基于铜制水冷系统和线性拟合方法的平板导热系数测量仪与流程

本发明涉及物理热学实验装置领域，特别是基于铜制水冷系统和线性拟合方法的平板导热系数测量仪。

背景技术：

材料导热系数的测量是物理学和工程热学中重要的研究课题。常见的测量方法分为动态测量法和稳态测量法两种。大学物理实验教学中常使用稳态法测量材料导热系数。该测量法基于一维热传导方程，(式中λ代表导热系数，s代表材料的截面积，q代表传递的热量，t代表温度)。利用实验设备搭建一个一维热传导环境，加热盘在上方、样品盘在中间和散热盘在下方，三个盘结合紧密的固定在一起。把热源设置在加热盘上，加热系统至温度稳定状态。测出试样上下表面的稳定温度t1和t2，计算得到温度梯度其中h为试样的厚度。再通过一定方法测出散热速率再测出样品盘的截面积s，代入到傅里叶热传导方程中，即可计算得到导热系数。的测量方法，通常的方法有传统二次加热法、电功率法测量、传统平板法测量和循环水测量热交换方法，但以上几种方法存在如下几个技术缺陷：

(1)传统平板法测量步骤繁琐，存在热量损失率测量不准确的情况。

(2)传统二次加热法和电功率法测量存在系统偏离的缺点，同时热量损失率测量不准确。

(3)传统循环水测量热交换方法的仪器结构复杂。

技术实现要素：

针对上述问题，基于铜制水冷系统和线性拟合方法的平板导热系数测量仪。

具体的技术方案如下：

基于铜制水冷系统和线性拟合方法的平板导热系数测量仪，包括加热系统、铜制水冷系统和上位机；

所述加热系统包括仪器外罩、加热隔热层、加热盘、样品盘、散热盘、样品盘下表面温度传感器、样品盘上表面温度传感器、散热盘传感器、散热盘卡扣、加热仪器控制面板和加热丝；

所述仪器外罩呈方形，为中空结构；所述加热隔热层数量为五块，所述加热隔热层固定连接于仪器外罩内部侧壁表面和内部底面表面；所述加热盘、样品盘和散热盘均呈方形结构，所述加热盘、样品盘和散热盘均设置于加热隔热层内部，所述样品盘设置于加热盘和散热盘之间，所述加热盘上顶面贴合于样品盘下底面，设置于样品盘下端，所述散热盘下底面贴合于样品盘上顶面，设置于样品盘上端；所述加热盘内部设有加热丝，所述加热丝设置于加热盘底面内壁，通过紧固件与加热盘实现固定连接；所述样品盘下表面温度传感器设置于加热盘内部，通过紧固件固定在所述加热盘内部顶面中心；所述样品盘上表面温度传感器设置于样品盘内部，通过紧固件固定在所述样品盘内部顶面中心；所述散热盘传感器数量为四个，通过紧固件等间距竖直排列固定设置于散热盘内部的侧壁；所述散热盘卡扣数量为两个，所述散热盘卡扣固定设置于散热盘外部顶面两侧；

所述加热仪器控制面板设置于仪器外罩外部，所述加热丝、样品盘下表面温度传感器、样品盘上表面温度传感器和散热盘传感器通过电线和所述加热仪器控制面板实现信息传递；所述加热仪器控制面板内部设置有加热单片机、温控显示电路、键盘电路和加热电路；所述温控显示电路、键盘电路均与所述加热电路相连，所述加热电路与所述加热单片机、样品盘下表面温度传感器、样品盘上表面温度传感器和散热盘传感器通过电线相连；

