专利名称：防护热板法测量导热系数的仪器及方法
技术领域：
本发明涉及一种测量导热系数的仪器及方法，尤其涉及一种防护热板法测量导热 系数的仪器及方法。
背景技术：
导热系数是保温材料热物理性能之一，是鉴别材料保温性能好坏的重要指标。近 几年来，国家对建筑节能越来越重视。而精确地测量保温材料导热系数对正确使用建筑保 温材料及节约建筑物的使用能耗起着关键作用。因此，准确测定该参数显得尤为重要。测定建筑材料导热系数的方法可分为两大类稳态法和非稳态法。两类方法的各 种形式都各有特点和适用条件，不同材料根据自身的特性和使用条件，可选用不同的方法 测定。根据稳态导热原理建立起来的方法，在国内外已很成熟。80年代末，我国已参照国际 标准制定了一系列国家标准。防护热板法导热系数测定仪也正式投入生产。然而，现今国 内生产的仪器不能达到国家标准所提出的指标及测量范围。而进口一台防护热板法导热系 数测定仪价格又过于昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种防护热板法测量导热系数的仪器及方法，可 以用简单的结构和方法高精度的测定导热系数。为解决上述技术问题，本发明的防护热板法导热系数测定仪的主要部件为主体 部分、冷源测控系统、热源测控系统、智能测量仪、计算机传输、半导体制冷电源及稳压电 源。主体部分由热板、冷板、试件压紧系统组成，热板由背护热板、主加热板、护加热板组成， 主热板由主加热器和金属均热板组成，护加热板由护加热器和金属均热板组成，冷板是由 铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成；提供背护热板的热源及冷板的冷源，是由二套结构 相同的精密恒温水槽组成，恒温水槽由制冷回路、水槽、水泵、搅拌系统、加热控温系统、水 温显示器等组成；半导体制冷电源独立于主体部分、冷源测控系统和热源测控系统之外。作为上述防护热板法导热系数测定仪的一种优选，所述冷却水系统包含了一套恒 温水槽，由恒温水槽提供稳定的冷却水流，当测试需要冷板温度设定在5°C以上时，直接通 过恒温水槽温度的调节实现对冷板的温度控制；当测试需要冷板温度设定在5°C以下时， 用半导体制冷器来控制冷板温度，此时恒温水槽起到对半导体制冷器冷却作用。作为所述导热系数测定仪的其他优选方式，待测试样制作成300mmX 300mm，厚度 大于15mm，小于50mm，试样热阻彡0. Im2 · k/w;热板、冷板尺寸为300mmX300mm ；背护热 板采用40mm厚的铝板加工制成，背护热板由精密恒温水槽提供稳定热源，温度稳定度优于 士0. 005°C，恒温水进出采用螺旋形逆向流动的液体槽板；金属均热板采用黄铜板制作并进 行涂黑处理，其辐射率大于0.8 ；主、护均热板的平整度为0. 04mm，不平整度小于0. 025% ； 主、护加热器采用0. Imm厚的鍊铜箔腐蚀而成，采用半固化板绝缘；冷板板面进行氧化处 理，板面的平整度为0. 04mm,不平整度小于0. 025% ；冷、热板温度测量采用8个PtIOOO钼电
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阻传感器，热板6个，冷板2个，除了选择高端PtIOOO钼电阻传感器之外，还把备选的PtIOOO 钼电阻用高精度的恒温油槽严格筛选，其中油槽的温度分辨率达到0. 0001度。本发明的导热系数测定方法包括以下步骤测量试样厚度，完成试样安装后，首先，开启交流稳压电源，由于交流稳压电源的 输出有延迟时间，务必等稳压器的输出表头指向220V，才能开启主机右侧的总电源开关，此 时冷、热源测控系统的表头通电工作。它们显示的温度，分别为二水槽内的水温，接着开启 智能测量仪及二水泵的电源。视冷、热板的设定温度的高低，决定二路制冷回路电源的开 启，如设定点温度高于环境温度5°C以上，不用开；反之则打开；接着将试样的厚度d输入智 能测量仪。仪器自动进入测量状态，自动升、降温过程，并自动控温，跟踪控温。观察背护热 板达到控温点后，在无制冷的状况下，控温稳定度应优于士0. 002°C以内；在有制冷的状况 下，稳定度应优于士0. 005°C以内。当冷、背护热板温度趋于稳定，再观察主加热板和护热板 温度与背护热板温度的跟踪情况。如三板的温差小于士0.002°C，导热系数一小时内上、下 波动小于士 1%，实验可结束，打印实验结果。在测试元件精度水平不高的条件下，电路电流(包括控制电路)对仪器的总体精 度影响很小，但是在提高仪器温度测试的过程中，温度和功率测试的精度越高电路电流对 导热仪的整体精度影响越大。特别是在整个导热系数测定仪中，制冷单元功率是最大的，它 的运行对仪器的精度有着致命的影响。因此为了减少制冷单元电路对测试元器件的影响， 本发明把制冷单元独立划分出来，为提高导热系数测定仪的精度提供了一个很好的解决办 法。