CN102628818A - 带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪，所述测定仪包括主体单元、支架单元、自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元及过程监测与控制单元。通过自动压力调控单元能自动控制试件所受压力，通过厚度测量单元能够在实验过程自动获得试件的厚度，并将所测得的压力、温度、厚度电信号均传送到过程监测与控制单元上。本发明的效果是可实时在线测量试件的厚度及其所受的压力，并能自动进行压力调控，避免手动测量的繁琐和误差，实现自动化操作与测量，实现对绝热和保温材料的导热系数的精确测量，并具有数据处理、打印等功能，提高了工作精度。广泛应用于绝热和保温材料的生产企业、质量检验部门以及高等院校和研究所等单位。

Description

带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪

技术领域

本发明涉及一种单平板式防护热板法的导热系数测定仪，特别是一种带自动调压与测厚装置的单平板式的导热系数测定仪。

背景技术

导热系数是用来衡量材料的导热特性和保温性能的重要参数。绝热材料广泛用于建筑、冶金、化工、电力、石油、建材、机械、轻工、纺织、军工、交通运输、仓储等各行各业，其性能的高低，是由材料本身导热系数的大小决定的，导热系数愈小，其绝热性能愈好。绝热材料性能的研究是各种建筑物、工业窑炉、锅炉、热交换器、蒸馏塔、储罐、烟道、管道、阀门、风机、仓库、空调、车船等设备隔热、隔音的核心技术，因此，绝热材料的导热系数的精确测定与否对于现代化生产具有重要的意义。

绝热材料的导热系数与材料的厚度、密度、结构以及其所处的温度等密切相关。在GB/T10294-2008(绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法)中对厚度测量、夹紧力等均有要求：由于热膨胀或板的压力，试件的厚度可能变化，建议尽可能在装置里，在实际的测定温度和压力下测量试件厚度；为改善试件与板的热接触或在板间保持一个准确的间距，应配备施加可重现的恒定夹紧力的装置，测定绝热材料时，施加的压力一般不大于2.5kPa。而现有的国内外导热系数测定仪大多数不具备压力测量、厚度在线测量功能，虽然有些具备压力测量装置，但是都是凭操作人员的经验进行压力调控，使用复杂，设备自动化程度较低。并且现有的国内外基于防护主板法的导热系数测定仪大多数是双平板式的，工作时需要制作两块完全相同的材料，此时就对材料的厚度和结构的均匀一致性提出了苛刻要求，试件制作不易。

同时就国内外保护平板法导热系数测定仪的发展现状而言，技术上还存在很多缺陷如：不能自动测量试件的厚度；不能自动控制施加到试件上的压力；人机交互界面较粗糙等。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪，以利于达到自动控制施加在试件上的压力，在保证试件的性能不受破坏的同时，又能够保证试件与冷板有良好的热接触的目的，达到在线自动测量试件的厚度的目的，以使得导热系数的测定更加精确；同时具有很好的人机互动功能，操作简单易懂，既使没有热工测量基础的人也能迅速掌握操作方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪，其中：所述测定仪包括主体单元、支架单元、自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元及过程监测与控制单元，所述主体单元安装在支架单元内，自动压力调控单元固定在主体单元上，能够自动调节施加在试件上的压力，在主体单元的各板件中均设有安装孔，自动温度调控单元中的多个温度传感器即安装在所述安装孔内，厚度测量单元中的位移传感器直接安装在支架单元上，可直接在实验过程中测得试件的厚度，自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元所得到的压力、温度、厚度电信号均传送到过程监测与控制单元上。

本发明的效果是该测定仪可以实时在线测量试件的压力与厚度，并能自动进行压力调控，避免手动测量的繁琐和误差，实现自动化操作与测量，实现对试件的导热系数的精确测量，有很好的人机互动功能，能够在主界面上设置冷板、热板的温度以及试件所受压力值，显示试件厚度，实时显示导热系数的测量值，并具有以二维曲线形式显示冷板、热板以及背防护板的温度变化、数据存储、打印和浏览测量过程数据等功能，且操作简单易懂，既使没有热工测量基础的人也能迅速掌握操作方法，有利于技术的推广应用。

