ISO 21901:2021
(Main)Thermal insulation — Test method for thermal diffusivity — Periodic heat method
Thermal insulation — Test method for thermal diffusivity — Periodic heat method
This document specifies a periodic heat method for measurement of the thermal diffusivity of thermal insulation material in the shape of a flat plate.
Isolation thermique — Méthode d’essai pour la diffusivité thermique — Méthode de chauffage périodique
Le présent document spécifie une méthode de chauffage périodique pour mesurer la diffusivité thermique des matériaux isolants thermiques sous forme de plaque plane.
General Information
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21901
First edition
2021-02
Thermal insulation — Test method
for thermal diffusivity — Periodic
heat method
Isolation thermique — Méthode d’essai pour la diffusivité thermique
— Méthode de chauffage périodique
Reference number
ISO 21901:2021(E)
©
ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 2
5 Principle . 3
5.1 General . 3
5.2 Calculation of thermal diffusivity . 3
6 Test specimen . 6
6.1 Sample . 6
6.2 Details of test specimen . 6
6.3 Machining of test specimen . 6
6.3.1 When using two test specimens . 6
6.3.2 When using a single test specimen . 7
7 Apparatus . 8
7.1 General . 8
7.2 Temperature measurement instrument . 9
8 Procedure. 9
8.1 Rounding numbers . 9
8.2 Period of temperature change . 9
8.3 Amplitude of temperature change .10
8.4 Measurement method .10
8.5 Calculation of thermal diffusivity .11
8.6 Calculation of thermal conductivity .11
9 Test report .11
Annex A (normative) Size of test specimen and period of temperature change.12
Annex B (informative) Measurement considerations .15
Bibliography .16
© ISO 2021 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 163, Thermal performance and energy use
in the built environment, Subcommittee SC 1, Test and measurement methods.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 21901:2021(E)
Thermal insulation — Test method for thermal diffusivity
— Periodic heat method
1 Scope
This document specifies a periodic heat method for measurement of the thermal diffusivity of thermal
insulation material in the shape of a flat plate.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 8302:1991, Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related
properties — Guarded hot plate apparatus
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
phase
quantity that shows the stage of progress in one period (3.5) of wave motion and other periodic
phenomenon
EXAMPLE ωϕt+ in yA= sin ωϕt+ is the phase.
()
1 1
3.2
phase lag
difference between two phases (3.1) provided by periodic temperature changes measured at two
different points on the surface and inside a test specimen
EXAMPLE When the periodic temperature changes 1 and 2 are given by yA= sin ωϕt+ and
()
11 1
yA= sin ωϕt+ , respectively, the phase lag between them is ϕϕ− .
()
22 2 21
3.3
amplitude
half of the difference between the maximum and minimum values of the amount of displacement in a
periodic temperature change
EXAMPLE A in a sine wave given by Atsin()ωϕ+ or Aiexp[]()ωϕt+ refers to the amplitude.
© ISO 2021 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
3.4
amplitude ratio
ratio of two amplitudes (3.3) provided by periodic temperature changes measured at any point on the
surface and inside a test specimen.
EXAMPLE When the periodic temperature changes y on the surface and y inside the test specimen are
1 2
given by yA= sin()ωϕt+ and yA= sin()ωϕt+ , respectively, the amplitude ratio between the two
11 1 22 2
amplitudes is AA .
21
3.5
period
reproduction interval of a periodic phenomenon (or a periodic function)
Note 1 to entry: When the time interval is constant, the period f is given by fv==12πω , where v is the
frequency (3.6) and ω is the angular frequency (3.7).
3.6
frequency
number of repetitions of the same state within a certain time interval of any temporal periodic
phenomena
Note 1 to entry: It is expressed as vf=1 , where f is the period (3.5).
3.7
angular frequency
rotation angle per second
Note 1 to entry: Angular frequency is obtained by multiplying the frequency (3.6) v by 2π ( 2πv ) or by multiplying
the reciprocal of the period (3.5) f by 2π ( 2π f ).
4 Symbols
The symbols used in this document are given in Table 1.
