CN116124827A - 一种绝缘材料导热系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘材料导热系数测量装置及方法。本发明通过将热电偶的参考端设置于待测材料参考盒中，与热电偶测温端在待测材料测试盒中位置一致，从而保证测温端与参考端在外界环境温度扰动时所受影响相同。当测量材料在高温或低温环境下的导热系数时，因为环境温度的控制不可能完全稳定不变，当环境温度扰动时，热电偶参考端和测量端处于同样的传热边界条件下，所受的影响将是同步的；且可以使得热线加热时，热电偶的参考端温度不受热线加热的影响，从而保证热电偶测得的热电势是由待测材料测试盒中材料温度上升导致的。

Description

一种绝缘材料导热系数测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量仪器设备技术领域，具体的是涉及一种绝缘材料导热系数测量的装置及方法。

背景技术

导热系数是衡量材料热物理性质的重要参数，也是热工计算与各种工业炉设计所需的重要性能指标之一。测量导热系数的方法较多，针对不同的材料，不同的应用目的，材料的导热系数范围、制备试样的样品几何形状、测试条件(温度、气氛等)、数据所需的精确度、测量周期及所需费用等一系列因素的影响。热线法是目前使用较为广范的一种试验方法。

现有技术中热线法主要是在两个试样之间平行插入线性热导体和热电偶，对热线进行局部加热，通过测量离热线一定距离出的温度升高来确定热导率。现有技术中热电偶的两端分别位于两试样中间某点以及试样外部的某点，通过测量热电偶两端之间的热电势，从而获得两端的温度差，然后计算获得材料的导热系数。而该方法中热电偶的两端均受到热线的影响，因为受环境温度扰动影响比较大，导致了测试结果的准确性与精度下降。

发明内容

本发明解决的目的是提供一种测试数据准确且精度高的绝缘材料导热系数测量装置及方法，操作方便且准确。

本发明的目的可采用如下技术方案来实现：一种绝缘材料导热系数测试装置，其特征在于：包括待测材料测试盒，待测材料参考盒，热电偶，热线；所述测试盒和参考盒都是由上下两片待测材料平行放置于保温外壳中；所述热电偶的参考端放置于参考盒中，所述热电偶的测温端放置于测试盒中，参考端在参考盒中的位置与测温端在测试盒中的位置一致，所述热线位于测试盒中上下两片待测材料的中心线，且热电偶与热线平行。

进一步，热电偶与热线之间的距离为10～15mm，从而可以保证热电偶温度的测温端温度的升高比较平稳，且保证其温度的升高是由待测材料的传热所致。

进一步，所述保温外壳外覆盖一层隔热材料。所述保温外壳和隔热材料，可以减小测量过程中环境温度扰动的影响。

进一步，所述热线为温度系数小的电阻丝，所述热线由恒流源提供恒定的加热功率。

进一步，所述热电偶的参考端位于参考盒中两片待测材料的正中间位置；所述热电偶的测温端位于测试盒中两片待测材料的正中间位置；从而保证热电偶的两端不受外界环境的影响，更趋向于理想化的状态。

本发明的另一个目的，提供一种绝缘材料导热系数测试方法，将绝缘材料导热系数测试装置、单片机、数字切换开关、假负载、恒流源形成测量系统；将热电偶所得热电势信号以及数字开关的控制端分别接入单片机，恒流源经由数字切换开关分别连接至热线和假负载；具体测试步骤为：

1)确定电偶的温度系数α以及热线单位长度的电阻R₀；

2)连接好测量系统，恒流源经由数字切换开关先连接至假负载，设置恒流源的加热电流，预热所述测量系统；

3)待检测到热电势信号稳定无波动后，将恒流源经由数字开关切换至热线，记录恒流源的电流I，并同时开始记录t时刻的热电势信号ε(t)，以及2t时刻的热电势信号ε(2t)；

4)处理数据：待测材料温度随时间上升值为θ(t)＝ε(t)/α；当确定θ(t)以及θ(2t)，可计算根据计算值查询国际标准ISO 8894-2:2007(E)可确定E₁(x)，从而计算导热系数

