一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置

1.本实用新型属于热物性测试技术领域，具体涉及一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置。


背景技术：

2.导热系数是材料重要的热物性参数之一，反映了材料热传导能力大小，获取材料导热系数在石油、化工、能源、材料和军工等领域都有重要用途。同时，导热系数测量也是高校传热学的一项的基础教学实验。物质导热系数的测量方法可分为稳态和非稳态两大类。稳态法是通过给样品加一定的热量，待加热和散热过程达到平衡状态，样品内部呈现稳定的温度场，通过测量加热量和温度差来确定导热系数。稳态法原理简单清晰，适用于教学，但达到稳态时间较长。非稳态法是通过给样品施加热量后，样品内的温度分布发生变化，形成一个非稳定的温度场，通过测量被测样品表面的温度变化情况，即可计算出样品的导热系数。
3.非稳态法由于测试时间短，近年来得到了快速发展，如瞬态热线法、平面热源法、准稳态法等，其中准稳态法原理简单，测试方法与稳态法较为接近。理想情况下，准稳态可以长期保持，然而随着温度升高，四周散热加剧，系统脱离准稳态。以往的准稳态法测量装置中，一维热流的实现主要通过布置加热膜及均热铝箔来创造均匀热流，同时在试样周围包覆绝热材料以减少周围散热，然而并不能确保热量的一维传递；并且随着温度升高，绝热层漏热加剧，准稳态无法长期维持；温度的测量采用在试样的中心点处布置热电偶，通过人工读取电势差来判断是否达到准稳态，实验精度较低。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置，以解决现有技术中热量不能确保一维传递，通过人工读取电势差来判断是否达到准稳态，实验精度较低的问题。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.本实用新型公开的一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置，包括：固定装置、装置外壳、控制电路、中间铝板、若干个加热板和若干个保温板；
7.固定装置设置在装置外壳上，控制电路连接中间铝板和若干个加热板上，加热板设置在保温板中间，加热板和保温板紧密固定在固定装置上，加热板和控制电路与电源连接；
8.所述加热板包括主板和护板，主板位于护板中间且主板与护板同平面。
9.优选地，所述控制电路包括：第一温控器、第二温控器、继电器、直流电源、开关电源、第一铂电阻、第二铂电阻和第三铂电阻；第一温控器、第二温控器、继电器、开关电源与护板构成闭合回路，第一铂电阻设置在主板上与第一温控器电连接，第二铂电阻设置在护板上与第二温控器电连接，第三铂电阻布置在中间铝板的中心位置，与计算机相连，主板连
接直流电源。
10.优选地，固定装置上设置有滑道、导轨、滑块和垫块；滑道设置于固定装置底部，导轨设置于固定装置顶部，滑块与导轨配合使用，垫块一端固定在滑块上，另一端用于固定试件，护板底部与滑道相配合。
11.优选地，导轨和滑道均螺栓固定在固定装置上。
12.优选地，主板与护板由两片加热膜和两块固定在加热膜两侧的均热铝板构成，主板与护板中间具有一条缝隙，主板与护板的电加热膜相互独立。
13.优选地，所述加热膜为由镍铬合金电阻丝和包覆在外的聚酰亚胺加热膜组成的薄膜型加热片。
14.优选地，所述均热铝板上开设有用于连接控制电路的凹槽。
15.优选地，本实用新型还包括紧固装置，所述紧固装置一端连接保温板，且紧固装置上设置有外螺纹。
16.优选地，所述固定装置一侧开设有紧固装置能通过的螺纹孔。
17.优选地，所述保温板为聚苯乙烯泡沫板。
18.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
19.本发明公开的一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置，加热板分为主板和护板两个区域，通过电源及控制电路使得护板温度跟踪主板温度变化，实现均匀热流的加热条件，并隔绝外界环境影响，进而实现主板温度的均匀性和热量的一维传递，解决以往实验装置准稳态边界条件难以完全实现、准稳态难以长期保持的关键问题；加热板和若干个保温板通过紧固装置紧密固定在固定装置上，有利于减小接触热阻。
