一种太阳能测定液体导热系数实验仪及其测量方法与流程
本发明具体涉及一种太阳能测定液体导热系数实验仪及其测量方法，属于物理实验仪器领域。
背景技术：
导热系数是表征物质热传导性质的物理量；材料结构的变化与所含杂质的不同对材料导热系数数值都有明显的影响，因此材料的导热系数常常需要由实验去具体测定；
测量导热系数常用实验方法为稳态法；先利用热源对样品加热，样品内部的温差使热量从高温向低温处传导，样品内部各点的温度将随加热快慢和传热快慢的影响而变动；适当控制实验条件和实验参数使加热和传热的过程达到平衡状态，则待测样品内部可能形成稳定的温度分布，用物体散热速率求传热速率的实验方法，根据傅立叶方程就可以计算出导热系数；
如fd-tc-b型导热系数测定仪装置，它由电加热器、铜加热盘，样品圆盘，铜散热盘、支架及调节螺丝、温度传感器以及控温与测温器组成；公开了一种稳态法测定不良导体导热系数的实验装置；目前此实验仪器普遍存在着以下不足：
1）现有实验仪器多用于不良导体（如橡胶、玻璃、陶瓷、有机玻璃、塑料）导热系数的测定，无法实现对液体导热系数的准确测量；
2）fd-tc-b型导热系数测定仪装置在使用时，需将样品放在加热盘与散热盘中间，样品要求与加热盘、散热盘完全对准，然后固定；之后调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好，但注意不宜过紧或过松：过紧会压缩样品的厚度，过松导致样品与加热盘、散热盘接触不良，中间有空气隙；这些都会导致无法准确测量样品的导热系数；现有设备接触面贴合程度控制不灵活，不能较好的调节样品与加热盘、散热盘接触良好；
实验中，加热盘、圆盘样品、散热盘的圆面面积相同，且依次从上到下叠放再一起，样品要求与加热盘、散热盘完全对准，由于有电加热器在上方遮挡，加热盘、样品、散热盘完全对准操作不方便；之后调节底部的三个微调螺丝，使样品与加热盘、散热盘接触良好；在调节底部的三个微调螺丝时，加热盘、圆盘样品、散热盘容易倾斜，导致加热盘、圆盘样品、散热盘间相互错位，不能完全对准，影响实验测量进行，稍有不慎便会导致测量结果不准确，整个安放、调节过程繁琐；此外，更换样品时还需要将加热盘、加热盘上的电加热器取下来或抬高才能进行样品更换，操作时容易被烫伤，操作不灵活；导热系数计算时，需要测量散热盘直径、厚度，样品的直径、厚度；所以需要将散热盘、样品取下进行测量，现有设备装卸不方便；整个实验中器材拆装不够简便，导致实验进行不够顺畅，浪费了有限的教学实验时间，耽误了教学进度；
3）稳态法测量不良导体、金属材料导热系数，实验中，不良导体需设置为直径10cm，厚度设置为10mm的圆板；金属需设置为长度为20cm，截面直径置为10cm的圆柱体；样品一端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，另一端面与一均匀散热体相接触；不良导体为平板样品，其侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着平板平面垂直方向传递，侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同；而金属样品侧面积大于横截面积，侧面散去的热量会极大影响测量结果；
4）fd-tc-b型导热系数测定仪没有电子计时器，另配例如秒表、电子表、手机等计时器，计时器不统一造成计时误差；
5）fd-tc-b型导热系数测定仪采用电加热方式，加热方式耗电，完全依赖外电网供电，断电则无法使用；
