CN109738485B - 一种固体材料导热系数的测量装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体材料导热系数测量装置，包括测量主机；核心测量传感器转接板封装壳，其与所述测量主机相连接；核心测量传感器，其与所述核心测量传感器转接板封装壳连接；恒温试验箱，为测量提供恒温的实验环境；设置于恒温试验箱内的第一固体材料样块和第二固体材料样块；位于第一固体材料样块和第二固体材料样块之上的辅助工具。该测量装置可以实现对大于规定尺寸，同时导热系数在0.01～100W/(m·K)范围内的固体材料，在10～60℃的温度范围内的进行测量，导热系数测量偏差小于±5％，重复性优于2％。本发明还提供了一种使用所述固体材料导热系数测量装置进行测量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置及其方法，具体涉及一种固体材料导热系数的测量装置，以及基于该测量装置的测量方法。
背景技术
导热系数的作为材料最为重要的热物性参数之一，是材料在保温、散热和节能等领域应用的直接性能指标，因此对于材料导热系数的准确测量是十分必要的。目前对于导热系数的测试方法主要分为两类，稳态法和非稳态法。
目前稳态法中以保护热板法为主要代表，是一种被公认的导热系数测量的标准方法，主要针对的是保温材料等导热系数在1W/(m·K)以下的材料进行测量，其测量准确度高，被各国国家计量院采用，作为标准方法来建立导热系数测量基准装置。然而稳态法其测量所需时间较长，无法满足地方材料导热系数检测单位以及企业的大批量的测试需求。作为非稳态法的测试方法，其中瞬态法以其较为快速的测量时间，以及较为准确的测量结果被广泛研究，发展出了较多的瞬态导热系数测试方法，例如：激光闪光法、平面热源法、热线法、热带法和3ω法等。其中商业化较好的是平面热源法，1995年，Gustafsson采用Hot Disk法即平面热源法，对建筑材料，低导热系数的挤塑聚苯乙烯和有机玻璃(PMMA)和高导热系数的不锈钢和铝进行了导热系数和热扩散系数的测量，与国际上标准材料值的吻合性较好，其测量导热系数准确度在±5％以内，热扩散系数在准确度在±10％以内。同年，HotDisk有限公司在瑞典Uppsala的成立，以其独有的瞬态平面热源法(TPS)专利技术在热物性测试领域成为市场主导，经过十多年的发展，Hot Disk于2007年通过了ISO国际标准委投票并发布了国际标准ISO-CD22007-2.2，《塑料导热系数和热扩散率的测定－瞬态平面热源法(Hot Disk)》。
跟瞬态平面热源法原理相似，瞬态热带法(THS)也是由Gustafsson率先提出并进行研究的，在热线法的基础上，建立了热带的温度变化和空间尺寸的关系式。德国物理技术研究所(PTB)的Hammerschmidt对瞬态热带法(THS)和瞬态热线法(THW)测量导热系数和热扩散系数的原理和不确定度进行了详细的分析和评价，并进行了改进，并使用THS和TWS对水和冰进行了导热系数的测试，提出了THS不是测量液体导热系数最好的选择，THW法是测量液体和气体导热系数较好的选择，目前国内高校和科研院所等对气体、液体和固体导热系数的测量研究，主要是在THS和THW的基础上进行发展，建立实验室测试装置。
然而，目前缺少操作简单，测量结果可靠，成本相对较低，同时较为轻便的材料导热系数测量装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单，测量结果可靠，同时较为轻便的材料导热系数测量装置，适用于实验室恒定温度下检测，也适用于材料现场的快速测量。
本发明提供了一种固体材料导热系数的测量装置，其包括：测量主机；核心测量传感器转接板封装壳，其与所述测量主机相连接；核心测量传感器，其与所述核心测量传感器转接板封装壳连接；恒温试验箱，为测量提供恒温的实验环境；设置于恒温试验箱内的第一固体材料样块和第二固体材料样块；位于第一固体材料样块和第二固体材料样块之上的辅助工具。