20.进一步地，直流电源用于加热主板，第一铂电阻测量主板温度，并将测量信号传送给第一温控器和第二温控器，主板温度作为第二温控器的设定温度；同时第二铂电阻测量护板的温度传送显示在第二温控器上，根据第二温控器上的设定温度和测量温度的差值控制继电器的开关，从而控制开关电源的通断；根据此方法，可以实现护板温度追踪主板温度，隔绝外界环境影响，进而实现主板温度的均匀性和热量的一维传递。
21.进一步地，所述固定装置上设置有滑道、导轨、滑块和垫块试件放置在该固定装置中，确保试件与加热板和保温板紧密接触，减小接触热阻。
22.进一步地，主板与护板由两片加热膜和两块固定在加热膜两侧的均热铝板构成，加热膜片外侧贴有均热铝板，使得试件受热均匀；主板与护板中间设置有一条隔缝，主板与护板的电加热膜相互独立，则主板温度不受护板影响，有利于隔绝外界环境对实验测试的干扰。
23.进一步地，所述加热膜为薄膜型加热片，由镍铬合金电阻丝和包覆在外的聚酰亚胺加热膜组成，有利于实验均匀热流。
24.进一步地，所述固定装置一侧开设有紧固装置能通过的螺纹孔，紧固装置一端连接保温板，且紧固装置上设置有螺纹有利于与紧固装置配合，使试件与加热板、隔热板紧密接触，减少接触热阻。
25.进一步地，所述保温板为聚苯乙烯泡沫板，导热系数小，保温效果好。
附图说明
26.图1为本实用新型的装置整体示意图；
27.图2为本实用新型的加热膜结构示意图；
28.图3为本实用新型的均热铝板上的凹槽布置图；
29.图4为本实用新型中的试件和加热板布置图；
30.图5为本实用新型的主板与护板的温度跟踪控制电路图。
31.其中：1-主板；2-护板；3-保温板；4-固定装置；5-滑道；6-导轨；7-滑块； 8-垫块；9-紧固装置；10-装置外壳；11-控制电路；12-第一温控器；13-第二温控器；14-继电器；15-直流电源；16-开关电源；17-第一铂电阻；18-第二铂电阻； 19-第三铂电阻；20-在第一试件；21-第二试件；22-第三试件；23-第四试件；24
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中间铝板；25-加热板。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
35.本实用新型公开的一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置，包括两块加热板25，加热板25均由主板1和护板2组成，还包括保温板3、固定装置4、滑道5、导轨6、滑块7、垫块8、紧固装置9、装置外壳10、控制电路11；控制电路11由第一温控器12、第二温控器13、继电器14、直流电源15、开关电源16、第一铂电阻17、第二铂电阻18、第三铂电阻19构成。
36.直流电源15用于加热主板1，第一铂电阻17测量主板1温度，并将测量信号传送给第一温控器12和第二温控器13，主板1温度作为第二温控器13的设定温度；同时第二铂电阻18测量护板2的温度传送显示在第二温控器13上，根据第二温控器13上的设定温度和测量温度的差值控制继电器14的开关，从而控制开关电源16的通断；根据此方法，可以实现护板2温度追踪主板1温度，隔绝外界环境影响，进而实现主板1温度的均匀性和热量的一维传递。
37.滑块7与垫块8连接，垫块8与护板2相连，装置下端设有滑道5用于与垫块8一起固定试件，紧固装置9与右侧保温板3相连，转动紧固装置9使保温板3移动，带动试件和护板2移动，保证试件与加热板25和保温板3紧密接触。
38.本装置采用四块相同试件依次放置，在第一试件20和第四试件23的外侧放置保温
材料3，在第一试件20和第二试件21之间放置一个加热板25，第三试件 22和第四试件23之间放置1个加热板，两个加热板25完全相同，均由主板1 和护板2组成，通过相同电源供电。由于四块试件完全相同，加热膜阻值相等，若施以同样的加热功率，则在试件21和22之间可构造传热的对称面，即绝热面，放置中间铝板24，布置第三铂电阻19，用于测量绝热面温度。
