CN102645449A - 实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪，该仪器的测试栈体包括热板、冷板，其中热板与热板固定座之间夹有加热膜，冷板与热板结构相似。真空***有真空箱、真空泵、密封垫和密封底板，通过真空泵可实现真空绝热功能。厚度测量模块由可输出电位移信号的位移传感器组成，位移信号进入控制器，实现自动测量试件厚度的功能，整个仪器由一台计算机进行测控。本发明的效果是通过真空腔克服环境对测量稳定性的影响，同时，对试件厚度实现自动测量，避免手动测量带来的人为误差；提高仪器的测量重复性、准确度以及自动化程度。本发明可广泛用于绝热和保温材料的生产企业、相关质量检验部门和单位、高等院校和研究所等科研单位。

Description

实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪

技术领域

本发明涉及一种导热系数测定仪，特别是一种能够实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪。

背景技术

导热系数是用来衡量绝热材料与保温材料的导热特性和保温性能的重要参数，是材料热物性参数中的重要组成部分，表征了材料导热能力的大小，在工业领域、电子领域、建筑领域以及航空航天领域等都有着极为重要的应用。为了更好地降低能耗、节能减排，以及优化产品设计、提高产品性能，材料的热物性参数数据具有很高的指导意义，因此对材料导热系数测定方法的研究具有很重要的现实意义。

导热系数测定方法主要分为瞬态法和稳态法，目前应用最为广泛的是稳态法中的基于傅里叶一维传热定律的护热平板法导热仪，该方法测量精度高，重复性好，但存在着测量范围小、测量结果受接触热阻影响较大等缺点。防护热流计法导热仪虽然测量准确度不如防护热板法导热仪，但其具有测量范围大的特点，可以很好地弥补防护热板法导热仪的不足，实现对高分子材料、陶瓷、复合材料、玻璃、橡胶以及部分金属等大导热系数材料的测量，这对科学研究和生产实践具有很高的参考价值，对建筑节能和测试也有重要意义。

现阶段处于领先地位的基于热流计法的导热仪主要是外国生产的，国内虽然有相关产品，但技术远不成熟，可靠性差。而进口一台防护热流计法导热系数测定仪价格又过于昂贵。因此，自主研发设计一套廉价实用的防护热流计法导热系数测定仪具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中结构上的不足，本发明的目的是提供一种实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪，通过真空腔克服环境对测量稳定性的影响，同时，对试件厚度实现自动测量，避免手动测量带来的人为误差；提高仪器的测量重复性、准确度以及自动化程度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪，其中：该测定仪包括测试栈体、真空***、加热***、制冷装置、厚度测量模块、支撑结构、控制器、计算机；所述的测试栈体、真空***、加热***、厚度测量模块均安装在支撑结构内，测试栈体设在真空***内，厚度测量模块位于真空***侧部，厚度测量模块的位移传感器通过传动轴与测试栈体相连，加热***中的加热膜和温度传感器设在测试栈体上，制冷装置包括外部制冷机和制冷管道，制冷管道位于真空***内，控制器包括信号采集模块、温度调控模块、通信模块，信号采集模块和温度调控模块通过通信模块实现与计算机之间的通信；加热***中的温度传感器测得的信号一路送入控制器的温度调控模块，实现对加热膜加热温度的控制，另一路信号经过控制器传输至计算机，厚度测量模块的位移传感器信号经控制器，通过数据传输直接送至计算机。

本发明的效果是通过真空腔减小环境对测量稳定性的影响，同时，对试件厚度实现自动测量，避免手动测量带来的人为误差；提高仪器的测量重复性、准确度以及自动化程度。本发明可广泛用于绝热和保温材料的生产企业、相关质量检验部门和单位、高等院校和研究所等科研单位，具有高精度、高效率、低功耗、低噪声、易操作等特点，符合社会现代化发展的趋势。