Table 1 — Symbols
Symbol Quantity Unit
2
a Thermal diffusivity m /s
c Specific heat capacity
J/(kg・K)
D Difference %
Thickness of test specimen (total thickness of the two pieces when using two
m
d
stacked test pieces in a measurement)
f Period s
i Imaginary unit -
k Damping coefficient 1/m
L Length of one side of test specimen m
l Distance from periodic heating surface (dx− ) m
m
m Mass prior to measuring thermal diffusivity (prior to grooving) kg
Absolute temperature K
T
3
V Volume prior to measuring thermal diffusivity (prior to grooving) m
x x coordinate m
x Location of temperature measurement point inside a test specimen m
m
ε Phase lag on x = 0 surface
rad
η
Arbitrary phase rad
2 © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
Table 1 (continued)
Symbol Quantity Unit
θ Temperature °C
λ Thermal conductivity W/(m·K)
v Frequency 1/s
π
Circular constant -
3
ρ
Density, bulk density kg/m
ϕ
Phase lag at x = x cross section rad
m
ω
Angular frequency 1/s
5 Principle
5.1 General
The periodic heat method is a method for obtaining thermal diffusivity by measuring the temperature
at two different points in a test specimen. Thermal diffusivity is evaluated by the phase lag between
two phases provided by periodically changing the temperature of one side surface of the test specimen.
Here, those temperatures are measured at any point on the heating surface and inside (the internal
plane perpendicular to the direction of thermal diffusion) the test specimen.
This measurement method uses a solution of the heat conduction equation that is obtained under the
condition that the temperature on one side of a test specimen changes as a trigonometric function of
time and the change propagates in a one-dimensional direction, and further, the temperature on the
opposite side is kept constant.
The periodical temperature change on the heated surface shall be expressed by a trigonometric
function of time.
It is contrary to the measurement principle to generate a distorted temperature change on the heated
surface. In addition, in reality, the waveform easily changes in a distorted temperature change during
propagation in a test specimen, and this becomes a cause of measurement errors.
5.2 Calculation of thermal diffusivity
As shown in Figure 1, the x-axis is taken upward along the thickness direction of a test specimen, and
the heat dissipation surface (the surface in contact with the low-temperature side heater) of the test
specimen with thickness d is set as the origin, while the heating surface is set at x = d. Accordingly, as
shown by the thick arrow, heat flows downward from the heating surface to the heat dissipation
surface. At the heat dissipation surface, the temperature is kept constant, and the temperature of the
heating surface is changed periodically based on θθ++sin ωηt . Under these conditions, the phase
()
H 0
lag (rad) between the point at x = d and an arbitrary point at x = x is obtained by solving the one-
m
dimensional heat conduction equation. As a result, Formula (1) is given (see Figure 2).
© ISO 2021 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
Key
1 test specimen
2 heat flow
Figure 1 — Relation between test specimen and coordinate (one-dimensional heat flow, in the
case θ is kept constant)
L
Key
1 phase lag
2 amplitude
Figure 2 — Periodic temperature change, in the case θ is kept constant
L
sinhkx 1+i
()
m
ϕ=arg (1)
sinhkd()1+i
The damping coefficient k in Formula (1) is defined by Formula (2).
ω
k= (2)
2a
Also, the angular frequency ω is defined by Formula (3).
2π
ω= (3)
f
At this time, mean temperature of a test specimen θ is calculated by Formula (4).
S
θθ=+θ /2 (4)
()
SH L
When using Formula (1), the surface temperature on the low-temperature side of a test specimen shall
always be controlled so as to be constant.
4 © ISO 2021 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
If the periodical temperature changes on the low-temperature side, as described in Figure 3, it is also
possible to solve the phase lag between x = d and x = x by solving the one-dimensional heat conduction
m
equation in the same manner as shown above. However, in this case, thermal diffusivity is calculated
using the phase lag and the amplitude ratio.
Key
1 test specimen
2 heat flow
Figure 3 — Relation between test specimen and coordinates (one-dimensional heat flow,
in the case θ changes periodically)
L
Key
1 phase lag
2 amplitude
Figure 4 — Periodic temperature change, in the case θ changes periodically
L
As a result, Formula (5) is given (see Figure 4). The coefficients used in Formula (5) are shown in
Formulae (6), (7), (8) and (9). The damping coefficient k and the angular frequency ω are defined in
Formulae (2) and (3).
