CN108872306B - 一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法，包括滑轨，加热盘架，散热盘架，不良导体样品架，不良导体样品，金属样品，金属样品架，加热盘，散热盘，温度传感器一，温度传感器二，散热风扇，单片电脑测温及控制仪，压紧螺栓，压紧螺母，太阳能光伏供电系统；此测量装置用于稳态法测定不良导体、金属材料的导热系数；本仪器现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，各个部件方便拆装，便于实验顺畅进行，避免现有仪器拆装不便导致教学进度缓慢的问题；本装置提高了实验精度和实验效率；可广泛应用于科研、教学和生产中。

Description

一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法

技术领域

本发明具体涉及一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法，属于物理实验仪器领域。

背景技术

导热系数是表征物质热传导性质的物理量；材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定；

测量导热系数常用实验方法为稳态法；先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，用物体散热速率求传热速率的实验方法，根据傅立叶方程就可以计算出导热系数；

如FD-TC-B型导热系数测定仪装置，它由电加热器、铜加热盘，样品圆盘，铜散热盘、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成；公开了一种稳态法测定不良导体导热系数的实验装置；目前此实验仪器普遍存在着以下不足：

（1）现有实验仪器多用于不良导体（如橡胶 玻璃、陶瓷、有机玻璃、塑料）导热系数的测定，无法实现对金属材料（如铜、铝、铁等）导热系数的准确测量；测量内容单一，无法满足一种仪器可以同时准确测量不良导体、金属导热系数的需求；

（2）FD-TC-B型导热系数测定仪装置在使用时，需将样品放在加热盘与散热盘中间，样品要求与加热盘、散热盘完全对准，然后固定；之后调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松：过紧会压缩样品的厚度，过松导致样品与加热盘、散热盘接触不良，中间有空气隙；这些都会导致无法准确测量样品的导热系数；现有设备接触面贴合程度控制不灵活，不能较好的调节使样品与加热盘、散热盘接触良好；

实验中，加热盘、圆盘样品、散热盘的圆面面积相同，且依次从上到下叠放再一起，样品要求与加热盘、散热盘完全对准，由于有电加热器在上方遮挡，加热盘、样品、散热盘完全对准操作不方便；之后调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好；在调节底部的三个微调螺丝时，加热盘、圆盘样品、散热盘容易倾斜，导致加热盘、圆盘样品、散热盘间相互错位，不能完全对准，影响实验测量进行，稍有不慎便会导致测量结果不准确，整个安放、调节过程繁琐；此外，更换样品时还需要将加热盘、加热盘上的电加热器取下来或抬高才能进行样品更换，操作时容易被烫伤，操作不灵活；导热系数计算时，需要测量散热盘半径、厚度，样品的半径、厚度；所以需要将散热盘、样品取下进行测量，现有设备装卸不方便；整个实验中器材拆装不够简便，导致实验进行不够顺畅，浪费了有限的教学实验时间，耽误了教学进度；

（3）稳态法测量不良导体、金属材料导热系数，实验中，不良导体需设置为直径10cm，厚度设置为10mm的圆板；金属需设置为长度为20cm，截面直径置为10cm的圆柱体；样品一端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，另一端面与一均匀散热体相接触；不良导体为平板样品，其侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着平板平面方向垂直传递，侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同；而金属样品侧面积和平板平面相比差距不大甚至比平板平面面积还大，侧面散去的热量会极大影响测量结果；

（4）FD-TC-B型导热系数测定仪没有电子计时器，另配例如秒表、电子表、手机等计时器，计时器不统一造成计时误差；

（5）FD-TC-B型导热系数测定仪采用电加热方式，加热方式耗电，完全依赖外电网供电，断电则无法使用；

基于上述原因设计一种太阳能测定材料导热系数实验仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能测定材料导热系数实验仪及其测量方法，此测量装置用于稳态法测定不良导体、金属材料的导热系数；本仪器操作简便、现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，各个部件方便拆装，便于实验顺畅进行，避免现有仪器拆装不便导致教学进度缓慢的问题。

