CN110261428A - 一种开放式动态金属热导率实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大学物理热学实验方面的教学实验仪器，尤其是一种开放式动态金属热导率实验仪。该仪器把被测金属杆和高温热源、低温热源等都置于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以方便地进行拆卸和替换。在被测金属杆侧面包裹有隔热套管，在此金属杆上从靠近高温热源一侧的某一位置开始沿金属杆长度方向钻有多个测温小孔，这些测温小孔间距要求适当靠拢，对测温孔的数量和间距是否相等可不限，但须偏向高温热温一边，测温孔的分布范围一般不超过金属杆长度的2/3。在这些测温孔上可根据需要灵活地插入多个带信号线的微形热电偶，测温孔数量可略多于热电偶1～2个，微形热电偶通过信号线可把各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕上。

Description

一种开放式动态金属热导率实验仪

技术领域

本发明涉及一种大学物理实验热学方面的教学实验仪器，尤其是一种开放式动态金属热导率实验仪。

背景技术

目前在大学物理实验中，测量金属热导率的各种实验仪器的种类繁多。这些测量热导率的实验仪器虽在结构和测量方法上各不相同，但从测量方法上大体可以分为“稳态法”(或称为“稳流法”)与“动态法”两大类。所谓“稳态法”(或称为“稳流法”)的测量方法就是让热量从高温热源经被测金属导体往低温热源以稳定的形态流动。目前绝大部分的热导率测量仪都是采用这种方法(包括本专利的发明人在2004年设计的一个实用新型专利“可替换式金属热导率测定仪”，ZL 2004200809319也属于这类稳态法的测量方法)，稳态法结构的一个共同特征是：仪器的测温点是在被测物体的两端，在被测物的中部不设测温点。这类稳态法的热导率测量仪器所依据的物理理论都是傅里叶热传导定律。从测量的角度来看，操作比较简便，测量的可靠较高。但从教学的角度出发，实验原理的应用比较浅显、直白，在培养学生的创造性思维和动手能力方面似有欠缺。而另一类动态法的热导率测量仪(以南大曾申请的实用新型“热导率动态测量仪”为代表)，其实验的理论是依据波动理论，假设高温热源的温度按简谐形式变化而形成热波沿金属杆传输，然后根据波动理论研究热波沿金属杆传输的流速，从而推算出金属的热导率。这种方法有三个明显缺陷：首先，因高温热源的温度改变是用开关形式控制的，其形成的热波波形是方波，而方波除了基波为简谐波外，还含有3倍和5倍等高次谐波干扰，所以波源性质为简谐波的假设事实上不成立；其次，该款热导率动态测量仪为了使高温热源端的供热接近简谐的规律，在高温热源间断停止加热时还要用冷却水对高温热源端进行冷却。这样就可能造成待测金属杆中的热量向高温热源端回流的问题；第三，根据波函数求解有要求金属杆低温热源端边界条件保持不变的条件，故该仪器设计对低温热源的冷却水有恒温、恒流的要求，这就提高了仪器使用条件的门槛。而且该仪器的被测物是不可替换的，学生在实验中主观参与性与动手的训练稍有不足。经过多年来多所高校(包括南大)的大量使用实践证明该实用新型仪器的实验误差普遍超过50％，仪器的设计和理论都是不成功的。因此，从深化相关的教学研究和提高仪器的教学效果的角度出发，重新研制一款更适合加强训练、更方便使用并能更好地揭示实验对象内在规律的热导率实验仪器，存在进一步创新的空间。

发明内容

为了满足教学科研的需要，本发明设计了一种新颖的开放式动态金属热导率实验仪，采用独特的开放性结构，被测金属杆和高温热源、低温热源等都位于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以便于从卡槽中拆卸替换成其它金属杆，并且被测金属杆在沿杆长度方向钻有多个等间距的小孔，由实验者根据需要自行选择测温孔安放微型热电偶测量被测金属杆上各点的温度变化情况。为避免被测金属杆在卡槽中转动并更好地导热，被测金属杆两端还被加工成矩形或梯形，以便与卡槽配合。

仪器还采用全新的实验方法，从而使实验者通过实验可学习更多的实验技能和对所依据的经典热传导理论有更深入的理解。

经典的热传导理论归纳起来可以用下式表示：

上式又称为傅里叶热传导定律。式中表示单位时间内通过导体传输的热量，S为热传输通道的横截面积，表示在热量传导方向上的温度梯度，负号表示热量总是从高温流向低温，式中的κ就是热导率(又称为导热系数)。其量纲是：w·m^-1·K^-1。

本发明采取的技术方案是：只要设法测出单位时间内通过导体传输的热量在热量传导方向上的温度梯度和热传输通道的截面积S即可根据傅里叶热传导定律测得金属导体的热导率。而测量上述和这两个量，本发明采用了下述新的动态测量方法。

用沿金属杆长度方向间断性传热的方式，让金属杆一端的高温热源间断性地供热，而对高温热源的供热形式并不拘泥于是否为简谐或方波，同时让金属杆的另一端用冷却水作为低温热源，也不拘泥于是否恒温、恒流。只须在金属杆的侧面用隔热材料包裹起来，迫使金属杆中的热量只能沿金属杆的长度方向从高温热源以浪涌的形式定向地流向低温热源即可。

