CN201225990Y - 自控平板式稳态导热仪 - Google Patents

Abstract

一种测量非金属固体材料导热系数的自控平板式稳态导热仪，由调压器、铜板、主加热板、上均热片、中均热片、下均热片、热电偶、副加热板、数据控制板、数字温度表、试样装置、循环水箱、保温材料、电位器等组成。由热电偶、数字温度表、数据控制板等组成温度数据采集、处理控制系统，省略了冰桶。数据控制板对四路热电偶进行四选一，由发光二极管指示选中的热电偶，四位“LED”默认情况下显示当前选中的热电偶测量的温度。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。计算导热系数用到的试样面积、厚度、主加热板电阻、主加热板输入电压等相关参数通过数据键输入，数据输入完毕并且四路热电偶的温度数据采集完毕后，即可由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数，并通过四位“LED”显示。

Description

自控平板式稳态导热仪

所属技术领域

本实用新型涉及到固体材料热物性测试技术领域，特别涉及到自动控制的平板式稳态导热仪。

背景技术

导热系数的测试方法一般分为两种：稳态法和非稳态法。这些方法的基本原理是，通过提供一个恒定的受控热流对物体进行加热，在物体内部建立稳态或非稳态温度场，以此推算物体的导热系数。

由于稳态法可以利用足够简单且可靠的计算方程，对于几何形状简单的物体，导热系数的表达式常常可以用显函数表示，因而作为经典方法得到极广泛的应用。

在一维稳态法测量导热系数的各种试验装置中，最基本的是稳态平板法。这种方法是把被测材料做成比较薄的圆板形或方板形。薄板的一个表面进行加热，另一个表面则进行冷却，建立起沿厚度方向的温差。平板层法不仅可用于研究保温材料的导热系数，也可用于测量金属及其它导热体的导热系数。

1996年，东南大学设计了稳态平板热流计式导热仪，由实验本体、超级恒温水浴及测试仪表组成。在试件的上下面分别利用恒温冷水和恒温热水产生温度差，使热流流过试件，热流由传导型热流计测量。

2000年，中国科学院低温技术实验中心利用稳态平板法测定了高分子聚合材料的导热系数，该测试系统由加热板(包括主加热和护加热板)、冷板、测温仪表、量热仪表组成，实验中保证护加热板与主加热板温度相等，采用圆形试样，热电偶产生的电势通过机械式转换开关连接到数字电压表上，对热电势进行测量等。

2001年，浙江海洋学院工程学院利用准稳态平板法测试了绝热保温材料热物性，其试验装置主要由测试部件、直流电位差计、毫安表、伏特表、稳压电源等组成，为控制加热热流，输入电流由直流稳压电源供给，利用直流毫安表与交直流电压表测定加热电流与电压。加热面温度及两表面间的温差用两台直流电位差计同时测定。

2001年，桦林轮胎股份有限公司利用稳态法测定了橡胶及橡胶基复合材料的导热系数，试验装置由试样装置、热电偶、冰瓶、电流表、稳压器、电位差计等组成。

2005年，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室开发了一种全自动的准稳态法导热系数测量装置，温度测量系统由温度采集卡(包括接线端子)、热电偶和冰瓶等组成，采用圆形试样，利用该装置对有机玻璃的导热系数进行了测定。

稳态平板法在使用方面存在的一些问题：

稳态法的缺点是实验装置的电气控制和调节线路比较复杂，要得到可靠的试样表面平均温度，需要使用较多的热电偶，常用设备主要由调压器、加热板、热电偶、电压表、冰桶等组成。需要利用冰点法将热电偶的冷端放在冰水混合物中以保持在零度，达到一定精度，导致使用时使冷端保持在零度既不方便又比较困难，另外，导热系数需要进行手工计算，比较繁琐且易出错。

实用新型内容

由于稳态导热仪工作时热电偶冷端需要用冰水混合物进行温度补偿，对热电偶利用机械选择开关进行选择，另外，系统缺少数据计算与通讯功能。

本实用新型利用数据控制系统进行热电偶选择并计算导热系数，利用数字温度仪表对热电偶的热电势进行采集处理并转换为温度数据，放弃了冰点法温度补偿，数据控制系统与数字温度仪表之间可进行数据通讯。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：四路热电偶的冷端与数据控制系统的四个输入端相连，单片机控制两个继电器对热电偶进行四选一，由发光二极管指示选中的热电偶，被选中的热电偶通过数据控制系统中继电器与输出端导通，输出端与数字温度表的输入端相连，由数字温度表进行温度数据采集。数据控制系统与数字温度表通过RS232串口进行数据通讯，读取温度数据。控制板上的四个发光二极管分别对应四路热电偶，发光二极管发光表示对应的热电偶接通。由一台调压器输出端采用并联方式提供两路输出电压，电位器对每路输出电压进行调整，作为两个加热板的输入电压。