用所述导热系数测定仪对几个不同材质的保温材料进行了实测工作，得到的实验 数据重复性比较好，实验结果达到了国家标准所提出的指标及测量范围，说明仪器的制造 水平能够达到实际应用的要求，检测的流程也是合理的。实验结果表明，该导热系数测定仪 具有推广应用的价值。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1为防护热板法导热系数测定仪结构示意图。图2为冷源结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，导热系数测定仪主要由主体部分、冷源测控系统1、热源测控系统2、 智能测量仪3、计算机传输4、半导体制冷电源5及稳压电源6等部件。(1)主体部分由热板7、冷板8、试件压紧系统组成。热板7和冷板8是仪器的硬件 核心部分，主要目的是使检测所必需的时间和空间达到稳定状态，并使热板及冷板结构合 理，制造工艺精密与可靠，这对仪器性能的影响很大。热板、冷板尺寸为300mmX300mm。热板7由背护热板、主加热板、护加热板组成。背护热板采用40mm厚的铝板加工 制成，再由精密恒温水槽提供稳定热源，要求温度稳定度优于士0. 005°C，恒温水进出采用 螺旋形逆向流动的液体槽板，这种设计可使板面的温度均勻性达到较好的效果。背护热板 的热源及冷源由两套精密恒温水槽组成。
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主热板由主加热器和金属均热板组成，护加热板由护加热器和金属均热板组成。 主、护热板的大小与被测试件厚度成一定比例关系，并且还与边缘热损失Ee和不平衡误差 Eg有关，因此，设计主护热板时必须综合考虑，使误差Ee和不平衡误差之和E = Ee+Eg最小。 有关这方面的问题，国内外已做过大量工作，为此本仪器根据GB 10294推荐的尺寸进行设 计。均热板采用黄铜板制作并进行涂黑处理，其辐射率大于0.8。主、护均热板的平整度为 0. 04mm,不平整度小于0. 025 %。主、护加热器采用0. Imm厚的鍊铜箔腐蚀而成，采用半固化板绝缘，这种工艺既保 证均热板和加热器之间有良好的电绝缘又有较好的热接触。主、护热板的加热器由智能测 量仪来控制，跟踪背护热板的温度，使三块板的温度保持一致，温度差值可控在士ο. oorc 内。冷板8是由铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成。板面进行氧化处理，板面的平 整度为0. 04mm,不平整度小于0. 025%。冷却水系统主要包含另一套恒温水槽，由恒温水槽 提供稳定的冷却水流。当测试需要冷板温度设定在5°C以上时，直接通过恒温水槽温度的调 节就可以实现对冷板的温度控制；当测试需要冷板温度设定在5°C以下时，用半导体制冷 器来控制冷板温度，此时水槽起到对半导体制冷器冷却作用。为适应不同厚度试样的测量，冷板在工作台上可移动，冷侧装有压紧装置，以保证 冷、热板与试样的紧密接触。试样的厚度应< 50mm。冷、热板温度测量采用PtIOOO钼电阻传感器，共8个。热板6个、冷板2个，在温 度传感器的使用方面，除了选择高端PtIOOO钼电阻传感器之外，还把备选的PtIOOO钼电阻 用高精度的恒温油槽严格筛选，其中油槽的温度分辨率达到0.0001度。(2)冷、热源测控系统提供背护热板的热源及冷板的冷源，是由二套结构相同的精密恒温水槽组成。其 一套的结构示意图如图2所示它是由制冷回路、水槽9、水泵10、搅拌系统11、加热控温系统12、水温显示器13
等组成。温度的设定和控制都由控温系统来完成，打开总电源开关，热源的控温仪表即起 动，仪表闪动“888888”数秒后，出现的数值为热源水槽内的温度，若不进行新的设定，仪表 默认上一次的设定并开始控温。冷板的冷源是由二套测控系统来给定的。当冷板温度控在5°C以上，直接由冷却水 槽，提供一个稳定的冷源。低于此温度，由半导体制冷器提供冷源，水槽的循环水此时起到 冷却的作用。开启总电源开关，冷源的控温仪表即启动，显示水槽内的当前温度值和水槽的 设定温度，开机后所显示的是上一次的设定温度，如要改变设定温度，只要按加、减数键即可。(3)智能测量仪智能测量仪采用微电脑系统，为了保证测量的精确性，各电子元件都经过精选。仪 器有8路温度测量通道，有主加热板加热器直流电压、电流、功率测量；有二路P. I.D调节系 统，分别对主、护热板进行控温。功率测量是通过高级标准电阻和三级管放大器等实现。测 试者设定冷热板指标温度后，仪表自动进入测量状态，并对各采集的数据进行运算；经后台 计算得出主、护、背热板的平均温度，冷板平均温度，热流密度，试件热阻，导热系数等参数。由5寸彩色液晶屏分二屏显示。仪器在开机后的测量过程中，主、护热板的测、控温是同步 进行的。