附图说明

图1为本发明的测定仪机械结构示意图；

图2为本发明的测定仪电气控制框图。

图中：

1、手柄  2、螺杆  3、连接板  4、连接杆  5、传动轴

6、位移传感器移动部分  7、位移传感器固定部分  8、真空箱

9、护板冷套  10、防护板  11、热板加热膜  12、护热板加热膜

13、热流传感器  14、冷板加热膜  15、密封垫  16、密封底板

17、支撑底板  18、冷板固定座  19、冷板  20、温度传感器

21、热板  22、热板固定座  23、制冷管道  24、螺母  25、螺杆

26、螺杆固定架  27、手柄  28、支撑杆  29、支撑顶板

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪结构做进一步说明。

本发明采用的是一维稳态方法中的防护热流计法，即利用稳定传热过程中传热速率等于散热速率的平衡状态，根据傅里叶一维稳态热传导模型，通过测量热流密度、试样两侧温差和试样厚度计算材料的导热系数。基本计算方法如下：

$R=\frac{\mathrm{\ΔT}}{q}---\left(1\right)$

$C=\frac{1}{R}---\left(2\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{d}{R}---\left(3\right)$

式中，R为试样热阻值，C为试样热传导率，λ为试样导热系数值，ΔT为试样上下表面温差，q为热流密度，d为试样厚度。

本发明的实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪，其结构如图1所示，该测定仪包括测试栈体、真空***、加热***、制冷装置、厚度测量模块、支撑结构、控制器、计算机；所述的测试栈体、真空***、加热***、厚度测量模块均安装在支撑结构内，测试栈体设在真空***内，厚度测量模块位于真空***侧部，厚度测量模块的位移传感器通过传动轴与测试栈体相连，加热***中的加热膜和温度传感器设在测试栈体上，制冷装置包括外部制冷机和制冷管道，制冷管道位于真空***内，控制器包括信号采集模块、温度调控模块、通信模块，信号采集模块和温度调控模块通过通信模块实现与计算机之间的通信；加热***中的温度传感器测得的信号一路送入控制器的温度调控模块，实现对加热膜加热温度的控制，另一路信号经过控制器传输至计算机，厚度测量模块的位移传感器信号经控制器，通过数据传输直接送至计算机。

所述的测试栈体包括热板21、冷板19，热板、冷板一般为圆柱形，直径在40～60mm之间，也可以根据热流传感器的外形尺寸进行选择，通常略大于热流传感器的外形尺寸。热板、冷板分别固定于热板固定座22、冷板固定座18上，热板与热板固定座之间以及冷板与冷板固定座之间安装有热板加热膜11、冷板加热膜14，其形状与热板和冷板形状一致，用于对热板和冷板的加热，同时，热板和冷板内均置有温度传感器20，温度传感器选用T型热电偶，其输出电信号通过信号采集和传输送入控制器和计算机，通过控制器实现对热板和冷板的温度控制。热板固定座22和冷板固定座18起固定和支撑的作用。

所述的真空***由真空泵、真空箱8、密封垫15和密封底板16组成。旋转手柄1使真空箱降到底部密封垫上，真空箱、密封垫和密封底板组成一个密封的腔体，打开真空泵抽取密闭腔体内的空气，实现真空箱真空绝热的功能。真空箱的内侧还固定有热保护炉，主要由护热板10、护板冷套9组成，热保护炉随真空箱上下移动，其横截面与测试栈体一致，并将测试栈体完全围护，在护热板和护板冷套之间安装有加热膜12和温度传感器20，温度传感器选用T型热电偶，温度值一般设定为热板和冷板的平均温度。热保护炉和真空***一起为仪器提供一个真空绝热恒温的测量环境，大大提高了仪器测量的准确度和重复性。

所述的加热***主要由电源、加热膜、温度传感器、温度调控模块组成。加热膜包括热板加热膜11、冷板加热膜14和防护板加热膜12，热板加热膜和冷板加热膜的形状与热板和冷板一致，分别安装在热板21、冷板19与对应热板固定座22、冷板固定座18之间，热保护炉加热膜形状为矩形，安装在护热板10与护板冷套9之间。在热板和冷板以及护热板上都安装有温度传感器20，温度传感器选用T型热电偶，其输出信号一路送入控制器的温度调控模块，用于控制加热膜的加热温度，另一路经过控制器的信号采集模块和通信模块直接送入计算机。在测量过程中，热板、冷板和护热板温度均由计算机设定，其大小可根据材料的性质设定。

