HWX-II (恒功率平面熱源法)智能熱物理參數(shù)測(cè)試儀

HWX-II (恒功率平面熱源法)智能熱物理參數(shù)測(cè)試儀

本儀器提供了一種采用恒功率平面熱源法測(cè)試熱物理參數(shù)的智能化方法。該系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高和操作方便等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)試誤差均小于±4%。
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物質(zhì)熱物理參數(shù)是物質(zhì)的宏觀物理量之一，是各類科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)參數(shù)。它包括導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)和熱發(fā)射率等，其中導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)是物質(zhì)熱物理參數(shù)的主要指標(biāo)。
目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的測(cè)量固體材料的熱物理參數(shù)的儀器大多使用電位差計(jì)和電流計(jì)測(cè)定加熱器的熱容量和熱電偶電勢(shì)及相關(guān)參數(shù)，人工計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。其缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低、通用性差、調(diào)節(jié)過程復(fù)雜、測(cè)試結(jié)果受人為因素影響較大。國(guó)外生產(chǎn)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不便于推廣使用。因此，迫切需要研制一種自動(dòng)化程度高、操作方便、實(shí)驗(yàn)速度快、準(zhǔn)確度高、通用性強(qiáng)的測(cè)定物質(zhì)熱物理參數(shù)的自動(dòng)化儀器。
對(duì)物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)的測(cè)量，有許多測(cè)試方法和相應(yīng)的測(cè)試儀器，本儀器《智能熱物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)》采用的測(cè)試方法——恒功率平面熱源法的測(cè)試原理、測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試結(jié)果。
2：　測(cè)試原理
　　恒功率平面熱源法熱物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的試材固定和加熱部分
試材1、試材2、試材3是緊固在一起厚度不同的相同材料。其中試材1的厚度為δ，試材2的厚度為x1，試材3的厚度為δ+x1。試材1和試材2、試材2和試材3之間各放置一對(duì)熱電偶，用于測(cè)定試材2上、下兩個(gè)面的溫升，試材2和試材3之間放置一個(gè)恒功率平面加熱器。如果試材2的長(zhǎng)和寬各為其厚度的8～10倍，加熱器的功率恒定，加熱器熱容量為零。在這些條件下，試材2可看作無限大平壁，并且試材無內(nèi)熱源。接通加熱器電源，加熱器對(duì)稱地向上、下兩個(gè)面各提供熱量，每側(cè)為q0千卡/m2。在平面加熱器通電瞬時(shí)，三試材的初始溫度處處一致等于T，隨時(shí)間τ增加，試材將升溫，熱流逐漸向遠(yuǎn)離加熱器的兩邊傳遞，在此過程中其溫度變化僅僅發(fā)生在與平面加熱器垂直的方向。

圖1　試材加熱和固定部分示意圖
　　在上述條件下，試材的導(dǎo)熱系數(shù)λ、導(dǎo)溫系數(shù)α可按下式計(jì)算［1］：
導(dǎo)溫系數(shù)　
導(dǎo)熱系數(shù)　
式中　ξ2x1——根據(jù)已測(cè)定的量直接從表中查出
　θ(0，τ0)——τ0時(shí)刻試材2與平面加熱器接觸面上的中心區(qū)溫升。

3　測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)
　　根據(jù)測(cè)試原理，測(cè)試裝置由試件及試件夾具、加熱系統(tǒng)和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集及處理三部分組成(圖2)。