主护热板根据自身的P. I. D调节参数，绐终跟踪背护热板的温度，实现全自动的温 控过程。当仪器达到热平衡状态后，打印测试结果。(4)半导体制冷电源当试件冷板温度设定在5°C以下时，需用半导体制冷器及半导体制冷电源。采用半 导体制冷器，电源相对独立，采用独立稳压电源，制冷功率不小于1000W。半导体制冷电源上部表头为测控温表，下部表头是电流表，单位安培。为了防止 自动控温时，半导体制冷器电流变化而带来的干扰，采用手动控温，即给一个恒定的制冷电 流。如要降温速度快，可随时加大输出比例，再即时减小输出比例。为了防止对温度测量的 干扰，只能用手动设定冷板温度。在测试元件精度水平不高的条件下，电路电流(包括控制电路)对仪器的总体精 度影响很小，但是在提高仪器温度测试的过程中，温度和功率测试的精度越高电路电流对 导热仪的整体精度影响越大。特别是在整个导热系数测定仪中，制冷单元功率是最大的，它 的运行对仪器的精度有着致命的影响。因此为了减少制冷单元电路对测试元器件的影响， 本发明把制冷单元独立划分出来，为提高导热系数测定仪的精度提供了一个很好的解决办 法。(5)笔记本电脑为清晰显示测量状况，用计算机液晶屏给予显示，并便于电子存档。(6) 220V交流稳压器为确保交流供电的稳定性，能排除某些交流电网带来的波动干扰。仪器主要技术参数1.测量范围试样热阻彡0. Im2 · k/w2.热板温度10°C 60°C3.冷板温度-20°C 40°C4.试样尺寸300mmX300mmX (15 50)mm5.电源电压交流 200V士20V ;50HZ6.环境条件20°C 士 10°C ；相对湿度< 80%7.测量误差测定的平均温度接近室温时，测量热性质能够准确到< 士2% (温差 在15°C 30°C之间)。在装置的全部测定范围内彡士5% (试件平均温度最低在_5°C ；最 高50°C ；温差在15°C 30°C之间)。本仪器为单试件式防护热板装置。加热单元的一侧用螺旋形逆向流动的液体槽 板作一恒热源，与主、护加热单元表面的温差始终控制为零，使其无热流通过。这样就保证 了中心计量单元建立起一维热流，对计量单元主加热器功率的精确测量及冷、热表面温度
的精确测量，输入试件厚度山即可测得试件的热阻R (R=)和导热系数;ιμ = 。其
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中，R代表试件热阻；Δ T代表试件冷表面和热表面的温差；A代表试件有效面积；Q代表通 过试件有效面积的功率；d代表试件厚度。对试样的要求及安装1.制作300mmX 300mm试样一块，厚度大于15mm，小于50mm。对于硬质材料，试样表面不平整度，应小于厚度的士2%。2.测量可压缩试样时，在试样的周边垫入四个小截面低导热系数的支柱(如用竹 筷制作)，以限制试样的压缩。3.用游标卡尺，测量试样的厚度，每边至少一个点，四边测完取平均值，作为试样 的厚度d。4.试样安装打开主机上的保温套，移动冷板，放入试样，将试样紧靠热板，移动 冷板，使试样与冷、热板接触，此时再拧紧丝杠一圈，使试样与冷、热板紧密结合。合上保温 罩，试样安装完毕。测量试样厚度，完成试样安装后，首先，开启交流稳压电源，由于交流稳压电源的 输出有延迟时间，务必等稳压器的输出表头指向220V，才能开启主机右侧的总电源开关，此 时冷、热源测控系统的表头通电工作。它们显示的温度，分别为二水槽内的水温，接着开启 智能测量仪及二水泵的电源。视冷、热板的设定温度的高低，决定二路制冷回路电源的开 启，如设定点温度高于环境温度5°C以上，不用开；反之则打开；接着将试样的厚度d输入智 能测量仪。仪器自动进入测量状态，自动升、降温过程，并自动控温，跟踪控温。观察背护热 板达到控温点后，在无制冷的状况下，控温稳定度应优于士0. 002°C以内；在有制冷的状况 下，稳定度应优于士0. 0050C以内。当冷、背护热板温度趋于稳定，再观察主加热板和护热板 温度与背护热板温度的跟踪情况。如三板的温差小于士0.002°C，并且上、下波动。导热系 数一小时内上、下波动小于士 1 %，实验可结束，打印实验结果。可以理解，在不背离本发明的实质特征的前提下，本发明还可具有多种变形，并不 仅限于上述实施方式的具体结构，而应该在权利要求限定的范围内作广义的理解。总之，本 发明应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代。
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权利要求
