專利名稱：一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，尤其涉及一種采用熱電堆作為熱流，溫度檢測(cè)組件的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置。
背景技術(shù)：
導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)最基本的熱物理性質(zhì)之一，在能源、化工、制冷等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在目前測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的各種方法中，從原理上大致可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是目前在生產(chǎn)、科研、教學(xué)領(lǐng)域中最常用的一種方法，其理論依據(jù)是傅立葉導(dǎo)熱方程。
dQ=-λdθdZ·ds·dt---(1)]]>它表示在物體內(nèi)部，在dt時(shí)間內(nèi)，垂直通過面積ds的熱量為dQ，式中 為溫度梯度，λ稱為該物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號(hào)表示熱量向溫度低的方向傳遞。對(duì)于一塊厚度為h，面積為S的平板，若達(dá)到穩(wěn)態(tài)后維持其上下面有穩(wěn)定的溫度θ1與θ2，則在t秒內(nèi)沿著垂直于面積S的方向傳遞的熱量為Q=λ(θ1-θ2)·S·th---(2)]]>由(2)式變形后可得到λ=hS(θ1-θ2)·Qt---(3)]]>(3)式中 為穩(wěn)態(tài)熱流。從(3)式中可看出，若知道h，S，θ1，θ2及 后，即可求得待測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其中穩(wěn)態(tài)熱流的測(cè)量是最困難的。通常對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱流采用以下幾種方法測(cè)量1.在保證待測(cè)材料周圍絕熱的條件下，用已知大小的恒定功率的熱源加熱，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，認(rèn)為此熱源的加熱功率即為穩(wěn)態(tài)熱流的大?。?.在待測(cè)材料的熱面和冷面之間形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)溫差后，熱流從熱面流至冷面并被水冷卻的量熱器帶走，根據(jù)中心量熱器的溫度升高及水流量則可測(cè)出被中心量熱器所吸收的熱量，從而可以求出穩(wěn)態(tài)熱流；3.讓待測(cè)材料的冷面與一塊已知質(zhì)量和熱容的散熱板接觸，通過測(cè)量散熱板處于冷面的穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)的冷卻速率，即可求得穩(wěn)態(tài)熱流。對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱流測(cè)量的以上三種方法，第一種雖然熱流的大小可以通過電能加熱精確提供，但是為保證穩(wěn)態(tài)法成立的基本條件必須使熱流只沿指定的方向傳導(dǎo)，在其它方向完全沒有熱流通過，這就對(duì)其它面的絕熱提出了相當(dāng)高的要求，具體實(shí)施時(shí)有相當(dāng)?shù)睦щy，第二及第三種方法直接測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱流的大小，測(cè)量過程較繁瑣，并且在測(cè)量過程中很容易造成熱流損失，使得最后導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度降低。另外目前采用穩(wěn)態(tài)法時(shí)，為了提高測(cè)定的準(zhǔn)確度以及其它因素的原因，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)熱面和冷面的溫差較大，這既使得達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間增加，延長(zhǎng)了測(cè)定所需的時(shí)間，又使得為避免形成對(duì)流，穩(wěn)態(tài)法一般多用于測(cè)定固態(tài)材料導(dǎo)熱系數(shù)而無法測(cè)定液態(tài)和氣態(tài)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供了一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，測(cè)定準(zhǔn)確，可廣泛用于工業(yè)，科研，教學(xué)等領(lǐng)域測(cè)定各類材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)措施目前熱電堆可以檢測(cè)到小至10-6K的溫度變化和微瓦級(jí)的熱流。熱電堆產(chǎn)生的電壓信號(hào)與熱電堆兩端的溫差，以及通過熱電堆的熱流成正比，因此可以將熱電堆應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)法測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)，并能夠很好的解決目前常規(guī)方法測(cè)量穩(wěn)態(tài)熱流所遇到的困難。熱電堆可以簡(jiǎn)單方便的直接測(cè)量熱流，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，減小了測(cè)量的誤差；熱電堆測(cè)量熱流靈敏度高，只需要形成很小的穩(wěn)態(tài)溫差就可以檢測(cè)所形成的穩(wěn)態(tài)熱流，從而極大的避免了對(duì)流的形成，使得穩(wěn)態(tài)法也可以用于測(cè)定液態(tài)和氣態(tài)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。另外采用熱電堆作為檢測(cè)組件，有利于測(cè)定裝置的小型化，可以極大的減少對(duì)待測(cè)材料的用量。
測(cè)量腔的上方為帶有溫度控制的加熱板，測(cè)量腔的下方為熱電堆；熱電堆的一個(gè)端面面向測(cè)量腔，熱電堆的另一個(gè)端面與恒溫塊緊密接觸；測(cè)量腔的其它面以及加熱板不與測(cè)量腔接觸的一面均與絕熱層緊密接觸；絕熱層外緊密包圍有恒溫塊。
于液態(tài)和氣態(tài)樣品也是盡可能避免對(duì)流的影響，另外還可以使測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)是在最接近指定溫度處的數(shù)值。