其中，所述辅助工具为标准砝码。
其中，进一步包括RTD测温传感器，其用于对恒温试验箱内的温度进行实时监控。
其中，所述测量主机通过USB-B连接线与PC机进行连接。
其中，进一步包括所述核心测量传感器保护壳，其独立于测量主机。
其中，所述测量主机的外壳表面上具有显示触摸操作屏和多个接线端口。
其中，所述测量主机包括恒定电流源模块、高速电压采集卡模块、模拟/数字信号处理模块和温度测量模块。
本发明提供了一种采用测量装置进行导热系数测量的方法，其包括：
步骤1、准备好材质相同的第一固体材料样块和第二固体材料样块，检查两样块之间是否能紧密贴合；
步骤2、将所述第一固体材料样块和第二固体材料样块放入恒温试验箱中，并将核心测量传感器放在第一固体材料样块和第二固体材料样块中间，摆正并使用辅助工具；
步骤3、设置恒温试验箱的温度，待恒温试验箱内温度稳定后，同时打开测量主机进行预热；
步骤4、使用USB-B连接线将测量主机和PC机进行连接，打开PC机上的配套程序，并设置端口连接，并运行程序；
步骤5、开始测量，测量时间约为120s，测量主机显示第一固体材料样块和第二固体材料样块的导热系数；
步骤6、测量主机内设冷却时间10min或15min；待冷却倒计时结束，再次进行测量，重复测量三次。
本发明采用将恒流源模块、高速电压采集模块、数字信号处理模块和测温模块等集成于测量主机中，并配备恒温试验箱来保证测温环境的稳定，采用瞬态热桥法测量传感器，测量两块相同材质的固体材料的导热系数，并配备装载了基于labVIEW平台编制的数据存储、分析和处理软件的PC机。该测量装置可以实现对大于规定尺寸，同时导热系数在0.01～100W/(m·K)范围内的固体材料，在10～60℃的温度范围内的进行测量，导热系数测量偏差小于±5％，重复性优于2％。本发明的材料导热系数测量装置操作简单，测量结果可靠，成本相对较低，同时较为轻便。
附图说明
图1为本发明的固体材料导热系数的测量装置的结构示意图；
图2为本发明的测量主机的后盖板的结构示意图；
图3为本发明的测量主机的分解结构示意图；
图4为本发明的核心测量传感器的保护壳和转接板的封装壳的放大结构示意图；
图5为惠斯通电桥电路示意图；
图6为本发明的根据惠斯通等效电路构建的等效热桥平面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
如图1所示为本发明的固体材料导热系数的测量装置的结构示意图。所述测量装置包括：测量主机1，所述测量主机1的外壳表面上具有显示触摸操作屏和多个接线端口，所述测量主机1包括恒定电流源模块、高速电压采集卡模块、模拟/数字信号处理模块和温度测量模块；核心测量传感器保护壳2，其提供放置空间，在所述放置空间内具有核心测量传感器，所述核心测量传感器保护壳2独立于测量主机1，其主要的作用是用于放置核心测量传感器；核心测量传感器转接板封装壳3，其与所述测量主机1相连接；核心测量传感器5，其与所述核心测量传感器转接板封装壳3连接，所述核心测量传感器5通过PCB走线电路板固定到所述核心测量传感器转接板封装壳3，第一固体材料样块4和第二固体材料样块6，辅助工具7，优选该辅助工具7为5kg标准砝码；恒温试验箱8，为测量提供恒温的实验环境；RTD测温传感器9，其用于对恒温试验箱8内的温度进行实时监控，所述RTD测温传感器9与所述测量主机1的温度测量模块进行连接；PC机10，其通过USB-B连接线11与所述测量主机1进行连接，实现信号的采集、交互和控制。
图2所示为本发明的测量主机的后盖板的结构示意图。多个连接端口设置在所述后端面上，如图2所示，USB-B插口2-1，其通过USB-B连接线11与PC机10进行连接；核心传感器转接口2-2，优选为四线制接头，两路为恒定电流输入端，两路为电压测量接受端；电源开关2-3，其用于对测量主机1的开关；220V电源线插口2-4，其为测量主机1提供电源；RTD测温传感器9的接线插口2-5。如图2所示的具体端口的位置只是作为参考，并不作为唯一的限定，可以对其具体的设置距离和相对之间的位置进行适当的调整。