If the temperature on the low-temperature side is constant, Formula (5) is equal to Formula (1).
00 if θϕcosc++θϕos ε ≥ ,
θϕsins++θϕin ε () ()
() ()
11HH LL
11HH LL
ϕ=arctan + (5)
θϕcosc++θϕos ε
() () πθ if coscϕθ+ oss,ϕε+ < 0
() ()
11HH LL
11HH L L
cosh()22kx −cos()kx
mm
θθ= (6)
10H
cosh()22kd −cos()kd
cosh()22kl −cos()kl
θθ= (7)
12L
cosh 22kd −cos kd
() ()
© ISO 2021 – All rights reserved 5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 21901:2021(E)
sinh kx ()1+i
{}
m
ϕ =arg (8)
H
sinh kd 1+i
{}()
sinh kl 1+i
{}()
ϕ =arg (9)
L
sinh{}kd()1+i
6 Test specimen
6.1 Sample
The test specimen taken from the sample shall satisfy the homogeneity prescribed in ISO 8302:1991,
1.8.2. Here, the term “homogeneous” means that raw materials such as fibres and particles constituting
the specimen are distributed evenly along the direction of heat flow. Namely, the distribution of fibres
and particles is independent of their location in the specimen, and there are no extreme voids inside the
specimen. The thermal diffusivity of various kinds of materials like fibrous insulations such as ceramic
fibre, rock wool, glass fibre and fibrous board, and furthermore, styrene foam, urethane foam, brick
and concrete can be measured by applying the periodic heat method. However, the thermal diffusivity
of materials which undergo phase change, release gases, expand or shrink excessively or deform as a
result of phenomena such as cracks cannot be measured by this method.
6.2 Details of test specimen
The details of the test specimen are as follows.
a) The dimensions of the test specimen shall be the same as those of the heater for periodic heating
with the dimensional tolerance of ±2 mm with respect to the heater dimensions.
b) The relationship between the length L of one side and the thickness d of the test specimen should be
restricted so as to reduce the error due to heat inflow (outflow) from the edges of the test
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 21901
Première édition
2021-02
Isolation thermique — Méthode
d’essai pour la diffusivité thermique
— Méthode de chauffage périodique
Thermal insulation — Test method for thermal diffusivity — Periodic
heat method
Numéro de référence
ISO 21901:2021(F)
©
ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles . 3
5 Principe . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Calcul de la diffusivité thermique . 4
6 Éprouvette . 6
6.1 Échantillon . 6
6.2 Caractéristiques détaillées de l’éprouvette . 7
6.3 Usinage de l’éprouvette . 7
6.3.1 En cas d’utilisation de deux éprouvettes. 7
6.3.2 En cas d’utilisation d’une seule éprouvette . 8
7 Appareillage . 9
7.1 Généralités . 9
7.2 Instrument de mesure de la température . 9
8 Mode opératoire.10
8.1 Arrondi des nombres .10
8.2 Période de variation de la température .10
8.3 Amplitude de variation de la température.10
8.4 Méthode de mesure .10
8.5 Calcul de la diffusivité thermique .11
8.6 Calcul de la conductivité thermique .11
9 Rapport d’essai .11
Annexe A (normative) Taille de l’éprouvette et période de variation de la température .12
Annexe B (informative) Considérations relatives au mesurage .15
Bibliographie .16
© ISO 2021 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 163, Performance thermique et
utilisation de l’énergie en environnement bâti, sous-comité SC 1, Méthodes d’essais et de mesurage.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE ISO 21901:2021(F)
Isolation thermique — Méthode d’essai pour la diffusivité
thermique — Méthode de chauffage périodique
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode de chauffage périodique pour mesurer la diffusivité
thermique des matériaux isolants thermiques sous forme de plaque plane.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 8302:1991, Isolation thermique — Détermination de la résistance thermique et des propriétés connexes
en régime stationnaire — Méthode de la plaque chaude gardée
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
phase
grandeur qui représente l’état d’avancement au cours d’une période (3.5) de mouvement ondulatoire et
autre phénomène périodique
EXEMPLE ωϕt+ correspond à la phase dans yA= sin()ωϕt+ .
