CN105372292B - 一种防护热板法平板导热仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器领域，具体地说是一种防护热板法平板导热仪。本发明在现有导热仪基础上改进防护加热单元加热功率的电压输入方法，根据计量单元热面温度自动跟进。改进冷却单元冷却水流动换热方式，提高冷却面温度均衡精度。提高测试件热面、冷面、防护加热单元温度测量精度，采用数字式电力测量仪提高计量单元加热电功率测量精度的防护热板法平板导热仪。本发明是一种操作简单，不需要经验数据。冷却水流动合理，冷却温度均匀，温差小。温度测量，计量单元加热电功率测量精确，电功率测量精确到mW级。从而，导热系数检测精度大大提高的防护热板法平板导热仪。

Description

一种防护热板法平板导热仪

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，具体地说是一种防护热板法平板导热系数测量仪器。

背景技术

导热系数是绝热材料的一个重要参数，尤其在化工、建筑行业涉及到热量的传递，导热系数的准确测量更为重要。导热系数是材料自身温度的函数，一般采用实验方法确定，主要分为稳态法和非稳态法。其中，防护热板法是一种标准的稳态测量方法，适用于测定干燥试件，被广泛地应用于工程、国防和高校教学实验中，以其温度范围宽、量程广、无需对测量单元进行标定等优点一直备受重视，所以出现了基于稳态保护热板法研制的导热系数测量仪器。如：授权号CN20270795U一种平板法导热仪实用新型专利。

在目前使用的双试件保护热板法稳态平板导热系数测定仪使用过程中，发现存在如下问题影响其平板导热系数测定精度，有必要进行改进。首先，用于试件侧边绝热保护的防护加热单元加热功率是通过手动改变的。操作人员要凭经验确定每个测试温度下的绝热保护的防护加热单元加热功率，输入与之相应的电压数值。经验不足的人操作，输入电压过大产生热惯性冲击，在热平衡位置上下振幅大，不易稳定。输入电压值过小热跟踪温度跟不上，热平衡时间过长，实现试件周边绝热缝零温差快速跟踪困难。绝热不好，产生附加的热流场歪曲。加热单元和试件的边缘绝热不良使试件中热流场偏离一维热流场的根源，也是该种仪器测量测量误差的主要因素之一。其二，目前使用的仪器其冷却单元冷却水入口和出口在同一侧，水流动途径不合理，冷却水入口和出口存在温差较大，产生冷却面温度不一致，导致试件中热流场热流密度不均匀。其三，该仪器计量单元加热电功率测量使用的是指针式功率表。该表最小量程37.5W，表盘刻度75格，每格指示0.5W，0.5W以下精度要估读。该仪器平时计量加热电功率范围0～10W，在最小量程的27％以内，是模拟量测量线性度较差区域，测量精度不好。

在平板导热系数测量过程中，平板试件两侧温度的均匀性、准确性和给平板试件加热功率两个参数偏差对导热系数计算结果的影响非常大。因此减小当前使用的双试件保护热板法稳态平板导热系数测定仪存在的这些产生偏差因素，提高平板导热仪器参数测量的准确度非常重要。

发明内容

本发明提供了一种在现有的双试件保护热板法稳态平板导热系数测定仪基础上，改进防护加热单元加热功率的电压输入方法，根据计量单元热面温度自动跟进。改进冷却单元冷却水流动换热方式，提高冷却面温度均衡精度。提高测试件热面、冷面、防护加热单元 温度测量精度，采用数字式电力测量仪提高计量单元加热电功率测量精度的防护热板法平板导热仪。