进一步，所述假负载的功率与热线的功率相匹配，比如可以是与热线阻值一致的电阻丝。假负载的设置可以消除器件发热(如芯片发热)对测量系统带来的影响。热线加热功率较高会使得恒流源及其他器件发热，因此测量系统需要预热至温度平稳，待恒流源输出及热电势信号稳定后再进行测量，但是为了保证测量前测试盒内部温度的稳定性与均匀性，不能通过加热热线的方式来预热系统，设置假负载可解决这个问题。且当热线与假负载功率相匹配时，恒流源由假负载切换至热线时，电流不会产生跃变，测量信号不会受到干扰。

进一步，所述步骤3)记录多组t时刻的ε(t)以及相应2t时刻的ε(2t)，则所述步骤4)中获得多组λ值，将多组λ值取平均作为最终的绝缘材料导热系数；进一步的减小了实验及计算误差。

本发明所提供的技术方案与现有技术方案相比，能够获得以下有益效果：

1)通过待测材料参考盒的设置，将热电偶的参考端设置于待测材料参考盒中，与热电偶测温端在待测材料测试盒中位置一致，从而保证测温端与参考端在外界环境温度扰动时所受影响相同。当测量材料在高温或低温环境下的导热系数时，因为环境温度的控制不可能完全稳定不变，当环境温度扰动时，热电偶参考端和测量端处于同样的传热边界条件下，所受的影响将是同步的。

2)待测材料参考盒的设置，可以使得热线加热时，热电偶的参考端温度不受热线加热的影响，从而保证热电偶测得的热电势是由待测材料测试盒中材料温度上升导致的。

3)通过假负载的设置可以消除器件发热(如芯片发热)对测量系统带来的影响；热线加热功率较高会使得恒流源及其他器件发热，因此测量系统需要预热至温度平稳，待恒流源输出及热电势信号稳定后再进行测量，但是为了保证测量前测试盒内部温度的稳定性与均匀性，不能通过加热热线的方式来预热系统，设置假负载可解决这个问题。且当热线与假负载功率相匹配时，恒流源由假负载切换至热线时，电流不会产生跃变，测量信号不会受到干扰。

附图说明

图1本发明实施例1的结构示意图；

图2本发明实施例2的测试方法的系统连接图；

1、热电偶；2、待测材料测试盒；3、上片待测材料；4、热电偶的测温端；5、下片待测材料；6、热线；7、热电偶的参考端；8、待测材料参考盒。

具体实施方式

为了更加清楚的说明本发明的目的和优势，将以下实施例结合附图进一步详细说明本发明。以下所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用以限制本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

参见附图1，本发明的一种绝缘材料导热系数测试装置，其特征在于：包括待测材料测试盒2，待测材料参考盒8，热电偶1，热线6；所述测试盒和参考盒都是由上下两片待测材料(3和5)平行放置于保温外壳中；所述热电偶的参考端7放置于参考盒中，所述热电偶的测温端4放置于测试盒中，参考端在参考盒中的位置与测温端在测试盒中的位置一致；所述热线位于测试盒中上下两片待测材料的中心线，且热电偶与热线平行。热电偶为电阻小的电阻丝，加热源为恒流源，在参考盒的外侧增加一隔热材料的保温外壳，从而保证测量的不受外界环境的影响。具体的工作测试原理如下：

在一无限大试样中，有一无限细而长的线状热源，试样内各处的温度随时间变化的规律可以通过微分方程及相应的单值性条件确定。热传导方程为：

式中r为试样内测温点到热线的距离(m)，a为材料的热扩散系数(m²/s)，λ为材料的导热系数(W/(m·K))，t为热线加热时间(s)，q为热线单位长度的功率(W/m)，θ(r,t)为试样在r处t时刻的温度升高值(K)。

由于在本发明中r是固定的，所以θ(r,t)简写为θ(t)

如果热线的加热功率q为常数，则可确定试样t时刻在r处的温升为：

式中E1(x)为指数积分：

比值是x的单值函数，根据比值可计算出x，从而计算出E₁(x)。

从式(2)我们可以知道：

的值与E₁(x)的值，它们之间的对应函数表见国际标准ISO 8894-2:2007(E)的表2，具体为下表：

实验中我们可以测得θ(t)，故可得到θ(2t)/θ(t)，依据式(4)此值即为按此值查表即可得到E₁(x)的值；再根据式(2)，即可计算得到导热系数λ：

实施例2

参见附图2，本发明的一种绝缘材料导热系数测试方法，采用绝缘材料导热系数测试装置、单片机、数字切换开关、假负载、恒流源形成测量系统；将热电偶所得热电势信号以及数字开关的控制端分别接入单片机，恒流源经由数字切换开关分别连接至热线和假负载；具体测试步骤为：