1 1
3.2
déphasage
différence entre deux phases (3.1) résultant de variations périodiques de la température mesurées en
deux points différents sur la surface et à l’intérieur d’une éprouvette
EXEMPLE Lorsque les variations périodiques de la température 1 et 2 sont données par yA= sin ωϕt+
()
11 1
et yA= sin ωϕt+ , respectivement, le déphasage entre elles est ϕϕ− .
()
22 2 21
3.3
amplitude
moitié de la différence entre les valeurs maximale et minimale de la quantité de déplacement au cours
d’une variation périodique de la température
EXEMPLE Dans une onde sinusoïdale donnée par Atsin ωϕ+ ou Aiexp ωϕt+ , A fait référence à
() []()
l’amplitude.
© ISO 2021 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
3.4
rapport d’amplitude
rapport de deux amplitudes (3.3) résultant de variations périodiques de la température mesurées en un
point quelconque sur la surface et à l’intérieur d’une éprouvette
EXEMPLE Lorsque les variations périodiques de la température y sur la surface et y à l’intérieur de
1 2
l’éprouvette sont données par yA= sin()ωϕt+ et yA= sin()ωϕt+ , respectivement, le rapport d’amplitude
11 1 22 2
entre les deux amplitudes est AA .
21
3.5
période
intervalle de reproduction d’un phénomène périodique (ou d’une fonction périodique)
Note 1 à l'article: Lorsque l’intervalle de temps est constant, la période f est donnée par fv==12πω , où v est
la fréquence (3.6) et ω est la fréquence angulaire (3.7).
3.6
fréquence
nombre de répétitions du même état dans un intervalle de temps donné d’un phénomène périodique
temporel quelconque
Note 1 à l'article: Elle est exprimée par vf=1 , où f est la période (3.5).
3.7
fréquence angulaire
angle de rotation par seconde
Note 1 à l'article: La fréquence angulaire est obtenue en multipliant la fréquence (3.6) v par 2π ( 2πv ) ou en
multipliant l’inverse de la période (3.5) f par 2π ( 2π f ).
2 © ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
4 Symboles
Les symboles utilisés dans le présent document sont indiqués dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles
Symbole Grandeur Unité
2
a Diffusivité thermique m /s
c Capacité thermique spécifique J/(kg・K)
D Différence %
Épaisseur de l’éprouvette (épaisseur totale des deux éprouvettes en cas d’utili-
d m
sation de deux éprouvettes empilées pour un mesurage)
f
Période s
i Unité imaginaire -
Coefficient d’amortissement 1/m
k
L Longueur d’un côté de l’éprouvette m
l Distance par rapport à la surface de chauffage périodique (dx− ) m
m
m Masse avant de mesurer la diffusivité thermique (avant rainurage) kg
T Température absolue K
3
V Volume avant de mesurer la diffusivité thermique (avant rainurage) m
x Coordonnée x m
Emplacement d’un point de mesure de la température à l’intérieur d’une
x m
m
éprouvette
ε Déphasage sur une surface x = 0
rad
η
Phase arbitraire rad
θ Température °C
λ Conductivité thermique W/(m·K)
v
Fréquence 1/s
π
Constante circulaire -
3
ρ
Masse volumique, masse volumique apparente kg/m
ϕ
rad
Déphasage sur une section x = x
m
ω
Fréquence angulaire 1/s
5 Principe
5.1 Généralités
La méthode de chauffage périodique est une méthode qui permet d’obtenir la diffusivité thermique
en mesurant la température en deux points différents d’une éprouvette. La diffusivité thermique
est évaluée au moyen du déphasage entre deux phases obtenues en faisant varier périodiquement la
température sur une surface latérale de l’éprouvette. Ici, ces températures sont mesurées en un point
quelconque sur la surface chauffante et à l’intérieur (plan interne perpendiculaire à la direction de
diffusion thermique) de l’éprouvette.
