穩態法導熱系數測量實驗系統及測量方法技術方案

本發明專利技術公開了穩態法導熱系數測量實驗系統及測量方法；系統包括依次連接的待測裝置、下位機和上位機；所述待測裝置包括：自上而下同軸緊貼平行放置的發熱盤、樣品盤和散熱盤，所述發熱盤通過加熱控溫模塊控制加熱；所述發熱盤通過第一溫度傳感器與下位機連接，所述散熱盤通過第二溫度傳感器與下位機連接；上位機通過發送控制指令，告知下位機對待測裝置進行熱平衡數據采集或者散熱曲線數據采集。本發明專利技術的有益效果：它具有有效提高測量結果的精度和準確性的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種。
技術介紹
目前導熱系數的測量中，通常采用單個熱電偶（如銅-康銅等），或者單個Pt電阻進 行溫度的測量。采用熱電偶測量時，首先需要調好冰水混合物（即溫度基準），根據金屬材料 的熱電效應，熱電偶兩端分別與冰水混合物和待測物體接觸時可形成溫差電動勢，通過測 量溫差電動勢，達到測量溫度的目的。由于金屬材料的溫差系數較小，加上外界環境溫度的 影響，測量得到的電動勢往往只有幾個毫伏，記錄的數據往往會有上下起伏的變化，影響平 衡狀態的判斷，進而影響測量的精度。同樣采用鉑電阻（如PtKKKPtlOOO)測量，利用了類似 熱敏電阻阻值隨溫度變化的性質，將電阻阻值轉換為對應的溫度，這樣經過計算的溫度誤 差比較大;雖然它的線性好，但是它的熱響應慢。 目前測量實驗儀器中多采用單個熱電偶或者Pt電阻，操作時需將傳感器在發熱 盤、散熱盤之間更換，操作繁瑣，易于受環境的影響，通過單個傳感器測的有限幾組數據不 能準確判定系統是否達到平衡狀態，計時基本采用秒表計時，人工對溫度進行采集和記錄， 通過手工作圖法或者逐差法求得散熱速率，最后求得的導熱系數誤差往往偏大。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了解決上述問題，提供一種穩態法導熱系數測量實驗系統及 測量方法，它具有有效提高測量結果的精度和準確性的優點。 為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案： -種穩態法導熱系數測量實驗系統，包括：依次連接的待測裝置、下位機和上位 機； 所述待測裝置包括：自上而下同軸緊貼平行放置的發熱盤、樣品盤和散熱盤，所述 發熱盤通過加熱控溫模塊控制加熱;所述發熱盤通過第一溫度傳感器與下位機連接，所述 散熱盤通過第二溫度傳感器與下位機連接； 上位機通過發送控制指令，告知下位機對待測裝置進行熱平衡數據采集或者散熱 曲線數據采集。 所述下位機與上位機之間通過串口進行通信，采用串口轉USB電路，直接連接上位 機電腦的USB插孔。 所述加熱控溫模塊包括：隔離變壓器，所述隔離變壓器的一端與220V交流電連接， 所述隔離變壓器的另外一端與加熱棒連接，所述變壓器與加熱棒連接線路上設有繼電器， 所述繼電器由PID控制器控制，PID控制器控制繼電器來驅動加熱棒對發熱盤加熱，所述PID 控制器還與加熱棒連接，采集加熱棒的溫度，實現溫度的控制。所述隔離變壓器將220V交流電轉換為36V、24V兩種不同的交變電壓；用戶根據不 同的加熱需要進行選擇。所述上位機是人機交互系統，包括控制單元，所述控制單元分別與熱平衡數據采 集及平衡判斷模塊、存儲計算模塊、散熱曲線數據采集存儲模塊、發送控制指令模塊和數據 合成轉換模塊連接，其中，所述熱平衡數據采集及平衡判斷模塊還分別與熱平衡數據坐標 跟蹤作圖模塊和加熱數據Excel導出模塊連接;所述散熱曲線數據采集存儲模塊還分別與 散熱曲線的坐標跟蹤作圖曲線擬合模塊和散熱數據Exce 1導出模塊連接。控制指令發送模塊和數據轉換運算模塊均與下位機連接。 所述熱平衡數據采集及平衡判斷模塊，用于加熱數據采集及平衡的判斷； 所述存儲計算模塊，用于加熱過程中存儲達到平衡溫度數據的存儲及平衡點的計 算、散熱過程中平衡點散熱速率的計算、最終導熱系數的計算； 所述散熱曲線數據采集存儲模塊，用于散熱曲線的溫度-時間數據采集存儲； 所述發送控制指令模塊，用于發送控制指令給下位機，指示下位機發送加熱過程 數據還是散熱過程數據； 所述數據合成運算模塊，完成對下位機發送的低八位、高八位溫度數據的合成運 算； 所述熱平衡數據坐標跟蹤作圖模塊，用于加熱過程的發熱盤、散熱盤溫度-時間坐 標跟蹤作圖； 所述加熱數據Excel導出模塊，用于對加熱過程的溫度-時間坐標數據導入Excel 中以進行分析； 所述散熱曲線坐標跟蹤作圖及曲線擬合模塊，用于對散熱過程的溫度-時間坐標 數據跟蹤作圖； 所述散熱數據Excel導出模塊，用于對散熱過程的溫度-時間坐標數據導入Excel 進行分析。 