穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗儀器改進

張 萍，韋力鋮，黃家豪，張 康，張 銳

(西北農林科技大學，陜西 咸陽 712100)

導熱系數作為表征材料熱傳導性能的重要參數之一，在新材料研發(fā)及其實踐過程中發(fā)揮著重要作用。因此，對材料導熱系數的科學準確測量則顯得至關重要。目前，測量材料導熱系數的方法較多，其中對于不良導體常采用穩(wěn)態(tài)平板法。由于具有設計巧妙、操作簡單、成本較低等特點，穩(wěn)態(tài)平板法測量不良導體導熱系數實驗被很多高校列為《大學物理實驗》課程必修基礎實驗之一。近十年來，對穩(wěn)態(tài)平板法的研究非常多，包括實驗數據處理方法研究[1-3]、各參數對實驗結果影響研究[4,5]、相關應用研究[6,7]以及如何智能化改進實驗設備[8,9]等，這些研究對提高實驗精度，改進實驗設備起到了積極的作用。

實驗教學過程發(fā)現目前實驗室使用的導熱系數測定儀在測量關鍵參數散熱系數時，采用人工記錄溫度變化值，導致實驗誤差較大，并且實驗數據處理復雜、耗時較長。因此，在現有研究和實驗儀器基礎上，擬采用外接單片機、溫度傳感器以及無線收發(fā)模塊等，結合Python語言編程對其進行適當改進，以進一步提高測試精度，同時使得儀器具有較高的自動化智能化程度，實現散熱速率的自動測量、簡化數據處理過程、縮短導熱系數計算時間。

1 穩(wěn)態(tài)平板法測量導熱系數的實驗器材與基本原理

教學實驗采用FD-TC-B型導熱系數測定儀(上海復旦天欣科教儀器有限公司生產)，該儀器主要由電加熱器、銅加熱盤A、橡膠樣品圓盤B以及銅散熱盤C組成，其結構示意圖如圖1所示。加熱盤溫度由單片機自適應控制測溫傳感器進行控溫和測量，散熱盤溫度由另一測溫傳感器進行測量，兩測溫傳感器的精度均為0.1 ℃。操作過程中要求平板狀的橡膠樣品上、下端面分別與加熱盤和散熱盤充分接觸，構成類似于“三明治”結構。由于樣品側面積較小，可以認為熱量只沿上下方向垂直傳遞，橫向散熱可忽略不計。經過傳熱、散熱和導熱，最終系統熱量傳遞達到近穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時：加熱速率=傳熱速率=散熱速率。雖然單位時間內通過某一截面積的熱量(傳熱速率)是一個無法直接測定的量，但是通過“三明治”結構巧妙地將其轉化為容易測量的量——散熱速率。

樣品熱傳導達到動態(tài)穩(wěn)定時，根據傅立葉熱傳導方程，并考慮散熱盤自然冷卻與穩(wěn)態(tài)時與外界接觸面積不同，推導出導熱系數λ的計算公式為(1)式[10]。

(1)

圖1 FD-TC-B導熱系數測定儀裝置圖

該實驗儀器雖然采用單片機控制溫度傳感器能夠實現對加熱盤控溫和測溫，以及對散熱盤測溫，但是在測量散熱盤散熱速率的時候，需要人工手動記錄溫度的變化，存在一定誤差。此外，由公式(1)可知，要計算獲得樣品導熱系數，數據繁多并且運算步驟冗長，散熱曲線借助手工繪制有可能出現不準確的情形，從而導致測得的導熱系數存在一定的誤差，影響實驗結果的準確性。

為改進以上不足，使導熱系數測量實驗獲得更準確得數據，我們對現有實驗儀器進行適當地改進：首先，設計并制作了由單片機、溫度傳感器和無線收發(fā)模塊結合Python語言編程構成自動測溫系統，該系統能將溫度傳感器采集的散熱銅盤溫度信息，通過無線收發(fā)模塊傳送到電腦；第二，利用Python語言編制了穩(wěn)態(tài)法導熱系數實驗數據記錄和處理軟件，通過人機交互界面，實現數據記錄和自動處理。

2 實驗儀器改進

1)自動測溫系統設計

為實現散熱盤散熱速率的自動測量，需要自動采集散熱盤的溫度數據并將其傳送到電腦，即：需要采用溫度傳感器對散熱盤進行測溫，同時借助無線收發(fā)模塊將溫度傳感器測得的溫度信息發(fā)送到電腦進行處理?；诖耍覀兝肧TC59C52RC單片機、DS18B20數字溫度傳感器和NRF24L01無線收發(fā)模塊等，結合Python語言編程設計了自動測量散熱盤溫度的系統，制備成自動測溫模塊，其基本原理圖如圖2所示。

圖2 系統框架圖

系統采用DS18B20數字溫度傳感器采集溫度信息，采集的溫度信息通過內部集成電路轉化為數字信號。該類溫度傳感器具有抗干擾能力強、體積小、精度高等特點，其數據引腳(QD)接上4.7KΩ的上拉電阻后與單片機IO口連接，利用編寫單片機程序可以獲得高精度的溫度數據。NRF24L01無線收發(fā)模塊包括發(fā)送與接收兩個模塊。STC59C52RC單片機讀取到溫度數據后一方面通過1602液晶屏顯示，一方面通過數據串口發(fā)送至NRF24L01無線收發(fā)模塊中的發(fā)送模塊。發(fā)送模塊將單片機串口傳輸的數據編碼后發(fā)送給與之對應的接收模塊；接收模塊再通過CH340芯片與電腦連接，將單片機的串口數據傳入利用Python語言編制的上位機軟件中(穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄與處理軟件)。

