CN218098963U - 多功能导热系数测定仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多功能导热系数测定仪，包括金属底座，金属底座下端固定设置有仪器支脚，金属底座的上端固定设置有仪器支座，仪器支座上设置有高度微调铜柱和铜柱支座，铜柱支座上端设置有吸热盘，吸热盘上端设置有样品冰片，吸热盘下端设置有吸热盘温度传感器，金属底座的上端面上的金属立柱上端套设有固定支架，固定支架上设置有制冷盘、固定螺栓和限位螺栓；固定支架上方设置有顶部固定片；金属底座的左侧设置有加热盘，加热盘的左侧设置有不良导体样品和散热盘，金属底座的左侧设置有综合控制器。上述技术方案，结构设计合理、结构简单、占地位置小、测量范围大、能够实现零度以下材料导热系数测量的便捷、快速且实用性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及实验设备技术领域，具体涉及一种多功能导热系数测定仪。
背景技术
导热系数是指在稳定传热的条件下，1M厚的材料，两侧表面的温差为1 度(K,℃)，在一秒钟(1S)内，通过1平方米(m2)面积传递的热量，单位为瓦/米度(W/mK)。导热系数是表征物质热传导性质的物理量，它不仅是评价材料的热学特性的依据，也是材料在应用时的一个设计依据，在加热器、散热器、传热管道设计、房屋设计等工程实践中都要涉及这个参数。而材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验来具体测定。
测量导热系数的实验方法一般分为稳态法和动态法两类。在稳态法中，先利用热源对样品加热，样品内部的温度差使热量由高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；当适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部就会形成稳定的温度分布，根据这一温度分布就可以计算出导热系数。而在动态法中，最终在样品内部形成的温度分布将随时间变化的，如呈周期性变化，变化的周期和幅度亦受实验条件和加热快慢的影响，与导热系数的大小有关。
目前，已有的导热系数测试的仪器大多只能零度以上的材料进行导热系数的测量而没有对零度以下的材料测量，现有的实验室测量方式需要占据较大的位置，而且对于周围环境要求较高且耗时长，不够方便、快捷，实用性差。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构设计合理、结构简单、占地位置小、测量范围大、能够实现零度以下材料导热系数测量的便捷、快速且实用性好的多功能导热系数测定仪。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种多功能导热系数测定仪，包括金属底座，所述金属底座下端固定设置有仪器支脚，所述金属底座的上端固定设置有仪器支座，所述仪器支座上设置有高度微调铜柱和铜柱支座，所述铜柱支座上端设置有吸热盘，所述吸热盘上端设置有样品冰片，所述吸热盘下端设置有吸热盘温度传感器，所述金属底座的上端面边缘位置固定设置有若干根金属立柱，所述金属立柱上端套设有固定支架，所述固定支架上设置有制冷盘、固定螺栓和限位螺栓；所述固定支架上方设置有顶部固定片，所述顶部固定片与金属立柱顶部连接；
所述金属底座的左侧设置有加热盘，所述加热盘的左侧设置有不良导体样品和散热盘，所述金属底座的左侧设置有综合控制器。
本实用新型进一步设置为：所述制冷盘与固定支架通过螺栓连接固定，所述制冷盘上设置有第一制冷盘电源接口，所述第一制冷盘电源接口连接有第一电源线，所述综合控制器上设置有第一电源正极接口，所述第一电源线背离第一制冷盘电源接口端与第一电源正极接口连接。
本实用新型还进一步设置为：所述制冷盘上设置有第二制冷盘电源接口，所述第二制冷盘电源接口上连接有第二电源线，所述综合控制器上设置有散热负极接口，所述第二电源线背离第二制冷盘电源接口端与散热负极接口连接。
本实用新型还进一步设置为：通过限位螺栓调节固定支架的位置；所述制冷盘处设置有保温层。
本实用新型还进一步设置为：当测量冰的导热系数时，样品冰片平放在吸热盘上面，拧松限位螺栓将制冷盘下滑移动至紧贴在样品冰片上方，再拧紧限位紧螺栓，将两片保温层完全包裹制冷盘、样品冰片和吸热盘。
本实用新型还进一步设置为：所述制冷盘上设置有制冷盘温度传感器，所述综合控制器上设置有第一温度接口和第二温度接口，所述制冷盘温度传感器和第一温度接口之间设置有第一温度数据线，所述吸热盘温度传感器与第二温度接口之间设置有第二温度数据线。