一种防护热板法导热系数测定仪，其特征在于包括主体部分、冷源测控系统、热源测控系统、智能测量仪、计算机传输、半导体制冷电源及稳压电源，主体部分由热板、冷板、试件压紧系统组成；热板由背护热板、主加热板、护加热板组成；主热板由主加热器和金属均热板组成，护加热板由护加热器和金属均热板组成；冷板是由铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成；提供背护热板的热源及冷板的冷源，是由二套结构相同的精密恒温水槽组成，恒温水槽由制冷回路、水槽、水泵、搅拌系统、加热控温系统、水温显示器等组成；半导体制冷电源独立于主体部分、冷源测控系统和热源测控系统之外。
2.如权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述冷却水系统包含了一套恒 温水槽，由恒温水槽提供稳定的冷却水流，当测试需要冷板温度设定在5°C以上时，直接通 过恒温水槽温度的调节实现对冷板的温度控制；当测试需要冷板温度设定在5°C以下时， 用半导体制冷器来控制冷板温度，此时恒温水槽起到对半导体制冷器冷却作用。
3.如权利要求1或2所述的导热系数测定仪，其特征在于，待测试样制作成 300mmX 300mm，厚度大于15mm，小于50mm，试样热阻彡0. Im2 · k/w。
4.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述热板、冷板尺寸为 300mmX 300mm。
5.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述背护热板采用40mm厚的铝 板加工制成。
6.如权利要求5所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述背护热板由精密恒温水槽 提供稳定热源，温度稳定度优于士0. 005°C，恒温水进出采用螺旋形逆向流动的液体槽板。
7.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述金属均热板采用黄铜板制 作并进行涂黑处理，其辐射率大于0. 8。主、护均热板的平整度为0. 04mm,不平整度小于 0. 025%。
8.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述主、护加热器采用0.Imm厚 的鍊铜箔腐蚀而成，采用半固化板绝缘。
9.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述冷板板面进行氧化处理，板 面的平整度为0. 04mm,不平整度小于0. 025%。
10.如权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征在于，所述冷、热板温度测量采用8个 PtIOOO钼电阻传感器，热板6个，冷板2个，除了选择高端PtIOOO钼电阻传感器之外，还把备 选的PtIOOO钼电阻用高精度的恒温油槽严格筛选，其中油槽的温度分辨率达到0. 0001度。
11.一种利用权利要求1所述的导热系数测定仪测量试样导热系数的方法，其特征在 于包括以下步骤测量试样厚度，完成试样安装后，首先，开启交流稳压电源，由于交流稳压 电源的输出有延迟时间，务必等稳压器的输出表头指向220V，才能开启主机右侧的总电源 开关，此时冷、热源测控系统的表头通电工作，它们显示的温度，分别为二水槽内的水温；接 着开启智能测量仪及二水泵的电源，视冷、热板的设定温度的高低，决定二路制冷回路电源 的开启，如设定点温度高于环境温度5°C以上，不用开，反之则打开；接着将试样的厚度d输 入智能测量仪；仪器自动进入测量状态，自动升、降温过程，并自动控温，跟踪控温；观察背 护热板达到控温点后，在无制冷的状况下，控温稳定度应优于士0. 002°C以内；在有制冷的 状况下，稳定度应优于士0. 005°C以内；当冷、背护热板温度趋于稳定，再观察主加热板和 护热板温度与背护热板温度的跟踪情况，如三板的温差小于士0. 002°C，导热系数一小时内上、下波动小于士 1%，实验可结束，打印实验结果。
全文摘要
一种防护热板法测量导热系数的仪器及方法，仪器主要部件为主体部分、冷源测控系统、热源测控系统、智能测量仪、计算机传输、半导体制冷电源及稳压电源，主体部分由热板、冷板、试件压紧系统组成，热板由背护热板、主加热板、护加热板组成，主热板由主加热器和金属均热板组成，护加热板由护加热器和金属均热板组成，冷板是由铝板、半导体制冷器、冷却水系统组成，提供背护热板的热源及冷板的冷源，是由二套结构相同的精密恒温水槽组成，其由制冷回路、水槽、水泵、搅拌系统、加热控温系统、水温显示器等组成，半导体制冷电源独立于主体部分、冷源测控系统和热源测控系统之外，从而提高了导热系数测定仪的测量精度。
文档编号G01N25/20GK101915778SQ201010228968
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者周辉, 杨玉忠 申请人:中国建筑科学研究院