Cette méthode de mesure utilise une solution de l’équation de la conduction thermique qui est obtenue
à condition que la température sur un côté de l’éprouvette varie selon une fonction trigonométrique
du temps et que la variation se propage dans une direction unidimensionnelle et, qu’en outre, la
température sur le côté opposé soit maintenue constante.
La variation périodique de la température sur la surface chauffée doit être exprimée par une fonction
trigonométrique du temps.
© ISO 2021 – Tous droits réservés 3
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
Il est contraire au principe de mesure de générer une variation déformée de la température sur la
surface chauffée. En outre, en réalité, la forme d’onde varie facilement en cas de variation déformée de la
température pendant la propagation dans une éprouvette et cela devient une source d’erreurs de mesure.
5.2 Calcul de la diffusivité thermique
Comme illustré sur la Figure 1, l’axe des abscisses est l’axe vertical vers le haut le long de la direction de
l’épaisseur d’une éprouvette, et la surface de dissipation de chaleur (la surface en contact avec l’élément
chauffant du côté basse température) de l’éprouvette d’une épaisseur d est prise comme origine, tandis
que la surface chauffante est prise à x = d. Par conséquent, comme le montre la flèche épaisse, la chaleur
circule vers le bas, de la surface chauffante jusqu’à la surface de dissipation de chaleur. La température
est maintenue constante sur la surface de dissipation de chaleur, tandis que la température de la surface
chauffante est modifiée périodiquement selon la formule θθ++sin()ωηt . Dans ces conditions, le
H 0
déphasage (rad) entre le point situé à x = d et un point arbitraire situé à x = x est obtenu en résolvant
m
l’équation de la conduction thermique unidimensionnelle. On obtient donc la Formule (1) (voir la
Figure 2).
Légende
1 éprouvette
2 flux thermique
Figure 1 — Relation entre l’éprouvette et la coordonnée (flux thermique unidimensionnel, dans
le cas où θ est maintenue constante)
L
Légende
1 déphasage
2 amplitude
Figure 2 — Variation périodique de la température, dans le cas où θ est maintenue constante
L
4 © ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
sinhkx ()1+i
m
ϕ=arg (1)
sinhkd 1+i
()
Le coefficient d’amortissement k de la Formule (1) est défini par la Formule (2).
ω
k= (2)
2a
De plus, la fréquence angulaire ω est définie par la Formule (3).
2π
ω= (3)
f
À ce moment-là, la température moyenne d’une éprouvette θ est calculée à l’aide de la Formule (4).
S
θθ=+θ /2 (4)
()
SH L
Lorsque la Formule (1) est utilisée, la température de surface sur le côté basse température d’une
éprouvette doit toujours être régulée de manière qu’elle reste constante.
Si la température varie périodiquement sur le côté basse température, comme décrit sur la Figure 3, il
est aussi possible de résoudre le déphasage entre x = d et x = x en résolvant l’équation de la conduction
m
thermique unidimensionnelle comme indiqué ci-dessus. Toutefois, dans ce cas, la diffusivité thermique
est calculée à l’aide du déphasage et du rapport d’amplitude.
Légende
1 éprouvette
2 flux thermique
Figure 3 — Relation entre l’éprouvette et les coordonnées (flux thermique unidimensionnel,
dans le cas où θ est maintenue constante)
L
© ISO 2021 – Tous droits réservés 5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
Légende
1 déphasage
2 amplitude
Figure 4 — Variation périodique de la température, dans le cas où θ varie périodiquement
L
On obtient donc la Formule (5) (voir la Figure 4). Les coefficients utilisés dans la Formule (5) sont
illustrés dans les Formules (6), (7), (8) et (9). Le coefficient d’amortissement k et la fréquence angulaire
ω sont définis dans les Formules (2) et (3).
Si la température sur le côté basse température est constante, la Formule (5) est égale à la Formule (1).