2)穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄與處理軟件設計

利用 Python語言編寫的穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄和處理軟件界面布局如圖3所示，根據實驗原理，將公式(1)右邊所有參量都在界面上條理清晰的顯示出來，便于實驗人員按實驗步驟完成實驗。軟件首先給出了散熱盤比熱容c的數值(常數)；再要求填入測量獲得的散熱盤質量；然后需要分別將測量的散熱銅盤半徑RP以及厚度hP，樣品盤直徑dB、厚度hB各六組數據填入相應位置，并設置了響應程序用于計算平均值，通過點擊“計算平均值”按鈕，可快速得到各幾何尺寸的平均值；再記錄穩(wěn)定時樣品上下表面的溫度T1和T2；通過讀取無線收發(fā)模塊傳送到軟件中的數據，獲得散熱盤溫度與時間關系的數值，數據讀取完以后繪制散點圖以及二次多項式擬合圖，對擬合的二次多項式求導，程序將自動求出溫度為T2時散熱盤的散熱系數；最后展示公式(1)，并利用公式(1)計算得到不良導體的導熱系數值。

圖3 穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄和處理軟件界面

3 實驗過程與結果

采用可視化的實驗數據記錄和處理軟件，可以一邊記錄數據，一邊處理數據，迅速得到實驗結果。具體步驟如下：

1)打開課題組編制的穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄和處理軟件；采用天平稱量得到散熱銅盤的質量m并輸入到軟件中；

2)采用游標卡尺測量散熱盤的半徑RP、厚度hP，以及樣品盤的直徑dB、厚度hB各六次，并記錄在軟件相應位置，然后點擊“計算平均值”按鈕通過內置程序計算出各參數的平均值；

3)將橡膠樣品放在加熱盤和散熱盤之間，要求橡膠樣品與加熱盤、散熱盤完全對準，調節(jié)底部的三顆微調螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好。插上電源插頭，將原儀器的控溫線帶有傳感器的一端插入加熱盤小孔中；將自制自動測溫模塊的溫度傳感器探頭插入散熱盤小孔中；無線收發(fā)模塊的接收端與電腦連接好。

4)先后打開電源和風扇開關，設定加熱盤溫度為75 ℃，系統熱量達到動態(tài)平衡后，讀出穩(wěn)態(tài)時樣品上下表面的溫度T1(74.9 ℃)和T2(49.6 ℃)，再取下樣品，繼續(xù)加熱并使得散熱盤的溫度在T2的基礎上增加約6 ℃(55 ℃)，然后移開加熱盤，讓散熱盤自由散熱，點擊“開始”按鈕，系統開始讀取上位機中散熱盤溫度隨著時間的變化信息，當散熱盤溫度小于T2值5 ℃時系統停止掃描。再點擊“顯示擬合曲線”按鈕，系統將繪制溫度-時間散點圖，同時采用二次多項式進行擬合，得到擬合曲線。點擊“計算散熱溫度為T2時的散熱系數dT/dt”按鈕求得曲線上溫度為T2點的斜率，即溫度為T2時散熱盤的散熱系數。對于散熱盤散熱時的溫度-時間關系的擬合方法已有很多文獻報道過，相對直線擬合、三次多項式擬合以及指數擬合等方法，二次多項式擬合不僅精度高，并且相對簡單，因此我們采用二次多項式進行擬合，并對擬合得到的二次多項式函數進行求導，以得到穩(wěn)態(tài)溫度為T2時散熱盤的散熱系數。散熱盤溫度與時間關系擬合圖像如圖4所示。

圖4 散熱盤溫度與時間關系曲線圖

5)通過以上幾步處理，公式(1)右邊的所有量都已獲得，點擊“計算”按鈕可以求得樣品的導熱系數為0.186 3 W·m-1·K-1，實驗結果如圖5所示。

6)點擊“保存”按鈕，將實驗基本數據和結果保存在TXT文檔中。

7)關閉電源，將實驗儀器恢復原狀，實驗完畢。

實驗結果表明，通過合適的智能化改進，第一，記錄散熱盤散熱溫度與時間的關系的時候，不需要手動記錄，自動記錄可以把時間間隔設置的很小，相對手動記錄數據更精準；第二，通過Python程序編寫的界面，使得本實驗數據處理可視化，有利于教學輔導；第三，實驗數據處理過程條理清晰，數據處理上相對原來的手動處理要節(jié)約至少半個小時，有利于時間的節(jié)約。

圖5 穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數實驗數據記錄和處理結果

4 結 語

針對目前“穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數”實驗存在的缺陷，課題組對現有實驗裝置進行了適當的改進，通過外接溫度傳感器、單片機和無線收發(fā)模塊等組成的測量系統，結合Python語言進行編程，實現了散熱盤散熱速率的自動測量；并利用Python語言編制了實驗數據記錄與處理軟件，使得數據精度高，處理過程簡單、便捷、準確、可視化。