CN206208811U - 一种金属导热系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种金属导热系数测量装置，属于固体物理性能测试技术领域，该装置包括热源、被测金属导热单元及测量单元，被测金属导热单元为导热棒，其头部设置有盲孔，其外围设置有隔热箱，热源为放置于盲孔中的加热管，导热棒外壁上设置有两个固定孔，均安装有测温装置，测量单元包括套装于导热棒尾部的螺旋管，螺旋管两端分别为换热进口和换热出口，换热进口外部连接有水箱，换热出口外部连接有废水回收箱和换热水收集装置，换热进口处安装有第一水温传感器，换热出口处依次安装有第二水温传感器和流量控制阀，本实用新型中的测量装置基于稳态法对金属导热系数进行测量，稳定热场建立较为迅速，通过计算水交换的热量进而求得导热系数。

Description

一种金属导热系数测量装置

技术领域

本实用新型属于固体物理性能测试技术领域，具体涉及一种金属导热系数测量装置。

背景技术

传导、对流、辐射是能量传递的三种方式，导热是所有物质都具有的一项基本属性，而导热系数表征着物体导热能力的大小，是反映材料导热性能的重要参数之一，它不仅是评价材料热学特性的依据，而且是应用材料的一个重要设计参数。导热系数在电子、航天、建筑、冶炼、食品工艺处理等行业有着广泛的应用，比如，在加热器、散热器、传热管道设计、房屋设计、冷库等工程实践、新型陶瓷材料、电子封装材料、高导热高绝缘新材料，以及日常生活中保温杯、冰箱设计等等，又比如在LED照明灯具设计中芯片的散热设计中，就采用了导热系数较好的顶齿铝基板；半导体制冷片用于CPU的散热设计中，利用了铜基或铝基水冷头，所以，对导热系数的研究和测量就显得很有必要。

测量导热系数的方法大体上分为稳态法和非稳态法两类。非稳态测量法分为瞬态法和热波法，多用于研究高导热系数材料，或在高温条件下进行测量；最普遍采用的方法是稳态法,稳态测量法又可细分为热流计法、保护热板法和圆管法，具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量。稳态法是指当试样上的温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的稳定的温度场，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来确定试样的导热系数的方法，稳态法实验原理简单，然而为了得到准确的一维热流，通常需要附设热补偿装置，为了获得准确的温度分布，需要布置多个温度测点，因此，实验装置的电气控制和调节线路比较复杂，此外，在准备所需要的测量工况和必需进行的实验时都比较耗费时间。

实用新型内容

本实用新型弥补了现有测量装置的缺陷，提供了一种基于稳态法的金属导热系数测量装置，该装置基于稳态法测量方式搭建，借助换热水吸收的热量来计算求得被测金属的导热系数，该装置结构简单、成本低，测量结果精确，适用范围广。

本实用新型的具体技术方案是：

一种金属导热系数测量装置，该测量装置包括热源、被测金属导热单元及测量单元，关键点是，所述的被测金属导热单元为导热棒，导热棒头部设置有盲孔，所述的热源为放置于盲孔中的加热管，导热棒外围设置有隔热箱，导热棒外壁上设置有位于同一纵向上的两个固定孔，固定孔中安装有测温装置，所述的测量单元包括套装于导热棒尾部的螺旋管，螺旋管两端分别为穿过隔热箱向外伸出的换热进口和换热出口，换热进口外部连接有水箱，换热出口外部借助三通连接有废水回收箱和换热水收集装置，换热进口处安装有第一水温传感器，换热出口处依次安装有第二水温传感器和流量控制阀，废水回收箱和换热水收集装置相对应的三通支管上分别安装有废水电磁阀和换热水电磁阀。

所述的导热棒的直径为40-60mm，螺旋管的材质为被测金属材质，其外径为6-10mm，壁厚为1-2mm，螺旋管的螺旋圈数为4-6圈。

所述的水箱与换热进口之间设置有恒压水槽，恒压水槽进口和出口分别借助输水管道与水箱和换热进口相连。

所述的测量装置设置有计算机处理单元，计算机处理单元包括单片机及与其相连的显示屏、键盘和实时时钟，测温装置、第一水温传感器及第二水温传感器的信息输出端均与单片机的信息输入端相连。

所述的单片机信息输出端借助串口连接有上位机，上位机为LABview监测控制平台。

本实用新型的有益效果是：本实用新型利用导热棒式的被测金属来进行热量的传导，通过水箱中水借助螺旋管进行换热从而形成稳恒态，螺旋管吸收导热棒传导的热量，通过流量控制阀来调节流经螺旋管的水量，当测温装置的温度数值稳定后，换热过程达到稳恒态，稳恒态下的水流向换热水收集装置，通过稳恒态下换热水收集装置收集到的水的换热热量计算得到被测金属的导热系数，该装置结构原理简单，成本可控，可操作性强，导热系数测量精准。

