稳态法导热系数测量实验系统及测量方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种稳态法导热系数测量实验系统及测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前导热系数的测量中，通常采用单个热电偶（如铜-康铜等），或者单个Pt电阻进 行温度的测量。采用热电偶测量时，首先需要调好冰水混合物（即温度基准），根据金属材料 的热电效应，热电偶两端分别与冰水混合物和待测物体接触时可形成温差电动势，通过测 量温差电动势，达到测量温度的目的。由于金属材料的温差系数较小，加上外界环境温度的 影响，测量得到的电动势往往只有几个毫伏，记录的数据往往会有上下起伏的变化，影响平 衡状态的判断，进而影响测量的精度。同样采用铂电阻（如PtKKKPtlOOO)测量，利用了类似 热敏电阻阻值随温度变化的性质，将电阻阻值转换为对应的温度，这样经过计算的温度误 差比较大;虽然它的线性好，但是它的热响应慢。
[0003] 目前测量实验仪器中多采用单个热电偶或者Pt电阻，操作时需将传感器在发热 盘、散热盘之间更换，操作繁琐，易于受环境的影响，通过单个传感器测的有限几组数据不 能准确判定系统是否达到平衡状态，计时基本采用秒表计时，人工对温度进行采集和记录， 通过手工作图法或者逐差法求得散热速率，最后求得的导热系数误差往往偏大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种稳态法导热系数测量实验系统及 测量方法，它具有有效提高测量结果的精度和准确性的优点。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种稳态法导热系数测量实验系统，包括：依次连接的待测装置、下位机和上位 机；
[0007] 所述待测装置包括：自上而下同轴紧贴平行放置的发热盘、样品盘和散热盘，所述 发热盘通过加热控温模块控制加热;所述发热盘通过第一温度传感器与下位机连接，所述 散热盘通过第二温度传感器与下位机连接；
[0008] 上位机通过发送控制指令，告知下位机对待测装置进行热平衡数据采集或者散热 曲线数据采集。
[0009] 所述下位机与上位机之间通过串口进行通信，采用串口转USB电路，直接连接上位 机电脑的USB插孔。
[0010] 所述加热控温模块包括：隔离变压器，所述隔离变压器的一端与220V交流电连接， 所述隔离变压器的另外一端与加热棒连接，所述变压器与加热棒连接线路上设有继电器， 所述继电器由PID控制器控制，PID控制器控制继电器来驱动加热棒对发热盘加热，所述PID 控制器还与加热棒连接，采集加热棒的温度，实现温度的控制。
[0011]所述隔离变压器将220V交流电转换为36V、24V两种不同的交变电压；用户根据不 同的加热需要进行选择。
[0012]所述上位机是人机交互系统，包括控制单元，所述控制单元分别与热平衡数据采 集及平衡判断模块、存储计算模块、散热曲线数据采集存储模块、发送控制指令模块和数据 合成转换模块连接，其中，所述热平衡数据采集及平衡判断模块还分别与热平衡数据坐标 跟踪作图模块和加热数据Excel导出模块连接;所述散热曲线数据采集存储模块还分别与 散热曲线的坐标跟踪作图曲线拟合模块和散热数据Exce 1导出模块连接。
[0013]控制指令发送模块和数据转换运算模块均与下位机连接。
[0014] 所述热平衡数据采集及平衡判断模块，用于加热数据采集及平衡的判断；
[0015] 所述存储计算模块，用于加热过程中存储达到平衡温度数据的存储及平衡点的计 算、散热过程中平衡点散热速率的计算、最终导热系数的计算；
[0016] 所述散热曲线数据采集存储模块，用于散热曲线的温度-时间数据采集存储；
[0017] 所述发送控制指令模块，用于发送控制指令给下位机，指示下位机发送加热过程 数据还是散热过程数据；
[0018] 所述数据合成运算模块，完成对下位机发送的低八位、高八位温度数据的合成运 算；
[0019] 所述热平衡数据坐标跟踪作图模块，用于加热过程的发热盘、散热盘温度-时间坐 标跟踪作图；
[0020] 所述加热数据Excel导出模块，用于对加热过程的温度-时间坐标数据导入Excel 中以进行分析；