本发明技术方案结合附图说明如下：一种防护热板法平板导热仪，该导热仪包括冷却单元1、均热板2、冷面热电偶4、跟踪热电偶5、热面热电偶6、保护加热器7和加热计量单元8，所述的冷却单元1、均热板2、测试件3、冷面热电偶4、跟踪热电偶5、热面热电偶6相对于保护加热器7和加热计量单元8是上下对称设置相同的两套；其中保护加热器7和加热计量单元8布置在中间同一平面；所述的冷面热电偶4安装在冷却面的均热板2内并且多点并联；所述的热面热电偶6安装在加热面的均热板2内，与加热计量单元8位置对应并且多点并联；所述的跟踪热电偶5安装在加热面的均热板2内，与保护加热器7位置对应并且多点并联；该导热仪还包括自动控制系统；所述的自动控制系统包括空气开关13、交流电压调压器14、电力测量仪15、温度跟踪控制器16、电阻17、固态继电器18、固态调压器19、交流电压表20和温度显示器21；其中所述的温度跟踪控制器16的一个输入端与热面热电偶6连接，热面热电偶6的另一端为测量点，测量测试件3热面温度；温度跟踪控制器16另一个输入端与跟踪热电偶5连接，跟踪热电偶5的另一端为测量点，测量保护加热器7热面温度；所述的温度跟踪控制器16的一个输出端与电阻17和固态调压器19连接；另一个输出端与固态继电器18连接，两个输出端与电压表20和保护加热器7连接；所述的空气开关13分别与交流电压调压器14、温度跟踪控制器16和温度显示器21相连接；所述的电力测量仪15电流输入端与电压调压器14和加热计量单元8之间串联，电压输入端与加热计量单元8之间并联；所述的温度显示器21输入端与冷面热电偶4连接，冷面热电偶4的另一端为测量点，测量测试件3冷面温度。

所述温度跟踪控制器16上增加了一个温度变送输出模块，与电阻17相连端口为温度变送输出端，该温度变送输出模块串联一个电阻17，取电阻17两端的电压信号作为固态调压器(19)的钳制电位；所述的温度跟踪控制器16上与固态继电器18相连端口为开关信号输出端，输出一个控制保护加热器7控制回路中的开、关和占空比的开关信号。

所述的温度跟踪控制器16上温度变送输出模块的电流为4mA～20mA，是根据热面热电偶6的温度变送的。

所述的冷却单元1是将水套用蛇形板分为两个区域；在水套的上方设置两个进水通道即左进水通道9和右进水通道11，两个进水通道的进水口呈对角线设置；所述的左、右进水通道9、11设置在冷却单元水套面板上，对应蛇形板形成的各个流水通道的位置钻有孔洞，孔洞的直径大小不同；在水套侧面与进水口呈对角线的位置设置对应的左、右出水通道10、12，两股冷却水交叉流动。

所述的电力测量仪15的电流测量范围为0mA～5000mA。

本发明专利的有益效果是：

(1)、本发明专利方案在该防护热板法平板导热仪制作、调试时，根据该防护热板法平板导热仪使用环境温度，该仪器的热容量、比热等相关温度参数计算，结合实验经验确定绝热保护的防护加热单元加热功率曲线。将操作人员要凭经验确定的每个测试温度下的绝热保护的防护加热单元加热功率，输入与之相应的电压数值，变为该测试温度的函数，由测量温度变送成电信号，仪器自动跟踪，输入与之相应的电压数值。在使用过程中就不用凭经验确定每个测试温度下的绝热保护的防护加热单元加热功率。对于没有经验的操作者，特别是学生，只要通过改变加热计量单元的电功率，调到自己要测的温度，本方案的防护热板法平板导热仪就会根据要测的温度自动确定相应的绝热保护的防护加热单元加热功率，使绝热保护面形成零温差。快速，准确。操作简单。

(2)、冷却水流动合理，冷却温度均匀，温差小。测量温度均匀、准确。

(3)、计量单元加热电功率测量精确，电功率测量精确到mW级。从而，导热系数检测精度大大提高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明冷却单元结构示意图；

图3为本发明电气控制系统接线图。

图中：1、冷却单元；2、均热板；3、测试件；4、冷面热电偶；5、跟踪热电偶；6、热面热电偶；7、保护加热器；8、加热计量单元；9、左进水通道；10、左出水口；11、右进水通道；12、右出水口；13、空气开关；14、交流电压调压器；15、电力测量仪；16、温度跟踪控制器；17、电阻；18、固态继电器；19、固态调压器；20、交流电压变；21、温度显示器。

