CN210604469U

CN210604469U - 稳态法测量不良导体导热系数实验装置

Info

Publication number: CN210604469U
Application number: CN201921103538.XU
Authority: CN
Inventors: 张国尚; 陈逸飞; 李文清
Original assignee: Civil Aviation University of China
Current assignee: Civil Aviation University of China
Priority date: 2019-07-15
Filing date: 2019-07-15
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2029-07-15

Abstract

本实用新型提供了一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，涉及导热系数测量的技术领域，包括：加散热装置，温度采集器、计算机；加散热装置包括加热盘及散热盘；加热盘包括第一温度传感器；散热盘包括第二温度传感器；温度采集器与计算机相连。本实用新型利用计算机对温度采集器采集的数据进行计算，减少了人为因素对导热系数测量结果的影响，同时本实用新型提供的装置配有热流传感器以及电压表，简化了实验流程，同时在热流传感器的上表面以及热流传感器的下表面均覆有导热材料，并在待测样品侧面覆有隔热材料以减少实验过程中的热量损失，提高了导热系数结果的准确性。

Description

稳态法测量不良导体导热系数实验装置

技术领域

本实用新型涉及导热系数测量技术领域，尤其是涉及一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置。

背景技术

导热系数是材料的一种基本物理性能参数，测量材料的导热系数是大学物理热学实验中的一个重要内容。稳态法测量不良导体导热系数实验装置应用于大学物理教学，测量不良导体导热系数实验过程如下：人工分别记录稳态时试样上下表面的温度及散热盘自然冷却时温度变化并用坐标纸作图求解冷却速率。虽然该实验在培养学生用秒表、坐标纸、计算器等工具记录处理数据方面具有重要意义，但由于忽略了导体侧面传热，且因数据记录以及计算均由人工进行，实验测得的结果具有较大的分散性，无法用于科学研究。随着信息技术的发展现代测量导热系数的仪器无一例外地采用计算机采集并处理相应实验数据，主流导热系数测试仪器依据的标准如ASTM D5470、ASTM E1530还引入了热流传感器从而使测试过程由三个阶段变为一个阶段，缩短了测试时间，简化了测试流程，提高了测试精度。可见，原有稳态法测量不良导体导热系数实验装置与工程实际采用的装置存在严重脱节，原有实验装置为了提高学生的运算能力对温度进行人工记录，智能化程度低，同时测得的结果受人为影响较大，无法用于科学研究。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于计算机数据采集处理的稳态法测量不良导体导热系数实验装置，以加强现有稳态法测量不良导体导热系数装置与工程实际联系，同时降低现有装置的智能化程度低、测得的结果受人为影响较大、无法用于科学研究的技术问题。

本实用新型实施例提供了一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，包括：导热系数加散热装置，温度采集器以及计算机；

导热系数加散热装置包括散热盘以及加热盘；

待测样品的上表面与上述加热盘接触；

上述待测样品的下表面与上述散热盘接触；

上述加热盘包括第一温度传感器，上述第一温度传感器将上述待测样品的上表面温度θ₁传输至上述温度采集器；

具体的，上述第一温度传感器为第一热电偶，上述第一热电偶与上述温度采集器相连，上述第一热电偶用于测量上述待测样品的上表面温度θ₁；

上述散热盘包括第二温度传感器，上述第二温度传感器将上述待测样品的下表面温度θ₂传输至上述温度采集器；

具体的，上述第二温度传感器为第二热电偶，上述第二热电偶与上述温度采集器相连，上述第二热电偶用于测量上述待测样品的下表面温度θ₂；

上述温度采集器与上述计算机相连。

在本实用新型提供的实施例中，优选的，上述待测样品覆有隔热材料；

具体的，上述隔热材料覆盖待测样品的侧面(除待测样品的上表面以及待测样品的下表面)，上述隔热材料可以为石棉、陶瓷、玻璃纤维以及纳米气凝胶毡等任意具有隔热性能的材料；

