CN103558247B - 一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于热电半导体的导热系数测量设备，包括：试样管、试样管支撑、控制器，所述试样管包括：绝热套、加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、热电半导体以及电势测量装置；所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构，其一端封闭，另一端开口，所述绝热套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、所述试样和所述热电半导体。本发明的设备采用热电半导体测量通过试样的热量，并且利用PID自动控制温度的稳定过程，减少了多点测温带来的误差，并且使温度的稳定过程更快，便于测不同温度下材料的导热系数。

Description

一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备

技术领域

本发明涉及材料导热系数测定领域，具体涉及一种利用热电半导体、PID控制系统来自动测量材料导热系数的设备。

背景技术

材料的导热系数是材料的一项重要特性，对工程设计有重要作用。其应用领域相当广泛，在石油、化工、材料和军工方面是必不可少的。

目前测量材料导热系数的方法有稳态法和非稳态法两种。基于稳态法的测量有热流计法，保护热板法。非稳态测量有热线法，热带法和常功率热源法。

稳态法是指在整个测量过程中被测样品中通过任意垂直于温度梯度的截面的热流通量保持不变，记载温度场稳定后进行测量。非稳态法与稳态法相反，是指在整个测量过程中，被测样品通过任意垂直于温度梯度的热流通量是随时间变化的，即在温度场未达到稳定时进行测量。在稳态法测量材料导热系数的过程中，最重要的是测量通过材料的热量。

然而，现有技术中，采用多点测温来确定通过材料的热量，这种方式所测得的结果并不准确，并且，现有技术中也不能快速地实现温度的稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明设计一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备，该设备采用热电半导体测量通过试样的热量，并且利用比例-积分-微分控制器（PID）自动控制温度的稳定过程，减少了多点测温带来的误差，并且使温度的稳定过程更快，便于测不同温度下材料的导热系数。本发明的设备的设计全部采用自动化采集控制，从而在整体上方便测量不同温度下材料导热系数，且精度高，人机界面友好，操作简单。

本发明提供了一种基于热电半导体的导热系数测量设备，包括：试样管、试样管支撑、控制器，所述试样管包括：绝热套、加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、热电半导体以及电势测量装置；

所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构，其一端封闭，另一端开口，所述绝热套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、所述试样和所述热电半导体；

所述加热装置置于所述绝热套的封闭的一端的内部，能够以一定功率发出热量；

所述试样置于所述绝热套内并且其一端与所述加热装置相接触，另一端与所述热电半导体相接触；

所述第一温度传感器置于所述加热装置与所述试样相接的界面处，用于测量该处的温度T1；

所述第二温度传感器置于所述试样的另一端与所述热电半导体相接的界面处，用于测量该处的温度T2；

所述电势测量装置分别与所述热电半导体的两端相连，用于测量热电半导体两端的电势差；

所述控制器接收所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差，并且基于所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差确定所述试样的导热系数。

优选地，所述热电半导体为圆柱状结构，包括两个端面和圆柱状的外侧壁，所述外侧壁与所述绝热套的内壁匹配。

优选地，所述热电半导体置于所述绝热套内部，并且一个端面与所述试样相接触，另一个端面处设置有散热块。

优选地，所述试样管支撑包括试样管支架、箱体和箱体支架。

优选地，所述控制器基于如下公式确定所述试样的导热系数λ2，

λ2=[λ1(ΔT)/(ΔX)]*L/(T1-T2)

其中，L为试样的长度，单位为m；λ1为热电半导体的导热系数，单位为W/(m*K)；ΔX为热电半导体的厚度，单位为m；ΔT为热电半导体的热面和冷面的温差，其可以通过热电半导体两端的电势差而确定。

优选地，所述加热装置的输出功率能够调节，所述控制器采用PID自动控制系统控制所述加热装置的输出功率。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的试样管的示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的整体结构示意图，其中，采用了图1中所示的试样管；

图3为PID控制系统进行温度控制的示意图；

图4为采用本发明的导热系数测量设备进行导热系数测量的流程图。

附图标记：

1  绝热层

2  加热装置

3  温度传感器 

4  试样

5  温度传感器 

6  热电半导体 

7  散热块

10 试样管卡槽螺栓

11 绝热层螺栓 

12 试样管卡槽 

13 试样管支架 

14 箱体

15 箱体支架

16 箱体与控制器间的数据和电源线

17 控制器

18 显示屏

19 开关按钮

20 向左按钮

21 向上按钮

22 向右按钮

23 向下按钮

24 确认按钮

25 返回按钮

26 启控按钮

27 时间设置按钮 

28 PID参数调节按钮 

29 电源线

30 电源插头

具体实施方式

图1为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的试样管的示意图。如图1所示，用于容纳试样4的试样管包括：绝热套1、加热装置2、第一温度传感器3、第二温度传感器5、热电半导体6。可选地，该试样管还可以包括散热块7。