[0021] 所述散热曲线坐标跟踪作图及曲线拟合模块，用于对散热过程的温度-时间坐标 数据跟踪作图；
[0022] 所述散热数据Excel导出模块，用于对散热过程的温度-时间坐标数据导入Excel 进行分析。
[0023] 所述下位机包括单片机，所述单片机分别与时钟电路、复位电路、蜂鸣报警电路、 液晶显示电路和串口转USB电路连接，单片机与液晶显示器连接，单片机通过串口转USB电 路直接与上位机连接。
[0024] -种稳态法导热系数测量实验系统的测量方法，包括以下步骤：
[0025] 步骤(1):加热控温模块的加热棒对发热盘进行第一加热过程，热量通过样品盘传 到散热盘；
[0026] 步骤(2):通过第一温度传感器检测发热盘的温度，通过第二温度传感器检测散热 盘的温度，第一、第二温度传感器采集的温度都传输给下位机进行处理，并通过下位机连接 的液晶显示器显示；
[0027] 步骤(3):下位机处理后的数据传输给上位机，在上位机中，温度-时间数据以曲线 方式在直角坐标系显示;根据曲线直观判断是否达到平衡状态；
[0028] 若达到平衡状态，则下位机采集达到平衡状态的温度数据:发热盘TdP散热盘T2， 分别存于两数组中，通过分别求取两组数的平均值，获得发热盘平衡温度值和散热盘平 衡温度值5;
[0029] 步骤(4):将发热盘和散热盘直接接触加热，实现第二加热过程，当加热到设定曲 线温度采集范围的上限值（$+1〇)°Γ时，下位机发出报警信号；下位机发出报警信号后， 分离加热盘和散热盘，散热盘转入散热过程；
[0030] 此时下位机开始记录散热盘的散热曲线数据并送上位机；由上位机完成散热曲线 的采集；
[0031] 步骤(5):当加热到设定曲线温度采集范围的下限值时，下位机发出 报警信号，并停止记录散热曲线数据；
[0032] 步骤(6):将采集的数据存储显示于坐标系中，作出散热曲线，基于最小二乘法的 二次多项式拟合，得出散热曲线方程，在散热曲线上查找r = ，并求该点切线斜率，切 AT 线斜率即为I ，，代入傅里叶热传导方程计算出导热系数λ。 At -
[0033] 所述散热曲线温度采集的范围是指在平衡点温度值上下浮动设定温度值。
[0034] 所述傅里叶热传导方程： _ _ , AT f Rc^r2hc 1,?、1
[0035] ^ c ψ)·1 ⑶' Δ/ + -2/ζ^ J Τγ - ?，ττΜ-β
[0036] 其中Rb为样品盘的半径，RC为散热盘的半径，hB为样品盘的厚度，hc为散热盘的厚 度，m为散热盘的质量，co为散热盘的比热容。
[0037]本发明的有益效果：
[0038] 1.可实现加热装置的高精度温度控制，利于系统实现平衡状态，进一步减小环境 温度的影响误差，；
[0039] 2.由曲线可直观判断系统是否达到平衡状态，进而获得较为准确的平衡点温度
[0040] 3.可设定采样时间间隔进行数据采集，采用最小二乘法的二次多项式拟合散热曲 线，符合散热盘与室温温差相差越大，散热速率越快，接近室温散热速率变慢的实际物理过 程。
[0041 ] 4.利用计算机进行数据处理，提高了测量的精度，提高了实验测量的自动化程度。
【附图说明】
[0042]图1为本发明测量示意图；
[0043]图2为本发明的系统框图；
[0044] 图3 (a)为本发明的图2的加热控温模块；
[0045] 图3(b)为本发明的图2的上位机内部模块示意图；
[0046] 图3(c)为本发明的图2的下位机内部模块示意图；
[0047]图4为本发明的上位机显示界面示意图；
[0048]图5(a)和图5(b)为本发明的上位机程序设计流程图；
[0049]图6为下位机程序设计框图；
[0050] 图7为上下盘数据采集及平衡判断示意图；
[0051] 图8为数据Excel导出及分析；
[0052]图9为散热曲线采集及计算截图。
【具体实施方式】
[0053]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0054]如图1所示，将发热盘、样品盘、散热盘三者自上向下同轴紧密贴合放置。
[0055]如图2所示是整个测量系统的框图。由加热部分实现对发热盘的控温加热，热量由 发热盘经过样品