CN105136844B - 导热系数测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导热系数测量装置，包括：加热单元，包括试样放置板及两个夹紧盖，试样放置板含有绝热的板本体、两个试样放置凹槽以及保温侧壁，设在两个试样放置凹槽之间的加热板，多个热电偶；测量单元，包括测量电路以及位于该测量电路中且与加热板相连接的热量设定器件、电偶调控器件和电势测量器件，热量设定器件用于设定对试样的加热量、电偶调控器件与热电偶相连，对热电偶进行调控使一个热电偶接入测量电路，电势测量器件与电偶调控器件相连，用于测定接入测定电路的热电偶的热电势；以及计算单元，根据加热量、热电势基于预定规则计算得到试样的导热系数。

Description

导热系数测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于材料热性能测试领域，具体涉及一种测量精度更高且更实用的导热系数测量装置及其测量方法。

背景技术

导热系数是材料的重要参数指标，通常把导热系数较低的材料称为保温材料(如，我国国家标准规定了凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料)，另外，把导热系数在0.05W/(m·K)以下的材料称为高效保温材料。导热系数高的物质有优良的导热性能，这在某些领域有很好的用处。所有，通过测定材料的导热系数，可以确定材料更好的用途，尤其在现有一些新型材料，具有非常重大的意义。

现有技术中，已经有大量的导热系数测量方法，但是，没有任何一种方法能够适用于所有的应用领域。目前，测量导热系数的方法可以分为两大类：稳态法和非稳态法。稳态法包括：热流法、保护热流法和保护热板法等；非稳态法包括：闪光法、热线法等。其中，非稳态法的测量环境要求较为苛刻，仪器价格昂贵并且操作复杂；稳态法的原理简单、成本低廉且操作简便，所有，一般的实验室或简单的工程中，广泛使用稳态法，但是，现有的测量仪器只是测未成形材料或者单种原材料(比如粉末状材料)，不适用于工程上。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种测量精度更高且更实用的导热系数测量装置及其测量方法。

本发明提供了一种导热系数测量装置，用于测量固体试样的导热系数，其特征在于，包括：加热单元，包括试样放置板及分布在该试样放置板两侧与该试样放置板可拆卸相连的两个夹紧盖，试样放置板含有绝热的板本体、位于该板本体两侧的两个试样放置凹槽以及位于该试样放置凹槽四周的绝热的保温侧壁，设在两个试样放置凹槽之间的加热板，试样放置凹槽的底板上和加热板相对试样放置凹槽的两侧均设有多个热电偶；测量单元，包括测量电路以及位于该测量电路中且与加热板相连接的热量设定器件、电偶调控器件和电势测量器件，热量设定器件用于设定对试样的加热量、电偶调控器件与热电偶相连，对热电偶进行调控使一个热电偶接入测量电路，电势测量器件与电偶调控器件相连，用于测定接入测定电路的热电偶的热电势；以及计算单元，根据加热量、热电势基于预定规则计算得到试样的导热系数，其中，当试样放在试样放置凹槽内时，一个试样一侧的端面与加热板的一侧相贴合，另一个试样的端面与加热板的另一侧相贴合，保温侧壁和夹紧盖相贴合。

在本发明提供的导热系数测量装置中，也可以具有这样的特征：其中，板本体为电木板材料。

在本发明提供的导热系数测量装置中，也可以具有这样的特征：其中，保温侧壁为聚氨酯硬质泡沫材料。

在本发明提供的导热系数测量装置中，也可以具有这样的特征：其中，保温侧壁上为三元乙丙保温材料。

在本发明提供的导热系数测量装置中，也可以具有这样的特征：其中，加热板为锌铜材料。

在本发明提供的导热系数测量装置中，也可以具有这样的特征：其中，电势测量器件为毫伏计。

在本发明提供的导热系数测量装置中，还可以具有这样的特征：安装箱，用于放置测量单元，其中，安装箱内包含用于测箱内温度的温度计。

本发明提供了一种使用上述导热系数测量装置的导热系数测量方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一、在放置凹槽内撒入一层铝粉，将与放置凹槽尺寸相匹配的试样放入放置凹槽内，再在试样的表面撒上铝粉至所有缝隙填满并将加热板盖上，然后，另一个试样同样放入另一个放置凹槽中，通过夹紧盖固定好，最后包上保温侧壁；

