CN103675017A - 一种材料导热系数测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料导热系数测试装置及方法，测试装置包括：热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统。热板加热系统水平设置，热板加热系统的芯板、防护板和背板均包括加热电阻片和金属面板，防护板面板外尺寸为550mm×550mm，电动升降系统包括支杆、升降托、丝杠、驱动电机，升降支杆带动热板升降，且升降支杆可与热板脱离。材料导热系数测试装置适合测试试件厚度小于100mm，热阻大于0.1m2·K/W的建筑用板状绝热材料，温度控制精度高、检测周期短、测试结果准确，并能有效避免边缘热损失和热流计漂移的影响，同时易于测试软性材料。
Description
技术领域
本发明属材料性能检测领域，涉及对建筑用板状绝热材料导热系数或热阻的检测，具体涉及一种以热板(包括芯板、防护板、背板)和冷板之间所形成的温度场模拟一维传热原理，同时用脉冲信号计量试件短时间累计的电量以计算热流量的材料导热系数测试装置和方法。
背景技术
导热系数是建筑材料的主要热工性能之一，目前常用的测试方法为稳态测试法，包括防护热板法和热流计法。从试件数量还可分为双试件法和单试件法。测试时，均将被测试件放于冷热板之间，并基于一维稳态传热原理计量通过试件的热流量、计量面积、冷热板温度等参数，从而计算得出被测材料的导热系数。其中热流计法为采用热流传感器计量通过试件的热流量，防护热板法为计量芯板加热器所消耗的电功率和芯板面积得出通过试件的热流量。目前现有采用该类方法的导热系数检测设备多为防护板尺寸300mm×300mm，计量芯板尺寸为150mm×150mm且试样为竖向放置的设备，同时热流量计量方式均为热流计法或测试直流电压和电流的电功率法。而实际测试中由于试样竖向放置导致内部温度场分布不均，防护板上下温度一致性难于控制，特别是防护板尺寸小导致由于边缘热损失难于测试厚试件及热流计法易漂移等局限，使得材料导热系数测试准确性难于保证，且对试件厚度范围限制性大。经调研，目前尚无有热板(包括芯板、护板和背板)和冷板水平放置，防护板尺寸为550mm×550mm，计量芯板尺寸为300mm×300mm，且热流量计量方式为脉冲信号计量方式，热板采用电动升降装置的导热系数检测仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合测试试件厚度小于100mm，热阻大于0.1m2·K/W的温度控制精度高、检测周期短、测试结果准确，并能有效避免边缘热损失和热流计漂移的影响，同时易于测试软性材料的材料导热系数测试装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种材料导热系数测试装置，包括：热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统；热板加热系统水平设置且位于冷板冷却系统上方。所述热板加热系统的芯板、防护板和背板均包括加热电阻片和金属面板。加热电阻片为双热面加热器，热板加热系统的各面板水平设置且位于冷板冷却系统上方，热板各面板材质均为铝合金。
所述芯板为计量单元，由256mm×256mm的热电阻片和300mm×300mm的芯板面板组成；
所述防护板面板外尺寸为550mm×550mm，防护板面板以“回字形”围绕芯板面板四周且与芯板间设有3mm宽隔缝；
所述背板面板外尺寸为550mm×550mm，与防护板面板外尺寸相同，背板位于芯板和防护板上方且与防护板和芯板之间采用均匀热阻的50mm厚绝热材料隔热。
所述冷板冷却系统包括冷却器和冷板面板，冷板面板水平设置，冷板面板材质为铝合金。
所述冷却器包括至少一套半导体制冷片和散热装置，半导体制冷片均匀布置于冷板面板下方，且半导体制冷片之间设有隔热层。冷板面板外尺寸与防护板面板相同，为550mm×550mm。散热装置包括散热片和散热风扇。
所述半导体制冷片为双层制冷片，尺寸为40mm×40mm×8mm，工作电压为DC6V-32V，本发明设计为当冷板温度高于设置温度10℃时，采用12V供电，冷板温度高于设置温度仅2℃以内时，采用6V供电，其余状态为9V供电，半导体制冷片采用此阶梯型工作电压能使冷板冷却系统在测试时快速稳定达到测试设置温度。