在此金属杆中各个部位的温度随着热量的流过会起伏波动，并且金属杆内各处的温度所能达到的峰值也会随着与高温热源距离的增加而依次降低。在这种情况下，在被测金属杆侧面从靠近高温热源的某一位置开始，沿金属杆长度方向等间距地钻有多个测温小孔(一般不少于6个)，这些测温孔的分布范围一般不超过金属杆长度的2/3(目的是减少测量的相对误差)，实验者插入微形热电偶测量这些测温孔点的实时温度，只要分别测出金属杆测温点相对的温升速率和各温点离高温热源由近到远的温升峰值的相对变化情况就可推算出和这两个量。

本发明系采用动态法来测量和推算出和这两个量的具体原理如下：

在沿金属杆长度方向靠近高温热源的某一位置开始，等间距地设置多个测温孔，插入微形热电偶测量各测温孔点的实时温度，并通过信号线把测量所得的各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的液晶屏幕或外接的电脑屏幕上，从而显示出各测温点温度的变化曲线。当从高温热源间断性的热流传来时，测量金属杆上任一测温点在一个升温期间内温度的上升量ΔT与该测温点到高温热源间被测金属杆的质量和比热容的乘积就可推算出传入的热量值ΔQ，再从屏幕曲线上测量出这段升温过程的时间Δt，就可推算出单位时间传输的热量另外，根据该测温点与相邻测温点间的温升峰值差与测温点间距的比值，还可推算出金属杆内在热传导时的温度梯度(注意，符号T与t的物理含意不同，前者表示绝对温度，后者代表时间。)

金属杆上测温孔数量可略多于热电偶数量1～2个，其目的是为了让实验者有选择测温点位置的自由度，以便于运用本仪器的实验理论对通过金属杆热量进行自主研究。

作为本发明的实验原理和方法的突出优点是：当被测金属杆上有温度起伏变化时，仅需研究被测金属杆中各点温度改变的相对值，而与高温热源的供热形式是否为简谐及低温热源水流是否恒温、恒流无关，所以使实验使用条件的门槛大为降低，特别是可以用小型冷却水箱中的循环水作为低温热源的冷却水源，不必为实验另行敷设专门的水路，方便了仪器的使用，同时把被测金属杆的安装位置移到了仪器顶部的卡槽中，方便了不同被测金属杆的替换，进一步提高了仪器的实用性。

本发明提出的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：该仪器把被测金属杆和高温热源、低温热源等都置于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以方便地进行拆卸和替换；在被测金属杆侧面包裹有隔热套管；在此金属杆上从靠近高温热源一侧的某一位置开始沿金属杆长度方向钻有多个测温小孔，在这些测温孔上可根据需要灵活地插入多个微形热电偶，测温孔数量可略多于热电偶1～2个，微形热电偶通过信号线可把各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕上。

上述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：被测金属杆两端加工成矩形或梯形，而且在被测金属杆侧面沿长度方向的测温小孔间距要求适当靠拢，对测温孔的数量和间距是否相等不限，但须偏向高温热温一边，测温孔的分布范围不超过金属杆长度的2/3。

上述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：仪器的低温热源的冷却水可以采用小型冷却水箱中的循环水进行冷却。

上述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：被测金属各测温点温度变化的曲线可以通过仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕显示，且仪器机箱上的液晶屏可以采用触摸屏的方式对仪器进行控制。

本发明的有益效果是：为大学物理热学实验方面的教学研究提供了一种内容更新颖、使用更方便的热学实验仪器。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本仪器的主体结构示意图。

图2是借助插入被测金属杆中的6个热电偶测得的实时温度变化曲线的部分描绘图。

在图1中：1.被测金属杆，2.金属杆外的隔热套管，3.金属杆上的测温孔，4.带信号线的微形热电偶，5.高温热源的卡槽，6.高温热源的罩壳，7.低温热源的弹性卡槽，8.仪器机箱，9.彩色液晶屏，10.低温冷却循环水的输水管，11.小型冷却水箱。

在图2中：从上到下依次是某次实验中离高温热源由近到远的6个热电偶测得的实时温度变化曲线图，并设置纵坐标为温度值，横坐标为时间值。

在图2中：以从上往下第1条曲线为例，根据该曲线的谷值和峰值的横坐标差和纵坐标差可读出该曲线所对应的位置处金属杆升温的时间差Δt和温度差ΔT。另外，根据屏幕上6条曲线的峰值高度可由屏幕刻度分别读出为“Y1”、“Y2”、…“Y6”，据此再结合相应测温点之间的间距就可以推算金属杆内相邻测温点间的温度梯度。