本实用新型的优点是：与现有技术相比，本实用新型结构设置合理，针对传统仪器测量不良热导体导热速率的改进仪器，使大学物理实验中原本只能测常温下固态物质不良热导体导热系数的仪器进行扩展，使之能够测量除了一般固体外如冰等低温下才能存在的不良热导体的导热系数。能够使测量冰等物质的导热系数在实验室的条件下也能够实现(实现了在实验室的条件下也能够测量冰等物质的导热系数)。
结构简单、占地位置小、测量范围大、能够实现零度以下材料导热系数测量的便捷、快速且实用性好。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
附图说明
图1为本实用新型实施例的主视示意图；
图2为本实用新型实施例的俯视示意图；
图3为本实用新型实施例的立体图。
具体实施方式
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1、图2和图3，本实用新型公开的一种多功能导热系数测定仪，包括金属底座6，所述金属底座6下端固定设置有仪器支脚15，所述金属底座 6的上端固定设置有仪器支座14，所述仪器支座14上设置有高度微调铜柱5 和铜柱支座13，所述铜柱支座13上端设置有吸热盘12，所述吸热盘12上端设置有样品冰片11，所述吸热盘12下端设置有吸热盘温度传感器38，所述金属底座6的上端面边缘位置固定设置有若干根金属立柱4，所述金属立柱4上端套设有固定支架2，所述固定支架2上设置有制冷盘3、固定螺栓8和限位螺栓9；所述固定支架2上方设置有顶部固定片1，所述顶部固定片1与金属立柱4顶部连接；
所述金属底座6的左侧设置有加热盘16，所述加热盘16的左侧设置有不良导体样品17和散热盘18，所述金属底座6的左侧设置有综合控制器7。
作为优选的，所述制冷盘3与固定支架2通过螺栓连接固定，所述制冷盘 3上设置有第一制冷盘电源接口22，所述第一制冷盘电源接口22连接有第一电源线33，所述综合控制器7上设置有第一电源正极接口25，所述第一电源线33背离第一制冷盘电源接口22端与第一电源正极接口25连接。
所述制冷盘3上设置有第二制冷盘电源接口23，所述第二制冷盘电源接口 23上连接有第二电源线34，所述综合控制器7上设置有散热负极接口27，所述第二电源线34背离第二制冷盘电源接口23端与散热负极接口27连接。通过限位螺栓9调节固定支架2的位置；所述制冷盘3处设置有保温层10。
所述加热盘16上固定设置有加热盘温度传感器37，所述散热盘18上固定设置有散热盘温度传感器39，所述加热盘16上设置有第一加热盘接口20和第二加热盘接口21，所述综合控制器7上设置有第一加热负极26，所述金属立柱4的数量至少设置2根。
(1)冰的导热系数的测量
当测量冰的导热系数时，样品冰片11平放在吸热盘12上面，拧松限位螺栓9将制冷盘3下滑移动至紧贴在样品冰片11上方，再拧紧限位紧螺栓9，将两片保温层10完全包裹制冷盘3、样品冰片11和吸热盘12。
作为优选的，将制冷盘3下滑移动至紧贴在样品冰片11上方再拧限位紧螺栓9使之固定，并紧密接触。将两片保温层10从两侧合拢在接口处固定好使之能完全包裹制冷盘3、样品冰片11和吸热盘12。
所述制冷盘3上设置有制冷盘温度传感器36，所述综合控制器7上设置有第一温度接口30和第二温度接口31，所述制冷盘温度传感器36和第一温度接口30之间设置有第一温度数据线40，所述吸热盘温度传感器38与第二温度接口31之间设置有第二温度数据线41。
所述综合控制器7上还固定设置有操控键盘32和数据显示屏29，在综合控制器7打开电源，在操控键盘32中选择开启制冷盘3，并在其中设置T1和 T2，在数据显示屏29显示正确后，在操控键盘32开启制冷盘3，每间隔5分钟测量并记录T1和T2的值，大约制冷一段时间后，T1即制冷盘3、T2即吸热盘12，制冷盘3、吸热盘12的温度不再变化时，说明系统己达到稳态。
计算吸热盘12在T2附近的吸热速率，移开吸热盘12，取下样品冰片11，取下保温层10，拧松限位螺栓9滑动将制冷盘3使其与吸热盘12直接接触，在操控键盘32设定低于T2的温度，当吸热盘12的温度降低到低于稳态值T2 值若干度(例如5℃左右)后，再将制冷盘3移开，让吸热盘12自然吸热升温，这时候，每隔30秒或自定记录此时的T2值。根据测定值可以计算出吸热盘12的吸热速率。
(2)不良导体导热系数的测量
在实验前先要拧下固定螺栓8取下制冷盘3断开第一电源线33、第二电源线34、第一温度数据线40，更换加热盘16将用固定螺栓8固定在固定支架2 上，