基于上述原因设计一种太阳能测定材料导热系数实验仪。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种太阳能测定液体导热系数实验仪及其测量方法，此实验仪用于稳态法测定液体的导热系数；本仪器操作简便、现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，各个部件方便拆装，便于实验顺畅进行，避免现有仪器拆装不便导致教学进度缓慢的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种太阳能测定液体导热系数实验仪,包括滑轨，加热盘架，散热盘架，液体样品盛载罐，加热盘，散热盘，温度传感器一，温度传感器二，散热风扇，单片电脑测温及控制仪，压紧螺栓，压紧螺母，太阳能光伏供电系统，电子计时器；其特征在于：
所述滑轨上表面中央横向设置滑轨凹槽，滑轨凹槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨凹槽前后两侧对称设置插槽板，插槽板凸出于滑轨上表面，且插槽板外侧面向内凹，形成直角梯形状的插接槽，插接槽贯穿滑轨左右两端；所述滑轨上表面前后边缘、沿滑轨凹槽方向设置刻度线；
所述加热盘架包括滑行座，环形盘，弧形卡位板，压紧连接柱，滑行座紧固螺栓，圆盘紧固螺栓；
所述滑行座呈m型，下端两个支撑脚向内弯折形成滑行部，滑行部呈直角梯形状，与滑轨上的插接槽形状吻合，且滑行部内侧面与插接槽间留有缝隙；所述滑行部处设置螺纹孔一，螺纹孔一方向为垂直指向插接槽，螺纹孔一贯穿滑行部，内侧与缝隙连通；
所述环形盘呈圆环状，安装在滑行座上部中央，其中央为空心圆，环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个弧形卡位板，一个位于环形盘底部中央，另两个位于环形盘肩部；所述弧形卡位板凸出于环形盘右侧圆环面，且中央围合成一个圆形的圆盘安装腔；所述圆盘安装腔直径大于空心圆直径，且小于环形盘最大外径，与加热盘为间隙配合；所述圆盘安装腔与空心圆轴线重合；所述弧形卡位板厚度比加热盘厚度小；位于环形盘肩部的两个弧形卡位板上设置垂直指向圆盘安装腔轴线的螺纹孔二，螺纹孔二贯穿弧形卡位板弧形面；
所述环形盘右侧圆环面上均匀间隔设置三个压紧连接柱，压紧连接柱与弧形卡位板错开；所述压紧连接柱下端位于圆盘安装腔外侧，上端超出环形盘，超出部分设置与圆盘安装腔轴线平行的螺纹孔三；所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小；
所述滑行座紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔一内；所述圆盘紧固螺栓可拆卸地安装在螺纹孔二内；
所述散热盘架与加热盘架结构相同，对称安装；
所述液体样品盛载罐为圆柱状杯体，长度为10-15厘米，设置有可旋开的杯盖，液体样品盛载罐的杯盖和底部圆面为圆形金属导热面，其侧面设置凸出的加液口，加液口处通过活塞密封，液体样品盛载罐侧面包裹一层保温层，液体样品盛载罐两端超出保温层2-4毫米；所述液体样品盛载罐侧面两端靠近杯盖和底部圆面处设置与散热盘架、加热盘架位置相同的三个压紧连接柱；液体样品盛载罐水平放置在滑行座上，其轴线与环形盘轴线重合，加液口竖直向上；
所述加热盘为圆柱状圆盘，其内部均匀盘绕螺旋状的加热电阻，加热电阻供电端通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；所述加热盘弧形面上设置温度传感器插孔一；所述加热盘可拆卸地安装在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后加热盘右侧圆面凸出于弧形卡位板右侧面1-2毫米；
所述散热盘为圆柱状圆盘，其弧形面上设置温度传感器插孔二；所述散热盘可拆卸地安装在散热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定，安装后散热盘左侧圆面凸出于弧形卡位板左侧面1-2毫米；