所述电动升降系统，包括支杆、升降托、丝杠、驱动电机；其中丝杠安装在驱动电机上方且带动升降托移动，同时升降托带动两端支杆对热板施力；升降支杆与热板间设有可脱离连接结构。
所述热流量计量系统，包括：芯板电功率测量装置、电量脉冲转换器、脉冲计数采集器。该系统为将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，再利用脉冲计量采集器将不同材料稳态传热时所产生的单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储(每次在单位时间间隔内采集的脉冲信号下次采集时清零)。
所述电气控制与测量系统，包括：电磁继电器、32路输出量开关板卡、15路温度模拟信号模块和1路脉冲计量采集模块、12VDC和24VDC电源、485和RS232转换器。该系统主要完成各强弱电转换、软件指令执行、传感器A/D信号的转换及输入输出等工作。
本发明还涉及一种材料导热系数测试方法，其导热系数测试装置包括热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统；该测试方法采用电动升降系统控制热板的升降；操作时，在水平上下设置的热板和冷板之间放入测试试件，放置后启动驱动电机，使热板在升降支杆的带动下逐渐下落；对于硬质材料，当热板与测试试件接触后，升降支杆脱离热板，使热板以自重着力于测试试件上方；对于软质材料，升降支杆使热板与冷板间距固定，用升降支杆托举热板。
该测试方法进一步具有以下改进，其热板加热系统、冷板冷却系统均采用PID控制，在热板加热系统的芯板、防护板和背板中均埋有至少一个温度传感器。
该测试方法进一步具有以下改进，其热流量计量系统将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，再利用脉冲计量采集器将不同材料稳态传热时所产生的单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储(每次在单位时间间隔内采集的脉冲信号下次采集时清零)，并通过灵敏度换算成平均功率得到样品内部的热流量，最终通过除以计量面积得到材料的热流密度。
该测试方法进一步具有以下改进，其电气控制与测量系统采集热板加热系统、冷板冷却系统的各板温度和室内环境温湿度以及脉冲数目、采集时间信息，经A/D信号转换模块，将数字信号依据软件程序显示、计算并存储。
该测试方法还进一步具有以下改进，其工控机软件控制系统主要完成检测采样时间间隔、测试次数、检测条件设置和稳定条件设置，同时实现系统数据(包括温度和脉冲数目)的存储、计算、温度曲线和埋于各冷热板内传感器空间温度立体图的绘制、以及各系统允许指令的发送；稳定条件设置是指自动判断连续记录数据稳定性，即判断连续后四组数据偏差不大于1％。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明采用电动升降系统，利用升降支杆带动热板上下移动，对于硬质材料，升降支杆能脱离热板，使热板以自重着力于测试试件上方，使施加于测试试件上的压紧力稳定且可重现，且压力不大于2.5kPa；对于软质材料，升降支杆使热板与冷板间距固定，用升降支杆托举热板，易于测试软性材料，使被测材料不产生过大形变以致影响其热工性能。
2.本发明的防护板外尺寸为550mm×550mm，能有效避免测试试件的边缘热损失，且增大可测试的试件的厚度范围，本发明适合测试的试件厚度小于100mm。
3.本发明的热流量计量系统采用脉冲信号计量方式，将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，并利用脉冲计量采集器将单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储，可大大缩短检测周期，避免热流计法易漂移的缺点。
4.本发明的热板加热系统、冷板冷却系统均采用PID控制，在热板加热系统的芯板、防护板和背板的各面板中均埋有温度传感器，其中芯板5个、防护板4个、背板1个，使温度控制精度高，测试结果准确。
附图说明
图1是材料导热系数测试装置构造简图；
图2是芯板和防护板结构示意图；
图3是冷板冷却系统示意图；
图4是电动升降装置结构示意图；
图5是热流量计量系统工作示意图；