图3所示为测量主机的分解结构示意图。所述测量主机1包括：主机上盖壳3-1，位于所述主机上盖壳3-1的侧壁上的内嵌式把手3-2，为方便搬运，在所述主机上盖壳3-1的左、右侧壁上各设置有一个内嵌式把手3-2；散热孔3-3，在所述测量主机1的左、右两侧壁上各设置有三组，其用于散热，为提高散热效果在主机上盖壳3-1内对应散热孔3-3的位置设置有排风扇，用于将测量主机内部的热量通过素手散热孔导出；底座托盘3-7，位于所述底座托盘3-7之上的电源变压器3-4、单相电源滤波器3-5以及双层PCB电路板3-8；主机后盖面板3-6；主机的显示触摸操作屏3-9。通过测量主机触摸屏可以直接下达测试命令，待测试进度条结束，屏幕上会显示所测固体材料的导热系数测量结果。
图4为核心测量传感器的保护壳和转接板的封装壳的放大结构示意图。如图4所示，核心测量传感器保护壳4-1为用于保护核心传感器的外壳，其可以翻盖打开，所述核心传感器5优选为薄膜型的核心传感器4-5，所述核心传感器4-5平放于其内，起到不使用时和搬运时对核心传感器的保护作用；PCB走线电路板4-2与所述核心传感器4-5相连接，所述核心传感器4-5通过焊点固定在PCB走线电路板4-2上，然后通过PCB走线电路板4-2再焊接传感器连接导线，第一PCB板封装壳4-3和第二PCB板封装壳4-4通过PCB走线电路板4-2中心的圆孔将PCB走线电路板固定在两个封装壳之间，起到绝缘、防潮和防尘的作用，其中第一PCB板封装壳4-3和第二PCB板封装壳4-4一起形成了核心测量传感器转接板封装壳。
图1中第一固体材料样块4和第二固体材料样块6优选为材质相同，尺寸相同的固体材料，进一步的优选其尺寸不小于150×100×20mm，表面平整度优于0.1mm为最佳，平整度略差的材料，导热系数测量结果与实际相比会明显偏低。
图5所示为惠斯通电桥电路示意图。所述核心测量传感器5或薄膜型的核心传感器4-5，通过串联平行热丝结构，来构建了如图5所示的惠斯通电桥电路，所述电桥电路包括电流源5-1，分流器5-2，电压表5-3，长外电阻5-4，短外电阻5-5；短内电阻5-6；长内电阻5-7，其中，A、D端为电流输入端，B、C端为电压测量端。
图6所示为本发明的根据惠斯通等效电路构建的等效热桥平面图。其中各部分尺寸分别用字母表示，其中a为内带与外带的间距，通常尺寸大于15mm，即内外热带的温升将互不干扰；b为外带与边界导线的距离通常设计时大于10mm，外带温升几乎不会对边界导线产生影响；c为图5中长外电阻4的等效热带的长度，d为图5中端外电阻5的等效热带，通常两者长度的比值为2:1或者3:1，e为长电阻热带加短电阻热带的长度，通常为100mm，也可以更长的尺寸；n为构成长、短电阻热带的窄带的宽度，通常为0.2±0.1mm，k为两窄带的间隙通常为0.1±0.05mm，m为外热带的宽度，为2n+k的值，通常为0.5mm，同样内带的宽度p为4n+3k的宽度，通常为1mm，当然，在此结构的基础上，还能增加外带、和内带的宽度；k为长、短电阻热带的间隙，对于内、外带的总长e，可以忽略不计；g和f为边界导线的宽度，通常大于10mm，在同内、外电阻热带的同样厚度的情况下，其阻值可以忽略。另外A、D端为电流输入端，B、C端为电压测量端，图6所示的电阻热带和宽导线采用合金制成，优选都采用镍合金来构建，其厚度约为0.02mm，然后在电路上、下各置一张聚酰亚胺薄膜进行密封压制，如此一来可以起到绝缘的作用，同时也能进行有效的热传导，其整体厚度约为0.1mm。B端可以通过同样厚度的镍合金作为导线，引至A、C和D同端，焊接于PCB电路转接板上。
所述辅助工具7优选为5kg的M1级标准砝码，对于保温绝热材料，由于过于轻，如图1所示结构，将核心测量传感器5置于第一固体材料样块4和第二固体材料样块6之间时，会导致核心测量传感器5无法有效的固定住，因此需采用恒定压力进行辅助，因此，采用标准的5kg砝码对第二固体材料样块6给予一定的压力，从而使得第一固体材料样块4和第二固体材料样块6之间贴合更加紧密，使得核心传感器5可以进行有效的热传递。