所述温度传感器一一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器一连接口连接，有传感器一端插在加热盘的温度传感器插孔一内；
所述温度传感器二一端与单片电脑测温及控制仪上的温度传感器二连接口连接，有传感器一端插在散热盘的温度传感器插孔二内；
所述散热风扇固定安装在滑行座上部中央，安装在滑轨上后，其吹风方向为吹向散热盘；所述散热风扇通过导线连接单片电脑测温及控制仪，由单片电脑测温及控制仪供电；
所述单片电脑测温及控制仪前面设置有两个表头，其中左侧表头用于设定控制温度，右侧表头用于显示散热盘的即时温度；所述单片电脑测温及控制仪后面设置电源插孔、加热盘供电接口、温度传感器一连接口、温度传感器二连接口、开关按钮，风扇开关；所述单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，其显示控制屏设置在单片电脑测温及控制仪前面；
所述压紧螺栓、压紧螺母配合使用，可拆卸地连接加热盘架、液体样品盛载罐、散热盘架；
所述加热盘、散热盘、液体样品盛载罐的杯盖面、底部圆面的圆形面的面积相同，采用金属材料制成。
优选的，所述滑轨，加热盘架，散热盘架采用隔热材料制成。
优选的，所述压紧连接柱厚度比弧形卡位板厚度小1-2毫米。
优选的，所述圆盘安装腔直径比加热盘直径大0.1-1毫米。
优选的，所述太阳能光伏供电系统包括太阳能电池组件，充放电控制器，太阳能充放电线路，蓄电池组，逆变器；所述太阳能电池组件通过光伏电缆与充放电控制器连接；所述蓄电池组通过太阳能充放电线路与充放电控制器连接；所述逆变器输入端通过电线连接蓄电池组，输出端通过电线连接本装置的各个用电设备。
一种太阳能测定液体导热系数实验仪的测量方法，其特征在于包括步骤如下：
（1）将加热盘架、放置液体样品盛载罐的滑行座、散热盘架、散热风扇从左至右依次插接在滑轨上；将加热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；将加热盘安装在在加热盘架上的圆盘安装腔内，并通过圆盘紧固螺栓向内旋紧固定；
（2）将液体样品盛载罐的杯盖旋开，装满待测液体，水平放置在滑行座上，加液口竖直向上，向加热盘架一侧推动，使杯盖面对齐贴合加热盘右侧面；
（3）安装散热盘，将散热盘架向加热盘架一侧推动，直至散热盘左侧的圆形面对齐贴合液体样品盛载罐底部圆面；将散热盘架上的滑行座紧固螺栓向内旋紧与滑轨固定；
（4）用压紧螺栓、压紧螺母将加热盘架与液体样品盛载罐左侧的压紧连接柱连接在一起，用压紧螺栓、压紧螺母将散热盘架与液体样品盛载罐右侧的压紧连接柱连接在一起；调节压紧螺母使加热盘、液体样品盛载罐、散热盘四周紧密贴合；通过对比观察滑轨上的刻度线，观察贴合程度；
（5）连接温度传感器一，温度传感器二，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂；加热盘通过供电线连接单片电脑测温及控制仪上的加热盘供电接口；
（6）打开液体样品盛载罐侧面的加液口，逐滴加入待测液体，直至液体样品盛载罐被加满，加液口处通过活塞密封；
（7）打开单片电脑测温及控制仪电源，设定控制温度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热；左侧表头显示设定控制温度，右侧表头显示散热盘的即时温度；同时打开散热风扇；
（8）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始观察散热盘的温度，待在10分钟或更长时间内加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，可以认为样品内部温度分布已经达到稳定状态；记录加热盘温度θ1，同时记录散热盘温度θ2；
（9）取走液体样品盛载罐和滑行座，调节加热盘架、散热盘架使加热盘和散热盘贴合，并接触良好，散热盘温度上升到高于稳态时θ2的8.0-10.0℃时；
