是，则进入步骤(6-4);
[0084]步骤(6-4):进一步判断字符类型，如果字符为"m"，如果字符为"m"，则采集当前散 热盘温度数据并通过串口发送到上位机，此温度值为散热过程的温度值，如此往复循环读 取温度函数;若否则返回步骤(6-3)。
[0085]实验测量结果分析
[0086] 如图7所示，温度传感器采集的温度数据经过单片机处理，由上位机界面以曲线形 式显示。通过曲线，加热18分钟以后，发热盘、散热盘温度曲线已无明显的起伏，因此可直观 判断出系统达到了平衡状态；由存储计算模块可自动平均计算得出两盘平衡点温度值 7]、T2 D
[0087] 利用数据导出功能，可自动将采集的散热数据导入EXCEL中，如表1所示，由于数据 量较大(800组左右），仅显示部分散热数据。根据牛顿冷却定律，当系统温度与环境温度相 差10°C左右时，系统的冷却速率与系统和环境的温差成正比。实际测量中平衡点温度在60 °C左右，室温在25°C左右，而散热铜盘的降温范围大概从70°C到50°C左右，将采集的数据在 EXCEL中作温度随时间的变化曲线图，利用添加趋势线，分别作线性、指数、多项式的拟合， 如图8所示，可得拟合的方程及相关系数，可以看出二次多项式的拟合，相关系数R 2 = 0.9998，指数函数拟合为0.9968，线性拟合的相关系数最低为0.9905。利用拟合得出方程分 别计算平衡点的斜率即散热速率，最终计算导热系数如表2所示。
[0088]表1散热曲线测量数据表(部分） L0090」表2多种曲线拟合的结果
[00911
[0092]由拟合曲线的参数及计算结果得出，当对散热曲线进行最小二乘法多项式拟合 时，所拟合出的函数相关系数最接近1，计算得出的导热系数与橡胶盘的导热系数理论值 0.16W/(m?K)最为接近，相对误差最小，因此软件设计中采用了基于最小二乘法的多项式 拟合。
[0093] 如图9所示，为散热曲线采集方程拟合及计算结果;系统会自动在温度高于散热盘 平衡点温度值gl(TC时，开始采集散热曲线，在MSFlexGrid控件中记录采集数据，并在低于 平衡点Ε 10Γ吋自动停止采集;对曲线进行最小二乘法的多项式拟合，可得出函数方程，可 计算出下盘平衡点处的切线斜率即散热速率为-〇. 027948;输入待测样品和散热盘的厚度、 直径等参数，可直接得出导热系数为〇. 1828W/(m · K)，而橡胶盘导热系数理论值0.16，相差 甚小。
[0094] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是，包括:依次连接的待测装置、下位机 和上位机； 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 盘通过加热控溫模块控制加热;所述发热盘通过第一溫度传感器与下位机连接，所述散热 盘通过第二溫度传感器与下位机连接； 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。2. 如权利要求1所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 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。3. 如权利要求1所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 所述加热控溫模块包括: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实现加热，所述PID 控制器还与加热棒连接，采集加热棒的溫度，实现溫度的控制。4. 如权利要求3所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 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。5. 如权利要求1所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 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。6. 如权利要求5所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 控制指令发送模块和数据转换运算模块均与下位机连接； 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； 所述存储计算模块，用于加热过程中存储达到平衡点后的溫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； 所述散热曲线数据采集存储模块，用于散热曲线的溫度-时间数据采集存储； 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； 所述数据合成运算模块，完成对下位机发送的低八位、高八位溫度数据的合成运算； 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、散热盘溫度-时间坐标跟 踪作图； 所述加热数据Excel导出模块，用于对加热过程的溫度-时间坐标数据导入Excel中W 进行分析； 所述散热曲线坐标跟踪作图及曲线拟合模块，用于对散热过程的溫度-时间坐标数据 跟踪作图； 所述散热数据Excel导出模块，用于对散热过程的溫度-时间坐标数据导入Excel进行 分析。7. 如权利要求1所述的一种稳态法导热系数测量实验系统，其特征是， 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。8. -种稳态法导热系数测量实验系统的测量方法，其特征是，包括W下步骤： 步骤（1):加热控溫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； 步骤(2):通过第一溫度传感器检测发热盘的溫度，通过第二溫度传感器检测散热盘的 溫度，第一、第二溫度传感器采集的溫度都传输给下位机进行处理，并通过下位机连接的液 晶显不器显不； 步骤(3):下位机处理后的数据传输给上位机，在上位机中，溫度-时间数据W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. 若达到平衡状态，则下位机采集达到平衡状态的溫度数据:发热盘Τι和散热盘T2，分别 存于两数组中，通过分别求取两组数的平均值，获得发热盘平衡溫度值巧和散热盘平衡溫 度值焉; 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，当加热到设定曲线溫 度采集范围的上限值时（η+i〇rc，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； 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； 步骤(5):当加热到设定曲线溫度采集范围的下限值巧°仁时，下位机发出报警信 号，并停止记录散热曲线数据； 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 = 点，并求该点切线斜率，切线斜 率即为，代入傅里叶*传导方程计算出导*系数λ。9. 如权利要求8所述的测量方法，其特征是， 所述散热曲线溫度采集的范围是指在平衡点溫度值上下浮动设定溫度值。10. 如权利要求8所述的测量方法，其特征是， 所述傅里叶热传导方巧：其中化为样品盘的半径，化为散热盘的半径，he为样品盘的厚度，he为散热盘的厚度，m为 散热盘的质量，C0为散热盘的比热容。
【专利摘要】本发明公开了稳态法导热系数测量实验系统及测量方法；系统包括依次连接的待测装置、下位机和上位机；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；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。本发明的有益效果：它具有有效提高测量结果的精度和准确性的优点。
【IPC分类】G01N25/20
【公开号】CN105548246
【申请号】CN201510903025
【发明人】王龙, 苏玉亮, 李东霞, 姚远, 高原, 王彦娟, 梁桐启, 刘金玉
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月9日