1)确定电偶的温度系数α以及热线单位长度的电阻R₀；

2)连接好测量系统，恒流源经由数字切换开关先连接至假负载，设置恒流源的加热电流，预热所述测量系统；

3)待检测热电势信号稳定无波动后，将恒流源经由数字开关切换至热线，记录恒流源的电流I，并同时开始记录t时刻的热电势信号ε(t)，以及2t时刻的热电势信号ε(2t)；

4)处理数据：待测材料温度随时间上升值为θ(t)＝ε(t)/α；当确定θ(t)以及θ(2t)，可计算根据计算值可查询国际标准ISO 8894-2:2007(E)确定E₁(x)，从而计算导热系数

我们采用与热线同样材料和长短的电阻丝来作为假负载，从而可以使得电流源由假负载切换至热线时，电流不会产生跃变，测量信号不会受到干扰。

我们可测多组t和2t的数值，计算出多个λ，然后求一下均值就可以得到最终的更为准确的λ值。

还可进一步将单片机连接至计算机，将单片机采集的数据直接传输至计算机，实时计算导热系数。

以上应用了具体实例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员依据本发明的构思，还可以做出若干简单推演、变形或替换。这些推演、变形或替换方案也落入本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种绝缘材料导热系数测试装置，其特征在于：包括待测材料测试盒，待测材料参考盒，热电偶，热线；所述测试盒和参考盒都是由上下两片待测材料平行放置于保温外壳中；所述热电偶的参考端放置于参考盒中，所述热电偶的测温端放置于测试盒中，参考端在参考盒中的位置与测温端在测试盒中的位置一致，所述热线位于测试盒中上下两片待测材料的中心线，且热电偶与热线平行。

2.如权利要求1所述的一种绝缘材料导热系数测试装置，所述热电偶与所述热线之间的距离为10～15mm。

3.如权利要求1所述的一种绝缘材料导热系数测试装置，所述保温外壳外覆盖一层隔热材料。

4.如权利要求1所述的一种绝缘材料导热系数测试装置，所述热线为温度系数小的电阻丝，所述热线由恒流源提供恒定的加热功率。

5.如权利要求1所述的一种绝缘材料导热系数测试装置，所述热电偶的参考端位于参考盒中两片待测材料的正中间位置；所述热电偶的测温端位于测试盒中两片待测材料的正中间位置。

6.一种绝缘材料导热系数测试方法，将如权利要求1-5所述绝缘材料导热系数测试装置、单片机、数字切换开关、假负载、恒流源形成测量系统；将热电偶所得热电势信号以及数字开关的控制端分别接入单片机，恒流源经由数字切换开关分别连接至热线和假负载；具体测试步骤为：

1)确定电偶的温度系数α以及热线单位长度的电阻R₀；

2)连接好测量系统，恒流源经由数字切换开关先连接至假负载，设置恒流源的加热电流，预热所述测量系统；

3)待检测到热电势信号稳定无波动后，将恒流源经由数字开关切换至热线，记录恒流源的电流I，并同时开始记录t时刻的热电势信号ε(t)，以及2t时刻的热电势信号ε(2t)；

4)处理数据：待测材料温度随时间上升值为θ(t)＝ε(t)/α；当确定θ(t)以及θ(2t)，可计算

根据计算值

查询国际标准ISO 8894-2:2007(E)，可确定E₁(x)，从而计算导热系数

7.如权利要求6所述一种绝缘材料导热系数测试方法，所述假负载的功率与热线的功率相匹配。

8.如权利要求6所述一种绝缘材料导热系数测试方法，所述步骤3)记录多组t时刻的ε(t)以及相应2t时刻的ε(2t)，则所述步骤4)中获得多组λ值，将多组λ值取平均作为最终的绝缘材料导热系数。

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