在实际操作中，实验人员可预先将上述待测样品侧面覆上隔热材料，将覆有隔热材料的待测样品放置于上述加热板与散热板之间。

本实用新型实施例提提供的稳态法测不良导体导热系数实验装置，还包括热流传感器以及电压表；

上述热流传感器与上述电压表相连，上述电压表用于测量上述热流传感器的两端的电压；

上述热流传感器与所述电压表用于测量上述待测样品轴向的热流密度。

为了实现上述热流传感器的安装，上述散热盘靠近上述待测样品的一面开设沟槽；

为了实现热流传感器与待测样品以及散热板的充分热接触，上述热流传感器的上表面以及上述热流传感器的下表面均覆有导热材料；

具体的，上述导热材料为导热硅脂。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：本实用新型提供了一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，包括：导热系数加散热装置，温度采集器，计算机；导热系数测量装置包括散热盘以及加热盘；加热盘包括第一温度传感器，第一温度传感器将待测样品的上表面温度θ₁传输至温度采集器；散热盘包括第二温度传感器，第二温度传感器将待测样品的下表面温度θ₂传输至温度采集器；温度采集器与计算机相连。本实用新型利用计算机对温度采集器采集的数据进行计算，减少了人为因素对导热系数结果的影响，同时配有热流传感器以及电压表，简化了实验流程，同时在热流传感器的上表面以及热流传感器的下表面均覆有导热材料，并在待测样品侧面覆有隔热材料以减少实验过程中的热量损失，提高了导热系数结果的准确性。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的所述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的导热系数测量装置主视图；

图2为本实用新型实施例提供的导热系数测量装置后视图；

图3为本实用新型实施例提供的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置；

图4为本实用新型实施例提供的另一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，基于此，本实用新型实施例提供的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，可以加强现有技术中稳态法测不良导体导热系数实验装置与工程实际联系，同时减小现有技术中稳态法测不良导体导热系数实验装置为了提高学生的运算能力对温度进行人工记录导致装置的智能化程度低、测得的结果受人为影响较大、无法用于科学研究的技术问题。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置进行详细介绍。

实施例一：

结合图1、图2以及图3，本实用新型实施例提供了一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，包括：导热系数加散热装置、温度采集器2以及计算机3；

上述导热系数加散热装置包括加热盘4与散热盘5；

待测样品的上表面与上述加热盘4接触；

上述待测样品的下表面与上述散热盘5接触；

具体的，在本实用新型提供的实施例中，为了使上述加热盘4对上述待测样品进行加热，上述导热系数测量装置1上方配有电阻加热丝，同时为了减少试验过程的热量损失，上述导热系数测量顶部配有隔热罩，在上述导热系数测量装置底部配有两个显示屏，可以显示对加热盘4以及散热盘5的温度进行实时显示；

上述加热盘4包括第一温度传感器，上述第一温度传感器将上述待测样品的上表面温度θ₁传输至上述温度采集器2；

具体的，上述第一温度传感器为第一热电偶，上述第一热电偶与上述温度采集器2相连，上述第一热电偶用于测量上述待测样品的上表面温度θ₁；

上述散热盘包括第二温度传感器，上述第二温度传感器将上述待测样品的下表面温度θ₂传输至上述温度采集器2；

具体的，上述第二温度传感器为第二热电偶，上述第二热电偶与上述温度采集器2相连，上述第二热电偶用于测量上述待测样品的下表面温度θ₂；

进一步的，在本实用新型提供的实施例中，上述第一热电偶、第二热电偶均为K型热电偶，由于现有技术中K型热电偶测得的温度值以电压值的呈现，因此在本使用新型提供的实施例中，相适配的温度采集器为OMEGA公司生产的OM-DAQ-USB-2401热电偶/电压数据采集器，上述温度采集器与上述计算机相连。

需要说明的是，温度采集器将上述待测样品的上表面温度θ₁以及上述待测样品的下表面温度θ₂传输至计算机3；

在△t时间内通过上述待测样品的热量待测样品的下表面温度△Q可通过下式进行计算：

θ₁—待测样品的上表面温度；

θ₂—待测样品的下表面温度；

λ—待测样品的导热系数；

S_底—待测样品底面面积。

实验时，当达到稳态时记录待测样品的上表面温度θ₁以及待测样品的下表面温度θ₂后将待测样品抽去，使加热盘与散热盘接触，当散热盘的温度上升到高于θ₂一定值后移开加热盘，让散热盘在风扇作用下冷却并记录散热盘温度随时间下降情况，求出散热盘在θ₂时冷却速率