同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型有如下優(yōu)點(diǎn)1.對(duì)穩(wěn)態(tài)熱流測(cè)量準(zhǔn)確；2.穩(wěn)態(tài)溫升小，測(cè)定的導(dǎo)熱系數(shù)可認(rèn)為是指定溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)；3.樣品用量少；4.測(cè)定裝置有利于小型化；5.可用于測(cè)定固、液、氣態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)。


圖1為一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述測(cè)量腔3為長(zhǎng)方形；測(cè)量腔3的上方有溫度控制的加熱板2，測(cè)量腔3的下方有熱電堆4；測(cè)量腔3除上方、下方外被絕熱層1包圍；帶有溫度控制的加熱板2的四周嵌入絕熱層1中，溫度控制的加熱板2除面向測(cè)量腔3的面外被絕熱層1所緊密包圍；熱電堆4固定在恒溫塊5上，熱電堆4的一面朝向測(cè)量腔3，熱電堆4與測(cè)量腔3相對(duì)的一面與恒溫塊5緊密接觸；恒溫塊5將整個(gè)絕熱層1從外面包圍起來并與絕熱層1緊密接觸，絕熱層1的外部被恒溫塊5緊密包圍。
帶有溫度控制的加熱板由熱傳導(dǎo)性能良好的材料制成，其作用是讓待測(cè)材料的上面在測(cè)量時(shí)保持一個(gè)恒定的已知溫度；熱電堆的作用是測(cè)量待測(cè)材料與熱電堆接觸面的溫度以及通過待測(cè)材料的熱流；恒溫塊的作用是給熱電堆提供一個(gè)參考端溫度，同時(shí)恒溫塊還為整個(gè)測(cè)定裝置提供一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)定溫度；絕熱層的作用是確保在該導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置中只有從帶有溫度控制的加熱板向熱電堆方向的熱傳導(dǎo)，盡可能避免其它方向的熱傳導(dǎo)。
將待測(cè)的固態(tài)材料加工成與測(cè)量腔3形狀相同的長(zhǎng)方體放入測(cè)量腔3中；長(zhǎng)方體待測(cè)材料的一個(gè)面與帶有溫度控制的加熱板2緊密接觸，長(zhǎng)方體待測(cè)材料與加熱板2相對(duì)的一個(gè)面與熱電堆4緊密接觸，其它的面與絕熱層1緊密接觸；熱電堆4的一個(gè)端面與長(zhǎng)方體待測(cè)材料緊密接觸，另一個(gè)端面與恒溫塊5緊密接觸；絕熱層1的外部被恒溫塊5緊密包圍。
將待測(cè)材料放入到測(cè)量腔3后，讓導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置恒溫至指定的測(cè)定溫度方體待測(cè)材料的一個(gè)面與帶有溫度控制的加熱板2緊密接觸，長(zhǎng)方體待測(cè)材料與加熱板2相對(duì)的一個(gè)面與熱電堆4緊密接觸，其它的面與絕熱層1緊密接觸；熱電堆4的一個(gè)端面與長(zhǎng)方體待測(cè)材料緊密接觸，另一個(gè)端面與恒溫塊5緊密接觸；絕熱層1的外部被恒溫塊5緊密包圍。
將待測(cè)材料放入到測(cè)量腔3后，讓導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置恒溫至指定的測(cè)定溫度T(要測(cè)定待測(cè)材料在某一溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，則T即為該溫度)。開始對(duì)帶有溫度控制的加熱板2加熱，控制其溫度比恒溫塊的控溫溫度T高一個(gè)確定的值ΔT1(ΔT1在可以被準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)應(yīng)盡可能小)，檢測(cè)熱電堆4的輸出電壓信號(hào)，直到輸出電壓信號(hào)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值U。此時(shí)待測(cè)材料熱面的溫度為T+ΔT1，冷面的溫度此時(shí)也會(huì)比恒溫塊的控溫溫度T高出ΔT2，ΔT2的具體數(shù)值可通過熱電堆測(cè)定U＝kΔT2(4)(4)式中k為熱電堆的特性常數(shù)(已知)。而通過熱電堆的穩(wěn)態(tài)熱流P可以表示為P＝εU (5)(5)式中ε也為熱電堆的一個(gè)特性常數(shù)(已知)。設(shè)待測(cè)材料是一個(gè)長(zhǎng)方體，底面積為S，高為h，則到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)有P=λSh[(T+ΔT1)-(T+ΔT2)]---(6)]]>化簡(jiǎn)后可得導(dǎo)熱系數(shù)λλ=ϵUhS(ΔT1-Uk)---(7)]]>
權(quán)利要求1.一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，其特征在于測(cè)量腔(3)的上方有溫度控制的加熱板(2)，測(cè)量腔(3)的下方有熱電堆(4)；測(cè)量腔(3)除上方、下方外被絕熱層(1)包圍；溫度控制的加熱板(2)的四周嵌入絕熱層(1)中，溫度控制的加熱板(2)除面向測(cè)量腔(3)的面外被絕熱層(1)緊密包圍；熱電堆(4)固定在恒溫塊(5)上，熱電堆(4)的一面朝向測(cè)量腔(3)，熱電堆(4)與測(cè)量腔(3)相對(duì)的面與恒溫塊(5)緊密接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，其特征在于恒溫塊(5)將絕熱層(1)從外面包圍并與絕熱層(1)緊密接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，其特征在于絕熱層(1)的外部被恒溫塊(5)緊密包圍。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定裝置，其特征在于測(cè)量腔的上方有溫度控制的加熱板，測(cè)量腔的下方有熱電堆，溫度控制的加熱板的四周嵌入絕熱層中，溫度控制的加熱板除面向測(cè)量腔的面外被絕熱層緊密包圍，熱電堆在恒溫塊上，熱電堆的一面朝向測(cè)量腔，熱電堆與測(cè)量腔相對(duì)的一面與恒溫塊緊密接觸。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確度高，方便實(shí)用，可廣泛用于工業(yè)、科研、教學(xué)等領(lǐng)域測(cè)定各類材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
文檔編號(hào)G01N25/18GK2752768SQ20042007696
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者張恒, 汪存信, 劉欲文, 王志勇 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)