00 if θϕcosc++θϕos ε ≥ ,
θϕsins++θϕin ε () ()
() ()
11HH LL
11HH LL
ϕ=arctan + (5)
θϕcosc++θϕos ε
() () πθ if coscϕθ+ oss,ϕε+ < 0
() ()
11HH LL
11HH L L
cosh()22kx −cos()kx
mm
θθ= (6)
10H
cosh()22kd −cos()kd
cosh()22kl −cos()kl
θθ= (7)
12L
cosh 22kd −cos kd
() ()
sinh{}kx ()1+i
m
ϕ =arg (8)
H
sinh{}kd()1+i
sinh{}kl()1+i
ϕ =arg (9)
L
sinh kd 1+i
{}()
6 Éprouvette
6.1 Échantillon
L’éprouvette prélevée sur l’échantillon doit respecter l’homogénéité spécifiée dans l’ISO 8302:1991, 1.8.2.
Ici, «homogène» signifie que les matières premières, telles que les fibres et particules qui constituent
l’éprouvette, sont distribuées uniformément le long de la direction du flux thermique. C’est-à-dire que
la distribution des fibres et des particules est indépendante de leur emplacement dans l’éprouvette et
qu’il n’y a aucun vide extrême à l’intérieur de l’éprouvette. La méthode de chauffage périodique permet
de mesurer la diffusivité thermique de différents types de matériaux isolants fibreux, tels que la fibre
céramique, la laine de roche, la fibre de verre et les panneaux fibreux, mais aussi la mousse de styrène,
la mousse d’uréthanne, la brique et le béton. Cette méthode ne permet toutefois pas de mesurer la
diffusivité thermique des matériaux qui subissent une variation de phase, libèrent des gaz, se dilatent
ou se rétractent excessivement ou se déforment suite à des phénomènes tels que les fissures.
6 © ISO 2021 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 21901:2021(F)
6.2 Caractéristiques détaillées de l’éprouvette
Les caractéristiques détaillées de l’éprouvette sont les suivantes.
a) Les dimensions de l’éprouvette doivent être les mêmes que celles de l’élément chauffant pour le
chauffage périodique avec une tolérance dimensionnelle de ±2 mm par rapport aux dimensions de
l’élément chauffant.
b) Il convient que la relation entre la longueur L d’un côté et l’épaisseur d de l’éprouvette soit limitée
afin de réduire l’erreur due au flux de chaleur entrant (sortant) par les bords de l’éprouvette. Il
convient aussi que l’épa
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21901
First edition
Thermal insulation — Test method
for thermal diffusivity — Periodic
heat method
Isolation thermique — Méthode d’essai pour la diffusivité thermique
— Méthode de chauffage périodique
PROOF/ÉPREUVE
Reference number
ISO 21901:2020(E)
©
ISO 2020
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2020
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii PROOF/ÉPREUVE © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols . 2
5 Principle . 3
5.1 General . 3
5.2 Calculation of thermal diffusivity . 3
6 Test specimen . 6
6.1 Sample . 6
6.2 Details of test specimen . 6
6.3 Machining of test specimen . 6
6.3.1 When using two test specimens . 6
6.3.2 When using a single test specimen . 7
7 Apparatus . 8
7.1 General . 8
7.2 Temperature measurement instrument . 9
8 Procedure. 9
8.1 Rounding numbers . 9
8.2 Period of temperature change . 9
8.3 Amplitude of temperature change .10
8.4 Measurement method .10
8.5 Calculation of thermal diffusivity .11
8.6 Calculation of thermal conductivity .11
9 Test report .11
Annex A (normative) Size of test specimen and period of temperature change.12
Annex B (informative) Measurement considerations .15
Bibliography .16
© ISO 2020 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 163, Thermal performance and energy use
in the built environment, Subcommittee SC 1, Test and measurement methods.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv PROOF/ÉPREUVE © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 21901:2020(E)
Thermal insulation — Test method for thermal diffusivity
— Periodic heat method
1 Scope
This document specifies a periodic heat method for measurement of the thermal diffusivity of thermal
insulation material in the shape of a flat plate.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 8302:1991, Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related
properties — Guarded hot plate apparatus
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
phase
quantity that shows the stage of progress in one period (3.5) of wave motion and other periodic
phenomenon
EXAMPLE ωϕt+ in yA= sin ωϕt+ is the phase.