本发明采用的技术方案如下：一种太阳能测定材料导热系数实验仪，包括滑轨，加热盘架，散热盘架，不良导体样品架，不良导体样品，金属样品，金属样品架，加热盘，散热盘，温度传感器一，温度传感器二，散热风扇，单片电脑测温及控制仪，压紧螺栓，压紧螺母，太阳能光伏供电系统，电子计时器；其特征在于：

所述滑轨上表面中央横向设置滑轨凹槽，滑轨凹槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨凹槽前后两侧对称设置插槽板，插槽板凸出于滑轨上表面，且插槽板外侧面向内凹，形成直角梯形状的插接槽，插接槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨上表面、靠近插接槽处、沿滑轨凹槽方向设置刻度线；

所述加热盘架包括滑行座，环形盘，弧形卡位板，压紧连接柱，滑行座紧固螺栓，圆盘紧固螺栓；

所述滑行座呈M型，下端两个支撑脚向内弯折形成滑行部，滑行部呈直角梯形状，与滑轨上的插接槽形状吻合，且滑行部内侧面与插接槽间留有缝隙；所述滑行部处设置螺纹孔一，螺纹孔一方向为垂直指向插接槽，螺纹孔一贯穿滑行部，内侧与缝隙连通；

所述环形盘呈圆环状，安装在滑行座上部中央，其中央为空心圆，环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个弧形卡位板，一个位于环形盘底部中央，另两个位于环形盘肩部；所述弧形卡位板凸出于环形盘右侧圆环面，且中央围合成一个圆形的圆盘安装腔；所述圆盘安装腔直径大于空心圆直径，且小于环形盘最大外径，与加热盘为间隙配合；所述圆盘安装腔与空心圆轴线重合；所述弧形卡位板厚度比加热盘厚度小；位于环形盘肩部的两个弧形卡位板上设置垂直指向圆盘安装腔轴线的螺纹孔二，螺纹孔二贯穿弧形卡位板弧形面；

所述环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个压紧连接柱，压紧连接柱与弧形卡位板错开；所述压紧连接柱下端位于圆盘安装腔外侧，上端超出环形盘，超出部分设置与圆盘安装腔轴线平行的螺纹孔三；所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小；

所述滑行座紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔一内；所述圆盘紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔二内；

所述散热盘架与加热盘架结构相同，对称安装；

所述不良导体样品架包括滑行座二，保温套管，压紧连接柱二；

所述滑行座二结构与滑行座结构相同；

所述保温套管为圆环状，安装在滑行座二上部中央，其中央为空心圆二，空心圆二直径与圆盘安装腔直径相同，不良导体样品架安装在滑轨上后，保温套管轴线与圆盘安装腔轴线重合；所述保温套管上设置四个螺纹孔四，螺纹孔四方向为垂直指向空心圆二轴线，且贯穿保温套管的弧形面，四个螺纹孔四分为两组，前侧两个螺纹孔四相互平行为一组，后侧两个螺纹孔四相互平行为另一组，两组螺纹孔左侧一列的两个螺纹孔四与右侧一列的两个螺纹孔四关于不良导体样品架前面中线对称，位于保温套管弧形面的两侧边缘，且两组螺纹孔四与加热盘架上的两个螺纹孔二对应，前侧两个螺纹孔四与前侧螺纹孔二平行，后侧两个螺纹孔四与后侧螺纹孔二平行；

所述保温套管水平分割为两个半圆环，分别为上部半圆环和下部半圆环，两个半圆环后侧接口采用铰链连接，前侧接口处设置凸出的螺栓连接部，螺栓连接部分为上下接触的两部分，分别位于上部半圆环和下部半圆环上；所述螺栓连接部上设置竖直的螺纹孔五，保温套管前侧接口处通过螺栓旋紧固定；

所述保温套管外侧弧形面上间隔设置三个压紧连接柱二，压紧连接柱二上设置与空心圆二轴线平行的螺纹孔六，不良导体样品架安装在滑轨上后，三个压紧连接柱二与加热盘架上的三个压紧连接柱位置相对应，且相互平行，对应位置的螺纹孔六与螺纹孔三轴线重合；

