CN1056694C - 一种测定材料导热系数的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种测定材料导热系数(δ)的方法及其装置，使已知厚度(δ)的被测材料通过设置于其一侧面上的已知面积(S)的加热盘基本上接收一已知功率(P)的热源的全部功率；在被测材料的另一侧面上与加热盘相对应的位置上设置一受热盘并测得加热盘与受热盘之间的温度差(ΔT)，用上述各参考代入导热方程即求得材料的导热系数(λ)。本发明所提供的测量装置能在实际应用环境中快速测得被测材料的导热系数。

Description

一种测定材料导热系数的方法及其装置

本发明涉及材料导热系数的测量，尤其涉及一种直接测量功率从而实现测量材料导热系数的方法及装置。

对于材料导热系数的测量，在经典测量方法中对于热源导入材料的功率测量是采用一种间接功率测量的降温曲线法。降温曲线的获得是通过将受热盘加热至某一较高温度T_m，然后使受热盘脱离热源开始自然冷却(散热)，并每隔一段时间(例如30秒)记录其温度T、作出降温曲线T(t)，并在所需温度点M作该曲线的切线，求出斜率

代入下式， $P=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{mc}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}{|}_M\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$ 求出M点处热源稳定流入被测材料的功率。式(1)中m为受热盘的质量，C为受热盘材料的比热。

上述降温曲线法的缺点是：1，费时，2，要求环境稳定，稍有微风即能明显影响降温曲线的变化，也即影响到被测材料加热功率的测定。此种方法只能在特定的实验室中进行。

本发明的目的是为了克服上述已有技术存在的缺点而提出了一种直接功率测量的快速测量材料导热系数的方法及装置。

本发明所提供的导热系数测量方法包括步骤为：

在已知厚度(δ)的被测材料的一侧面上覆有已知面积(S)的加热盘，在所述加热盘上设有已知功率(P)的热源，一绝热材料套封在所述热源及所述加热盘上，使所述被测材料接收所述热源的全部已知功率；

在所述被测材料的另一侧面上与所述加热盘相对应的位置上设置一受热盘并测得所述加热盘与受热盘之间的温度差(ΔT)；

用上述厚度(δ)面积(S)、功率(P)和温度差(ΔT)代入导热方程： $\frac{P}{S}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\δ}}$

求得所述材料的导热系数(λ)，其中，所述已知功率(P)的热源为一电加热功率的热源，所述已知功率通过P＝IV求得，I为流过热源的电流，V为热源两端的电压。

本发明按照上述方法设计的导热系数测量装置包含：

设置于被测材料一侧面上并将其内部热源功率全部导入被测材料的定向导热装置，所述导热装置由可与被测材料所述一侧面相接触的加热盘(A)，设于所述加热盘上的热源(H)，套封在所述热源和所述加热盘上的绝热材料及设于所述加热盘的温度传感器构成；

设于被测材料另一侧面与所述加热盘相对应位置处的受热盘(B)及设于所述受热盘的温度传感器；

根据所述两温度传感器输出的温度信号测定所述定向导热装置中被测材料两侧面上的温度差的温差测量装置；

按照流过所述热源的电流(I)与所述热源两端电压(V)的积测量所述定向导热装置中热源功率的功率测量装置。

如上构成的本发明，由于采用了能将已知热源功率全部导入被测材料的定向加热装置，在其测试方法及装置中避免了降温曲线的功率测量法，所以本发明所提供的方法及装置可在实际环境中快速测定被测材料的导热系数。

下面结合附图和实施例详细描述本发明。

图1为本发明导热系数测量装置中应用的定向导热装置一实施例的结构原理图；

图2为本发明导热系数测量装置一实施例结构原理框图；

图3为本发明导热系数测量装置另一实施例结构原理框图；

图4为本发明的定向导热装置另一实施例的结构原理图；

图5为本发明中应用的热源一实施例的具体线路图；

图6为本发明中应用的测温装置一实施例的具体线路图；

图7为本发明导热系数测量装置的部分电路的一实施例的具体线路图。

参见图1，图1为本发明导热系数测量装置中应用的定向导热装置11一实施例的结构原理图。图中被测材料C的一侧面上复有已知面积(S)的加热盘A，加热盘A上设有已知功率(P)的热源H，一由外壳D及该壳D内的绝热材料组成的绝热罩E套封在热源H及加热盘A上以防止热量散失。在被测材料C的另一侧面上与加热盘A相对应的位置上复一受热盘B，并在加热盘A与受热盘B上分别设有温度传感器F以便向外输出加热盘A和受热盘B的温度信号。为了保证必要的测量精度，则必须使加热盘A和受热盘B的径向尺寸大大大于被测材料C的厚度(δ)。