39.如图1所示，一种准稳态法测量固体导热系数的实验装置，包括主板1、护板2、保温板3、固定装置4、滑道5、导轨6、滑块7、垫块8、紧固装置9、装置外壳 10以及控制电路11，控制电路11由第一温控器12、第二温控器13、继电器14、直流电源15、第一铂电阻17、第二铂电阻18构成、第三铂电阻19构成。
40.主板1与护板2与位于同一平面，由两片阻值相同的聚酰亚胺加热膜和两块固定在加热膜两侧的均热铝板构成，均热铝板厚度为2mm，主板1与护板2之间有一条圆形隔缝，其各自的电加热膜相互独立。参照图2，给出了加热膜的结构图，加热膜与试件等大，分为两个区域，中间的圆形区域为主板的加热膜，周围区域为护板的加热膜。加热膜为薄膜型加热片，由镍铬合金电阻丝和包覆在外的聚酰亚胺加热膜组成。
41.主板1与护板2上分别开槽布置了第一铂电阻17和第二铂电阻18。铂电阻采用1.6
×
1mm的芯片自制，引线为0.2mm的漆包铜线，在均热铝板上开槽，如图3所示，槽深度为1mm，宽度为2mm，引线槽深度为0.5mm，宽度1mm，缝隙用导热硅脂填平，减少开槽后槽内空气对流对温度测量的影响。
42.保温板3采用聚苯乙烯泡沫板，左侧部分用绝热胶粘接在固定装置4上，右侧部分与紧固装置9连接，紧固装置9上有螺纹，通过摇杆旋紧施加压力从而加紧试件。固定装置4与导轨6通过螺钉连接，垫块8与护板2通过螺钉连接，与滑块7通过卡槽装配，滑块7可在导轨6上左右移动。装置左侧设有独立空间，用于放置控制电路11。
43.图4为试件和加热板25布置图，四块相同试件依次放置，在第一试件20和第四试件23的外侧放置保温板3。从左向右依次为第一试件20、加热板25、第二试件21、中间铝板24、第三试件22、加热板25、第四试件23，加热板25均由主板1和护板2组成，主板1通过直流电源15施以同样的加热功率，则在第二试件21和第三试件22之间构造传热的对称面，即绝热面，从而第二试件21 和第三试件22均满足一面受恒定热流加热、一面绝热的边界条件。
44.如图5所示，给出了本装置的电路图。所述的直流电源15用于给主板1供电，护板2的加热电路由开关电源16供电，通过继电器14控制通断，与主板1 的加热电路相互独立。第一铂电阻17测量主板1温度，并传送显示温度在第一温控器12上，第一温控器12将主板1温度的温度信号转送给第二温控器13，作为其设定温度；同时第二铂电阻18测量护板2的温度信号传送显示在第二温控器13上，根据第二温控器13上的设定温度和测量温度的差值控制继电器14的开关，进而控制电路通断，当护板2温度低于主板1温度时继电器14接通，使护板2升温；当护板2温度高于主板1时，继电器断开，根据此方法，可以实现护板2温度追踪主板1温度，隔绝外界环境影响，进而实现主板1温度的均匀性和热量的一维传递。第三铂电阻19布置在中间铝板24的中心位置。
45.本实用新型的工作过程：以有机玻璃作为试件，将试件放置在滑道5上，通过垫块8将试件固定，使其与加热板25对齐，四块试件对称安装，任选两块试件放置于两块加热板25中间，构建绝热面，另外两块试件分别放置在两侧，即各放于加热板25和保温板3之间；转动紧固装置9，保温板3向左移动，滑块7 在导轨6上移动并带动加热板25移动和试件在滑道5
上移动，至试件与加热板 25、保温板3紧密接触。
46.将加热板25主板与直流电源连接，护板与开关电源连接，铂电阻分别与温控器和数据采集系统连接，数据采集系统由万用表和计算机构成，用于实现数据的采集和运算。启动直流电源和数据采集系统，调节电压，加热主板，通过温控器观察护板温度跟踪主板温度变化的情况，同时观察数据采集系统中温升曲线，以及加热面和绝热面的温差曲线，当温差曲线较为平缓时即10分钟内变化值《0.1℃，即可认为系统进入准稳态。
47.选取进入准稳态后的数据，将两个加热面主板温度与绝热面温度的差值取平均作为δt
max
，读取电压和电流值计算加热功率φ，并测量试样的厚度d和面积a，带入导热系数计算公式即可得到有机玻璃试样的导热系数。
48.以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。