所述铜制水冷系统包括铜制水箱、水泵、水箱内传感器、铜制水管、水管内传感器、铜制水冷盘、水冷盘内传感器、水冷盘卡扣、水箱隔热层、水管隔热层和水冷盘隔热层；

所述铜制水箱呈方形，为中空结构，所述水泵设置于铜制水箱内部，通过紧固件固定在所述铜制水箱内部底面，所述铜制水箱内的水通过水泵从一根水管内输送到铜制水冷盘内，另一根水管从另一端输送水回铜制水箱内，实现水从铜制水箱到铜制水冷盘的循环；所述水箱内传感器设置于铜制水箱内部，通过紧固件固定在所述铜制水箱内部侧壁，所述铜制水管呈“l”形结构，所述铜制水管一端与铜制水箱顶部垂直固定连接，所述铜制水管一端与铜制水冷盘垂直固定连接，所述水管内传感器设置于铜制水管内部，通过紧固件固定在所述铜制水管内侧壁；所述水冷盘内传感器设置于铜制水冷盘内部，通过紧固件固定在所述铜制水冷盘内侧壁中心；所述水冷盘卡扣数量为两个，所述水冷盘卡扣固定设置于铜制水冷盘外底面两侧；

所述上位机设置于铜制水冷系统一侧，所述水箱内传感器、水管内传感器、水冷盘内传感器、样品盘下表面温度传感器、样品盘上表面温度传感器和散热盘传感器通过电线和所述上位机实现信息传递。

进一步的，所述水箱隔热层包裹设置于铜制水箱外壁，所述水箱隔热层与铜制水箱固定连接。

进一步的，所述水管隔热层包裹设置于铜制水管外壁，所述水管隔热层与铜制水管固定连接。

进一步的，所述水冷盘隔热层数量为五块，所述水冷盘隔热层固定连接于铜制水冷盘外部侧壁和外部顶面。

进一步的，所述加热系统和铜制水冷系统通过散热盘卡扣配合水冷盘卡扣实现固定连接。

进一步的，所述紧固件为螺栓、螺母、螺钉、自攻螺钉中的一种或多种。

本发明的工作原理是：

(1)在仪器外罩内固定好加热盘、样品盘和散热盘，测量得到样品盘的截面积s，厚度h。

(2)通过加热仪器控制面板，设定样品盘上表面的终点温度为t1。加热装置会在加热单片机控制下，使样品盘下表面温度传感器达到设定温度。系统稳定时，样品盘下表面温度传感器得到样品盘下表面的温度t2。

(3)系统稳定后，将散热盘卡扣与水冷盘卡扣合上，使得加热系统与铜制水冷系统固定。

(4)实时采集的温度通过水冷盘内传感器、水管内传感器和水箱内传感器传输至上位机。用m1，m2，m3分别代表铜制水冷盘，铜制水管，铜制水箱的质量，c代表铜的比热，铜制水冷系统吸收的热量q水冷＝m1cδt1+m2cδt2+m3cδt3，其中δt代表铜制水冷系统中相应部分温度的变化。

(5)实时采集的温度通过散热盘传感器传输至上位机。用m散热盘代表散热盘的质量，用δt’表示，散热盘不同部分温度的变化。散热盘被散热盘传感器分成了四等分，每一分含有1/4的质量。每一个散热盘传感器都会实时监测到相应部分温度的改变。则散热盘在连接铜制水冷系统后，相对于稳定状态时流失的热量可以表示为：

(6)由于装置做了绝热处理，系统在稳定状态时，散热盘散失的热量应该等于铜制水冷盘后，铜制水冷系统吸收的热量剔除散热盘接铜制水冷系统后流失的热量，通过上位机计可以很方便的计算出不同时刻的热量q＝q水冷-q散热盘。

(7)当样品盘上表面温度传感器显示温度改变时，代表样品盘相比于稳定状态，已经有热量流失到铜制水冷系统中，此时应立即停止数据采集。

(8)利用上位机已经采集得到的q和时间t的关系，做线性拟合，求出斜率

(9)再利用傅里叶热传导公式计算得到导热系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计了绝热结构，避免了侧面散热对系统的影响，建立一个严格的一维热传导环境，实验精度高。

(2)本发明利用各个传感器组进行温度信号的采集，通上位机对不同环节可能存在的热量变化进行修正和处理，极大的简化了传统的利用循环水测量热交换方法的仪器结构，同时利用上位机进行线性拟合，保证了测量的快速和准确。

(3)本发明无需二次加热，简化实验步骤。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明加热系统结构示意图。