步骤二、将热量设定器件设定加热量，然后，通过调节电偶调控器件，使一个热电偶接入测量电路，电势测量器件测得该热电偶的热电势，再调节电偶调控器件使另一个热电偶接入测量电路，电势测量器件测得另一个热电偶的热电势，重复上述操作，测得所有热电偶的热电势；

步骤三、计算单元根据测得的所有热电偶的热电势和加热量计算得到导热系数以及导热系数变化曲线。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的导热系数测量装置及其测量方法，因为加热板由内向外加热两个试样放置凹槽上的试样，热电偶采集试样的内侧与外侧的温度变化，并且，通过保温侧壁进行保温，通过热量设定器件设定加热量，使得加热板根据设定的加热量进行加热，另外，通过电偶调控器件选择对应的热电偶与测定电路连通，电势测量器件对应测量热电偶的热电势，然后，计算单元根据加热量和热电势计算得到导热系数，因此，本发明的导热系数测量装置及其测量方法不光能够测单种材料，也可测量夹心材料的导热系数，并且具有测量精度更高且实用性高的优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中导热系数测量装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中加热单元的结构示意图；以及

图3是本发明的实施例中导热系数测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的扭轴折弯机控制装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例中导热系数测量装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的导热系数测量装置100，用于测量两块试样的导热系数，采用平板稳态导热法并且对称加热两块试样的方式并且低电压、小功率测量手段进行测量，导热系数测量装置100包含：加热单元10、测量单元20、计算单元30以及安装箱40。加热单元10设在安装箱40上，测量单元20设在安装箱40里。

图2是本发明的实施例中加热单元的结构示意图。

加热单元10用于安装并且加热试样，包含：试样放置板11、两个夹紧盖12、保温侧壁13、加热板14以及二十个热电偶15。

试样放置板11呈长方体状，含有：板本体(图中未显示)、两个试样放置凹槽11a。试样放置凹槽11a设在板本体的两侧。试样放置凹槽11a的形状尺寸与试样相对应。在本实施例中，板本体采用具有绝缘、不产生静电、耐磨以及耐高温的电木板制成。

两个夹紧盖12设在试样放置板11的两侧并且与试样放置板11可拆卸连接。

保温侧壁13位于试样放置凹槽11a四周，用于对加热单元10进行保温。在本实施例中，保温侧壁13采用三元乙丙发泡板。

加热板14夹设在两个试样放置凹槽11a之间，用于向放置在试样放置凹槽11a中的两个试样进行加热。在本实施例中，加热板14面积为：200mm*120mm，并且具有与220v、50Hz、5A的电源相连接的电源线，内阻为70Ω左右，表面发射率为0.42。，当试样放在试样放置凹槽11a内时，一个试样一侧的端面与加热板14的一侧相贴合，另一个试样的端面与加热板14的另一侧相贴合，保温侧壁13和夹紧盖12相贴合。

二十个热电偶15分为两组，分别对应两个试样设置，分为两个通道用于测量两个试样的内侧表面温度和外侧表面温度。在本实施例中，选用铜-康铜热电偶。通道一热电偶的回归式为:t＝0.14701e³-1.29743e²+26.59857e-0.00627,e0＝-0.0000004t0³+0.0000863t0²+0.0372629t0+0.0019944；通道二热电偶的回归式为:t＝0.14833e³-1.31660e²+26.63548e-0.04877,e0＝-0.0000004t0³+0.0000871t0²+0.0372172t0+0.0035718；精度±0.1℃,Δe由数字精密毫伏计直读,e＝e0+Δe,e0为环境温度对应的热电势)。

