CN203758943U - 材料导热系数测试计量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种材料导热系数测试计量装置，包括依次连接的导热系数测量上位机、导热系数测量电控模块和导热系数试件夹紧机构，其技术特点是：该导热系数试件夹紧机构包括绝热防护外套、加热单元、两个冷却单元，该加热单元包括两块热板、设置在热板中间的加热器和设置热板表面的温度传感器，该冷却单元由冷板、设置在冷板外侧的制冷器和加热体、设置在冷板表面的温度传感器构成，该导热系数测量电控模块包括MCU模块、信号调理电路、交流调压模块、直流继电器和触摸屏。本实用新型设计合理，有效地提高了设备运行的可靠性，极大地降低了系统成本，提高了测试效率，同时，人机交互界面友好，可广泛应用于低导热系数的隔热材料的测量领域。

Description

材料导热系数测试计量装置

技术领域

本实用新型属于材料导热性能检测技术领域，尤其是一种材料导热系数测试计量装置。

背景技术

导热系数是表征物质导热能力的重要指标，是衡量材料热物理性能的重要参数。目前，导热系数的测量方法一般是基于傅立叶一维稳态导热原理的保护热板法，其具有量程广、无需每次在测试前进行系统标定等优点，然而，现有基于热流计法测量材料导热系数的仪器普遍存在智能化程度不高、功能单一、测量精度低等问题。近年来，随着建筑节能法规的出台，我国对建筑节能越来越重视。因此，对材料导热系数的高精度检测是十分必要的，现有的导热系数测量系统，从实际使用效果来看，还存在着功能单一、自动化程度不够高、测量精度低等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动化程度高、测量准确、体积小且操作方便的的材料导热系数测试计量装置。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种材料导热系数测试计量装置，包括依次连接的导热系数测量上位机、导热系数测量电控模块和导热系数试件夹紧机构，

所述的导热系数试件夹紧机构包括绝热防护外套、加热单元、两个冷却单元，所述的加热单元和两个冷却单元安装在绝热防护外套内，其中加热单元位于绝热防护外套的中部，两个冷却单元分别位于加热单元的两侧，两个相同的被测试件放置在加热单元与冷却单元之间，两个冷却单元的外侧紧贴绝热防护外套的内侧，绝热防护外套外侧设有气缸夹紧装置；

所述的加热单元包括两块热板、设置在热板中间的加热器和设置热板表面的温度传感器，热板中部为主热板并在主热板之间设有主加热器，该主加热器连接有霍尔电流传感器；主热板四周为防护热板并在防护热板之间设有 副加热器；上述主加热器、副加热器、温度传感器、霍尔电流传感器均连接到导热系数测量电控模块上；所述的冷却单元由冷板、设置在冷板外侧的制冷器和加热体、设置在冷板表面的温度传感器构成，上述制冷器、加热体、温度传感器均连接到导热系数测量电控模块上；

导热系数测量电控模块包括MCU模块、信号调理电路、交流调压模块、直流继电器和触摸屏，MCU模块分别与加热单元和冷却单元内的温度传感器相连接用于检测相应区域的温度，MCU模块与信号调理电路相连接，该信号调理电路与霍尔电流传感器相连接，MCU模块与交流调压模块相连接分别控制主加热器、副加热器、加热体工作，MCU模块通过直流继电器相连接控制制冷器以及气缸夹紧装置工作，MCU模块与触摸屏相连接实现人机对话功能，MCU通过串口与导热系数测量上位机相连接。

而且，所述的热板和冷板均由薄铜板制成。

而且，所述的主热板表面均布设置22个温度传感器，所述防护热板表面均布设置16个温度传感器，所述冷板表面均布设置6个温度传感器。

而且，所述的温度传感器为DS18B20高精度温度传感器。

而且，所述的交流调压模块采用光电隔离单相交流调压模块LTVDS-220V-40A。

而且，所述MCU模块由多片具有增强型AVR内核的MCU芯片连接构成。

本实用新型的优点和积极效果是：

本实用新型采用双平板式结构并以MCU模块为控制核心，充分利用当前先进的集成电路技术和电源技术，合理选择元器件，在提高测量精度的同时又大大简化了硬件电路，有效地提高了设备运行的可靠性，极大地降低了系统成本，提高了测试效率，同时，人机交互界面友好，能够迅速、准确地完成隔热材料试件的导热系数的测定，可广泛应用于低导热系数的隔热材料的测量领域。