图3为本发明铜制水冷系统结构示意图。

图4为本发明信息传递示意图。

本附图标记说明：仪器外罩1、加热隔热层2、加热盘3、样品盘4、散热盘5、样品盘下表面温度传感器6、样品盘上表面温度传感器7、散热盘传感器8、散热盘卡扣9、加热仪器控制面板10、铜制水箱11、水泵12、水箱内传感器13、铜制水管14、水管内传感器15、铜制水冷盘16、水冷盘内传感器17、水冷盘卡扣18、水箱隔热层19、水管隔热层20、水冷盘隔热层21、加热系统22、铜制水冷系统23、上位机24。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。本实施例中所提及的固定连接，固定设置、固定结构均为胶粘连接、焊接、螺钉连接、螺栓螺母连接、铆接等本领域技术人员所知晓的公知技术。本发明中加热单片机选用型号为stc32型单片机，驱动器选用场效应管，所涉及到温度传感器均选用ds18b20型温度传感器。水箱内传感器、水管内传感器和水冷盘内传感器的接线均在铜制水冷系统侧壁走线，与上位机相连，样品盘下表面温度传感器、样品盘上表面温度传感器和散热盘传感器的接线均在加热系统侧壁走线，与上位机、加热仪器控制面板相连。

结合附图可见，基于铜制水冷系统和线性拟合方法的平板导热系数测量仪，包括加热系统22、铜制水冷系统23和上位机24；

所述加热系统包括仪器外罩1、加热隔热层2、加热盘3、样品盘4、散热盘5、样品盘下表面温度传感器6、样品盘上表面温度传感器7、散热盘传感器8、散热盘卡扣9、加热仪器控制面板10、加热丝11；

所述仪器外罩1呈方形，为中空结构；所述加热隔热层2数量为五块，所述加热隔热层2固定连接于仪器外罩1内部侧壁表面和内部底面表面；所述加热盘3、样品盘4和散热盘5均呈方形结构，所述加热盘3、样品盘4和散热盘5均设置于加热隔热层2内部，所述样品盘4设置于加热盘3和散热盘5之间，所述加热盘3上顶面贴合于样品盘4下底面，设置于样品盘4下端，所述散热盘5下底面贴合于样品盘4上顶面，设置于样品盘4上端；所述加热盘3内部设有加热丝11，所述加热丝11设置于加热盘3底面内壁，通过紧固件与加热盘3实现固定连接；所述样品盘下表面温度传感器6设置于加热盘3内部，通过紧固件固定在所述加热盘3内部顶面中心；所述样品盘上表面温度传感器7设置于样品盘4内部，通过紧固件固定在所述样品盘4内部顶面中心；所述散热盘传感器8数量为四个，通过紧固件等间距竖直排列固定设置于散热盘5内部的侧壁；所述散热盘卡扣9数量为两个，所述散热盘卡扣9固定设置于散热盘5外部顶面两侧；

所述加热仪器控制面板10设置于仪器外罩1外部，所述加热丝11、样品盘下表面温度传感器6、样品盘上表面温度传感器7和散热盘传感器8通过电线和所述加热仪器控制面板10实现信息传递；所述加热仪器控制面板10内部设置有加热单片机10-1、温控显示电路10-2、键盘电路10-3和加热电路10-4；所述温控显示电路10-2、键盘电路10-3均与所述加热电路10-4相连，所述加热电路10-4与所述加热单片机10-1、样品盘下表面温度传感器6、样品盘上表面温度传感器7和散热盘传感器8通过电线相连；

所述铜制水冷系统23包括铜制水箱11、水泵12、水箱内传感器13、铜制水管14、水管内传感器15、铜制水冷盘16、水管内传感器17、水冷盘卡扣18、水箱隔热层19、水管隔热层20和水冷盘隔热层21；