测量单元20包含测量电路(图中未显示)、热量设定器件21、电偶调控器件22、电势测量器件23和温度计24。

热量设定器件21连接在电源盒加热板14的电路之间，用于调节输出出功率即、设定试样的加热量。在本实施例中，热量设定器件21采用PZ200P-5K1型供电电压220V,输入电压0～36V,输入电流0～2A,量程0.00到72.00W,精度±5％+2的数显单相有功功率表。

电偶调控器件22与热电偶15和测量电路相连接，用于调节选定一个热电偶连入测量电路。

电势测量器件23与电偶调控器件22相连接，用于测定接入测定电路的热电偶15的热电势。在本实施例中，电势测量器件23采用MB4101T型,供电电压220V,量程0.000到19.999mV,精度±0.005mV的数字精密毫伏计。

计算单元30根据加热量、热电势基于下面的导热系数计算公式计算得到试样的导热系数，由于是压紧的，忽略接触热阻，导热系数计算公式为：

λ＝Φδ/[2A(t₁-t₂)]

式中：Φ——加热板的总加热量(电功率)，W；(功率表显示得出，可调节，自主控制)

t₁,t₂——分别为试样的内表面温度和试样的外表面温度，℃，按试样内侧的热电偶和试样外侧热电偶所测温度分别取其算术平均值；(通过标定所得曲线，将热电偶所测得的热电势转换成温度)

δ——单块试样的厚度，m(单块保温材料厚度)

A——试样截面积，为0.2×0.12＝0.024m²(标准试块)

另外，如现设导热系数与温度有一定的函数关系，即λ＝f(t)，t为t₁,t₂的平均温度，即t＝(t¹+t²)/2，则可按上式算得与试样平均温度对应的导热系数。如不断改变t₁,t₂，则可得到一组平均温度与导热系数对应的数据，从而可求得λ＝f(t)的函数关系式。(即用该仪器不光可测得材料的导热系数值，因其功率可变，还可得出导热系数随温度变化得曲线，实用性很高)

安装箱50用于安装加热单元10和测量单元20。安装箱50包括：支架51和箱体52。支架51竖直设在箱体52上，用于支撑加热单元10。箱体52用于安装测量单元20,。在本实施例中，箱体52的尺寸为：长×宽×高:560mm×400mm×250mm；重量:15±1Kg。

图3是本发明的实施例中导热系数测量方法的流程图。

如图3所示，使用导热系数测量装置100对两个试样进行测量，具体步骤如下：

步骤S1，首先，将导热系数测量装置100放置在室温比较稳定的房间内，并且检查各个器件的调节旋钮都处于关闭状态，如果没有处在关闭状态则将其置于关闭状态，然后，在一个试样放置凹槽11a内撒一层铝粉，再将对应的试样放入槽中，再在试样上撒一薄层铝粉并且将加热板14盖上，还要在加热板14的另一侧也撒一层铝粉，然后，将另一块对称试样放在加热板14上并且撒铝粉，将另一个试样放置凹槽11a盖上，用螺钉固定好三者；最后在试样的外侧上包保温侧壁13，使散热减少，这里撒铝粉的目的是为了填满槽与试样之间的空隙，然后进入步骤S2。

步骤S2，将加热单元10悬挂在支架上，热电偶15通过设置在箱体面板上的电偶调控器件22的两组电偶借口接入电势测量器件23，然后进入步骤S3。

步骤S3，观察各个仪表是否正常，如果正常开始试验，首先，将功率表的功率调节旋钮调节至所需加热功率处，然后，观察热电偶15中内侧的与外侧的温升是否均匀，要保证同侧的热电偶15的偏差在10％之内，如果不均匀，可重新加大压紧程度。经过三个小时以上的时间后，试样到达预定温度，即进入准稳定状态时，可以读取热量设定器件21的读数，此后，每间隔10分钟记录一次，直至前后三次测量的数据偏差小于2％并且无递增(减)趋势，此时，实验工况结束，取最后三次数据平均处理，然后进入步骤S4。