附图说明

图1是本发明的单平板导热仪结构示意图；

图2是本发明的主体单元结构示意图；

图3是本发明的冷却子单元三维示意图；

图4是本发明的加热子单元三维示意图；

图5是本发明的背防护子单元三维示意图；

图6是本发明的自动控压与厚度测量单元原理图；

图7是本发明的测量控制系统硬件原理图；

图8是本发明的软件流程图。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪结构加以说明。

本发明采用稳态法测定材料的导热系数，所依据的原理是傅立叶导热定律中的大屏壁导热系数的计算公式，见公式(1)：

$\mathrm{\λ}=\frac{Q\×L}{A\×(T_1-T_2)}---\left(1\right)$

其中：λ为试件的导热系数，Q为稳态后加热子单元总的热流量，L为试件的厚度，A为试件端面的表面积，T₁为试件热面的稳态温度，T₂为试件冷面的稳态温度。

由公式(1)可知，为求试件的导热系数必须确定试件的厚度，维持面板的温度，同时必须保证试件的物理特性不被改变，即应保证其所受的压力值。为此本发明采用如下的结构与原理实现试件导热系数的测定：

本发明的单平板式的带有自动调压和测厚功能的导热系数测定仪，如图1所示，该测定仪结构包括主体单元、支架单元、自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元及过程监测与控制单元，所述主体单元安装在支架单元内，自动压力调控单元固定在主体单元上，在主体单元的各板件中均设有安装孔，自动温度调控单元中的多个温度传感器均安装在所述安装孔内，厚度测量单元中的位移传感器直接安装在支架单元上，自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元所得到的压力、温度、厚度电信号均传送到过程监测与控制单元上。

所述的主体单元包括密闭的隔热箱3、加热子单元17、冷却子单元15以及背防护子单元18，结构如图2所示，其中加热子单元由主加热器24、环绕在其周围的防护加热器25，分别分布于两者上下两侧有上加热板23、下加热板26、上防护加热板22、下防护加热板27，结构如图4所示，能够提供并维持试件下端面的相对高温。位于加热子单元下侧的背防护子单元与加热子单元紧密相连，固定在支架单元的主支架10上，包括有背防护保温板28、加热器29、背防护板30组成，结构如图5所示，能够防止加热子单元的热量向下扩散。冷却子单元由冷板护套19、保温板20、冷板21组成，结构如图3所示，能够提供并维持试件上端面的相对低温，冷板的相对低温由冷板护套19提供，冷板护套19中制冷剂由制冷压缩机2提供，可根据所需要保证的温度来选取不同的制冷剂如：水、酒精等。冷却子单元通过连接件5与冷板支架6相连，可在规定的范围内随其上下移动，从而与位于其下侧的加热子单元之间形成试件装夹区。

所述的自动压力调控单元7由气缸8、压力变送器37、调节阀35等组成，可通过控制调节阀的开度来达到调节试件所受压力的目的。其气动原理图如图6所示，电动机31、空气压缩机32、高压气罐33共同为气缸36的正常工作提供气体，管路中设有换向阀34以使气缸的进、出气管道与高压气罐相连，形成气体回路，气缸的状态由调节阀35进行控制，而调节阀的开度大小由压力变送器所测得的压力值决定：压力变送器测定冷却子单元上方密闭空间内的压力，输入压力采集与处理模块38中，并进一步将处理后的压力信号输送进上位机11，并与所设定的压力值＜2.5kPa进行比较，利用PID算法，当冷板与试件的压力小于设定值时，增大调节阀的开度，使气缸通气量增加，从而使气缸活塞逐渐下移，达到增大试件所受压力的目的；实时监测压力变化，保证其压力维持到给定压力，并维持这一压力值直至实验结束。

在主体单元的各个单元中的板件上均设有温度传感器安装孔，装入温度传感器Pt100，可直接测得各板件的温度值，测得值经过温度处理模块处理后，进一步被输送到上位机主面板上，同时根据这些温度值与所设定的温度值的比较，进一步通过加热/制冷模块控制各板件的温度。

所述的厚度测量单元由位移传感器9以及信号采集卡组成，其中位移传感器分为两大部分：固定部分41、可动部分42。如图6所示，固定部分固定在隔热箱上；可动部分固定在冷板支架上，随冷板支架上下移动，其移动量即为冷却子单元的移动量。两部分之间具有小的缝隙，仅仅通过可动部分42上的指针40进行连接，在固定部分41上刻有刻度值，两部分有相对移动时，指针40指在不同的刻度上，位移传感器有不同的读出值，其测量原理是：当无试件时，即冷却子单元与加热子单元直接接触时，两部分无相对移动，位移传感器的读数为0，当放入试件后，两部分有相对移动量，位移传感器读出这一相对移动量，位移传感器输入信号采集卡39，经过处理进一步输送到在支架单元的上位机上。当试件所受压力维持在给定值后，这一读数即为试件的厚度L。

