智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的開發(fā)應(yīng)用

王孟陽 姜國偉 蒲曉明 馬愛國 郭立楨 韓建強(qiáng)

摘? 要：依據(jù)無限大平板導(dǎo)熱理論的傅立葉導(dǎo)熱定律設(shè)計了平板式導(dǎo)熱系數(shù)測試儀。本裝置結(jié)合了導(dǎo)熱系數(shù)測定儀在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的需要及現(xiàn)代計算機(jī)控制技術(shù)，可以很好的應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定中。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱系數(shù);測定裝置;熱電偶測溫;智能化控制

Abstract： A flat plate thermal conductivity tester is designed based on the Fourier law of thermal conductivity of infinite plate. This device combines the needs of thermal conductivity tester in experimental teaching and modern computer control technology， and can be well applied in experimental teaching and the measurement of the coefficient of thermal conductivity of related materials.

1 項目背景

1882年法國科學(xué)家傅里葉奠定了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)之上。從測量導(dǎo)熱系數(shù)方法來說，可分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法。本設(shè)計采用的是穩(wěn)態(tài)平板法測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

在建筑材料中，如保溫層的導(dǎo)熱性能檢測，我們經(jīng)常會用到導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，在專業(yè)教學(xué)中，導(dǎo)熱系數(shù)測定是《傳熱學(xué)》里非常重要的一個實(shí)驗(yàn)，我們希望通過我們的研究開發(fā)制作出一種全自動化測量導(dǎo)熱系數(shù)的儀器，用來測定導(dǎo)熱系數(shù)相對較小的材料，可以很好的應(yīng)用在相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及材料的導(dǎo)熱系數(shù)測定中。

2 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀設(shè)計方案

根據(jù)一維無限大平板穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，設(shè)在物體內(nèi)部垂直于熱傳導(dǎo)的方向上取相距為δ、溫度分別為tw1、tw2的二個平行平面的溫度（如圖1）。平壁導(dǎo)熱量與壁兩側(cè)表面的溫度差和平壁面積成正比，與壁厚成反比，通過平壁的熱流密度：q=λ·t/δ（W/m2），即可得到傳熱系數(shù)：λ=q·δ/t （W/m·K），式中：δ-壁厚，m;t=tw1-tw2，K;λ-導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。

設(shè)計該實(shí)驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由被測量的2塊面積較大的平板試件、薄加熱片、2個帶散熱風(fēng)扇的鋁制散熱片、0.01歐姆的電流采樣電阻及直流電源等組成。由于平板試驗(yàn)相對比較薄，加熱過程中，向四周的散熱量可以忽略，因?yàn)樵跍y試過程中四周不加保溫層。加熱片產(chǎn)出的熱量可以認(rèn)為通過薄板對稱的向兩個方向傳遞給了導(dǎo)熱性能良好的鋁制散熱片，通過鋁制散熱片與恒定的室內(nèi)空氣進(jìn)行強(qiáng)制換熱。這種采用雙板結(jié)構(gòu)+高效的散熱片方式可以保證散熱片的溫度恒定，達(dá)到較理想的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。

參數(shù)檢測上設(shè)置了4個熱電偶溫度傳感器，t1、t2為加熱面溫度傳感器，t3、t4為散熱面溫度傳感器，溫度差t取兩個面的平均溫度差，熱電偶測溫采用自動化測量模塊直接測量，取消了冰點(diǎn)補(bǔ)償。0.01歐標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻兩端設(shè)置了高精度毫伏級電壓測量點(diǎn)，電壓測量值為U，工作電流I=U/0.01，加熱片工作時的電阻R是已知的，則加熱片的發(fā)熱功率P=10000U2R。平板試件的面積A，厚度為δ，導(dǎo)熱狀態(tài)穩(wěn)定后通過平板的熱流密度：q=P/2A，將熱流密度代入導(dǎo)熱系數(shù)公式即可計算出導(dǎo)熱系數(shù)。

3 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀自控采集系統(tǒng)的設(shè)計

如圖3所示，智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量控制系統(tǒng)總體圖，前端設(shè)置一個控制測量控制模塊，模塊可以采樣多路熱電偶信號及毫伏級電壓信號采樣，并且設(shè)置了開關(guān)量輸出通道用來控制加熱電源的輸出，模塊通過RS485通信總線與MCGS嵌入式觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。MCGS軟件部分可全自動智能化處理實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示出測量面的溫度曲線變化趨勢，達(dá)到穩(wěn)定后自動計算出導(dǎo)熱系數(shù)值。