()
1 1
3.2
phase lag
difference between two phases (3.1) provided by periodic temperature changes measured at two
different points on the surface and inside a test specimen
EXAMPLE When the periodic temperature changes 1 and 2 are given by yA= sin ωϕt+ and
()
11 1
yA= sin ωϕt+ , respectively, the phase lag between them is ϕϕ− .
()
22 2 21
3.3
amplitude
half of the difference between the maximum and minimum values of the amount of displacement in a
periodic temperature change
EXAMPLE A in a sine wave given by Atsin()ωϕ+ or Aiexp[]()ωϕt+ refers to the amplitude.
© ISO 2020 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE 1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
3.4
amplitude ratio
ratio of two amplitudes (3.3) provided by periodic temperature changes measured at any point on the
surface and inside a test specimen.
EXAMPLE When the periodic temperature changes y on the surface and y inside the test specimen are
1 2
given by yA= sin()ωϕt+ and yA= sin()ωϕt+ , respectively, the amplitude ratio between the two
11 1 22 2
amplitudes is AA .
21
3.5
period
reproduction interval of a periodic phenomenon (or a periodic function)
Note 1 to entry: When the time interval is constant, the period f is given by fv==12πω , where v is the
frequency (3.6) and ω is the angular frequency (3.7).
3.6
frequency
number of repetitions of the same state within a certain time interval of any temporal periodic
phenomena
Note 1 to entry: It is expressed as vf=1 , where f is the period (3.5).
3.7
angular frequency
rotation angle per second
Note 1 to entry: Angular frequency is obtained by multiplying the frequency (3.6) v by 2π ( 2πv ) or by multiplying
the reciprocal of the period (3.5) f by 2π ( 2π f ).
4 Symbols
The symbols used in this document are given in Table 1.
Table 1 — Symbols
Symbol Quantity Unit
2
a Thermal diffusivity m /s
c Specific heat capacity
J/(kg・K)
D Difference %
Thickness of test specimen (total thickness of the two pieces when using two
m
d
stacked test pieces in a measurement)
f Period s
i Imaginary unit -
k Damping coefficient 1/m
L Length of one side of test specimen m
l Distance from periodic heating surface (dx− ) m
m
m Mass prior to measuring thermal diffusivity (prior to grooving) kg
Absolute temperature K
T
3
V Volume prior to measuring thermal diffusivity (prior to grooving) m
x x coordinate m
x Location of temperature measurement point inside a test specimen m
m
ε Phase lag on x = 0 surface
rad
η
Arbitrary phase rad
2 PROOF/ÉPREUVE © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
Table 1 (continued)
Symbol Quantity Unit
θ Temperature °C
λ Thermal conductivity W/(m・K)
v
Frequency 1/s
π
Circular constant -
3
ρ
Density, bulk density kg/m
ϕ
rad
Phase lag at x = x cross section
m
ω
Angular frequency 1/s
5 Principle
5.1 General
The periodic heat method is a method for obtaining thermal diffusivity by measuring the temperature
at two different points in a test specimen. Thermal diffusivity is evaluated by the phase lag between
two phases provided by periodically changing the temperature of one side surface of the test specimen.
Here, those temperatures are measured at any point on the heating surface and inside (the internal
plane perpendicular to the direction of thermal diffusion) the test specimen.
This measurement method uses a solution of the heat conduction equation that is obtained under the
condition that the temperature on one side of a test specimen changes as a trigonometric function of
time and the change propagates in a one-dimensional direction, and further, the temperature on the
opposite side is kept constant.
The periodical temperature change on the heated surface shall be expressed by a trigonometric
function of time.
It is contrary to the measurement principle to generate a distorted temperature change on the heated
surface. In addition, in reality, the waveform easily changes in a distorted temperature change during
propagation in a test specimen, and this becomes a cause of measurement errors.
5.2 Calculation of thermal diffusivity
As shown in Figure 1, the x-axis is taken upward along the thickness direction of a test specimen, and
the heat dissipation surface (the surface in contact with the low-temperature side heater) of the test
specimen with thickness d is set as the origin, while the heating surface is set at x = d. Accordingly, as
shown by the thick arrow, heat flows downward from the heating surface to the heat dissipation
surface. At the heat dissipation surface, the temperature is kept constant, and the temperature of the
heating surface is changed periodically based on θθ++sin ωηt . Under these conditions, the phase
()
H 0
lag (rad) between the point at x = d and an arbitrary point at x = x is obtained by solving the one-
m
dimensional heat conduction equation. As a result, Formula (1) is given (see Figure 2).