具体实施方式

参阅图1、图3，一种防护热板法平板导热仪，该导热仪包括冷却单元1、均热板2、冷面热电偶4、跟踪热电偶5、热面热电偶6、保护加热器7、加热计量单元8和电气控制系统，所述的冷却单元1、均热板2、测试件3、冷面热电偶4、跟踪热电偶5、热面热电偶6相对于保护加热器7和加热计量单元8是上下对称设置相同的两套；其中保护加热器7和加热计量单元8布置在中间同一平面；所述的冷面热电偶4安装在冷却面的均热板2内并且多点并联；所述的热面热电偶6安装在加热面的均热板2内，与加热计量单元8位置对应并且多点并联；所述的跟踪热电偶5安装在加热面的均热板2内，与保护加热器7位置对应并且多点并联。

本发明在现有的双试件保护热板法稳态平板热导系数测定仪基础上，增加了测量试件 侧面绝热保护的自动控制系统。所述的自动控制系统包括空气开关13、交流电压调压器14、电力测量仪15、温度跟踪控制器16、电阻17、固态继电器18、固态调压器19、交流电压表20和温度显示器21。

所述的温度跟踪控制器16的一个输入端与热面热电偶6连接，热面热电偶6的另一端为测量点，测量测试件3热面温度；温度跟踪控制器16另一个输入端与跟踪热电偶5连接，跟踪热电偶5的另一端为测量点，测量保护加热器7热面温度。

所述的温度跟踪控制器16的一个输出端与电阻17和固态调压器19连接，所述的温度跟踪控制器16温度变送输出模块的电流为4mA～20mA，是根据热面热电偶6的温度变送的。该输出模块串联一个电阻17，取电阻17两端的电压信号作为固态调压器19的钳制电位，控制保护加热器7在对应温度下最大输出电压(最大输出功率)。温度跟踪控制器16的另一个输出端与固态继电器18连接，控制固态继电器18的开、关，进而控制保护加热器7电路的通、断，用固态继电器18的占空比控制保护加热器7输出电功率时长。

温度跟踪控制器16的两个输出端与电压表20和保护加热器7连接；所述的空气开关13分别与交流电压调压器14、温度跟踪控制器16和温度显示器21相连接。

所述的电力测量仪15电流输入端与电压调压器14和加热计量单元8之间串联，电压输入端与加热计量单元8之间并联；所述的温度显示器21输入端与冷面热电偶4连接，冷面热电偶4的另一端为测量点，测量测试件3冷面温度。温度显示器21读取测试件3冷面温度。去掉测试件冷面温度和热保护跟踪温度之间转换开关，避免了每一次转换遗存电压的误差，以及学生实验操作时误操作。电力测量仪15取代了现有的指针式功率表，将电力测量仪15的电流测量范围设定在0mA～5000mA，功率测量精确到mW，数值显示。

其中所述的温度跟踪控制器16上增加设置一个温度变送输出模块，该模块根据热面热电偶6输入温度信号变送直流弱电流信号在一个输出端输出，该温度变送输出模块的电流为4mA～20mA，该温度变送输出模块通过串联了一个电阻17转变为电压信号，取电阻17两端的电压信号作为固态调压器19的钳制电位，控制固态调压器19的最大电压峰值输出角，从而控制保护加热器7在该测试温度下的最大输出电压(即功率)大小。所述的温度跟踪控制器16上另一个输出端输出一个开关信号，控制保护加热器7控制回路中的开、关和占空比，实现控制保护加热器7的热功率根据温度的需求增加。这样避免了人为输入值过大，或过小导致绝热保护不良，造成的测量误差。同时也热平衡时间，缩短测试时间。特别是，学生能够在实验课时内多做几组数据，进行准确性分析。这个开关信号是温度跟踪控制器16取热面热电偶6测量测试件3热面温度，跟踪热电偶5测量保护加热器7热面温度，这两个温度差，经过PID计算转化输出的。这样使保护加热器7以合理的加热电功率、加热速度跟踪计量单元热面温度，避免人工调整时出现的输入电压过大产生热惯性冲 击，在热平衡位置上下振幅大，不易稳定；输入电压值过小热跟踪温度跟不上，热平衡时间过长，试件周边绝热缝零温差快速跟踪困难；保证绝热保护措施。