所述铜制水箱11呈方形，为中空结构，所述水泵12设置于铜制水箱11内部，通过紧固件固定在所述铜制水箱11内部底面，所述铜制水箱11内的水通过水泵12从一根水管内输送到铜制水冷盘16内，另一根水管从另一端输送水回铜制水箱11内，实现水从铜制水箱11到铜制水冷盘16的循环；所述水箱内传感器13设置于铜制水箱11内部，通过紧固件固定在所述铜制水箱11内部侧壁，所述铜制水管14呈“l”形结构，所述铜制水管14一端与铜制水箱11顶部垂直固定连接，所述铜制水管14一端与铜制水冷盘16垂直固定连接，所述水管内传感器17设置于铜制水管14内部，通过紧固件固定在所述铜制水管14内侧壁；所述水冷盘内传感器17设置于铜制水冷盘16内部，通过紧固件固定在所述铜制水冷盘16内侧壁中心；所述水冷盘卡扣18数量为两个，所述水冷盘卡扣18固定设置于铜制水冷盘16外底面两侧；

所述上位机24设置于铜制水冷系统23一侧，所述水箱内传感器13、水管内传感器15、水冷盘内传感器17、样品盘下表面温度传感器6、样品盘上表面温度传感器7和散热盘传感器8通过电线和所述上位机24实现信息传递。

进一步的，所述水箱隔热层19包裹设置于铜制水箱11外壁，所述水箱隔热层19与铜制水箱11固定连接。

进一步的，所述水管隔热层20包裹设置于铜制水管14外壁，所述水管隔热层20与铜制水管14固定连接。

进一步的，所述水冷盘隔热层21数量为五块，所述水冷盘隔热层21固定连接于铜制水冷盘16外部侧壁和外部顶面。

进一步的，所述加热系统22和铜制水冷系统23通过散热盘卡扣9配合水冷盘卡扣18实现固定连接。

进一步的，所述紧固件为螺栓、螺母、螺钉、自攻螺钉中的一种或多种。本发明的工作原理是：

(1)在仪器外罩1内固定好加热盘3、样品盘4和散热盘5，测量得到样品盘4的截面积s，厚度h。

(2)通过加热仪器控制面板10，设定样品盘4上表面的终点温度为t1。加热装置会在加热单片机控制下，使样品盘下表面温度传感器6达到设定温度。系统稳定时，样品盘下表面温度传感器6得到样品盘4下表面的温度t2。

(3)系统稳定后，将散热盘卡扣9与水冷盘卡扣18合上，使得加热系统22与铜制水冷系统23固定。

(4)实时采集的温度通过水冷盘内传感器17、水管内传感器15和水箱内传感器13传输至上位机。用m1，m2，m3分别代表铜制水冷盘16，铜制水管14，铜制水箱11的质量，c代表铜的比热，铜制水冷系统23吸收的热量q水冷＝m1cδt1+m2cδt2+m3cδt3，其中δt代表铜制水冷系统23中相应部分温度的变化。

(5)实时采集的温度通过散热盘传感器8传输至上位机24。用m散热盘代表散热盘5的质量，用δt’表示，散热盘5不同部分温度的变化。散热盘5被散热盘传感器8分成了四等分，每一分含有1/4的质量。每一个散热盘传感器8都会实时监测到相应部分温度的改变。则散热盘5在连接铜制水冷系统23后，相对于稳定状态时流失的热量可以表示为：

(6)由于装置做了绝热处理，系统在稳定状态时，散热盘5散失的热量应该等于铜制水冷盘16后，铜制水冷系统23吸收的热量剔除散热盘5接铜制水冷系统23后流失的热量，通过上位机计24可以很方便的计算出不同时刻的热量q＝q水冷-q散热盘。

(7)当样品盘上表面温度传感器7显示温度改变时，代表样品盘4相比于稳定状态，已经有热量流失到铜制水冷系统23中，此时应立即停止数据采集。

(8)利用上位机24已经采集得到的q和时间t的关系，做线性拟合，求出斜率

(9)再利用傅里叶热传导公式计算得到导热系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明设计了绝热结构，避免了侧面散热对系统的影响，建立一个严格的一维热传导环境，实验精度高。

(2)本发明利用各个传感器组进行温度信号的采集，通上位机对不同环节可能存在的热量变化进行修正和处理，极大的简化了传统的利用循环水测量热交换方法的仪器结构，同时利用上位机进行线性拟合，保证了测量的快速和准确。

(3)本发明无需二次加热，简化实验步骤。