附图说明

图1为本实用新型的连接示意图；

图2为本实用新型的导热系数试件夹紧机构的结构示意图；

图3为本实用新型的导热系数测量电控装置的电路方框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种材料导热系数测试计量装置，如图1所示，包括导热系数测量上位机、导热系数测量电控模块和导热系数试件夹紧机构，所述的导热系数测量电控模块与导热系数试件夹紧机构相连接实现数据采集与控制功能，所述的导热系数测量电控模块通过串口与导热系数测量上位机相连接实现数据上传功能。

如图2所示，导热系数试件夹紧机构包括绝热防护外套、加热单元、两个冷却单元，所述的加热单元和两个冷却单元安装在绝热防护外套内，其中加热单元位于绝热防护外套的中部，两个冷却单元分别位于加热单元的两侧，两个相同的被测试件放置在加热单元与冷却单元之间，两个冷却单元的外侧紧贴绝热防护外套的内侧，为了保证被测试件的两侧面以一定的力夹在加热单元和冷却单元之间，绝热防护外套的上部和两侧由气缸夹紧装置将冷却单元、被测试件及加热单元夹紧。

所述的加热单元包括两块热板、设置在热板中间的加热器和设置热板表面的温度传感器，所述的热板由薄铜板制成并与被测试件贴紧，可以保证均匀散热并减少接触热阻，使得试件表面上温差为零、无热流通过。每个热板分为两个区域：中间为主热板，主热板四周为防护热板，在主热板内设有主加热器，主加热器作为基本供热体供给试件热量，该主加热器连接有霍尔电流传感器。在防护热板内设有副加热器，该副加热器为防护热板区域加热以保证防护热板区域温度和主热板区域温度一致，使热区热量和外界没有热交换,同时又要保证防护热板区没有热量传给主热板区，使热流由加热单元分别经两侧试件单向传给两侧的冷却单元。加热单元内的温度传感器包括设置在主热板表面的22个温度传感器和设置在防护热板表面的16个温度传感器，主热板区域的22路温度传感器取温度平均值t_w1作为热板区域的温度。防护热板的的16个温度传感器用来监控防护区温度，以确保温度与加热单元一致，保证主热板区域和冷板区的热流单向流动。在本实施例中，温度传感器均采用高精度温度传感器DS18B20。上述主加热器、副加热器、温度传感器、霍尔电流传感器均连接到导热系数测量电控模块上，由导热系数测量电控模块对导热系数试件夹紧机构进行温度控制。

所述的冷却单元由冷板、设置在冷板外侧的制冷器和加热体、设置在冷板表面的6个温度传感器构成，实现对冷板区域的恒温控制功能，该冷板由薄铜板制成并与被测试件贴紧，可以保证均匀散热并减少接触热阻，使得试件表面上温差为零、无热流通过。冷板表面的6路温度传感器取平局值t_w2作为冷却单元的温度。上述制冷器、加热体、温度传感器均连接到导热系数测量电控模块上，由导热系数测量电控模块对导热系数试件夹紧机构进行温度控制。

如图3所示，导热系数测量电控模块包括MCU模块、信号调理电路、交流调压模块、直流继电器和触摸屏。在本实施例中，MCU模块由多片具有增强型AVR内核的MCU芯片（两片ATmega162和一片ATmega16）组成，上述MCU芯片分别用于温度采集、电流采集、参数计算、加热控制、制冷控制以及气缸控制，同时，实时显示温度、功率等参数值，并将测量参数通过串口传输给上位机。MCU模块与加热单元和冷却单元内的温度传感器相连接用于检测相应区域的温度。MCU模块与信号调理电路相连接，该信号调理电路接收霍尔电流传感器的数据将转换后的主加热器电流传给MCU模块。MCU模块与交流调压模块分别控制加热单元内的主加热器和副加热器、冷却单元内的加热体工作，该交流调压模块采用光电隔离单相交流调压模块LTVDS-220V-40A，MCU模块通过直流继电器控制冷却单元内的制冷器以及气缸夹紧装置内的夹紧电磁阀工作。MCU模块与触摸屏相连接实现人机对话功能。MCU通过串口与导热系数测量上位机相连接，实现导热系数测量电控模块的测量数据上传功能，MCU模块与导热系数测量上位机进行通信时，先将下位机需要传送的温度数据加上包头和包尾，构成一个完整的数据协议，上位机采用中断方式，即只要输入缓冲区有未读取的字节，立即产生中断；反过来，上位机将需要输出控制的参数，也打好包，再传送至导热系数测量电控模块。