(新投產(chǎn)的已把單片機(jī)控制系統(tǒng)改為計(jì)算機(jī)或筆記本電腦控制)
圖2　熱物理參照測(cè)量裝置示意圖
　　試件分為三塊，中間一塊試件較薄，兩邊試件比較厚。試件和試件之間加以熱電偶并用夾具固定。加熱系統(tǒng)包括加熱器和穩(wěn)壓電源用以產(chǎn)生穩(wěn)定的熱量。單片機(jī)系統(tǒng)按測(cè)試原理提供的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將結(jié)果顯示打印。
　　恒功率平面熱源法測(cè)量材料熱物理參數(shù)，在方法原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都需要進(jìn)一步探討。要想準(zhǔn)確測(cè)定材料的熱物理參數(shù)，除了要準(zhǔn)確測(cè)量溫度和時(shí)間外，還必須滿足如下的實(shí)驗(yàn)條件：（1）被測(cè)試樣均勻各向同性且其物性為常數(shù)；（2）試樣長(zhǎng)寬各為厚度的8-10倍即試樣是半無限大，而且具有均勻一致的初始溫度；（3）恒功率平面熱源；（4）加熱器熱容量為零。如果不滿足上述條件，必然造成測(cè)量誤差，因此必須對(duì)這些誤差因素加以分析和修正并適當(dāng)控制實(shí)驗(yàn)條件、改善實(shí)驗(yàn)裝置才能獲得較高的準(zhǔn)確度〔2～4〕。
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　恒功率平面熱源法智能熱物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)是以8031單片機(jī)為基礎(chǔ)的新一代測(cè)試系統(tǒng)，采用單片機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，排除或減少了由干擾信號(hào)、模擬電路和人為因素引起的誤差。
　　系統(tǒng)硬件由傳感器、前置放大電路、通道控制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示及控制電路、打印驅(qū)動(dòng)及控制電路、單片機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控及后備保護(hù)電路、系統(tǒng)及加熱器供電電源、加熱器、試樣夾卡等部分組成。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3　測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖
　　熱電偶的溫度-電壓特性曲線成指數(shù)形式，本系統(tǒng)采用單片機(jī)計(jì)算法對(duì)此進(jìn)行線性校正。另外，熱電偶分度表是以熱電偶冷端溫度等于0℃制定的，如果冷端溫度不等于0℃，熱電勢(shì)將隨冷端溫度變化，所以必須對(duì)熱電偶測(cè)溫電路進(jìn)行校正。本系統(tǒng)采用AD590集成溫度傳感器對(duì)熱電偶冷端進(jìn)行補(bǔ)償。基于熱電偶連接定律和中間溫度定律的熱電偶冷端補(bǔ)償器的硬件電路及前置放大電路原理圖如圖4。

圖4　熱電偶冷端補(bǔ)償及前置放大電路原理圖
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ICL7135雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，通過鍵盤對(duì)各種工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，并在顯示器上以不同的形式顯示出來，打印控制電路的主要功能是控制微型打印頭的機(jī)械動(dòng)作，系統(tǒng)監(jiān)控后備保護(hù)電路是為了防止單片機(jī)系統(tǒng)因瞬間掉電、電網(wǎng)欠電壓和軟件“跑飛”而設(shè)計(jì)的。
3.2　軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件是測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，它包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)運(yùn)算、打印機(jī)管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集濾波、熱電偶熱電勢(shì)—溫度變換、中斷處理、時(shí)鐘管理等模塊。通過系統(tǒng)管理模塊按一定的層次結(jié)構(gòu)把它們有機(jī)地結(jié)合起來，便可完成各項(xiàng)功能。系統(tǒng)管理軟件流程圖如圖5。

圖5　系統(tǒng)管理軟件流程圖
4　測(cè)試結(jié)果
　　使用智能熱物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)聚氨脂泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并與傳統(tǒng)的測(cè)試儀器進(jìn)行比較。被測(cè)材料規(guī)格為：試材1：200×200×65mm；試材2：200×200×22mm；試材3：200×200×90mm。測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明智能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定值再現(xiàn)率、均方差和相對(duì)誤差優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)試儀器?？紤]影響測(cè)試精度因素后，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試誤差小于±4%。
表1　聚氨脂泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果(W/m.℃)
平面熱源法儀器類型
實(shí)驗(yàn)次數(shù)智能型熱物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)
1 0.027985 0.02824
2 0.027947 0.02737
3 0.027836 0.02840
4 0.027875 0.02861
5 0.027652 0.02785
平均值0.027859 0.02809
均方差1.159776×10-4 4.39299×10-4
相對(duì)誤差3.18% 4.04%