附图说明

图1是本实用新型中热源、被测金属导热单元及测量单元的连接结构示意图。

图2是本实用新型的原理结构示意图。

附图中，1、隔热箱，2、导热棒，3、加热管，4、测温装置，5、螺旋管，6、水箱，7、废水回收箱，8、换热水收集装置，9、第一水温传感器，10、废水电磁阀，11、换热水电磁阀，12、第二水温传感器，13、流量控制阀，14、恒压水槽，15、单片机，16、显示屏，17、键盘，18、实时时钟，19、串口，20、上位机。

具体实施方式

本实用新型涉及一种金属导热系数测量装置，该测量装置包括热源、被测金属导热单元及测量单元，被测金属导热单元为导热棒2，导热棒2头部设置有盲孔，所述的热源为放置于盲孔中的加热管3，导热棒2外围设置有隔热箱1，导热棒2外壁上设置有位于同一纵向上的两个固定孔，固定孔中安装有测温装置4，所述的测量单元包括套装于导热棒2尾部的螺旋管5，螺旋管5两端分别为穿过隔热箱1向外伸出的换热进口和换热出口，换热进口外部连接有水箱6，换热出口外部借助三通连接有废水回收箱7和换热水收集装置8，换热进口处安装有第一水温传感器9，换热出口处依次安装有第二水温传感器12和流量控制阀13，废水回收箱7和换热水收集装置8相对应的三通支管上分别安装有废水电磁阀10和换热水电磁阀11。

具体实施例，如图1和图2所示，被测金属导体选用导热系数较好的铜，将其制作成导热棒2，导热棒2的直径为50mm，一端沿轴线打盲孔，内置加热管3作为热源，加热管3电源采用直流电源，避免了交流电产生的热量波动，采用直流电源能够使导热棒2温度更加线性，最大限度地避免波动情况的发生，螺旋管5的材质也选为铜，其外径为8mm，壁厚为1mm，螺旋管5的螺旋圈数为5圈，沿导热棒2轴线方向间隔长度L打两个固定孔，固定孔与轴线相垂直，两个固定孔中分别内置一个测温装置4作为两个测温点，测温装置4为K型热电偶，导热棒2的另一端缠绕螺旋管5，螺旋管5中通水，作为冷却端，整个导热棒2放入由耐热橡胶板制作的隔热箱1中，隔热箱1底部、导热棒2的四周填充隔热材料岩棉绳和玻璃棉。

水箱6与换热进口之间设置有恒压水槽14，恒压水槽14进口和出口分别借助输水管道与水箱6和换热进口相连，在螺旋管5的换热进口处用水箱6和恒压水槽14的双重措施来减小由于水湍流造成的水压的突变，进而减小传热温度梯度的骤变，缩短热交换平衡态建立时间，测量装置设置有计算机处理单元，计算机处理单元包括单片机15及与其相连的显示屏16、键盘17和实时时钟18，测温装置4、第一水温传感器9及第二水温传感器12的信息输出端均与单片机15的信息输入端相连，温度信号的采集与处理由计算机处理单元来完成，单片机15选用宏晶单片机STC89C52，单片机15连接有时钟电路、按键电路和LCD显示电路，实现实时时钟18、键盘17和显示屏16的连接，单片机15还连接有温度采集接口电路来实现测温装置4、第一水温传感器9及第二水温传感器12的连接，单片机15及其连接的各种电路共同构成了主控单元，测温装置4为K型热电偶，主控单元还设置有MAX6675K数字测温模块，MAX6675K数字测温模块为带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的12位分辨率串行K型热电偶模数转换器，主控单元借助MAX6675K数字测温模块将K型热电偶的模拟线号转换为数字信号，第一水温传感器9和第二水温传感器12选用DS18B20温度传感器，在主控单元的控制下，利用DS18B20温度传感器和MAX6675K数字测温模块，通过温度采集接口电路完成换热进口和换热出口处水温信息的采集，单片机15信息输出端借助串口19连接有上位机20，上位机20为LABview监测控制平台。