图6是电气控制与测量系统以及工控机软件控制系统工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1～6所示，本发明适合测试试件厚度小于100mm，热阻大于0.1m2·K/W的平板材料的导热系数或热阻。该导热系数检测仪包括：热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统。
热板加热系统，如图2所示，包括芯板、防护板和背板，且每个部分均以加热电阻片作为加热器，且为双热面加热器，热板面板材质均为铝合金。其中芯板为计量单元，由256mm×256mm的热电阻片和300mm×300mm的芯板面板组成，芯板计量模拟一维传热原理通过试件的热流量，由加热电阻片和芯板面板组成；防护板外尺寸为550mm×550mm为“回字形”围绕芯板四周，且与芯板间有3mm宽隔缝，由加热电阻片和防护板面板组成；背板为尺寸为550mm×550mm的正方形加热板，且位于芯板和防护板上方(如图1)且与防护板和芯板之间采有均匀热阻的50mm绝热材料隔热，其由加热电阻片和背板面板组成。且上述热板与样品接触面平整度良好优于0.025％，与测试样品紧密贴合。芯板、防护板和背板各代表位置均埋有温度传感器，其中芯板5个、防护板4个、背板1个。且加热器为PID控制模式，使三者温度偏差不高于0.1摄氏度，使被测样品完全近似一维传热。
冷板冷却系统，如图3所示，包括冷却器，散热片、散热风扇、隔热层和冷板面板(铝合金板)。其中制冷片为双层半导体制冷片和散热装置共计4套均匀布置于冷板面板下方，且半导体制冷片之间采用绝热材料隔热。冷板外尺寸与热板相同为550mm×550mm。冷却系统用
半导体制冷片双层制冷片尺寸为40mm×40mm×8mm，工作电压为DC6V-32V，本发明设计为冷板温度高于设置温度10℃，采用12V供电，冷板温度高于设置温度2℃以内，采用6V供电，其余状态为9V供电，由于此阶梯型工作电压使冷板在测试时快速稳定达到测试设置温度。
电动升降系统，如图1和图4所示，包括升降支杆、升降托、升降丝杠、升降电机。其中丝杠安装在驱动电机上方且带动升降托移动，同时升降托带动两端支杆对热板施力；升降支杆与热板间设有可脱离连接结构。测试时启动热板升降开关将热板提高，材料放置后启动电机使热板在升降支杆的带动下逐渐下落。对于硬质材料，当热板与测试样品接触后升降支杆脱离热板，使得热板以自重着力于样品上方。使得施加于样品上的压紧力稳定且可重现，同时热板与冷板间距在同一被测样品条件下保持恒定，且由于热板配重恒定无任何外界附加力使得样品与冷板间产生稳定的相互紧压的力，且压力不大于2.5kPa；对于软质材料，该装置利用升降支杆将热板与冷板间距固定，即升降支杆托举热板，使得被测材料不产生过大形变以致影响其热工性能。
热流量计量系统，如图5所示，包括：芯板电功率测量装置、电量脉冲转换器、脉冲计数采集器。该系统为将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，再利用脉冲计量采集器将不同材料稳态传热时所产生的单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储(每次在单位时间间隔内采集的脉冲信号下次采集时清零)，并通过灵敏度换算成平均功率得到样品内部的热流量，最终通过除以计量面积得到材料的热流密度。由于在芯板供电参数及芯板温度等条件下脉冲信号数目正比于芯板加热器消耗电能，所以计算用灵敏度恒定。
电气控制与测量系统，如图6所示，包括电磁继电器、32路输出量开关板卡、15路温度模拟信号模块和1路脉冲计量采集模块、12VDC和24VDC电源、485与RS232转换器等电气原件。该系统主要完成各强弱电转换、软件指令执行、传感器A/D信号的转换及输入输出等工作。该设备热板和冷板均采用PID控制，各点温度和脉冲数量、采集时间等完全由电气系统控制工作，而电气系统的指令来源于工控机软件设置的程序，即采集间隔、热板和冷板设置温度及温差等。同时采用15路温度模拟信号模块、一路4-20mA湿度传感器模拟信号模块和1路脉冲计量采集模块连接埋于各面板内的Pt100温度传感器(精度±0.1℃)、测试室内环境温湿度的传感器和电量脉冲转换器，将数字信号依据软件程序显示、计算并存储。