由物理知识可知：

m—散热盘的质量；

c—散热盘比热容；

稳态时散热盘上表面并未暴露在空气中，而物体的冷却速率与它的散热面积成正比，由物理知识可知：

由式(1)—式(3)得：

R_p—散热盘半径；

h_p—散热盘厚度；

d_B—待测样品的直径；

h_B—待测样品的厚度；

计算机3可对温度采集器采集到的温度数据进行存储并读取，再利用Origin软件或Matlab、C语言、R语言等对采集的温度数据进行处理获得导热系数。这样就减小了人工记录温度变化带来的测量误差，同时采用计算机软件或编程语言处理实验数据，利用软件计算较传统方法在待测样品的下表面温度θ₂附近取两点计算冷却速率或用镜尺法作曲线在待测样品的下表面温度θ₂点切线从而根据切线斜率计算冷却速率能大幅提高数据处理精度。

实施例二：

需要说明的是，在本实用新型实施例的其他实施方式中，如图4所示，为了简化导热系数的实验流程，假定电能完全转化为热能，则可认为热端电源输出功率P等于散热板的散热速率；

因此可将式(1)转化为：

因此，为了获取热流密度

本实用新型实施例提供的装置还包括热流传感器(图中沟槽301内)以及电压表302；

上述热流传感器与上述电压表302相连，上述电压表302用于测量上述热流传感器两端的电压；

热流密度计算公式如下：

将式(6)代入式(5)中可得：

V—热流传感器的直流电压；

S—热流传感器的灵敏度；

进一步的，上述热流传感器采用greenTEG公司的XM269C，上述电压表采用型号为Keysight 34461A的万用表。

为了实现上述热流传感器的安装，上述散热盘靠近上述待测样品的一面有开设沟槽301；

具体的，热流传感器应与待测样品紧密接触，优选压紧力在10N～100N范围内以确保热接触良好；因压紧力过大会引起热流传感器变形从而产生附加电压，压力过小则会导致热流传感器无法与待测样品紧密接触而产生热量损失。

因热流传感器的引入会造成原来热量传递路径发生一定变化，因此为了确保引入热流传感器和未引入热流传感器时传热路径基本一致，并实现热流传感器与待测样品以及散热板的充分热接触，上述热流传感器的上表面以及上述热流传感器的下表面均覆有导热材料；

具体的，上述导热材料为导热硅脂。

在本实用新型提供的实施例中，为了减少待测样品在测量过程中的热量损失，优选的，上述待测样品上覆有隔热材料；

具体的，上述隔热材料覆于待测样品的侧面(除待测样品的上表面以及待测样品的下表面)，上述隔热材料可以为石棉、陶瓷、玻璃纤维以及纳米气凝胶毡等任意具有隔热性能的材料；

在实际操作中，可预先将上述待测样品侧面覆上隔热材料，将覆有隔热材料的待测样品放置于上述加热板与散热板之间。

在本实用新型提供的装置使用中，仅需将上述待测样品放置于上述加热盘与上述散热盘中间，即可实现对上述待测样品的导热系数进行测量。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的***和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种稳态法测不良导体导热系数实验装置，其特征在于，包括：导热系数加散热装置，温度采集器以及计算机；

所述导热系数加散热装置包括加热盘以及散热盘；

待测样品的上表面与所述加热盘接触；

所述待测样品的下表面与所述散热盘接触；

所述加热盘包括第一温度传感器，所述第一温度传感器将所述待测样品的上表面温度θ₁传输至所述温度采集器；

所述散热盘包括第二温度传感器，所述第二温度传感器将所述待测样品的下表面温度θ₂传输至所述温度采集器；

所述温度采集器与所述计算机相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述待测样品侧面覆有隔热材料。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一温度传感器为第一热电偶，所述第一热电偶与所述温度采集器相连，所述第一热电偶用于测量所述待测样品的上表面温度θ₁。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二温度传感器为第二热电偶，所述第二热电偶与所述温度采集器相连，所述第二热电偶用于测量所述待测样品的下表面温度θ₂。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括热流传感器以及电压表；

所述热流传感器与所述电压表相连，所述电压表用于测量所述热流传感器的电压；

所述热流传感器与所述电压表用于测量所述待测样品轴向的热流密度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述散热盘靠近所述待测样品的一面开设沟槽，所述沟槽用于安装所述热流传感器。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述热流传感器的上表面以及所述热流传感器的下表面均覆有导热材料。