專利名稱：一種固體材料的導熱系數(shù)測量儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料導熱系數(shù)測試技術領域，尤其涉及一種固體材料 的導熱系數(shù)測量儀。
背景技術：
評價材料絕熱性能的物理參數(shù)就是材料本身的導熱系數(shù)，它的倒 數(shù)決定了材料的熱阻，這是一個熱物性參數(shù)，這個參數(shù)對于評價材料
的絕熱性能具有決定性的作用；導熱系數(shù)作為物質的重要物理參數(shù)， 在化工、材料、能源、動力和制冷工程等領域有著重要的用途，是許 多工業(yè)流程和產品設計中必不可少的基礎數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速 發(fā)展，固體材料的導熱系數(shù)測量，日益受到人們的重視。
物質的導熱系數(shù)可以通過實驗測量、理論推算或計算機模擬等方 法來獲得，但目前仍然以實驗測量為主。根據(jù)導熱系數(shù)的實驗測量原 理，其測量方法大致可以分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。
穩(wěn)態(tài)法是指當試樣上的溫度分布達到穩(wěn)定后，即試樣內的溫度分 布是不隨時間變化的穩(wěn)定的溫度場，通過測定流過試樣的熱量和溫度 梯度等參數(shù)來確定試樣的導熱系數(shù)的方法。穩(wěn)態(tài)法的特點是實驗原理 簡單，然而使用穩(wěn)態(tài)法的過程中為了得到精確的一維熱流，通常需要 附設熱補償裝置；為了獲得準確的溫度分布，需要布置多個溫度測點； 因此實驗裝置的電氣控制和調節(jié)線路比較復雜；此外在準備所需要的 測量工況，以及進行實驗的過程，都比較耗時、且對環(huán)境要求苛刻， 該穩(wěn)態(tài)法主要包括保護平板法、熱流計法、圓管法等測量方法。
非穩(wěn)態(tài)法是指實驗測量過程中試樣的溫度隨時間變化的關系，通 過測量試樣內某些點的溫度變化情況以及其他相關參數(shù)，從而確定試 樣的導熱系數(shù)的方法；這種方法測量時間短，精確性較高，對環(huán)境要求低，但也由于受到測量方法本身的限制，多用于測量導熱系數(shù)趨于 常數(shù)的物質，主要有瞬態(tài)熱線法、熱帶法、常功率熱源法、激光閃爍 法等。
瞬態(tài)熱帶法與瞬態(tài)熱線法的測量原理非常類似，取兩塊尺寸相同 的待測樣品，在兩者之間夾入一條很薄的金屬片，即稱為熱帶，在熱 帶上施加恒定的加熱功率，作為恒定熱源，熱帶的溫度變化可以通過 測量熱帶電阻的變化獲得，進一步可以獲取熱帶上溫度和時間的變化 關系曲線，根據(jù)其時間和溫度的變化可以獲得導熱率。這種方法使熱 帶可以很好的與試樣相接觸，同時對比熱線法，該方法能夠更好的測 量固體材料的導熱率，熱線法主要用在測量氣體或者液體材料導熱率 方面有比較大的優(yōu)勢。
熱帶法測量導熱系數(shù)的研究首先是由Gustafsson開始的，基于熱
線法的原理，得到了熱帶上溫度變化與空間尺寸的關系式，其空間坐 標如下圖l所示，進一步由此得到了熱帶法測量導熱系數(shù)的原理式如
下
<formula>formula see original document page 5</formula>(i)
式中"為熱擴散系數(shù)，^是時間，d為熱帶的寬度的二分之一， 《為單位面積的熱功率除以單位體積的比熱，erfc為高斯誤差補函數(shù),
"是與時間相關的變量。
當熱帶非常薄即x —0時，公式(i)可以進一步變化為
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
對公式(2)進行積分，得到該熱帶上電壓和溫度的變化關系如 下公式(3)、 (4):
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)/(r)"erf(r一。-;「l-exp(-r2)]-"^Ei(-r2) (4)
式中r-V^/"，丄為熱帶的長度，D為熱帶的寬度，erf為高 斯誤差函數(shù)，Ei為指數(shù)積分。
熱帶法測量導熱系數(shù)所用的熱帶橫截面尺寸為4x 0.008mm2,所 使用的金屬材料的電阻率為5xl(T3，待測材料的尺寸為80 x 50 x 15mm3。為了使待測材料和熱帶之間有很好的熱接觸，需要在它們接 觸面添加一些粘度比較低的油，否則其測量的準確度不高。