所述不良导体样品设置为直径10厘米、厚度为10毫米的圆板，沿轴向活动安装在保温套管的空心圆二内，安装时不良导体样品两侧的圆形面凸出于保温套管圆环面1-2毫米；

所述金属样品设置为长度为20厘米，截面直径为10厘米的圆柱体；

所述金属样品架与不良导体样品架结构部件相同，金属样品架与不良导体样品架的区别在于：金属样品架的保温套管长度比金属样品长度小2-4毫米，其下端两侧设置两个滑行座二支撑；金属样品架的保温套管的弧形面上、靠近两侧端口分别设置三个压紧连接柱二；金属样品架的保温套管同样水平分割为两个半圆环，前侧接口处均匀间隔设置两个螺栓连接部，后侧接口采用铰链连接；

所述加热盘为圆柱状圆盘，其内部均匀盘绕螺旋状的加热电阻，加热电阻供电端通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；所述加热盘弧形面上设置温度传感器插孔一；所述加热盘可拆卸地安装在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后加热盘右侧圆面凸出于弧形卡位板右侧面1-2毫米；

所述散热盘为圆柱状圆盘，其弧形面上设置温度传感器插孔二；所述散热盘可拆卸地安装在散热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后散热盘左侧圆面凸出于弧形卡位板左侧面1-2毫米；

所述温度传感器一一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器一连接口连接，有传感器一端插在加热盘的温度传感器插孔一内；

所述温度传感器二一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器二连接口连接，有传感器一端插在散热盘的温度传感器插孔二内；

所述散热风扇固定安装在滑行座上部中央，安装在滑轨上后，其吹风方向为吹向散热盘；所述散热风扇通过导线连接单片电脑测温及控制仪，由单片电脑测温及控制仪供电；

所述单片电脑测温及控制仪前面设置有两个表头，其中左侧表头用于设定控制温度，右侧表头用于显示散热盘的即时温度；所述单片电脑测温及控制仪后面设置电源插孔、加热盘供电接口、温度传感器一连接口、温度传感器二连接口、开关按钮，风扇开关；所述单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，其显示控制屏设置在单片电脑测温及控制仪前面；

所述压紧螺栓、压紧螺母配合使用，可拆卸地连接加热盘架、不良导体样品架、金属样品架、散热盘架；

所述加热盘、散热盘、不良导体样品、金属样品的圆形面的面积相同。

优选的，所述滑轨，加热盘架，散热盘架，不良导体样品架，金属样品架采用隔热材料制成。

优选的，所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小1-2毫米。

优选的，所述圆盘安装腔直径比加热盘直径大0.1-1毫米。

优选的，所述保温套管采用耐高温保温材料制成。

优选的，所述保温套管采用保温塑料管。

优选的，所述太阳能光伏供电系统包括太阳能电池组件，充放电控制器，太阳能充放电线路，蓄电池组，逆变器；所述太阳能电池组件通过光伏电缆与充放电控制器连接；所述蓄电池组通过太阳能充放电线路与充放电控制器连接；所述逆变器输入端通过电线连接蓄电池组，输出端通过电线连接本装置的各个用电设备。

一种太阳能测定材料导热系数实验仪的测量方法，其特征在于：包括不良导体导热系数测量方法和金属导热系数测量方法；

所述不良导体导热系数测量方法具体步骤如下：

（1）将加热盘架、不良导体样品架、散热盘架、散热风扇从左至右依次插接在滑轨上；将加热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；将加热盘安装在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；

（2）将不良导体样品架向加热盘架一侧推动，靠近后将不良导体样品架上的保温套管打开，将不良导体样品放入空心圆二内，关闭保温套管，将保温套管前侧接口处通过螺栓旋紧固定；微调不良导体样品架使不良导体样品两侧的圆形面凸出于保温套管两侧的圆环面1-2毫米，同时不良导体样品左侧的圆形面对齐贴合加热盘右侧面；保温套管上的四个螺纹孔四内安装圆盘紧固螺栓，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；将不良导体样品架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；

（3）安装散热盘，将散热盘架向不良导体样品架一侧推动，直至散热盘左侧的圆形面对齐贴合不良导体样品右侧面；将散热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；