具体实施方式

在图1将被测金属杆(1)两端被加工成矩形或梯形，卡在高温热源的卡槽(5)和低温热源的弹性卡槽(7)之间，低温热源的弹性卡槽(7)设计为弹性的，是为了使被测金属杆与两端的卡槽间既能紧密接触又便于随时从卡槽中拆卸下来替换成其它金属杆。在高温热源的卡槽(5)右边是高温热源的罩壳(6)，目的是防止实验操作时误碰烫伤。在被测金属杆(1)的侧面包裹有隔热套管(2)，目的是为减少热量的散失。在被测金属杆(1)上从靠近高温热源一侧的某一位置开始，沿金属杆长度方向设置有多个测温孔(3)，其数量可略多于热电偶1～2个。测温小孔间距要求适当靠拢，但须偏向高温热温一边，测温孔的分布范围不超过金属杆长度的2/3。在测温孔(3)上可根据实验的需要灵活地插入带信号线的微形热电偶(4)。在图1典型的实施例中，测温孔(3)有8个，带信号线的微形热电偶(4)有6个，通过信号线把各测温点的温度变化信息传输到仪器机箱(8)内部。在仪器机箱(8)上设置有彩色液晶屏(9)，该屏用以显示各测温点的实时温度变化曲线。在仪器附近有一个小型冷却水箱(11)通过低温冷却循环水的输水管(10)给低温热源的弹性卡槽(7)持续降温。

在图2中：取一个最靠近高温热源的热电偶为例，作为第1测温点，其测温曲线在图2中可见是最上面一条曲线，根据屏幕刻度测出其温升的改变量ΔT和所需时间Δt，再根据该测温点到高温热源卡槽间金属杆的质量和比热容的乘积就可以推算出Δt这段时间内这段金属杆从高温热源传入的热量ΔQ。在图2中可看出，随着各测温点与高温热源距离的增大，温度变化曲线逐步变得较为平坦，这是由两方面的原因造成的，一方面是由于随着测温点与高温热源距离的增大，计算受热的金属杆质量增大，故在同样时间内传入同样热量的情况下金属杆的温升数值必然减小。(这一情况可以用改变第1测温点的位置加以验证，若把第1测温点选择离高温热源远一些的测温孔，则所测温度变化曲线的ΔT也会变小，但ΔT与该测温点到高温热源间金属杆质量及比热容的乘积基本保持不变。)所以为使温度变化曲线不要过于平坦以减小测量误差，在被测金属杆(1)上插入热电偶的测温孔应尽量选择靠近高温热源一侧的位置。在金属杆上测温孔(3)的分布范围一般也不宜超过金属杆长度的2/3。另方面。还由于金属杆侧面的隔热套管(2)的隔热效果不可能十分理想，热量在传输过程中从金属杆侧面有一部分热量会散失，这也会促使温度变化曲线逐步趋于平坦，这点要在具体的数据处理计算中适当加以考虑。这一问题属于实验理论的研究范畴，与本专利的实施无关，此处就不再絮述。还有，沿金属杆长度方向的测温小孔间距要求适当靠拢，这是因为当小孔间距ΔX较小时，在ΔX来代替dx时，可减少计算测温孔附近温度梯度的相对误差。而对测温孔的间距是否相等也可不作硬性要求。根据图2中各条曲线峰值的高度Y1、Y2…Y6和各测温点之间的间距，用实验选择的测温点和相邻的测温点间的温升峰值差与这两个测温点的间距之比值，就可以近似地推算出在被测金属杆中选择的测温点附近的温度传输的梯度

由于事实上各测温点附近温度传输的梯度并不一定相等，而我们运用傅里叶热传导定律测量金属杆的热导率只须考虑实验所研究的测温点附近的温度梯度，所以离实验选择的测温点较远处的温度传输梯度并不要在考虑范围内。但在本专利的附图1典型的实施例中，测温孔(3)有8个，带信号线的微形热电偶(4)有6个，这只是多种实施方案的其中之一，并不是必须的方案。实验者完全可以根据不同的研究目的灵活地选择实验测温孔的位置及微形热电偶的数量，这也是本发明对实验秉承的一种开放性理念。

Claims (4)

1.一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：该仪器把被测金属杆和高温热源、低温热源等都置于仪器顶部，被测金属杆卡在高温热源的卡槽和低温热源的弹性卡槽之间，可以方便地进行拆卸和替换；在被测金属杆侧面包裹有隔热套管；在此金属杆上从靠近高温热源一侧的某一位置开始沿金属杆长度方向钻有多个测温小孔，在这些测温孔上可根据需要灵活地插入多个微形热电偶，测温孔数量可略多于热电偶1～2个，微形热电偶通过信号线可把各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕上。

2.根据权利要求1所述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：被测金属杆两端加工成矩形或梯形，而且在被测金属杆侧面沿长度方向的测温小孔间距要求适当靠拢，对测温孔的数量和间距是否相等不限，但须偏向高温热温一边，测温孔的分布范围不超过金属杆长度的2/3。

3.根据权利要求1所述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：仪器的低温热源的冷却水可以采用小型冷却水箱中的循环水进行冷却。

4.根据权利要求1所述的一种开放式动态金属热导率实验仪，其特征是：被测金属各测温点温度变化的曲线可以通过仪器机箱上的彩色液晶屏或外接的电脑屏幕显示，且仪器机箱上的液晶屏可以采用触摸屏的方式对仪器进行控制。