如图1所示，绝热套1构成一端封闭的桶状结构，例如圆桶状或方桶状，用于容纳加热装置2、第一温度传感器3、试样4、第二温度传感器5、热电半导体6。绝热套1一端开口，另一端封闭。这里所提到的开口和封闭是针对热量传导而言的，封闭指的是热封闭，即能够实现绝热。实际上，封闭端也可以是可拆卸的，只要是由绝热材料制成即可。

加热装置2置于绝热套1内部的封闭的一端处，能够以一定功率对试样加热。加热装置2的电源通过引线穿过绝热套的侧壁，对加热装置2进行供电。可以通过改变加热装置的输入电压和电流来改变加热功率。

如图1中所示，在本实施例中，加热装置2一侧紧贴绝热套1的内端壁，另一侧放置有第一温度传感器3。虽然图中将温度传感器3示为一个圆形的部件，但是应该理解，温度传感器3在绝热套内部的部分可以仅为体积可以忽略的探头，用于测量加热装置2与试样4相接的界面处的温度。换言之，温度传感器3的体积相对于试样4而言，可以忽略不计。

试样4也置于绝热套1内，一端紧贴加热装置2，另一端紧贴热电半导体6。温度传感器3嵌入在加热装置2与试样4相接的界面处。在试样4的另一端与热电半导体6相接的界面处，放置第二温度传感器5。类似地，也可以认为第二温度传感器5嵌入在试样4与热电半导体6相接的界面处，并且忽略第二温度传感器5的体积。

热电半导体6置于绝热套1的另一端，一端（左侧）紧贴试样4放置。在图1中，热电半导体6置于绝热套1的右端。

可选地，为了促进热电半导体6的散热，在热电半导体6的另一端放置散热块7，二者紧密接触。或者，热电半导体6的右侧可以裸露在空气中，以便进行散热。

图2是根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的整体结构示意图，其中，采用了图1中所示的试样管。

如图2所示，通过试样管卡槽螺栓10将图1中所示的试样管固定在试样管支架13上的试样管卡槽12中，试样管支架13安装在箱体14上，箱 体14由四个箱体支架15支撑。在试样管两端，通过螺栓11，将试样管两端的端盖固定在试样管上。

在本文中，试样管1左侧的端盖是由绝热材料制成的，形成试样管的封闭端（该端盖与试样管1的侧壁的连接在图1中并未示出）。在试样管1的右侧，通过另外的螺栓11将散热块7固定在试样管1的右侧端部，紧贴热电半导体。

控制器17与箱体14通过线缆16（包括数据线及电源线）相连接。控制器17包括显示屏18、开关按钮19、向左按钮20、向上按钮21、向右按钮22、向下按钮23、确认按钮24、返回按钮25、启控按钮26、时间设置按钮27、PID参数调节按钮28。控制器通过电源线29以及电源插头30供电。

工作原理

继续参照图1并结合图2，当本发明的导热系数测量设备工作时，加热装置2以一定功率发出热量。由于绝热套1包围加热装置2和试样4，热量从左向右在试样4中传导，并且继而向热电半导体6传导，传导到热电半导体6的热量导致热电半导体两侧形成温差，热电半导体继续将热量向散热块7传导，由散热块7将热量散发出去。

温度传感器3测量在加热装置2与试样4的界面处的温度T1，温度传感器5测量试样4与热电半导体6的界面处的温度T2。当热量垂直穿过热电半导体6时，在热电半导体两端就有一定的温差ΔT，这个温差使热电半导体产生一定的温差电动势E。

一方面，由于热电半导体厚度ΔX和热电半导体的导热系数λ1可以预先测定和校准，所以在稳定的条件下，其热流密度为

q=-λ1(ΔT)/(ΔX)     （1）

式中“-”代表q的方向与温度梯度的方向相反；λ1为热电半导体的导热系数，单位为W/(m*K)，即，瓦/（米·度）；ΔT为当有热量垂直穿过热电半导体时，热电半导体两端的温差，单位为度（K）；ΔX为热电半导体厚度，单位为米（m）。

另一方面，温差决定的热电半导体的输出电动势反映了热流密度的大小，具体为：

q=C*E     （2）

式中C为热电半导体的测头系数，单位为W/(m²*mv)；q为通过热电半导体的热流密度，单位为J/（m²·s），焦耳/（平方米·秒）；E为热电半导体输出电动势，单位为毫伏（mV）。

温度处于稳定状态时，热电半导体两端具有稳定的输出电动势E。根据热电半导体的校准曲线，基于输出电动势E，在已知热电半导体的热面温度T2和输出电动势时，可知热电半导体的热面和冷面的温差ΔT。

则某段时间t内，通过试样的热量为：

Q=q*s*t     （3）

如上所述，试样加热段温度为T1（温度单位为℃），试样和热电半导体接触处的温度为T2（温度单位为℃），则试样的导热系数为

λ2=Q*L/(T1-T2)*s*t     （4）

=q*L/(T1-T2)

=[λ1(ΔT)/(ΔX)]*L/(T1-T2)

其中，L为试样的长度(单位为m)，Q为时间t(秒)内通过试样的热量（公式中Q与t是对应的），单位为J（焦耳）；s为试样的横截面积，单位为m²(平方米)；λ2为待测试样的导热系数，单位为W/(m*K)，即，瓦/（米·度）。

