air gaps.

3. PID Temperature Control: An industrial OMRON PLC CPU unit with dedicated expansion modules uses software-based PID self-tuning to stabilize the hot and cold plates at their specified temperature setpoints.

4. Equilibrium Detection: Solid-state, contactless switching provides low-noise isolation control while heat flux sensors monitor heat transfer. The system can test three groups of six specimens, helping reduce measurement deviations associated with system errors.

5. Automated Calculation: Through the RS-232 connection, the software records specimen thickness readings, plate temperatures, and transducer voltage signals. Thermal conductivity (λ) and thermal resistance (R) are calculated and displayed in real time.

Error Prevention and Measurement Controls

To ensure high repeatability (±1%), the QualiHFM™ Heat Flow Meter thermal conductivity tester addresses key testing variables directly:

Testing Factor Impact on Measurement System Control Mechanism
Interfacial Contact Resistance Surface gaps add unwanted thermal resistance, skewing conductivity values lower.
  • Motorized plates deliver uniform clamping force (≤ 2.5 kPa)
  • Flexible thermal interface pads flatten micro-surface roughness
Side Thermal Losses Heat escaping horizontally breaks one-dimensional heat transfer assumptions. Active thermal guard zones surround the 300 × 300 mm testing surface to direct heat strictly top-to-bottom.
Temperature Fluctuation Plate temperature drift delays steady-state conditions and alters sensor outputs. PID self-tuning software coupled with OMRON PLC modules holds temperature stability down to 0.01°C.
Thickness Variations Inaccurate thickness tracking causes linear calculation errors in Fourier's formula. Integrated digital encoders track sample thickness throughout the 10 mm to 60 mm range in real time.

Method Comparison: QualiHFM™ vs. Alternative Rigs

Instrument Class Testing Speed Target Material Types Operating Advantages
QualiHFM™ Heat Flow Meter Fast (20 to 60 mins) Plastics, rubber, glass, fiberboard, foamed concrete (0.001 - 2.000 W/m·K) High sample throughput, ±1% repeatability, OMRON PLC control, fully compliant with ASTM C518 and ISO 8301.
Guarded Hot Plate (GHP) Slow (4 to 8 hours) Primary laboratory reference standards Absolute accuracy, but high equipment costs and long test cycles.
Transient Flash Systems Seconds Metals, dense ceramics, liquids Best for high conductors; less practical for low-density insulations.

Heat Flow Meter - Thermal Conductivity Tester QualiHFM™ 2000 Technical Specifications

Thermal conductivity measurement range 0.001—2.000 W/(m•K)
Thermal resistance measurement range ≥0.02 m²•K/W
Thermal conductivity measurement accuracy ±3%
Thermal conductivity measurement repeatability ±1%
Temperature control range -5~95℃
Temperature resolution 0.01℃
Specimen size 300mm×300mm×H(10 ~ 60) mm
Specimen flatness 0.1mm
Standard thickness 25mm
Clamp force ≤2.5kPa
Ambient temperature 15-30 ℃, standard temperature 23±2℃
Humidity 20-80%RH, standard 40-60%RH
Voltage AC 220V±10%, 2.5kW (110V is also available)

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