下面参看附图2，图2为本发明导热系数测量装置结构的一实施例的方框图。图中框12为定向导热装置11和被测材料C，定向导热装置11的结构及其与被测材料C的配置关系在图1中已经作导热装置11的结构及其与被测材料C的配置关系在图1中已经作了描述。图中温差测量装置13接收来自设置在被测材料C的两侧面上的定向导热装置11中的加热盘A及受热盘B上的温度传感器F的输出信号，以便测定被测材料C的两侧面上的温度差。温度控制装置14将来自定向导热装置11中的加热盘A上的温度传感器F输出的温度信号S₁与来自温度设定装置15的温度设定电平进行比较，以产生一温度控制信号S2加给定向导热装置11中的热源H来调节热源H发出的功率P的大小，直到加热盘A上的温度与温度设定值一致时定向加热装置11进入保温状态。通过功率测量装置16测出保温状态下的热源H的输出功率P(也即为被测材料所接收的功率)，再由温差测量装置13测得保温状态下的被测材料C的两侧面上的温度差ΔT；将上述加热盘的面积S、被测材料的厚度δ及上述保温状态下的热源H的输出功率P和被测材料C的两侧面上的温度差ΔT代入上述导热方程公式(2)即可求得被测材料的导热系数；当然也可将上述测试参数及计算公式(2)输入微机，由微机自动处理出被测材料的导热系数，这是本技术领域中的公知手段。

图3显示了本发明导热系数测量装置的另一实施例的方框图。与图2所示实施例相比，图3中的方框12h-热源H、方框12a-加热盘A、方框12b-受热盘B及被测材料组成了图2中的方框12-定向导热装置11和被测材料C。图3所示实施例与图2所示实施例相比，不同点在于：①图3所示实施例用测温装置a-框13a和测温装置b-方框13b替代了图2中的温差测量装置13；②在图3中增加了温度显示装置a11，b11-框18a和框18b及状态指示装置17。

关于不同点①，两者基本功能相同，即图3中测温装置a接收来自加热盘A上的温度传感器F的温度信号可测出加热盘A的温度(与被测材料一侧面上温度相同)，而测温装置b接收来自受热盘B上的温度传感器F的温度信号可测出受热盘B的温度(与被测材料另一侧面上温度相同)，从而可得出被测材料两侧面上的温度差ΔT。附加优点在于，两侧温装置a、b(13a、13b)可分别接有温度显示装置a11，b11(18a、18b)，这样可显示出不同温度状态下的导热系数值，这一点是有意义的，因为被测材料的导热系数一般会随温度变化而变化。

关于不同点②，其中温度显示装置a11、b11(18a，18b)上面已作了描述。而状态指示装置17的设置是用来指示热源H是处于加温状态还是保温状态，通常在保温状态下系统温度较稳定，测得的导热系数才是准确的，状态指示装置17的应用可有效地缩短测试周期。

另外一点需说明的，图3中除了定向导热装置11(12h，12a，12b)外，其余方框均可用微机及相应方框来完成。这是本领域中普通技术人员所周知的。

图4示出了定向导热装置的另一实施例的结构原理图。它与图1定向导热装置的不同点在于，在绝热罩的绝热材料中增加了一层封盖热源H及加热盘A的辅助加热层G，在实际应用中使辅助加热层G的温度与加热盘A的温度相等来避免由绝热罩对热源H的功率泄漏而造成的导热系数的测量误差。这种测量误差也可通过对图2所示定向加热装置测量其加热盘A相对于外界(空气)的热阻，对测得的导热系数进行修正来消除。

图5为本发明热源一实施例的具体线路图。图中晶体三极管T₃₀₁、T₃₀₂、T₃₀₃、T₃₀₄、T₃₀₅和T₃₀₆的集电极作为加热器。由T₃₀₁～T₃₀₃构成了加热器ha，T₃₀₄～T₃₀₆构成了加热器hb。加热器ha用作加热盘A的热源H，并安装在加热盘A上，加热器hb安装在受热盘B上，仅在环境温度较低，需对被测材料进行预热时才被启用，其通断通常通过图7中的K_201-1，K_201-22×2开关进行控制。上述各三极管及其周边电阻组成恒压(电源电压)输出的电流控制放大器。通过调节图中加热功率控制点A₍₃₁₁₎、B₍₃₁₃₎上的供电电位即可改变各管的输出电流的大小也即改变其集电极输出功率的大小。三极管T₃₀₁～T₃₀₃的集电极输出功率组成热源H的输出功率。

下面参看图6，图6为测温装置A或B的一实施例的具体线路图。其中温度传感器F由器件AD590构成，其输出电流随温度变化而线性变化。如图6所示运放结构的测温装置其输出电压V_T随温度传感器的温度变化而线性变化，也即电压V_T与温度之间仅差一常数，故V_T大小可作温度指示。

参见图7，图7为本发明导热系数测量装置中温度控制装置14、功率测量装置16、状态指示装置17、温度设定装置15及热源H的一实施例的具体线路及它们相互间的连接关系图。图7中，