（4）用压紧螺栓穿过加热盘架、不良导体样品架、散热盘架上的压紧连接柱、压紧连接柱二，压紧螺栓另一端安装压紧螺母，通过调节压紧螺母使加热盘、不良导体样品、散热盘四周紧密贴合；通过对比观察滑轨上的刻度线，观察贴合程度，防止贴合过紧或过松；

（5）连接温度传感器一，温度传感器二，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好；加热盘通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；

（6）打开单片电脑测温及控制仪电源，设定控制温度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热；左侧表头显示设定控制温度，右侧表头显示散热盘的即时温度；同时打开散热风扇；

（7）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度及时间，可以每隔一分钟记录一次，等待10分钟以上直至加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，可以认为样品内部温度分布已经达到稳定状态了；记录加热盘温度θ ₁，同时记录散热盘温度θ ₂；

（8）取走不良导体样品架，调节加热盘架、散热盘架使加热盘和散热盘接触良好，散热盘温度上升到高于稳态时的θ ₂时8.0-10.0℃即可；

（9）移去加热盘，打开电子计时器，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔2O秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，利用逐差法由θ ₂值的温度数据计算冷却速率，也可以根据记录数据作冷却曲线，用镜尺法作曲线在θ ₂的切线，根据切线斜率计算冷却速率；

（10）根据测量得到的稳态时的温度值θ ₁和θ ₂，以及在温度θ ₂时的冷却速率，由公式：

计算不良导体样品的导热系数λ；其中m为散热盘的质量，c为其比热容,R _p 为散热盘的半径，h _p 为其厚度, h _B 为样品的厚度，d _B 为圆盘样品的直径；

（11）金属导热系数测量方法与不良导体导热系数测量方法步骤相同，其区别在于使用金属样品架对金属样品进行保温固定。

本发明的有益效果在于：此测量装置用于稳态法测定不良导体、金属材料的导热系数；本仪器操作简便、现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，各个部件方便拆装，便于实验顺畅进行，避免现有仪器拆装不便导致教学进度缓慢的问题；本装置测量速度快捷，操作方便快捷，提高了实验精度和实验效率；可广泛应用于科研、教学和生产中。

进一步，为了减小实验误差、方便的调节使样品与加热盘、散热盘接触良好，避免过紧或过松；进行如下优化设置：

设置方便打开和闭合的保温套管对样品弧形侧面进行保温处理，侧面散去的热量就可以忽略不计，可以认为热量只沿着平板平面方向垂直传递；

加热盘架、不良导体样品架、金属样品架、散热盘架上均匀间隔设置压紧连接柱，通过压紧螺栓、压紧螺母配合使用压紧样品四周，避免局部出现接触过松问题；

安装时，样品两侧的圆形面凸出于保温套管两侧的圆环面1-2毫米；加热盘右侧圆面凸出于弧形卡位板右侧面1-2毫米；散热盘左侧圆面凸出于弧形卡位板左侧面1-2毫米；这样设置可以直观观察到样品接触面是否出现接触过松现象；此外，调节过程中还可以比照滑轨上的刻度线进行精准观察、调节。

进一步，利用太阳能光伏供电系统将光能转换成电能，为导热系数实验仪提供清洁能源，节省能源，为加热盘，散热风扇，单片电脑测温及控制仪提供能源；将太阳能装置引入大学物理实验仪器中，可以扩展实验的测定内容，使学生可以在同一个实验中学习到电学、热学、太阳能发电等多种知识，增加学习内容，开拓学生眼界，拓展知识面，培养学生的创新能力；同时，不依赖于电网供电，随时使用，避免断电影响教学实验的进行。

进一步，单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，其显示控制屏设置在单片电脑测温及控制仪前面；避免另配例如秒表、电子表、手机等计时器，计时器不统一造成计时误差。