所述下位機包括單片機，所述單片機分別與時鐘電路、復位電路、蜂鳴報警電路、 液晶顯示電路和串口轉USB電路連接，單片機與液晶顯示器連接，單片機通過串口轉USB電 路直接與上位機連接。 -種穩態法導熱系數測量實驗系統的測量方法，包括以下步驟： 步驟(1):加熱控溫模塊的加熱棒對發熱盤進行第一加熱過程，熱量通過樣品盤傳 到散熱盤； 步驟(2):通過第一溫度傳感器檢測發熱盤的溫度，通過第二溫度傳感器檢測散熱 盤的溫度，第一、第二溫度傳感器采集的溫度都傳輸給下位機進行處理，并通過下位機連接 的液晶顯示器顯示； 步驟(3):下位機處理后的數據傳輸給上位機，在上位機中，溫度-時間數據以曲線 方式在直角坐標系顯示;根據曲線直觀判斷是否達到平衡狀態； 若達到平衡狀態，則下位機采集達到平衡狀態的溫度數據:發熱盤TdP散熱盤T2， 分別存于兩數組中，通過分別求取兩組數的平均值，獲得發熱盤平衡溫度值和散熱盤平 衡溫度值5; 步驟(4):將發熱盤和散熱盤直接接觸加熱，實現第二加熱過程，當加熱到設定曲 線溫度采集范圍的上限值（$+1〇)°Γ時，下位機發出報警信號；下位機發出報警信號后， 分離加熱盤和散熱盤，散熱盤轉入散熱過程； 此時下位機開始記錄散熱盤的散熱曲線數據并送上位機；由上位機完成散熱曲線 的采集； 步驟(5):當加熱到設定曲線溫度采集范圍的下限值時，下位機發出 報警信號，并停止記錄散熱曲線數據； 步驟(6):將采集的數據存儲顯示于坐標系中，作出散熱曲線，基于最小二乘法的 二次多項式擬合，得出散熱曲線方程，在散熱曲線上查找r = ，并求該點切線斜率，切 AT 線斜率即為I ，，代入傅里葉熱傳導方程計算出導熱系數λ。 At - 所述散熱曲線溫度采集的范圍是指在平衡點溫度值上下浮動設定溫度值。 所述傅里葉熱傳導方程： _ _ , AT f Rc^r2hc 1,?、1 ^ c ψ)·1 ⑶' Δ/ + -2/ζ^ J Τγ - ?，ττΜ-β 其中Rb為樣品盤的半徑，RC為散熱盤的半徑，hB為樣品盤的厚度，hc為散熱盤的厚 度，m為散熱盤的質量，co為散熱盤的比熱容。本專利技術的有益效果： 1.可實現加熱裝置的高精度溫度控制，利于系統實現平衡狀態，進一步減小環境 溫度的影響誤差，； 2.由曲線可直觀判斷系統是否達到平衡狀態，進而獲得較為準確的平衡點溫度 3.可設定采樣時間間隔進行數據采集，采用最小二乘法的二次多項式擬合散熱曲 線，符合散熱盤與室溫溫差相差越大，散熱速率越快，接近室溫散熱速率變慢的實際物理過 程。 4.利用計算機進行數據處理，提高了測量的精度，提高了實驗測量的自動化程度。【附圖說明】圖1為本專利技術測量示意圖；圖2為本專利技術的系統框圖； 圖3 (a)為本專利技術的圖2的加熱控溫模塊； 圖3(b)為本專利技術的圖2的上位機內部模塊示意圖； 圖3(c)為本專利技術的圖2的下位機內部模塊示意圖；圖4為本專利技術的上位機顯示界面示意圖；圖5(a)和圖5(b)為本專利技術的上位機程序設計流程圖；圖6為下位機程序設計框圖； 圖7為上下盤數據采集及平衡判斷示意圖； 圖8為數據Excel導出及分析；圖9為散熱曲線采集及計算截圖。【具體實施方式】下面結合附圖與實施例對本專利技術作進一步說明。如圖1所示，將發熱盤、樣品盤、散熱盤三者自上向下本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種穩態法導熱系數測量實驗系統，其特征是，包括：依次連接的待測裝置、下位機和上位機；所述待測裝置包括：自上而下同軸緊貼平行放置的發熱盤、樣品盤和散熱盤，所述發熱盤通過加熱控溫模塊控制加熱；所述發熱盤通過第一溫度傳感器與下位機連接，所述散熱盤通過第二溫度傳感器與下位機連接；上位機通過發送控制指令，告知下位機對待測裝置進行熱平衡數據采集或者散熱曲線數據采集。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王龍，蘇玉亮，李東霞，姚遠，高原，王彥娟，梁桐啟，劉金玉，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：山東;37