控制測量模塊采用C8051F系列單片機(jī)設(shè)計的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，核心器件C8051F系列單片機(jī)，通過SPI總線與高精度16位AD轉(zhuǎn)換芯片通信，AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)置了1-128倍增益，可以通過內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置調(diào)整信號放大倍數(shù)，熱電偶、毫伏級信號通過模擬量多路切換開關(guān)自動切換后，可測量多路高精度模擬量。測量熱電偶時，單片機(jī)通過采集設(shè)置在系統(tǒng)板上的DS18B20單總線溫度傳感器的溫度對熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償，大大增加了系統(tǒng)的測量熱電偶溫度的精度及方便性。繼電器DO輸出主要負(fù)責(zé)控制加熱電源的開關(guān)。單片機(jī)系統(tǒng)通過RS485通信芯片與MCGS觸摸屏系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 測溫?zé)犭娕荚O(shè)計

為了提高測溫精度，設(shè)計采用了T型熱電偶即銅-康銅熱電偶，由于夾在兩平板中的測溫?zé)犭娕家筇貏e薄，否則會影響傳熱效果。我們采用了直徑0.05mm銅絲與康銅絲焊接而成，并且用透明膠帶夾層封裝。熱電偶信號由模塊測量后，傳給MCGS觸摸屏的信號是一個毫伏級的電壓信號，由MCGS觸摸屏軟件進(jìn)行擬合處理成溫度，由于熱電偶電壓信號與溫度之間并非線性關(guān)系，為了提高精度，我們采用分段擬合的方式。根據(jù)國際溫標(biāo)是ITS-90標(biāo)準(zhǔn)，T型號熱電偶分度數(shù)據(jù)表，我們將測溫范圍從-20℃到100℃數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到溫度-電勢曲線關(guān)系式如圖5所示。

5 MCGS嵌入式觸摸屏系統(tǒng)設(shè)計

如圖6所示，主界面中設(shè)置了熱電偶測溫顯示及加熱電流顯示，導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)電流及加熱面加熱溫度自動判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，自動計算出導(dǎo)熱系數(shù)測量值。界面中設(shè)置了動態(tài)溫度跟蹤曲線，可直觀的觀察加熱面及散熱面的溫度變化，方便實(shí)驗(yàn)者觀察及測量過程數(shù)據(jù)記錄。

熱電偶測溫轉(zhuǎn)換關(guān)系我們在1S的循環(huán)策略里進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，代碼如下：

t為熱電偶測量的溫度值，u為電偶采集電勢值，t0為補(bǔ)償溫度即DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量值。導(dǎo)熱系數(shù)測量計算部分公式：=IIRb/（2Atx），其中I為電流，R為加熱面電阻值，b為測試板厚度，A為試件面積，tx為加熱面與非加熱面溫度差值即：tx=（t1+t2）/2-（t3+t4）/2。通過以上計算公式，當(dāng)系統(tǒng)檢測到加熱面與非加熱面的溫度遞增值基本一致時，系統(tǒng)將自動在連續(xù)一段時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并計算，測量完成時自動顯示測量結(jié)果，并關(guān)閉加熱。

6 儀器及測試結(jié)果

6.1 儀器裝置

實(shí)驗(yàn)儀器我們自行焊接了一個加載架子，可以通過四各角的加載夾，夾緊試件。試件中心安裝了一個超薄的聚酰亞胺電熱膜片，最大發(fā)熱功率可以40W。試件上下兩面安裝了2個鋁制散熱片及散熱風(fēng)扇，實(shí)驗(yàn)測試過程中，我們采用了標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)玻璃板作為測試試件，采用兩塊厚度一樣的測試板，厚度0.00978m，面積0.2m0.2m。安裝試件后的試驗(yàn)臺如圖7所示。

測試穩(wěn)定狀態(tài)下，我們用紅外熱像儀FLIR i7紅外熱相儀拍攝了兩平板截面溫度分布，如圖8所示，可看出溫度均勻?qū)ΨQ，也充分說明了對稱性導(dǎo)熱良好。

6.2 測試結(jié)果見表1

有機(jī)玻璃導(dǎo)熱系數(shù)為0.19-0.20W/m·K，從測量結(jié)果看數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，接近理想值。

7 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，該測定儀系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集精度高，控制界面人機(jī)交互友好，操作方便。與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀相比，智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀更先進(jìn)，并可以直觀的顯示整個測試過程的數(shù)據(jù)變化，更適合現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，下一步我們將進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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