温度、压力及厚度的测量控制系统的硬件原理图如图7所示，在实验过程中所测得的压力、温度、厚度电信号均传送到过程监测与控制单元上，过程监测与控制单元位于支架单元的上位机上，用Labview软件编制人机交互主界面，能够在所述主界面上设置冷板、热板的温度以及试件所受压力值，显示试件厚度，实时显示导热系数的测量值，并具有以二维曲线形式显示冷板、热板以及背防护板的温度变化、数据存储、打印和浏览测量过程数据等的功能。

应用实施例：测定发泡塑料的导热系数

1.制作试件：

试件的尺寸由标准限制，对任意标准条件下的尺寸，本发明均可以测定。在本实施例中，使用的试件尺寸为300×300mm²。

2.接通电源：

通过按钮10打开电源，打开程序界面，设定冷板、热板的温度分别为：10℃、30℃，设定压力值为2kPa。

3.试件放置：

按动冷板上升按钮，使冷板在冷板支架的带动下向上移动，水平装入被测试件，按动冷板自动下降按钮，使被测试件与冷板良好接触，且试件所受压力为2kPa，小于2.5kPa。

4.开始试验：

用鼠标点击主面板上的“开始实验”，进入自动运行状态，能很快的显示试件的厚度测得值。以二维曲线的形式实时显示热板、冷板温度的测量值，当两温度均达到稳态后，给出导热系数的测定结果。

本发明达到了精确测定绝热材料与保温材料导热系数的要求。

Claims (6)

1.一种带自动调压与测厚装置的单平板防护热板法导热系数测定仪，其特征是：所述测定仪包括主体单元、支架单元、自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元及过程监测与控制单元，所述主体单元安装在支架单元内，自动压力调控单元固定在主体单元上，在主体单元的各板件中均设有安装孔，自动温度调控单元中的多个温度传感器均安装在所述安装孔内，厚度测量单元中的位移传感器直接安装在支架单元上，自动压力调控单元、自动温度调控单元、厚度测量单元所得到的压力、温度、厚度电信号均传送到过程监测与控制单元上。

2.根据权利要求1所述的测定仪，其特征是：所述主体单元包括密闭的隔热箱、加热子单元、冷却子单元以及背防护子单元，其中加热子单元的下方设有背防护子单元，加热子单元的上方设有冷却子单元，加热子单元与背防护子单元直接连接在一起，并固定在隔热箱底端上，冷却子单元通过连接件与冷板支架相连，并随冷板支架上下移动；

所述加热子单元包括有主加热器、环绕在主加热器周围有防护加热器，分布在主加热器上下两侧分别有上加热板、下加热板，在防护加热器上下两侧分别有上防护加热板、下防护加热板；所述背防护子单元包括有依次固定的背防护保温板、加热器、背防护板；所述冷却子单元包括有依次固定的冷板护套、保温板、冷板，所述冷板护套中设有制冷剂。

3.根据权利要求1所述的测定仪，其特征是：所述的自动压力调控单元包括有气缸、压力变送器、调节阀、压力采集与处理模块，所述气缸固定在连接支架单元上，并通过密闭的气管与安装在支架单元上的空气压缩机相连接，在所述隔热箱的顶部设有压力变送器的取压口；取压口依次与压力采集与处理模块、过程监测与控制单元、调节阀电连接，取压口的输出信号经压力采集与处理模块，并通过过程监测与控制单元分析，对调节阀的开度进行控制。

4.根据权利要求1所述的测定仪，其特征是：所述自动温度调控单元包括有相互电连接的温度传感器、温度处理模块、加热/制冷模块，所述温度传感器的电信号经温度处理模块，输入过程监测与控制单元，经过过程监测与控制单元分析，将信号输出加热/制冷模块。

5.根据权利要求1所述的测定仪，其特征是：所述的厚度测量单元包括有相互电连接的位移传感器、信号采集卡，所述位移传感器包括可动与固定两部分，可动部分固定在支架单元的冷板支架上，固定部分固定在隔热箱上，所述两部分之间通过可动部分上的指针接触，位移传感器信号输出端电连接信号采集卡，并进一步输送到在支架单元的上位机上。

6.根据权利要求1所述的测定仪，其特征是：所述的过程监测与控制单元中人机交互主界面由Labview软件编制，并在支架单元的上位机上显示。

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