参阅图2，所述的冷却单元1是将水套用蛇形板分为两个区域；在水套的上方设置两个进水通道即左进水通道9和右进水通道11，两个进水通道的进水口呈对角线设置；所述的左、右进水通道9、11区域冷却单元水套面板上，对应蛇形板形成的各个流水通道的位置钻有孔，空的直径大小不同，孔的直径大小是经过计算的，保证每个流水通道的流量相同；在水套侧面与进水口呈对角线的位置设置对应的左、右出水通道10、12。这样水套两部分冷却水进出交错，冷却均衡，温度均匀。

温度跟踪控制器16可以选用型号为AL808的温度跟踪控制器，在原基础上增加一个温度变送输出模块，输出4mA～20mA的直流弱电流。

电力测量仪15可以选择型号为601的电力测量仪,电流测量范围为0mA～5000mA。

温度显示器21可以选择型号为501的温度显示器。

本发明的工作原理为：该新型防护热板法平板导热仪投入使用前进行调试。首先根据该防护热板法平板导热仪使用环境温度，该仪器的热容量、比热等相关温度参数计算，确定绝热保护的防护加热单元加热功率曲线，并通过实验数据校正。将操作人员要凭经验确定的每个测试温度下的绝热保护的防护加热单元加热功率的电压数值，变为该测试温度的函数，由测量温度变送成固态调压器的钳制电压信号，固态调压器输出与之相应的电压数值。在使用过程中就不用凭经验确定每个测试温度下的绝热保护的防护加热单元加热功率。对于没有经验的操作者，特别是学生，只要通过改变加热计量单元的电功率，调到自己要测的温度。确定仪器测试件3温度范围，并将测试温度范围等分若干份。将固态调压器19的钳制电位输入端断开，并接入一个临时调试用的直流电压电位器。调试加热计量单元8加热器的交流电压调压器14的输出电压，使测试件热面温度平衡在每个要测量的温度区域。测试件3的热面温度由热面热电偶6测量、测试件3的冷面温度由冷面热电偶4测量，测量数据在温差跟踪控制器16和温度显示器21上显示。手调直流电压电位器，控制固态调压器19的钳制电位输入，使固态调压器19的输出电压满足快速跟踪温度差的电功率。固态调压器19的输出电压值在交流电压表20上显示。因每个实验仪器的热容量不同，在不同温度下需要的热功率不同。在低温区域(100℃以下)基本符合线性规律。绝热试件测试温度范围也在低温区域。记录在各个测试温度点保护加热器7的最佳电压值之后，将固态调压器19的钳制电位输入端拆去临时调试用的直流电压电位器，接入温差跟踪控制器16输出的直流弱电流(4～20mA)串联的电阻17两端，作为固态调压器19的钳制电位。根据最大量程时保护加热器的最佳电压值对应的固态调压器的最大钳制电位，与温差跟踪控制器16上输出直流弱电流(20mA)对应，在这个直流弱电流(4～20mA)输出端串联的电阻 17，使电阻17两端的电压信号与固态调压器19的钳制电位相符，控制保护加热器输出电压(即功率)大小。保护加热器7控制输出电功率与实际测试电功率之间的偏差，用温差跟踪控制器16原有的温差控制开关信号输出接入固态继电器18，用固态继电器18的占空比来拟补。设测试件3热面温度为T1，保护热面跟踪温度为T2，当(T1-T2)﹥0时为占，固态继电器18闭合，(T1-T2)≤0时为空，固态继电器18断开。控制保护加热器07输出电功率时长。1分钟50周期。这样，任何使用者都不需要凭经验来调整保护加热器输出电压(即功率)大小了。