1.实验时，先将不良导体样品17平放在散热盘18上面，拧松限位螺栓9，将加热盘16下滑移动至紧贴在不良导体样品17上方再拧紧螺栓9使之固定，并紧密接触。将两片保温层10从两侧合拢在接口处固定好使之能完全包裹加热盘16、不良导体样品17和散热盘18。
2.用第一温度数据线40连接加热盘温度传感器37和综合控制器7上的第一温度接口30，用第二温度数据线41连接散热盘温度传感器39和综合控制器 7上的第二温度接口31。再用第一电源线33连接综合控制器7上的第一电源正极接口25和第一加热盘接口20，用第二电源线34连接综合控制器7上的第一加热负极26和第二加热盘接口21。
3.在综合控制器7打开电源，在操控键盘32中选择开启加热盘16，并在其中设置T1和T2，在数据显示屏29显示正确后，在操控键盘32开启加热，每间隔5分钟测量并记录T1和T2的值，大约加热一段时间后，T1即加热盘16、T2即散热盘18，加热盘16、散热盘18的温度不再变化时，说明系统己达到稳态。
4.计算散热盘18在T2附近的散热速率，取下保温层10，拧松限位螺栓9 滑动将加热盘16使其与散热盘18直接接触，在操控键盘32设定高于T2的温度，当散热盘18的温度升高到高于稳态值T2值若干度(例如5℃左右)后，再将加热盘16移开，让散热盘18自然放热降温，这时候，每隔30秒或自定记录此时的T2值。根据测定值可以计算出散热盘18的散热速率。
(3)空气的导热系数测量
1.实验时，拧松固定支架2上的限位螺栓9将加热盘16下滑移动至离散热盘18保持设定的距离(1-1.5mm)再拧限位紧螺栓9使之固定。将两片保温层10从两侧合拢在接口处固定好使之能完全包裹加热盘16和散热盘18。
2.用第一温度数据线40连接加热盘温度传感器37和综合控制器7上的第一温度接口30，用第二温度数据线41连接散热盘温度传感器39和综合控制器 7上的第二温度接口31。再用第一电源线33连接综合控制器7上的第一电源正极接口25和第一加热盘接口20，用第二电源线34连接综合控制器7上的第一加热负极26和第二加热盘接口21。
3.在综合控制器7打开电源，在操控键盘32中选择开启加热盘16，并在其中设置T1和T2，在数据显示屏29显示正确后，在操控键盘32开启加热，每间隔5分钟测量并记录T1和T2的值，大约加热一段时间后，T1即加热盘 16、T2即散热盘18，加热盘16、散热盘18的温度不再变化时，说明系统己达到稳态。
4.计算散热盘在T2附近的散热速率，取下保温层10，拧松限位螺栓9滑动将加热盘16使其与散热盘18直接接触，在操控键盘32设定高于T2的温度，当散热盘18的温度升高到高于于稳态值T2值若干度(例如5℃左右)后，再将加热盘16移开，让散热盘18自然放热降温，这时候，每隔30秒或自定记录此时的T2值。根据测定值可以计算出散热盘18的散热速率。
(一)导热系数测量原理
根据傅立叶导热方程式，在物体内部，取两个垂直与热传导方向、彼此间相距为h。温度分别为t1，t2，的平行平面(T1＞T2)，若平面面积均为S，在t时间内通过面积S的热Q满足下述表达式：
式中，为热流量，λ即为该物质的热导率(又称作导热系数)，λ在数值上等于相距单位长度的两平面的温度相差1个单位时，单位时间内通过单位面积的热量，其单位是Wm-1K-1。本实验仪器在支架上先放上吸(散)热盘P，在P的上面放上待测样品B，再把带制冷/发热器的圆盘A放在B上，制冷/ 发热器器制冷/加热后，热量从P盘传到B盘，再传到A盘，由于A，P盘都是良导体，其温度即可以代表B盘上、下表面的温度T1、T2，温度T1、T2分别由插入A，P盘边缘小孔铂电阻温度传感器E来测量。通过变换温度传感器插入位置，即可改变铂电阳温度传感器的测量目标。单位时间内通过待测样品B 任一圆截面的热流量为：
式中，Rb为样品的半径，Hb为样品的厚度，当热传导达到稳定状态时， T1和T2的值不变，于是通过B盘上表面的热流量与由铜盘P向周国环境吸热的速率相等，因此，可通过铜盘在稳定温度T2时的散热速率来求出热流ΔQ/Δt。
实验中，在读得稳态时的T1和T2后，即可将B盘移去，而使制冷铝盘A 的底面与散热铜盘P直接接触。当盘P的温度降低/上升到低于/高于稳态时的T2值若干摄氏度后，再将制冷/发热盘A移开，让散热铜盘P自然升温/降温。观察他的的温度随时问t的变化情况，然后由此求出吸热盘的吸热速率。当然还需要对此实验进行一定的修正。再来看到通过加热法求热不良导体的导热热系数，相同的，测量样品的直径和厚度，与先前一样安装好仪器后，将发热盘接通电源使之发热，并达到设定的温度后，也读出待测物质的上下两面的温度差。为了得到散热盘在稳定温度T2时的dQ/dT我们将待测热的不良导体撤去，将发热盘与散热盘紧贴，升温使之升高到比T2稍高几度，再将发热盘移开，记录温度和时间的关系，由此便可求出散热盘的散热速率。