所述恒温试验箱8，在10～60℃温度范围内温度偏差小于±0.2℃，将第一固体材料样块4和第二固体材料样块6，以及核心测量传感器5，辅助工具7，置于恒温试验箱8，在设定温度下稳定30min后，进行测量。所述RTD热敏电阻温度传感器9，对恒温试验箱内温度进行测量，将测得的结果传入测量主机1中，并用于计算，并在主机显示屏幕上显示。PC机10，通过USB-B连接线11与测量主机01相连，PC机10中装载了基于labVIEW平台编制的软件，在主机01测量的同时可以进行实时的数据的传输与存储，并且能绘制出实时曲线，并且能够进行数据处理与分析。
本发明的固体材料导热系数的测量装置是基于瞬态热桥法(THB)测量原理，其中，瞬态热桥法测量原理是基于图5的惠斯通等效电阻电路的，内、外长短热带的产生不同的温升导致电阻值发生变化，从而导致B、C端产生电势差，其随时间变化公式如下；
其中IA为A、D端加载的恒定电流，单位为安培；αT为电阻温度系数，1/℃；
ΔT1(t)和ΔT0(t)分别为实时的内、外热带的温升，单位为℃；ΔT(t)为实时的内、外热带之差，单位为℃；和/>分别为初始情况下的长短电阻的阻值，Ω；ΔRC为初始情况下长短电阻的差值，单位为Ω。
上式中，RL(20℃)和RS(20℃)分别表示为，20℃时的长、短电阻的阻值，单位为Ω；
T0为进行测量时，恒温试验箱内的温度，单位为℃，可以通过对图1中恒温试验箱08进行温度设置，测量主机01通过RTD热敏电阻测得温度，代入数据计算。
热带上的平均温度随时间的变化关系式如下所示；
上式中，D为热带宽度，内、外热带宽度分别为图6中的m和p，单位为mm；
Φ为为内、外热带上的功率，W，内带的功率近似为外带的2倍；
L为内、外热带的长度，为图6中e，单位为mm；
λ为样块即图1中04和06的导热系数，单位为W/(m·K)；
a为样块即图1中04和06的热扩散系数，单位为mm2/s；
内、外热带的温升差值可以简化为：
上式中，Φ为外热带的功率，W；β为内热带与外热带的比值；Do为外带宽度，即为图6中的p，mm；γ为欧拉常数0.577215665……；
B、C端的电势差可以进一步表示为；
不难发现，B、C端电压是随lnt线性变化的，因此可以将上式化简为
UBC(t)＝mlnt+n
上式中，m和n分别表示斜率和截距；
根据B、C端输出电压的曲线同lnt的斜率可以计算得到所测材料的导热系数；
在使用上述的测量装置进行测量的过程中，采用以下步骤进行测量：
步骤1、准备好材质相同的第一固体材料样块4和第二固体材料样块6，检查两样块之间是否能紧密贴合；将图1中的核心测量传感器5从核心传感器保护壳2中取出，所述核心传感器5固定在PCB走线电路板上，第一PCB板封装壳和第二PCB板封装壳通过PCB走线电路板中心的圆孔将PCB走线电路板固定在两个封装壳之间。
步骤2、将所述第一固体材料样块4和第二固体材料样块6放入恒温试验箱8中，并将核心测量传感器5放在第一固体材料样块4和第二固体材料样块6中间，摆正并使用辅助工具7，将5kg标准砝码放置在第二固体材料样块6之上，将核心测量传感器5压紧；并将RTD热敏电阻9放置于恒温试验箱8中；
步骤3、设置恒温试验箱8的温度，其在10～60℃温度范围内，温度偏差小于0.2℃，恒温试验箱8温度可以使用标准铂电阻进行修正，待恒温试验箱8内温度稳定后等待20min，同时打开测量主机1进行预热；
步骤4、使用USB-B连接线11将测量主机1和PC机10进行连接，打开PC机10上的配套程序，并设置端口连接，并运行程序；
步骤5、按下测量主机1的开始运行触摸按钮，开始测量，测量时间约为120s，待测量进度条结束，测量主机01屏幕上显示第一固体材料样块4和第二固体材料样块6的导热系数；
步骤6、测量主机1内设冷却时间10min或15min；待冷却倒计时结束，再次进行测量，重复测量三次；PC机10上的程序将自动保存下测量主机测得的原始数据，并可以进行测量数据的分析和处理；