六个按键分别为“5”、“1”、“0.1”三个数据键，“±”正负号转换键，“on/off”开关键，“shift”功能键，上电复位后默认显示温度数据，按下“shift”功能键可依次实现热电偶电路选择、电压输入、电阻输入、试样面积、厚度输入、导热系数显示等功能的转换。当“±”正负号转换键为“+”时，在原数据基础加相应的数值，反之为减相应的数值。四位“LED”分别显示不同功能时的相应数据，默认情况下显示当前选中的热电偶测量的温度，显示导热系数时精确到小数点后三位。

计算导热系数用到的试样面积、厚度、主加热板电阻、主加热板输入电压等相关参数通过数据键输入，数据输入并且四路热电偶的温度数据采集完毕后，将“shift”功能键转换到“导热系数显示”功能，即可由试样面积、厚度、主加热板的电阻、电压、上表面温度及上均热片的上表面温度获得试样的导热系数，并通过四位“LED”显示。

试样装置底部增加了一个副加热板，有利于减少热量损失，通过电位器调节提供给副加热板的电压，使主加热器下表面的温度与副加热器上表面的温度保持相同，抵消试样向下方向的热量损失，降低试验误差。

本实用新型的有益效果是，省略了冰桶，只要输入主加热板输入电压、主加热板电阻、试样面积、厚度等数据并且四路热电偶的温度数据采集完毕后，可直接获得试样的导热系数并显示出来，省却了手工计算，节省了时间，提高了计算结果的准确性。

附图说明

图1是本实用新型自控平板式稳态导热仪的系统总体图。

图1中：1.调压器，2.铜板，3.主加热板，4.上均热片，5.中均热片，6.下均热片，7.热电偶，8.副加热板，9.数据控制系统，10.数字温度表，11.试样装置，12.循环水箱，13.保温材料，14.电位器

图2是自控平板式稳态导热仪中的数据控制系统(9)电路图。

具体实施方式

在图1中，调压器(1)的输出端并联输出两路电压，分别为主加热板(3)和副加热板(8)提供电压，四副热电偶(7)的热端分别测量主加热板(3)和副加热板(8)的上表面温度、上均热片(4)的上表面温度、中均热片(5)的下表面温度，冷端分别与数据控制系统(9)的四个输入端(端子T1-T8)连接，数据控制系统的输出端(端子T11-T12)与数字温度表(10)的输入端(端子M10-M11)连接，数据控制系统的RS232接口端子(端子T13-T15)与数字温度表(10)的RS232接口端子(端子M6-M8)连接。

循环水箱(12)压紧填充的保温材料(13)并且与最上面的热电偶(7)良好接触。

图1中的四副热电偶分别接到图2的“热电偶1”到“热电偶4”，通过单片机的“P10”、“P11”与“P12”三个引脚控制继电器RLY1、RLY2和RLY3。

器件“4DLED”为集成式4位LED，由单片机的“P20”至“P23”四个引脚分别对其进行第1位至第4位的选择。

单片机的“P14”至“P17”引脚分别控制发光二极管“LED1”至“LED4”，指示选中的热电偶，显示的温度即为当前选中热电偶测量的温度。

按键“KB1”至“KB4”与单片机的“P24”至“P27”引脚相连，同时与“74LS21”的“1、2、4、5”引脚相连，“74LS21”与单片机的“INT1”引脚相连，当按键按下时，首先由“74LS21”产生低电平引发单片机产生中断，再判断是哪一个按键被按下。

Max232芯片的“R1 OUT”与“T1 IN”引脚与单片机的“RXD”、“TXD”引脚相连，“R1IN”与“T2 OUT”引脚通过数据线与图1中数字温度表(10)的“T6”和“T7”端子连接。

Claims (3)

1.一种测量非金属固体材料导热系数的自控平板式稳态导热仪，由调压器(1)，铜板（2），主加热板(3)，上均热片(4)，中均热片(5)，下均热片(6)，热电偶(7)，副加热板(8)，数据控制系统(9)，数字温度表(10)，试样装置(11)，循环水箱(12)，保温材料(13)，电位器(14)组成主体系统，其特征是：4副热电偶(7)的热端分别与主加热板(3)和副加热板(8)的顶面、上均热片(4)的顶面、中均热片(5)的底面相接触，4副热电偶(7)的冷端与数据控制系统(9)相连，单个调压器(1)通过电位器(14)与主加热板(3)和副加热板(8)相连供电加热。

2.根据权利要求1所述的自控平板式稳态导热仪，其特征是：4副热电偶(7)的冷端分别与数据控制系统(9)的四个输入端连接，数据控制系统(9)的输出端与数字温度表(10)的输入端连接，数据控制系统(9)的RS232接口端子与数字温度表(10)的RS232接口端子连接。

3.根据权利要求1所述的自控平板式稳态导热仪，其特征是：2个电位器(14)的输入端与调压器(1)串联连接，2个电位器(14)并联连接，1个电位器的输出端与主加热板(3)相连调节输入电压，1个电位器与副加热板(8)相连调节输入电压。

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