附图说明

图1为本发明的整体立体结构示意图。

图2为本发明的滑轨立体结构示意图。

图3为本发明的滑轨截面图。

图4为本发明的加热盘架立体结构示意图。

图5为本发明的加热盘前视图。

图6为本发明的加热盘右视图。

图7为本发明的加热盘架、散热盘架安装图。

图8为本发明的不良导体样品架立体结构示意图。

图9为本发明的不良导体样品架右视图。

图10为本发明的不良导体样品架打开展示图。

图11为本发明的不良导体样品架前视图。

图12为本发明的不良导体样品安装结构示意图。

图13为本发明的不良导体样品测量组装完毕的结构示意图。

图14为本发明的不良导体样品测量组装完毕的前视图。

图15为本发明的不良导体样品测量时温度传感器一、温度传感器二连接结构示意图。

图16为本发明的金属样品架前视立体结构示意图。

图17为本发明的金属样品架后视立体结构示意图。

图18为本发明的金属样品架组装完毕的结构示意图。

图19为本发明的金属样品测量时温度传感器一、温度传感器二连接结构示意图。。

图20为本发明的加热盘内部结构示意图。

图21为本发明的太阳能光伏供电系统连接结构示意图。

图22为本发明的单片电脑测温及控制仪前面结构示意图。

图23为本发明的单片电脑测温及控制仪后面连接图。

图中：滑轨1，加热盘架2，散热盘架3，不良导体样品架4，不良导体样品5，金属样品6，金属样品架7，加热盘8，散热盘9，温度传感器一10，温度传感器二11，散热风扇12，单片电脑测温及控制仪13，压紧螺栓14，压紧螺母15，太阳能光伏供电系统16，滑轨凹槽1-1，插槽板1-2，滑轨上表面1-3，插接槽1-4，刻度线1-5，滑行座2-1，环形盘2-2，弧形卡位板2-3，压紧连接柱2-4，滑行座紧固螺栓2-5，圆盘紧固螺栓2-6，滑行部2-7，缝隙2-8，螺纹孔一2-9，空心圆2-10，圆盘安装腔2-11，螺纹孔二2-12，螺纹孔三2-13，滑行座二4-1，保温套管4-2，压紧连接柱二4-3，空心圆二4-4，螺纹孔四4-5，上部半圆环4-6，下部半圆环4-7，后侧接口4-8，前侧接口4-9，螺栓连接部4-10，螺纹孔五4-11，螺纹孔六4-12，加热电阻8-1，供电线8-2，温度传感器插孔一8-3，温度传感器插孔二9-1，左侧表头13-1，右侧表头13-2，电源插孔13-3，加热盘供电接口13-4，温度传感器一连接口13-5，温度传感器二连接口13-6，开关按钮13-7，电子计时器13-8，风扇开关13-9，太阳能电池组件16-1，充放电控制器16-2，太阳能充放电线路16-3，蓄电池组16-4，逆变器16-5。

具体实施方式

以下为本发明的较佳实施方式，但并不因此而限定本发明的保护范围。

具体实施例：不良导体导热系数测量方法具体步骤如下：

（1）将加热盘架2、不良导体样品架4、散热盘架3、散热风扇12从左至右依次插接在滑轨1上；将加热盘架2上的滑行座紧固螺栓2-5向内旋紧与滑轨1固定；将加热盘8安装在加热盘架2上的圆盘安装腔2-11内，并通过圆盘紧固螺栓2-6向内旋紧固定；

（2）将不良导体样品架4向加热盘架2一侧推动，靠近后将不良导体样品架4上的保温套管4-2打开，将不良导体样品5放入空心圆二4-4内，关闭保温套管4-2，将保温套管4-2前侧接口4-9处通过螺栓旋紧固定；微调不良导体样品架4使不良导体样品5两侧的圆形面凸出于保温套管4-2两侧的圆环面1-2毫米，同时不良导体样品5左侧的圆形面对齐贴合加热盘8右侧面；保温套管4-2上的四个螺纹孔四4-5内安装圆盘紧固螺栓，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；将不良导体样品架4上的滑行座紧固螺栓2-5向内旋紧与滑轨1固定；

（3）安装散热盘9,将散热盘架3向不良导体样品架4一侧推动，直至散热盘9左侧的圆形面对齐贴合不良导体样品5右侧面；将散热盘架3上的滑行座紧固螺栓2-5向内旋紧与滑轨1固定；