MCU模块对各区的加热恒温控制采用了相频修正PWM调功技术，在功率计量时，可实时读取热区PWM的占空比值，经换算得到热区的实时电压值，另外，热区加热器的电阻固定为100欧姆，从而可以得到热区的功率耗费。在本装置中，需要进行温度控制共有四处，即两块冷板的温度与中间公用的热板温度及防护温度。两块冷板的温度控制，采用常规的控制方法，即温度超出设定点温 度，启动制冷机，而低于设定点温度时，进行加热。防护区的设计是为了同步计量区的温度，从而减少由于环境温差使得热板与外界有较大的热量传递。在控制中间热板计量区的温度时，我们采用了模糊PID控制方法。

本实用新型的工作原理是：将被测试件夹在热区和冷区之间，导热系数测量电控模块实时采集数据并控制加热器、制冷器分别维持热区和冷区温度恒定，保证热区与冷区间热流单向流动，产生温差（t_w1—t_w2），通过霍尔型电流传感器测得加热功率，并经过放大后输入到MCU模块内,MCU能够实时显示各类参数并通过串口将测量数据发送到导热系数测量上位机上，由导热系数测量上位机按照傅立叶导热定律计算导热系数：

$\mathrm{\λ}=\frac{p\·\mathrm{\δ}}{2A\·(t_{w1}-t_{w2})}$

其中p为双试件耗费的功率总和，δ为材料厚度，A为试样的测量面积。

导热系数测量上位机计算导热系数在平衡后实时显示并可以通过打印机打印出来。

实践证明，本实用新型的测量精度可达到0.5级，完全能满足用户对材料导热系数检测的要求。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims (6)

1.一种材料导热系数测试计量装置，包括依次连接的导热系数测量上位机、导热系数测量电控模块和导热系数试件夹紧机构，其特征在于：

所述的导热系数试件夹紧机构包括绝热防护外套、加热单元、两个冷却单元，所述的加热单元和两个冷却单元安装在绝热防护外套内，其中加热单元位于绝热防护外套的中部，两个冷却单元分别位于加热单元的两侧，两个相同的被测试件放置在加热单元与冷却单元之间，两个冷却单元的外侧紧贴绝热防护外套的内侧，绝热防护外套外侧设有气缸夹紧装置；

所述的加热单元包括两块热板、设置在热板中间的加热器和设置热板表面的温度传感器，热板中部为主热板并在主热板之间设有主加热器，该主加热器连接有霍尔电流传感器；主热板四周为防护热板并在防护热板之间设有副加热器；上述主加热器、副加热器、温度传感器、霍尔电流传感器均连接到导热系数测量电控模块上；所述的冷却单元由冷板、设置在冷板外侧的制冷器和加热体、设置在冷板表面的温度传感器构成，上述制冷器、加热体、温度传感器均连接到导热系数测量电控模块上；

导热系数测量电控模块包括MCU模块、信号调理电路、交流调压模块、直流继电器和触摸屏，MCU模块分别与加热单元和冷却单元内的温度传感器相连接用于检测相应区域的温度，MCU模块与信号调理电路相连接，该信号调理电路与霍尔电流传感器相连接，MCU模块与交流调压模块相连接分别控制主加热器、副加热器、加热体工作，MCU模块通过直流继电器相连接控制制冷器以及气缸夹紧装置工作，MCU模块与触摸屏相连接实现人机对话功能，MCU通过串口与导热系数测量上位机相连接。

2.根据权利要求1所述的材料导热系数测试计量装置，其特征在于：所述的热板和冷板均由薄铜板制成。

3.根据权利要求1所述的材料导热系数测试计量装置，其特征在于：所述的主热板表面均布设置22个温度传感器，所述防护热板表面均布设置16个温度传感器，所述冷板表面均布设置6个温度传感器。

4.根据权利要求3所述的材料导热系数测试计量装置，其特征在于：所述的温度传感器为DS18B20高精度温度传感器。

5.根据权利要求1所述的材料导热系数测试计量装置，其特征在于：所述的交流调压模块采用光电隔离单相交流调压模块LTVDS-220V-40A。

6.根据权利要求1至5任一项所述的材料导热系数测试计量装置，其特征在于：所述MCU模块由多片具有增强型AVR内核的MCU芯片连接构成。