(二)半导体制冷器原理
在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热来进一步降低冷端的温度。通过对制冷器的控制就能使温度到一个目标值。
(三)加热盘发热原理
加热盘的内部有电热丝，电热丝的工作原理与其他金属发热元件相同，都是金属通电后的电热现象。电热就是指电流在通过导体后，电流会产生一定的热量并被导体传递出来。电热丝本身就是金属导体，在通电后即会散发出热量、提供热能。
(四)对温度的控制原理
采用闭循环单片机，通过温度传感器检测温度然后动态调整半导体制冷片 (加热盘)的电流，进而改变制冷(加热)功率，达到设定温度后保持温度。
(五)操作流程
(1)在测量导热系数前应先对散(吸)热盘P和待测样品的直径、厚度进行测量。
(2)用游标卡尺测量样品冰块的直径和深度，测五次取平均值。
(3)用游标卡尺测量吸热盘P的直径和厚度，测5次，按平均值计算出盘的质量。
本实用新型在传统仪器测量不良热导体导热系数方法及相关实验设备的基础上，加以整合与创新。
针对传统仪器测量不良热导体导热速率的改进仪器，使大学物理实验中原本只能测常温下固态物质不良热导体导热系数的仪器进行扩展，使之能够测量除了一般固体外如冰等低温下才能存在的不良热导体的导热系数。能够使测量冰等物质的导热系数在实验室的条件下也能够实现(实现了在实验室的条件下也能够测量冰等物质的导热系数)。能让学生更好的理解傅立叶导热公式和导热速率等概念。
结构简单、占地位置小、测量范围大、能够实现零度以下材料导热系数测量的便捷、快速且实用性好。
上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多功能导热系数测定仪，包括金属底座(6)，其特征在于：所述金属底座下端固定设置有仪器支脚(15)，所述金属底座(6)的上端固定设置有仪器支座(14)，所述仪器支座(14)上设置有高度微调铜柱(5)和铜柱支座(13)，所述铜柱支座(13)上端设置有吸热盘(12)，所述吸热盘(12)上端设置有样品冰片(11)，所述吸热盘(12)下端设置有吸热盘温度传感器(38)，所述金属底座(6)的上端面边缘位置固定设置有若干根金属立柱(4)，所述金属立柱上端套设有固定支架(2)，所述固定支架(2)上设置有制冷盘(3)、固定螺栓(8)和限位螺栓(9)；所述固定支架(2)上方设置有顶部固定片(1)，所述顶部固定片(1)与金属立柱(4)顶部连接；
所述金属底座(6)的左侧设置有加热盘(16)，所述加热盘(16)的左侧设置有不良导体样品(17)和散热盘(18)，所述金属底座(6)的左侧设置有综合控制器(7)。
2.根据权利要求1所述的一种多功能导热系数测定仪，其特征在于：所述制冷盘(3)与固定支架(2)通过螺栓连接固定，所述制冷盘(3)上设置有第一制冷盘电源接口(22)，所述第一制冷盘电源接口(22)连接有第一电源线(33)，所述综合控制器(7)上设置有第一电源正极接口(25)，所述第一电源线(33)背离第一制冷盘电源接口(22)端与第一电源正极接口(25)连接。
3.根据权利要求2所述的一种多功能导热系数测定仪，其特征在于：所述制冷盘上设置有第二制冷盘电源接口(23)，所述第二制冷盘电源接口(23)上连接有第二电源线(34)，所述综合控制器(7)上设置有散热负极接口(27)，所述第二电源线(34)背离第二制冷盘电源接口(23)端与散热负极接口(27)连接。
4.根据权利要求3所述的一种多功能导热系数测定仪，其特征在于：通过限位螺栓(9)调节固定支架(2)的位置；所述制冷盘(3)处设置有保温层(10)。
5.根据权利要求4所述的一种多功能导热系数测定仪，其特征在于：所述制冷盘(3)上设置有制冷盘温度传感器(36)，所述综合控制器(7)上设置有第一温度接口(30)和第二温度接口(31)，所述制冷盘温度传感器(36)和第一温度接口(30)之间设置有第一温度数据线(40)，所述吸热盘温度传感器(38)与第二温度接口(31)之间设置有第二温度数据线(41)。
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2022
- 2022-06-07 CN CN202221438869.0U patent/CN218098963U/zh not_active Expired - Fee Related
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