所述的制冷装置可根据测量温度的不同选择合适的制冷机或循环装置，例如，当测量温度在-20℃～300℃之间时可选用合适的制冷机或水循环装置，当测量温度在-120℃～-20℃时可选用液氮冷却。制冷装置的主要作用是为测量过程提供所需要的环境温度，特别是低温环境。在热保护炉外侧安装有制冷管道23，通过焊接工艺固定在热保护炉上，制冷管道为双螺旋形围绕于热保护炉的外周，如图1所示，图中o表示制冷管道，作为制冷介质(水或液氮)的流通管道。制冷装置的作用主要是吸收热保护炉内多余的热量，同热保护炉一起为测量过程提供所需要的环境温度。

所述的防护热流计法导热系数测定仪，其真空箱和测试栈体的升降均采用螺旋传动的形式实现，如图1所示，真空箱8上安装有四根连接杆4，连接杆连接在连接板3上，连接板与螺杆2通过万向节连接，旋转手柄1通过螺杆传动，从而实现真空箱的升降；螺杆固定架26固定在真空箱顶部，用于固定螺杆25使其只能发生旋转，螺杆25与手柄27固定在一起，螺母24左半部分与传动轴5刚性连接在一起，右半部分与螺杆25相连，传动轴下端通过万向节与热板固定座22相连，旋转手柄27通过螺旋传动带动传动轴上升或下降，从而实现测试栈体热板的升降。整个装置的支撑结构由支撑顶板29、支撑底板17和支撑杆28等组成。

所述的厚度测量模块主要包括位移传感器等，位移传感器包括固定部分7和移动部分6，固定部分固定在真空箱顶部，移动部分安装在螺母24上，当旋转手柄27通过螺杆25与螺母24之间的传动带动传动轴5上升或下降时，位移传感器产生电位移信号，经过控制器的信号采集模块采集信号并送入计算机存储。例如，位移传感器选用差动变压器式位移传感器LVDT或滑动变阻器式位移传感器，当冷板19上不放置试件时，旋转手柄27使测试栈体热板下降并压紧冷板，此时输出数据设置为0，由于位移传感器输出信号与位移量成正比，因此，在放置好试件并压紧后，位移传感器移动部分的位移量即为试件的厚度，通过对位移传感器电位移信号的采集和传输可实现对试件厚度的测量。此外，热板固定座22与传动轴5之间采用万向节方式连接，使热板可垂直与竖直方向在5°内活动，保证了在压紧试件时有最大的接触面积，从而减小了接触热阻和厚度测量的误差。通过标定，满足测量的精度要求。

所述的防护热流计法导热系数测定仪，在冷板顶端安装有高精度的热流传感器13，其形状与冷板形状一致，用以测量热流密度值，其输出电信号经过信号采集送入计算机。

所述的控制器包括信号采集模块、温度调控模块、通信模块等，如图2所示。信号采集模块主要由温度采集卡和信号采集卡组成，实现对温度传感器、热流传感器和位移传感器输出电信号的采集，温度调控模块由通用的温控仪表及电压控制仪器组成，用于控制加热膜的加热温度，通信模块采用通用的RS485设备实现控制器的温度调控模块和信号采集模块与计算机之间的数据通信，由于计算机不能直接实现RS485通信，因此在控制器的通信模块中安装RS-232/RS-485转换器以实现正常通信。所述的控制器主要负责整个仪器的电气化控制、测量传感、信号采集处理和数据通信，是仪器的重要组成部分，控制器与机械执行***紧密配合，顺利实现仪器的智能测量控制过程。

该测定仪的主要技术参数：

1、测量范围：0.1～40W/(m·K)

2、温度范围：-120～300℃

3、试样尺寸：一般为圆柱形，直径在40～60mm之间，也可以根据热流传感器的外形尺寸进行选择

4、电源电压：220VAC，50Hz

5、重复性：±1％～1.5％取决于样品热阻

6、准确度：±2％～7％取决于样品热阻

试件要求

1、制作一块试件，一般为圆柱形，直径在40～60mm之间，也可以根据热流传感器的外形尺寸进行选择。

2、在试件上下表面均匀涂抹尽量薄的一层导热硅胶或放置一层柔性热传导介质，以减小接触面的接触热阻。

所述的防护热流计法导热仪具体测试过程如下：

1、制作试件：(具体要求上文结构中已述)