步骤S4，将电偶调控器件2的通道一导通，通道二处于关闭状态，然后读通道一的热电偶15对于的热电势，然后，将电偶调控器件22的通道二导通，通道一处于关闭状态，然后读通道二热电偶15的热电势，然后进入步骤S5。

步骤S5，根据功率、热电势基于导热系数公式计算得到试样的导热系数，然后进入结束状态。

另外，通过改变热量设定器件21的功率，可以得到试样的导热系数曲线。实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的导热系数测量装置及其测量方法，因为加热板由内向外加热两个试样放置凹槽上的试样，热电偶采集试样的内侧与外侧的温度变化，并且，通过保温侧壁进行保温，通过热量设定器件设定加热量，使得加热板根据设定的加热量进行加热，另外，通过电偶调控器件选择对应的热电偶与测定电路连通，电势测量器件对应测量热电偶的热电势，然后，计算单元根据加热量和热电势计算得到导热系数，因此，本实施例的导热系数测量装置及其测量方法不光能够测单种材料，也可测量夹心材料的导热系数，并且具有测量精度更高且实用性高的优点。

在本实施例中的保温侧壁采用三元乙丙包裹保温材料，可使测的结果误差更小。之所以选择三元乙丙，是因为要选择一种保温效果好，且硬度较高，耐老化性，耐高温能力也要很强的一种材料，而三元乙丙都吻合这些性能，而且经济性较好，性价比高。在发明过程中，也选择了其他的保温材料，比如1)聚氨酯泡沫塑料，因其硬度太小，无法固定在铜板上，且价格较贵，不经济，故放弃。2)还选择过硬质泡沫塑料，因其密度过小，保温效果不好，测的实验数据相差太大，故放弃。3)还选择过橡胶管，保温效果不理想，故放弃。

在本实施例中，热电偶标定时直接使用本机仪表,保证了测试的精度。

在本实施例中，不光可测得材料的导热系数值，因其功率可变，还可得出导热系数随温度变化得曲线，实用性很高

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种在导热系数测量装置中施行的导热系数测量方法，所述导热系数测量装置具有：加热单元，包括试样放置板及分布在该试样放置板两侧与该试样放置板可拆卸相连的两个夹紧盖，所述试样放置板含有绝热的板本体、位于该板本体两侧的两个试样放置凹槽以及位于该试样放置凹槽四周的绝热的保温侧壁，设在所述两个试样放置凹槽之间的加热板，所述试样放置凹槽的底板上和所述加热板相对所述试样放置凹槽的两侧均设有多个热电偶；测量单元，包括测量电路以及位于该测量电路中的且与所述加热板相连接的热量设定器件、电偶调控器件和电势测量器件，所述热量设定器件用于设定对所述试样的加热量、所述电偶调控器件与所述热电偶相连，对所述热电偶进行调控使一个所述热电偶接入所述测量电路，所述电势测量器件与所述电偶调控器件相连，用于测定接入所述测定电路的所述热电偶的热电势；以及计算单元，根据所述加热量、所述热电势基于预定规则计算得到所述试样的导热系数，

所述导热系数测量方法特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在所述放置凹槽内撒入一层铝粉，将与所述放置凹槽尺寸相匹配的所述试样放入所述放置凹槽内，再在所述试样的表面撒上铝粉至所有缝隙填满并将所述加热板盖上，然后，另一个所述试样同样放入另一个所述放置凹槽中，通过所述夹紧盖固定好，最后包上所述保温侧壁；

步骤二、将所述热量设定器件设定所述加热量，然后，通过调节所述电偶调控器件，使一个所述热电偶接入所述测量电路，所述电势测量器件测得所述热电偶的热电势，再调节所述电偶调控器件使另一个所述热电偶接入所述测量电路，所述电势测量器件测得另一个所述热电偶的热电势，重复上述操作，测得所有热电偶的热电势；

步骤三、所述计算单元根据测得的所有所述热电偶的热电势和所述加热量计算得到所述导热系数以及导热系数变化曲线。