运放和差分放大器8050，9013及其周边元件组成温度控制装置；

运放的脚4上的电阻支路中的电位器1K为温度设定装置15；框R₃₀₁～R₃₁₂和框T301～T₃₀₆就是图5热源中的相应电路，框R₃₀₁～R₃₁₂的左侧接点B、A对应于图5中的加热功率大小的控制点A和/或B；发光二极管D₁、D₂及其控制逻辑电路L₁～L₂组成状态指示装置17；右侧变压器及与其相连的各电子元件组成电源电路，其中三极管BD及其集电极上的电流表A组成功率测量装置16。由于热源H中T₃₀₁～T₃₀₆集一射极间的供电电压是电源电压V，因此由电流表A测得T₃₀₁～T₃₀₆的全部集电极总电流I即加热功率P＝VI就被测得。

下面简单说明一下温度控制装置、温度设定装置、测温装置、和热源电路之间的工作原理。图6中的测温装置的输出V_T接于图7中左面的V_in的

运放的输入端，该运放的输出连于差放对左侧管9013的基极输入端，差放右侧管8050的集电极输出接于图5中的热源H的功率控制端A、B。由图7可见，当测温装置输出V_T(即V_in对应于温度设定电平时，

运放(接成跟随器形式的比较电路)输出为零电平，则差放8050输出一对应于该零电平的作为保温的功率控制电平输入图5的A和/或B端，使热源三极管T₃₀₁～T306输出一维持在对应于该设定温度的功率值上。当通过电位器1K改变温度设定值、如增加大设定温度(即电位器向上滑动)，由于V_in小于温度设定电平(指绝对值)则

输出一负电平，差放管8050的集电极输出电平下降，由图5可知各三极管T₃₀₁～T₃₀₆的集电极电流增大，热源H的输出功率亦增大，由图6可见，温度传感器AD590输出电流随之增大，TL082的输出电压V_T(V_in)也增大使

输出趋于零，从而达到新的平衡。

以上通过具体实施例对本发明作了详细描述，需说明的是上面所列举各具体线路和元器件仅仅为了解释本发明，对本技术领域中的普通技术人员根据本发明的构思可就具体线路和元器件作出种种变化，因此，上述具体线路不能作为限定本发明构思的保护范围。本发明构思的保护将由下述权利要求书加以确定。

Claims (7)

1.一种测定材料导热系数(λ)的方法，及特征在于，包含步骤：

在已知厚度(δ)的被测材料的一侧面上覆有已知面积(S)的加热盘，在所述加热盘上设有已知功率(P)的热源，一绝热材料套封在所述热源及所述加热盘上，使所述被测材料接收所述热源的全部已知功率；

在所述被测材料的另一侧面上与所述加热盘相对应的位置上设置一受热盘并测得所述加热盘与受热盘之间的温度差(ΔT)；

用上述厚度(δ)面积(S)、功率(P)和温度差(ΔT)代入导热方程： $\frac{P}{S}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\δ}}$

求得所述材料的导热系数(λ)，其中，所述已知功率(P)的热源为一电加热功率的热源，所述已知功率通过P＝IV求得，I为流过热源的电流，V为热源两端的电压。

2.如权利要求1所述测定导热系数的方法，其特征在于，进一步可包括测量所述加热盘相对于外界空气的热阻，以便对测得的导热系数进行修正，提高其测量精度。

3.如权利要求1所述测定导热系数的方法，其特征在于，进一步可包括在所述被测材料的一侧的所述加热盘的外侧设置一辅助加热层(G)，并使该辅助加热层的温度等于所述加热盘上的温度。

4.一种实现权利要求1所述方法的导热系数测量装置，其特征在于，它包含：

设置于被测材料一侧面上并将其内部热源功率全部导入被测材料的定向导热装置，所述导热装置由可与被测材料所述一侧面相接触的加热盘(A)，设于所述加热盘上的热源(H)，套封在所述热源和所述加热盘上的绝热材料及设于所述加热盘上的温度传感器构成；

设于被测材料另一侧面与所述加热盘相对应位置处的受热盘(B)及设于所述受热盘上的温度传感器；

根据所述两温度传感器输出的温度信号测定所述定向导热装置中被测材料两侧面上的温度差的温差测量装置；

按照流过所述热源的电流(I)与所述热源两端电压(V)的积测量所述定向导热装置中热源功率的功率测量装置。

5.如权利要求4所述的导热系数测量装置，其特征在于，还进一步包含：对作为测试温度的所述加热盘的温度进行设定的温度设定装置；和

将设于所述加热盘上的温度传感器送来的温度信号与所述温度设定装置输出的温度设定电平进行比较，产生一温度控制信号控制所述热源的功率大小，使所述加热盘达到所述设定温度的温度控制装置。

6.如权利要求4或5所述的导热系数测量装置，其特征在于，所述温差测量装置可由接收来自所述加热盘上的温度传感器信号的加热盘温度测量装置和接收来自所述受热盘上的温度传感器信号的受热盘温度测量装置组成。

7.如权利要求6所述的导热系数测量装置，其特征在于，它进一步可包含与所述温度控制装置相连的一状态指示装置，用于指示所述热源处于加热状态或保温状态。

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