© ISO 2020 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE 3
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
Key
1 test specimen
2 heat flow
Figure 1 — Relation between test specimen and coordinate (one-dimensional heat flow, in the
case θ is kept constant)
L
Key
1 phase lag
2 amplitude
Figure 2 — Periodic temperature change, in the case θ is kept constant
L
sinhkx 1+i
()
m
ϕ=arg (1)
sinhkd()1+i
The damping coefficient k in Formula (1) is defined by Formula (2).
ω
k= (2)
2a
Also, the angular frequency ω is defined by Formula (3).
2π
ω= (3)
f
At this time, mean temperature of a test specimen θ is calculated by Formula (4).
S
θθ=+θ /2 (4)
()
SH L
When using Formula (1), the surface temperature on the low-temperature side of a test specimen shall
always be controlled so as to be constant.
4 PROOF/ÉPREUVE © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
If the periodical temperature changes on the low-temperature side, as described in Figure 3, it is also
possible to solve the phase lag between x = d and x = x by solving the one-dimensional heat conduction
m
equation in the same manner as shown above. However, in this case, thermal diffusivity is calculated
using the phase lag and the amplitude ratio.
Key
1 test specimen
2 heat flow
Figure 3 — Relation between test specimen and coordinates (one-dimensional heat flow,
in the case θ changes periodically)
L
Key
1 phase lag
2 amplitude
Figure 4 — Periodic temperature change, in the case θ changes periodically
L
As a result, Formula (5) is given (see Figure 4). The coefficients used in Formula (5) are shown in
Formulae (6), (7), (8) and (9). The damping coefficient k and the angular frequency ω are defined in
Formulae (2) and (3).
If the temperature on the low-temperature side is constant, Formula (5) is equal to Formula (1).
00 if θϕcosc++θϕos ε ≥ ,
θϕsins++θϕin ε () ()
() ()
11HH LL
11HH LL
ϕ=arctan + (5)
θϕcosc++θϕos ε
() () πθ if coscϕθ+ oss,ϕε+ < 0
() ()
11HH LL
11HH L L
cosh()22kx −cos()kx
mm
θθ= (6)
10H
cosh()22kd −cos()kd
cosh()22kl −cos()kl
θθ= (7)
12L
cosh 22kd −cos kd
() ()
© ISO 2020 – All rights reserved PROOF/ÉPREUVE 5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 21901:2020(E)
sinh kx ()1+i
{}
m
ϕ =arg (8)
H
sinh kd 1+i
{}()
sinh kl 1+i
{}()
ϕ =arg (9)
L
sinh{}kd()1+i
6 Test specimen
6.1 Sample
The test specimen taken from the sample shall satisfy the homogeneity prescribed in ISO 8302:1991,
1.8.2. Here, the term “homogeneous” means that raw materials such as fibres and particles constituting
the specimen are distributed evenly along the direction of heat flow. Namely, the distribution of fibres
and particles is independent of their location in the specimen, and there are no extreme voids inside the
specimen. The thermal diffusivity of various kinds of materials like fibrous insulations such as ceramic
fibre, rock wool, glass fibre and fibrous board, and furthermore, styrene foam, urethane foam, brick
and concrete can be measured by applying the periodic heat method. However, the thermal diffusivity
of materials which undergo phase change, release gases, expand or shrink excessively or deform as a
result of phenomena such as cracks cannot be measured by this method.
6.2 Details of test specimen
The details of the test specimen are as follows.
a) The dimensions of the test specimen shall be the same as those of the heater for periodic heating
with the dimensional tolerance of ±2 mm with respect to the heater dimensions.
b) The relationship between the length L of one side and the thickness d of the test specimen should be
restricted so as to reduce the error due to heat inflow (outflow) from the edges of the test specimen. In
addition, th
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.