加热计量单元8的电压、电功率用电力测量仪15测量，数值显示，不用估读。将电流测量范围设定在0～5000mA，功率测量精确到mW。保护加热器7的电压值由交流电压表20测量，数值显示。测试件3热面温度用热面热电偶6测量，在温差跟踪控制器16上数值显示。测试件3冷面温度用冷面热电偶4测量，在温度显示器21上数值显示。保护热面跟踪温度用跟踪热电偶5测量在温差跟踪控制器16上数值显示。去掉转换开环，减少误差环节，减少误操作因素。本发明是一种新型的防护热板法平板导热仪，该导热仪操作简便，测量数据精准。

Claims (3)

1.一种防护热板法平板导热仪，该导热仪包括冷却单元(1)、均热板(2)、冷面热电偶(4)、跟踪热电偶(5)、热面热电偶(6)、保护加热器(7)和加热计量单元(8)，所述的冷却单元(1)、均热板(2)、测试件(3)、冷面热电偶(4)、跟踪热电偶(5)、热面热电偶(6)相对于保护加热器(7)和加热计量单元(8)是上下对称设置相同的两套；其中保护加热器(7)和加热计量单元(8)布置在中间同一平面；所述的冷面热电偶(4)安装在冷却面的均热板(2)内并且多点并联；所述的热面热电偶(6)安装在加热面的均热板(2)内，与加热计量单元(8)位置对应并且多点并联；所述的跟踪热电偶(5)安装在加热面的均热板(2)内，与保护加热器(7)位置对应并且多点并联；其特征在于，该导热仪还包括自动控制系统；所述的自动控制系统包括空气开关(13)、交流电压调压器(14)、电力测量仪(15)、温度跟踪控制器(16)、电阻(17)、固态继电器(18)、固态调压器(19)、交流电压表(20)和温度显示器(21)；其中所述的温度跟踪控制器(16)的一个输入端与热面热电偶(6)连接，热面热电偶(6)的另一端为测量点，测量测试件(3)热面温度；温度跟踪控制器(16)的另一个输入端与跟踪热电偶(5)连接，跟踪热电偶(5)的另一端为测量点，测量保护加热器(7)热面温度；所述的温度跟踪控制器(16)的一个输出端与电阻(17)和固态调压器(19)连接；另一个输出端与固态继电器(18)连接，两个输出端与电压表(20)和保护加热器(7)连接；所述的空气开关(13)分别与交流电压调压器(14)、温度跟踪控制器(16)和温度显示器(21)相连接；所述的电力测量仪(15)电流输入端与电压调压器(14)和加热计量单元(8)之间串联，电压输入端与加热计量单元(8)之间并联；所述的温度显示器(21)输入端与冷面热电偶(4)连接，冷面热电偶(4)的另一端为测量点，测量测试件(3)冷面温度；所述的冷却单元(1)是将水套用蛇形板分为两个区域；在水套的上方设置两个进水通道即左进水通道(9)和右进水通道(11)，两个进水通道的进水口呈对角线设置；所述的左、右进水通道(9、11)区域冷却单元水套面板上，对应蛇形板形成的各个流水通道的位置钻有孔，孔洞的直径大小不同；在水套侧面与进水口呈对角线的位置设置对应的左、右出水通道(10、12)，两股冷却水交叉流动。

2.根据权利要求1所述的一种防护热板法平板导热仪，其特征在于，所述温度跟踪控制器(16)上增加了一个温度变送输出模块，与电阻(17)相连端口为温度变送输出端，该温度变送输出模块串联一个电阻(17)，取电阻(17)两端的电压信号作为固态调压器(19)的钳制电位；所述的温度跟踪控制器(16)上与固态继电器(18)相连端口为开关信号输出端，输出一个控制保护加热器(7)控制回路中的开、关和占空比的开关信号；所述的温度跟踪控制器(16)上温度变送输出模块的电流为4mA～20mA，是根据热面热电偶(6)的温度变送的。

3.根据权利要求1所述的一种防护热板法平板导热仪，其特征在于，所述的电力测量仪(15)的电流测量范围为0mA～5000mA。