（4）用压紧螺栓14穿过加热盘架2、不良导体样品架4、散热盘架3上的压紧连接柱2-4、压紧连接柱二4-3，压紧螺栓14另一端安装压紧螺母15，通过调节压紧螺母15使加热盘9、不良导体样品5、散热盘9四周紧密贴合；通过对比观察滑轨1上的刻度线1-5，观察贴合程度，防止贴合过紧或过松；

（5）连接温度传感器一10，温度传感器二11，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘8和散热盘9接触良好；加热盘8通过供电线连接单片电脑测温及控制仪13上的加热盘供电接口13-4；

（6）打开单片电脑测温及控制仪13电源，设定控制温度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热；左侧表头13-1显示设定控制温度，右侧表头13-2显示散热盘9的即时温度；同时打开散热风扇9；

（7）加热盘8的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘9的温度及时间，可以每隔一分钟记录一次，等待10分钟以上直至加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，可以认为样品内部温度分布已经达到稳定状态了；记录加热盘温度θ ₁，同时记录散热盘温度θ ₂；

（8）取走不良导体样品架4，调节加热盘架2、散热盘架3使加热盘8和散热盘9接触良好，散热盘9温度上升到高于稳态时的θ ₂时8.0-10.0℃即可；

（9）移去加热盘9，打开电子计时器13-8，让散热盘9在风扇作用下冷却，每隔2O秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，利用逐差法由θ ₂值的温度数据计算冷却速率，也可以根据记录数据作冷却曲线，用镜尺法作曲线在θ ₂的切线，根据切线斜率计算冷却速率；

（10）根据测量得到的稳态时的温度值θ ₁和θ ₂，以及在温度θ ₂时的冷却速率，由公式：

计算不良导体样品的导热系数λ；其中m为散热盘的质量，c为其比热容,R _p 为散热盘的半径，h _p 为其厚度, h _B 为样品的厚度，d _B 为圆盘样品的直径。

尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能测定材料导热系数实验仪, 包括滑轨，加热盘架，散热盘架，不良导体样品架，不良导体样品，金属样品，金属样品架，加热盘，散热盘，温度传感器一，温度传感器二，散热风扇，单片电脑测温及控制仪，压紧螺栓，压紧螺母，太阳能光伏供电系统，电子计时器；其特征在于：

所述滑轨上表面中央横向设置滑轨凹槽，滑轨凹槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨凹槽前后两侧对称设置插槽板，插槽板凸出于滑轨上表面，且插槽板外侧面向内凹，形成直角梯形状的插接槽，插接槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨上表面、靠近插接槽处、沿滑轨凹槽方向设置刻度线；

所述加热盘架包括滑行座，环形盘，弧形卡位板，压紧连接柱，滑行座紧固螺栓，圆盘紧固螺栓；

所述滑行座呈M型，下端两个支撑脚向内弯折形成滑行部，滑行部呈直角梯形状，与滑轨上的插接槽形状吻合，且滑行部内侧面与插接槽间留有缝隙；所述滑行部处设置螺纹孔一，螺纹孔一方向为垂直指向插接槽，螺纹孔一贯穿滑行部，内侧与缝隙连通；

所述环形盘呈圆环状，安装在滑行座上部中央，其中央为空心圆，环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个弧形卡位板，一个位于环形盘底部中央，另两个位于环形盘肩部；所述弧形卡位板凸出于环形盘右侧圆环面，且中央围合成一个圆形的圆盘安装腔；所述圆盘安装腔直径大于空心圆直径，且小于环形盘最大外径，与加热盘为间隙配合；所述圆盘安装腔与空心圆轴线重合；所述弧形卡位板厚度比加热盘厚度小；位于环形盘肩部的两个弧形卡位板上设置垂直指向圆盘安装腔轴线的螺纹孔二，螺纹孔二贯穿弧形卡位板弧形面；

所述环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个压紧连接柱，压紧连接柱与弧形卡位板错开；所述压紧连接柱下端位于圆盘安装腔外侧，上端超出环形盘，超出部分设置与圆盘安装腔轴线平行的螺纹孔三；所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小；