由本文上述内容可知，公式（4）中的参数λ1、ΔX、L已知，T1和T2为测量值，ΔT通过T2和E可以查表获得，因此只需测得T1、T2和E即可计算出试样材料的导热系数。

上面已经提到，温度的稳定是测量过程中重要的一个因素，因为加热装置2不是恒温器件，因此在加热过程中温度很难达到设定值，利用PID控制调节可以实现温度的快速稳定。换言之，本发明需要找到一个输出功率值，当加热装置2以该输出功率值恒定地发出热量时，通过热量从左向右的不断传导，并最终通过散热块散热，整个试样管能够到达平衡状态，各个部位的温度不再发生变化。

这种稳定状态的实现通过PID控制系统来实现。PID自动控制系统的原理如图3中所示。

参见图3，假设被控量与设定值之间有偏差e(t)=设定值-被控量（其中设定值是指设定的温度，被控量指采集回来的温度），则根据偏差e(t)，由自动控制算法得出结果，来控制加热装置。PID自动控制系统依据e(t)及预先设定的调节规律输出调节信号u(t)，执行单元（即，加热装置）按u(t)输出操作量（按一定功率输出热量）至被控对象（即，试样），使被控量（即试样的实测温度）逼近直至最后等于（试样温度的）设定值。优选地，试 样的温度设定值设在27.5度、30度、50度、72度等。优选地，温度设定值不超过150度。

PID自动控制系统是按偏差比例、积分、微分进行调节，其调节规律可表示为：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(5\right)$

式中Kp为比例系数。第二项为积分调节，T为积分时间常数。第三项为微分调节，T_D为微分时间常数。

PID控制过程需要设定值和被控量来实现。设定值在控制器表面通过方向按键20、21、22、23进行设定，按确认按钮24后按启控按钮26，加热装置（即，执行单元）开始加热，图1中温度传感器3和5开始采集温度（被控量），温度（被控量）采集后经AD变换然后与设定值进行差运算得出e(t)，再按照公式5的运算结果（输出调节信号u(t)）控制加热装置，从而实现温度的快速稳定。

图4示意性地示出了本发明的设备的操作过程。首先，通过控制器17上的开关按钮控制过程的启动。然后，控制器进行设备的初始化以及自检。通过控制器上的操作按钮进行参数的设置并确认设置是否可行。参数设定完毕后，控制器将所设定的参数输送给PID控制系统。同时，控制器控制温度传感器和电势测量装置进行温度和电势差的采集。通过AD转换将所采集的温度和电势差信号转换成数字信号，并基于所得到的数字信号确定测得的参数，测得的参数为温度T1、T2和电势差E。

然后，PID控制系统根据设定的参数和所测得的参数控制加热装置，改变其输出功率。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。 

本发明的方式 

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性 

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。

Claims (3)

1.一种基于热电半导体的导热系数测量设备，包括：试样管、试样管支撑、控制器，其特征在于，

所述试样管包括：绝热套、加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、热电半导体以及电势测量装置；

所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构，其一端封闭，另一端开口，所述绝热套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、所述试样和所述热电半导体；

所述加热装置置于所述绝热套的封闭的一端的内部，能够以恒定功率发出热量；

所述试样置于所述绝热套内并且其一端与所述加热装置相接触，另一端与所述热电半导体相接触；

所述第一温度传感器置于所述加热装置与所述试样相接的界面处，用于测量该处的温度T1；

所述第二温度传感器置于所述试样的另一端与所述热电半导体相接的界面处，用于测量该处的温度T2；

所述电势测量装置分别与所述热电半导体的两端相连，用于测量热电半导体两端的电势差；

所述控制器接收所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差，并且基于所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差确定所述试样的导热系数，

所述控制器基于如下公式确定所述试样的导热系数λ2，

λ2＝[λ1(ΔT)/(ΔX)]*L/(T1-T2)

其中，L为试样的长度，单位为m；λ1为热电半导体的导热系数，单位为W/(m*K)；ΔX为热电半导体的厚度，单位为m；ΔT为热电半导体的热面和冷面的温差，其可以通过热电半导体两端的电势差而确定，所述加热装置的输出功率能够调节，所述控制器采用PID自动控制系统控制所述加热装置的输出功率，所述PID自动控制系统的调节规律可表示为：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]---\left(5\right)$

式中Kp为比例系数，T为积分时间常数，T_D为微分时间常数，其中，e(t)如下得出：第一温度传感器和第二温度传感器分别采集温度，温度被采集后经AD变换然后与设定值进行差运算得出e(t)。

2.如权利要求1所述的导热系数测量设备，其特征在于，所述热电半导体为圆柱状结构，包括两个端面和圆柱状的外侧壁，所述外侧壁与所述绝热套的内壁匹配。

3.如权利要求2所述的导热系数测量设备，其特征在于，所述热电半导体置于所述绝热套内部，并且一个端面与所述试样相接触，另一个端面处设置有散热块。