步骤7、测量结束，停止PC机10上的运行程序，关闭测量主机1的电源，关闭恒温试验箱电源，依次取出标准5kg砝码，核心测量传感器5，第二固体材料样块6和第一固体材料样块4，并将核心测量传感器5放入核心传感器保护壳2中。
使用本发明装置系统测量的部分材料与理论的参考值的偏差如下表所示；
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种固体材料导热系数的测量装置，其包括：测量主机，该测量主机包括：主机上盖壳，位于所述主机上盖壳的左、右侧壁上各设置有一个内嵌式把手，各设置有三组散热孔；底座托盘，所述底座托盘之上固定电源变压器、单相电源滤波器以及双层PCB电路板；主机后盖面板，所述后盖面板上设计有USB-B插口、四线制接头的核心传感器转接口、电源开关、220V电源线插口和RTD测温传感器的接线插口；主机的显示触摸操作屏；
核心测量传感器转接板封装壳，其与所述测量主机相连接；核心测量传感器，其与所述核心测量传感器转接板封装壳连接；核心测量传感器的保护壳和转接板的封装壳，所述核心测量传感器保护壳为用于保护核心传感器的外壳，可以翻盖打开，将核心传感器平放于其内，起到保护作用；所述转接板的封装壳，包括第一PCB板封装壳和第二PCB板封装壳，中心的圆孔将PCB走线电路板固定在两个封装壳之间；
核心测量传感器，根据惠斯通等效电路通过串联平行热丝结构构建的等效热桥平面传感器，基于瞬态热桥法导热系数测量原理，该传感器主要包括：内带与外带，长外电阻的等效热带，短外电阻的等效热带，长内电阻的等效热带，短内电阻的等效热带，边界导线，上、下聚酰亚胺薄膜，A、B、C、D引出端；所述核心测量传感器的引出A、D端为电流输入端，B、C端为电压测量端，B端可以通过同样厚度的镍合金作为导线引至A、C和D同端，焊接于PCB电路转接板上，通过PCB走线电路板再焊接传感器连接导线；
恒温试验箱，为测量提供恒温的实验环境；设置于恒温试验箱内的第一固体材料样块和第二固体材料样块；位于第一固体材料样块和第二固体材料样块之上的辅助工具；辅助工具为标准砝码，将第一固体材料样块和第二固体材料样块之间贴合更加紧密；第一固体材料样块和第二固体材料样块，为材质相同，尺寸相同的固体材料，其尺寸不小于150×100×20mm，表面平整度优于0.1mm；
PC机，配备装载了基于labVIEW平台编制的数据存储、分析和处理软件。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：进一步包括RTD测温传感器，其用于对恒温试验箱内的温度进行实时监控。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量主机通过USB-B连接线与PC机进行连接。
4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量主机的外壳表面上具有显示触摸操作屏和多个接线端口。
5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量主机包括恒定电流源模块、高速电压采集卡模块、模拟/数字信号处理模块和温度测量模块。
6.一种采用如权利要求1-5任一项的测量装置进行导热系数测量的方法，其包括：
步骤1、准备好材质相同的第一固体材料样块和第二固体材料样块，检查两样块之间是否能紧密贴合；
步骤2、将所述第一固体材料样块和第二固体材料样块放入恒温试验箱中，并将核心测量传感器放在第一固体材料样块和第二固体材料样块中间，摆正并使用辅助工具；
步骤3、设置恒温试验箱的温度，待恒温试验箱内温度稳定后，同时打开测量主机进行预热；
步骤4、使用USB-B连接线将测量主机和PC机进行连接，打开PC机上的配套程序，并设置端口连接，并运行程序
步骤5、开始测量，测量时间约为120s，测量主机显示第一固体材料样块和第二固体材料样块的导热系数；
步骤6、测量主机内设冷却时间10min或15min；待冷却倒计时结束，再次进行测量，重复测量三次。
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