所述滑行座紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔一内；所述圆盘紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔二内；

所述散热盘架与加热盘架结构相同，对称安装；

所述不良导体样品架包括滑行座二，保温套管，压紧连接柱二；

所述滑行座二结构与滑行座结构相同；

所述保温套管为圆环状，安装在滑行座二上部中央，其中央为空心圆二，空心圆二直径与圆盘安装腔直径相同，不良导体样品架安装在滑轨上后，保温套管轴线与圆盘安装腔轴线重合；所述保温套管上设置四个螺纹孔四，螺纹孔四方向为垂直指向空心圆二轴线，且贯穿保温套管的弧形面，四个螺纹孔四分为两组，前侧两个螺纹孔四相互平行为一组，后侧两个螺纹孔四相互平行为另一组，两组螺纹孔左侧一列的两个螺纹孔四与右侧一列的两个螺纹孔四关于不良导体样品架前面中线对称，位于保温套管弧形面的两侧边缘，且两组螺纹孔四与加热盘架上的两个螺纹孔二对应，前侧两个螺纹孔四与前侧螺纹孔二平行，后侧两个螺纹孔四与后侧螺纹孔二平行；

所述保温套管水平分割为两个半圆环，分别为上部半圆环和下部半圆环，两个半圆环后侧接口采用铰链连接，前侧接口处设置凸出的螺栓连接部，螺栓连接部分为上下接触的两部分，分别位于上部半圆环和下部半圆环上；所述螺栓连接部上设置竖直的螺纹孔五，保温套管前侧接口处通过螺栓旋紧固定；

所述保温套管外侧弧形面上间隔设置三个压紧连接柱二，压紧连接柱二上设置与空心圆二轴线平行的螺纹孔六，不良导体样品架安装在滑轨上后，三个压紧连接柱二与加热盘架上的三个压紧连接柱位置相对应，且相互平行，对应位置的螺纹孔六与螺纹孔三轴线重合；

所述不良导体样品设置为直径10厘米、厚度为10毫米的圆板，沿轴向活动安装在保温套管的空心圆二内，安装时不良导体样品两侧的圆形面凸出于保温套管圆环面1-2毫米；

所述金属样品设置为长度为20厘米，截面直径为10厘米的圆柱体；

所述金属样品架与不良导体样品架结构部件相同，金属样品架与不良导体样品架的区别在于：金属样品架的保温套管长度比金属样品长度小2-4毫米，其下端两侧设置两个滑行座二支撑；金属样品架的保温套管的弧形面上、靠近两侧端口分别设置三个压紧连接柱二；金属样品架的保温套管同样水平分割为两个半圆环，前侧接口处均匀间隔设置两个螺栓连接部，后侧接口采用铰链连接；

所述加热盘为圆柱状圆盘，其内部均匀盘绕螺旋状的加热电阻，加热电阻供电端通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；所述加热盘弧形面上设置温度传感器插孔一；所述加热盘可拆卸地安装在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后加热盘右侧圆面凸出于弧形卡位板右侧面1-2毫米；

所述散热盘为圆柱状圆盘，其弧形面上设置温度传感器插孔二；所述散热盘可拆卸地安装在散热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后散热盘左侧圆面凸出于弧形卡位板左侧面1-2毫米；

所述温度传感器一一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器一连接口连接，有传感器一端插在加热盘的温度传感器插孔一内；

所述温度传感器二一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器二连接口连接，有传感器一端插在散热盘的温度传感器插孔二内；

所述散热风扇固定安装在滑行座上部中央，安装在滑轨上后，其吹风方向为吹向散热盘；所述散热风扇通过导线连接单片电脑测温及控制仪，由单片电脑测温及控制仪供电；

所述单片电脑测温及控制仪前面设置有两个表头，其中左侧表头用于设定控制温度，右侧表头用于显示散热盘的即时温度；所述单片电脑测温及控制仪后面设置电源插孔、加热盘供电接口、温度传感器一连接口、温度传感器二连接口、开关按钮，风扇开关；所述单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，其显示控制屏设置在单片电脑测温及控制仪前面；