（10）移去加热盘，打开电子计时器，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔2o秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，利用逐差法由临近θ2值的温度数据中计算冷却速率
（11）根据测量得到的稳态时的温度值θ1和θ2，以及在温度θ2时的冷却速率，由公式：
计算液体样品的导热系数；其中m为散热盘的质量，c为其比热容,rp为散热盘的半径，hp为其厚度,hb为液体样品盛载罐的长度，db为液体样品盛载罐的直径。
本发明的有益效果在于：此实验仪用于稳态法测定液体的导热系数；本仪器操作简便、现象直观、测量数据准确、测量误差小，重复性好，各个部件方便拆装，便于实验顺畅进行，避免现有仪器拆装不便导致教学进度缓慢的问题；本装置测量速度快捷，操作方便，提高了实验精度和实验效率；可广泛应用于科研、教学和生产中。
进一步，为了方便测量液体的导热系数，将待测液体盛装在具有固定形状的液体样品盛载罐内，旋开杯盖可以基本装满，将液体样品盛载罐安装好后再通过侧面的加液口，逐滴加入待测液体，直至液体样品盛载罐被加满，加液口处通过活塞密封；避免液体样品盛载罐中存在空气层导致测量结果出现较大的实验误差。
进一步，为了减小实验误差、方便的调节使液体样品盛载罐与加热盘、散热盘接触良好，避免过紧或过松；进行如下优化设置：
液体样品盛载罐侧面设置保温层进行保温处理，侧面散去的热量就可以忽略不计，可以认为热量只沿着平板平面垂直方向传递；
加热盘架、液体样品盛载罐、散热盘架上均匀间隔设置压紧连接柱，通过压紧螺栓、压紧螺母配合使用，使液体样品盛载罐的杯盖面对齐贴合加热盘，散热盘左侧的圆形面对齐贴合液体样品盛载罐底部圆面，避免局部出现接触过松问题；
安装时，液体样品盛载罐两端超出保温层2-4毫米；加热盘右侧圆面凸出于弧形卡位板右侧面1-2毫米；散热盘左侧圆面凸出于弧形卡位板左侧面1-2毫米；这样设置可以直观观察到样品接触面是否出现接触过松现象；此外，调节过程中还可以比照滑轨上的刻度线进行精准观察、调节。
进一步，利用太阳能光伏供电系统将光能转换成电能，为导热系数实验仪提供清洁能源，节省能源，为加热盘，散热风扇，单片电脑测温及控制仪、电子计时器提供能源；将太阳能装置引入大学物理实验仪器中，可以扩展实验的学习内容，使学生可以在同一个实验中学习到电学、热学、太阳能发电等多种知识，增加学习内容，开拓学生眼界，拓展知识面，培养学生的创新能力；同时，不依赖于电网供电，随时使用，避免断电影响教学实验的进行。
进一步，单片电脑测温及控制仪增设电子计时器，其显示控制屏设置在单片电脑测温及控制仪前面；避免另配例如秒表、电子表、手机等计时器，计时器不统一造成计时误差。
附图说明
图1为本发明的整体立体结构示意图。
图2为本发明的滑轨立体结构示意图。
图3为本发明的滑轨截面图。
图4为本发明的加热盘架立体结构示意图。
图5为本发明的加热盘前视图。
图6为本发明的加热盘右视图。
图7为本发明的加热盘架、散热盘架安装图。
图8为本发明的液体样品盛载罐剖视图。
图9为本发明的液体样品盛载罐测量组装完毕的结构示意图。
图10为本发明的温度传感器一、温度传感器二连接结构示意图。
图11为本发明的加热盘内部结构示意图。
图12为本发明的太阳能光伏供电系统连接结构示意图。
图13为本发明的单片电脑测温及控制仪前面结构示意图。
图14为本发明的单片电脑测温及控制仪后面连接图。