工控机软件控制系统，该系统主要完成检测采样时间间隔、测试次数、检测条件设置和稳定条件设置(连续测试后四组数据偏差)等工作，同时实现系统数据(包括温度和脉冲数量)的存储、计算、温度曲线和埋于各冷热板内传感器空间温度立体图的绘制、以及各系统允许指令的发送等工作。该软件设置有自动判断连续记录数据稳定性的功能，即判断连续后四组数据偏差不大于1％，减去人为判断稳定性的繁琐工作。最终数据测试结果的计算为通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流Q(单位时间间隔脉冲信号获得)、计量单元的面积A、试件冷、热表面的温度差ΔT，可以计算出试件的热阻R，根据试件厚度d，就可以准确的计算出试件的导热系数值。
Claims (11)
1.一种材料导热系数测试装置，包括：热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统；热板加热系统包括芯板、防护板和背板，冷板冷却系统包括冷却器、冷板面板，其特征在于，热板加热系统水平设置且位于冷板冷却系统上方；电动升降系统包括支杆、升降托、丝杠、驱动电机；其中丝杠安装在驱动电机上方且带动升降托移动，同时升降托带动两端支杆对热板施力；升降支杆与热板间设有可脱离连接结构。
2.根据权利要求1所述的材料导热系数测试装置，其特征在于，芯板、防护板和背板均包括加热电阻片和金属面板；芯板为计量单元，防护板以“回字形”围绕芯板四周；背板位于芯板和防护板上方且与防护板和芯板之间采用均匀热阻的绝热材料隔热。加热电阻片为双热面加热器，热板加热系统的各面板水平设置。
3.根据权利要求1所述的材料导热系数测试装置，其特征在于，热板各面板材质均为铝合金，防护板外尺寸为550mm×550mm，防护板面板与芯板面板间设有3mm宽隔缝。
4.根据权利要求1所述的材料导热系数测试装置，其特征在于，所述热流量计量系统包括芯板电功率测量装置、电量脉冲转换器、脉冲计数采集器。该热流量计量系统将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，再利用脉冲计量采集器将不同材料稳态传热时所产生的单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储。
5.根据权利要求1所述的材料导热系数测试装置，其特征在于，冷板冷却系统的冷却器包括至少一套半导体制冷片和散热装置，冷板面板外尺寸与防护板面板相同，为550mm×550mm，冷板面板水平设置，冷板面板材质为铝合金。
6.根据权利要求1所述的材料导热系数测试装置，其特征在于，电气控制与测量系统包括电磁继电器、32路输出量开关板卡、15路温度模拟信号模块和1路脉冲计量采集模块、12VDC和24VDC电源、485和RS232转换器。
7.一种材料导热系数测试方法，其导热系数测试装置包括热板加热系统、冷板冷却系统、电动升降系统、热流量计量系统、电气控制与测量系统和工控机软件控制系统；其特征在于，该测试方法采用电动升降系统控制热板的升降；操作时，在水平上下设置的热板和冷板之间放入测试试件，放置后启动驱动电机，使热板在升降支杆的带动下逐渐下落；对于硬质材料，当热板与测试试件接触后，升降支杆脱离热板，使热板以自重着力于测试试件上方；对于软质材料，升降支杆使热板与冷板间距固定，用升降支杆托举热板。
8.根据权利要求8所述的材料导热系数测试方法，其特征在于，热板加热系统、冷板冷却系统均采用PID控制，在热板加热系统的芯板、防护板和背板中均埋有至少一个温度传感器。
9.根据权利要求9所述的材料导热系数测试方法，其特征在于，热流量计量系统将芯板加热器消耗的电能通过电量脉冲转换器转换成脉冲信号，再利用脉冲计量采集器将不同材料稳态传热时所产生的单位时间内的脉冲数目进行数字采集存储(每次在单位时间间隔内采集的脉冲信号下次采集时清零)，并通过灵敏度换算成平均功率得到样品内部的热流量，最终通过除以计量面积得到材料的热流密度。
10.根据权利要求10所述的材料导热系数测试方法，其特征在于，电气控制与测量系统采集热板加热系统、冷板冷却系统的各板温度和室内环境温湿度以及脉冲数目、采集时间信息，经A/D信号转换模块，将数字信号依据软件程序显示、计算并存储。
11.根据权利要求10、11所述的材料导热系数测试方法，其特征在于，工控机软件控制系统主要完成检测采样时间间隔、测试次数、检测条件设置和稳定条件设置，同时实现系统数据(包括温度和脉冲数目)的存储、计算、温度曲线和埋于各冷热板内传感器空间温度立体图的绘制以及各系统允许指令的发送；稳定条件设置是指自动判断连续记录数据稳定性，即判断连续后四组数据偏差不大于1％。
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