所述压紧螺栓、压紧螺母配合使用，可拆卸地连接加热盘架、不良导体样品架、金属样品架、散热盘架；

所述加热盘、散热盘、不良导体样品、金属样品的圆形面的面积相同。

2.根据权利要求1所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述滑轨，加热盘架，散热盘架，不良导体样品架，金属样品架采用隔热材料制成。

3.根据权利要求1所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小1-2毫米。

4.根据权利要求1所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述圆盘安装腔直径比加热盘直径大0.1-1毫米。

5.根据权利要求1所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述保温套管采用耐高温保温材料制成。

6.根据权利要求5所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述保温套管采用保温塑料管。

7.根据权利要求1所述的太阳能测定材料导热系数实验仪，其特征在于：所述太阳能光伏供电系统包括太阳能电池组件，充放电控制器，太阳能充放电线路，蓄电池组，逆变器；所述太阳能电池组件通过光伏电缆与充放电控制器连接；所述蓄电池组通过太阳能充放电线路与充放电控制器连接；所述逆变器输入端通过电线连接蓄电池组，输出端通过电线连接本装置的各个用电设备。

8.一种太阳能测定材料导热系数实验仪的测量方法，其特征在于：包括不良导体导热系数测量方法和金属导热系数测量方法；

所述不良导体导热系数测量方法具体步骤如下：

（1）将加热盘架、不良导体样品架、散热盘架、散热风扇从左至右依次插接在滑轨上；将加热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；将加热盘安装在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；

（2）将不良导体样品架向加热盘架一侧推动，靠近后将不良导体样品架上的保温套管打开，将不良导体样品放入空心圆二内，关闭保温套管，将保温套管前侧接口处通过螺栓旋紧固定；微调不良导体样品架使不良导体样品两侧的圆形面凸出于保温套管两侧的圆环面1-2毫米，同时不良导体样品左侧的圆形面对齐贴合加热盘右侧面；保温套管上的四个螺纹孔四内安装圆盘紧固螺栓，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；将不良导体样品架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；

（3）安装散热盘，将散热盘架向不良导体样品架一侧推动，直至散热盘左侧的圆形面对齐贴合不良导体样品右侧面；将散热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；

（4）用压紧螺栓穿过加热盘架、不良导体样品架、散热盘架上的压紧连接柱、压紧连接柱二，压紧螺栓另一端安装压紧螺母，通过调节压紧螺母使加热盘、不良导体样品、散热盘四周紧密贴合；通过对比观察滑轨上的刻度线，观察贴合程度，防止贴合过紧或过松；

（5）连接温度传感器一，温度传感器二，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好；加热盘通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；

（6）打开单片电脑测温及控制仪电源，设定控制温度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热；左侧表头显示设定控制温度，右侧表头显示散热盘的即时温度；同时打开散热风扇；

（7）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始记录散热盘的温度及时间，每隔一分钟记录一次，等待10分钟以上直至加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，认为样品内部温度分布已经达到稳定状态了；记录加热盘温度θ ₁，同时记录散热盘温度θ ₂；

（8）取走不良导体样品架，调节加热盘架、散热盘架使加热盘和散热盘接触良好，散热盘温度上升到高于稳态时的θ ₂时8.0-10.0℃即可；

（9）移去加热盘，打开电子计时器，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔2O秒或者30秒记录一次散热盘的温度示值，利用逐差法由θ ₂值的温度数据计算冷却速率，也可以根据记录数据作冷却曲线，用镜尺法作曲线在θ ₂的切线，根据切线斜率计算冷却速率；

（10）根据测量得到的稳态时的温度值θ ₁和θ ₂，以及在温度θ ₂时的冷却速率，由公式：

计算不良导体样品的导热系数λ；其中m为散热盘的质量，c为其比热容,R _p 为散热盘的半径，h _p 为其厚度, h _B 为样品的厚度，d _B 为圆盘样品的直径；

（11）金属导热系数测量方法与不良导体导热系数测量方法步骤相同，其区别在于使用金属样品架对金属样品进行保温固定。