图中：滑轨1，加热盘架2，散热盘架3，液体样品盛载罐4，加热盘5，散热盘6，温度传感器一7，温度传感器二8，散热风扇9，单片电脑测温及控制仪10，压紧螺栓11，压紧螺母12，太阳能光伏供电系统13，电子计时器14,滑轨凹槽1-1，插槽板1-2，滑轨上表面1-3，插接槽1-4，刻度线1-5，滑行座2-1，环形盘2-2，弧形卡位板2-3，压紧连接柱2-4，滑行座紧固螺栓2-5，圆盘紧固螺栓2-6，滑行部2-7，缝隙2-8，螺纹孔一2-9，空心圆2-10，圆盘安装腔2-11，螺纹孔二2-12，螺纹孔三2-13，杯盖4-1，底部圆面4-2,加液口4-3，活塞4-4,保温层4-5，加热电阻5-1，供电线5-2，温度传感器插孔一5-3，温度传感器插孔二6-1，左侧表头10-1，右侧表头10-2，电源插孔10-3，加热盘供电接口10-4，温度传感器一连接口10-5，温度传感器二连接口10-6，开关按钮10-7，风扇开关10-8，太阳能电池组件13-1，充放电控制器13-2，太阳能充放电线路13-3，蓄电池组13-4，逆变器13-5。
具体实施方式
以下为本发明的较佳实施方式，但并不因此而限定本发明的保护范围。
具体实施例：液体导热系数测量方法具体步骤如下：
（1）将加热盘架2、放置液体样品盛载罐的滑行座2-1、散热盘架3、散热风扇6从左至右依次插接在滑轨1上；将加热盘架2上的滑行座紧固螺栓2-5向内旋紧与滑轨1固定；将加热盘5安装在在加热盘架2上的圆盘安装腔2-11内，并通过圆盘紧固螺栓2-6向内旋紧固定；
（2）将液体样品盛载罐4的杯盖4-1旋开，装满待测液体，水平放置在滑行座2-1上，加液口4-3竖直向上，向加热盘架2一侧推动，使杯盖面对齐贴合加热盘5右侧面；
（3）安装散热盘6，将散热盘架3向加热盘架1一侧推动，直至散热盘6左侧的圆形面对齐贴合液体样品盛载罐底部圆面4-2；将散热盘架3上的滑行座紧固螺栓2-5向内旋紧与滑轨1固定；
（4）用压紧螺栓11、压紧螺母12将加热盘架2与液体样品盛载罐4左侧的压紧连接柱2-4连接在一起，用压紧螺栓11、压紧螺母12将散热盘架3与液体样品盛载罐4右侧的压紧连接柱2-4连接在一起；调节压紧螺母12使加热盘5、液体样品盛载罐4、散热盘6四周紧密贴合；通过对比观察滑轨1上的刻度线，观察贴合程度，防止贴合过紧或过松；
（5）连接温度传感器一7，温度传感器二8，并在传感器上抹一些硅油或者导热硅脂，以确保传感器与加热盘和散热盘接触良好；加热盘5通过供电线连接单片电脑测温及控制仪10上的加热盘供电接口10-4；
（6）打开液体样品盛载罐4侧面的加液口4-3，逐滴加入待测液体，直至液体样品盛载罐4被加满，加液口4-3处通过活塞4-4密封；
（7）打开单片电脑测温及控制仪电源，设定控制温度，设置完成按“确定”键，加热盘即开始加热；左侧表头10-1显示设定控制温度，右侧表头10-2显示散热盘的即时温度；同时打开散热风扇；
（8）加热盘的温度上升到设定温度值时，开始观察散热盘的温度，待在10分钟或更长时间内加热盘和散热盘的温度值都基本保持不变，可以认为样品内部温度分布已经达到稳定状态；记录加热盘温度θ1，同时记录散热盘温度θ2；
（9）取走液体样品盛载罐和滑行座，调节加热盘架、散热盘架使加热盘和散热盘贴合，并接触良好，散热盘温度上升到高于稳态时θ2的8.0-10.0℃时；
（10）移去加热盘，打开电子计时器，让散热盘在风扇作用下冷却，每隔2o秒(或者30秒)记录一次散热盘的温度示值，利用逐差法由临近θ2值的温度数据中计算冷却速率
（11）根据测量得到的稳态时的温度值θ1和θ2，以及在温度θ2时的冷却速率，由公式：
计算液体样品的导热系数；其中m为散热盘的质量，c为其比热容,rp为散热盘的半径，hp为其厚度,hb为液体样品盛载罐的长度，db为液体样品盛载罐的直径。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行和修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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