测量装置首先进入测试预测准备态时，废水电磁阀10打开、换热水电磁阀11关闭，水箱6中的水沿输水管道经过恒压水槽14稳压后进入螺旋管5中进行换热，最后经过流量控制阀13、废水电磁阀10后流入废水回收箱7中，调节流量控制阀13控制出水流速，单片机15采集各个测温点的温度数据，两个测温装置4位置采集到的温度分别为T₁、T₂，其中T₂为靠近螺旋管5位置的测温装置4采集到的温度，判断T₂是否稳定，稳定状态时，流过的水带走的热量应当等于加热管3散发的热量，此时，T2的温度在一个阈值内波动，达到温度的动态平衡，此时可以确定T₂处于稳定状态，那么可以认为该测量装置处于恒温态，恒温态状态下，程序提示进入测试状态，开始正式测量，记录换热进口处第一水温传感器9的温度T₃，关闭废水电磁阀10、打开换热水电磁阀11，水经过换热后流入换热水收集装置8中，换热水收集装置8选用烧杯，到达测试时间t后，关闭换热水电磁阀11，记录换热出口处第二水温传感器12的温度T₄，称量或者依据烧杯显示体积来计算烧杯中换热水的质量m，按照公式Q＝cm(T₄-T₃)计算该换热水的交换热量，然后根据交换热量来计算被测金属的导热系数，计算公式为上述两个公式中，Q：交换热量，C：水的比热，m:流出水的质量，λ：导热系数，S：螺旋管横截面的面积，τ：流出质量为m的水的时间间隔。

温度的采集、处理和计算过程通过计算机处理单元来进行，单片机15将采集的温度数据，经串口19送入上位机20中，上位机采用LABview监测控制平台，上位机程序采用labview虚拟仪器进行开发，前面板采用四个按钮控件构成菜单栏，分别实现开始测量、放弃测量、数据储存、退出程序的操作，左半窗口为参数设置以及状态指示，其中串口设置板块由一个VISA资源选择控件、两个数值控件和一个下拉列表控件组成，数据储存目录选择由路径控件构成，状态指示由四个温度计控件和四个LED控件组成，进行温度指示和温度稳定状态的指示，右半窗口上部由两个波形图控件分两组来显示T₁、T₂和T₃、T₄温度变化情况，右半窗口下部是由5个数值输入控件、一个按钮控件以及一个数值显示控件组成的实验结果计算窗口。

该装置中结合单片机技术、数字温度传感技术和Labview虚拟仪器技术提升了实验的综合性，改变了力学实验综合性差的问题，基于Labview设计的温度监测处理平台，实现了测温点温度数据的实时动态采集、指针或图形曲线的多方式显示、处理和存储。

Claims (5)

1.一种金属导热系数测量装置，该测量装置包括热源、被测金属导热单元及测量单元，其特征在于：所述的被测金属导热单元为导热棒(2)，导热棒(2)头部设置有盲孔，所述的热源为放置于盲孔中的加热管(3)，导热棒(2)外围设置有隔热箱(1)，导热棒(2)外壁上设置有位于同一纵向上的两个固定孔，固定孔中安装有测温装置(4)，所述的测量单元包括套装于导热棒(2)尾部的螺旋管(5)，螺旋管(5)两端分别为穿过隔热箱(1)向外伸出的换热进口和换热出口，换热进口外部连接有水箱(6)，换热出口外部借助三通连接有废水回收箱(7)和换热水收集装置(8)，换热进口处安装有第一水温传感器(9)，换热出口处依次安装有第二水温传感器(12)和流量控制阀(13)，废水回收箱(7)和换热水收集装置(8)相对应的三通支管上分别安装有废水电磁阀(10)和换热水电磁阀(11)。

2.根据权利要求1所述的一种金属导热系数测量装置，其特征在于：所述的导热棒(2)的直径为40-60mm，螺旋管(5)的材质为被测金属材质，其外径为6-10mm，壁厚为1-2mm，螺旋管(5)的螺旋圈数为4-6圈。

3.根据权利要求1所述的一种金属导热系数测量装置，其特征在于：所述的水箱(6)与换热进口之间设置有恒压水槽(14)，恒压水槽(14)进口和出口分别借助输水管道与水箱(6)和换热进口相连。

4.根据权利要求1所述的一种金属导热系数测量装置，其特征在于：所述的测量装置设置有计算机处理单元，计算机处理单元包括单片机(15)及与其相连的显示屏(16)、键盘(17)和实时时钟(18)，测温装置(4)、第一水温传感器(9)及第二水温传感器(12)的信息输出端均与单片机(15)的信息输入端相连。

5.根据权利要求4所述的一种金属导热系数测量装置，其特征在于：所述的单片机(15)信息输出端借助串口(19)连接有上位机(20)，上位机(20)为LABview监测控制平台。