2、安装试件：

(1)旋转手柄使真空箱和测试栈体热板上升。

(2)将制作好的试件安装在冷板上，并紧靠热流传感器，观察试件放置是否妥当，位置是否合适，否则重复上述过程。

(3)旋转手柄使真空箱下降并压紧密封垫，控制测试栈体下降，使热板压紧试件。

3、打开电源，开启真空泵，将真空箱内空气抽真空。

4、打开冷却装置，将制冷介质输入制冷管道，使环境温度达到测量要求。

5、在计算机上，设置热板、冷板以及护热板的温度(按材料要求设置)，初始化485设备，等待热传递达到平衡状态，当所有测量温度在1分钟内变化量不超过0.1℃时，计算机将自动保存各温度值、厚度测量值以及热流密度值。

6、分析数据打印测试结果，完成对材料导热系数的测定，旋转手柄使真空箱和测试栈体上升，取出试件。

本发明的实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪实现了真空绝热和厚度测量的功能，提高了测量的精度和重复性。

Claims (7)

1.一种实现真空绝热和厚度测量功能的防护热流计法导热系数测定仪，其特征是：该测定仪包括测试栈体、真空***、加热***、制冷装置、厚度测量模块、支撑结构、控制器、计算机；所述的测试栈体、真空***、加热***、厚度测量模块均安装在支撑结构内，测试栈体设在真空***内，厚度测量模块位于真空***侧部，厚度测量模块的位移传感器通过传动轴与测试栈体相连，加热***中的加热膜和温度传感器设在测试栈体上，制冷装置包括外部制冷机和制冷管道，制冷管道位于真空***内，控制器包括信号采集模块、温度调控模块、通信模块，信号采集模块和温度调控模块，通过通信模块实现与计算机之间的通信；加热***中的温度传感器测得的信号一路送入控制器的温度调控模块，实现对加热膜加热温度的控制，另一路信号经过控制器传输至计算机，厚度测量模块的位移传感器信号经控制器，通过数据传输直接送至计算机。

2.根据权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征是：所述测试栈体包括热板、冷板，热板、冷板分别固定于热板固定座、冷板固定座上，热板与热板固定座之间以及冷板与冷板固定座之间均安装有加热膜，加热膜形状与热板和冷板形状一致，热板固定座与传动轴下端相连，传动轴与螺母左侧刚性连接在一起，螺母右侧与螺杆相连，螺杆固定在螺杆固定架上，旋转手柄，通过螺旋传动可实现测试栈体热板的升降。

3.根据权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征是：所述真空***包括真空箱、真空泵、密封垫和密封底板，密封底板固定在所述支撑结构底端，密封垫固定在密封底板上，真空箱通过连接杆、连接板、螺杆连接在支撑结构上，当真空箱下降时落在密封垫上，真空泵设在真空箱一侧，并通过贯穿密封底板的管道与真空箱内连通。

4.根据权利要求3所述的导热系数测定仪，其特征是：所述真空箱内固定有热保护炉，所述热保护炉包括护热板和护板冷套，能够随真空箱上下移动，热保护炉的横截面与所述测试栈体一致，并将测试栈体完全围护，护热板与护板冷套之间安装有加热膜，在防护板加热膜内侧安装有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征是：所述厚度测量模块包括有可输出电位移信号的位移传感器，位移传感器包括固定部分和移动部分，固定部分固定在所述真空箱顶部，移动部分设在与传动轴相连的螺母上，当传动轴带动测试栈体热板升降时，位移传感器产生电位移信号，经信号采集并送入计算机存储，实现对试件厚度的测量。

6.根据权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征是：所述的制冷装置包括外部制冷机和制冷管道，制冷管道固定在所述的热保护炉外侧，双螺旋形的制冷管道围绕于热保护炉的外周，用于吸收热保护炉内多余的热量。

7.根据权利要求1所述的导热系数测定仪，其特征是：所述的控制器的通信模块采用通用的RS485通信设备，实现控制器的温度调控模块和信号采集模块与计算机之间的数据通信。

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