總之，目前本領域技術人員迫切需要發(fā)展出一種能夠操作簡單， 且能夠準確測量固體材料的導熱系數(shù)的儀器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單、并能夠準確測量固體材料的 導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測量儀。
為達到上述目的，本發(fā)明公開了一種固體材料導熱系數(shù)測量儀， 包括加熱片，該加熱片包括并列分布的第一熱帶、第二熱帶、第 三熱帶；該第一熱帶和第三熱帶分別包括一個第一矩形槽， 一個第二 矩形槽，該第二熱帶包括兩個第一矩形槽、兩個第二矩形槽，所述各 個熱帶上的一個第一矩形槽與一個第二矩形槽組合為一個電阻，該電 阻以惠斯通電橋的形式電連接，且該電阻所包含的該第一矩形槽和第 二矩形槽的間距為0.4 ± 0.2mm;
所述第一矩形槽為鎳材料制備，且該第一矩形槽的長為70± 10mm、內壁間距為0.2士0.1mm、深度為20士10 jli m、內壁和鄰近的外 壁的厚度為0.4士0.2mm;
所述第二矩形槽為鎳材料制備，且該第二矩形槽的長為30± lOmm,內壁間距為0.2士0.1mm，厚度為20士10um，內壁和鄰近的外 壁的厚為0.4士0.2mm;
恒壓源或恒功率源，用于為該加熱片中相對的兩個節(jié)點提供恒定
6的電壓或恒定的功率；
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接于所述加熱片，且用于采集所述附加待測材 料的加熱片中其它兩個相對的節(jié)點的電壓及溫度，獲取該待測材料的 導熱系數(shù)。
進一步地，所述第一矩形槽的等效阻值為A"'SQ,所述第二矩
形槽的等效阻值為A-MQ。
進一步地，所述第二熱帶包括的兩個第一矩形槽和兩個第二矩形
槽分別組合的兩個電阻的間距為0.2士0.1mm。
進一步地，所述待測材料長度大于或等于130mm、寬度大于或 等于70mm。
為達到上述目的，本發(fā)明還公開了 一種固體材料導熱系數(shù)測量測 量方法，包括
將上述的加熱片放置于兩個待測材料之間；
選擇相對測量模式或絕對測量模式；
記錄待測材料種類和環(huán)境的濕度及溫度；
加載恒流源、恒壓源或恒功率源；
釆集并處理數(shù)據(jù)，獲得該待測材料的導熱系數(shù)。
進一步地，所述選擇恒壓或恒功率的測量模式的步驟之前還包 括，加載一所述待測材料與所述加熱片密切接觸的附加物。
進一步地，所述待測材料的長度大于或等于130mm、寬度大于或 等于70mm。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
首先，本發(fā)明的測量儀能夠在很短的時間內測量從絕熱材料到金 屬材料的導熱系數(shù)，其測量的導熱系數(shù)的范圍為0.01 300Wi、k-',
不確定度在5%以內，并能夠獲得該待測材料對應的熱擴散系數(shù)；
其次，本發(fā)明利用恒壓源測量儀測量導熱系數(shù)的原理是通過釆用 鎳材料制備的加熱絲組成的電阻以惠斯通電橋的形式排布的加熱片，當兩個待測材料壓緊該加熱片時，通過測量該惠斯通電橋中相對的兩 個節(jié)點的電壓和溫度的變化，從而依據(jù)本發(fā)明的公式(16)和(15) 得出待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)；該方法簡單，易操作，且測
量是的溫度變化的范圍-30QC~100°C之內；
再者，本發(fā)明還可以將恒功率源加載在加熱片相對的兩個節(jié)點 上，通過公式(27 )和(2 8 )得出待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù), 本發(fā)明的裝置和測量方法不僅能很快測量，而且還可以高精度的測量 固體材料的導熱系數(shù)；本發(fā)明的測量儀可以減少制作成本，另外，本 發(fā)明所使用的恒壓源屬于釆用現(xiàn)有技術自制的恒壓源和恒功率源，其 穩(wěn)定性較高。


圖i為現(xiàn)有技術中的熱帶法測量導熱系數(shù)的空間坐標示意圖2為現(xiàn)有技術中的惠斯通電橋的結構示意圖3為本發(fā)明的加熱片的結構俯視圖4為本發(fā)明的圖3中的局部A的放大示意圖5為本發(fā)明的圖3中的局部B的放大示意圖6為本發(fā)明的加熱片的等效電路圖7為本發(fā)明的恒壓源測量儀在絕對測量模式下測量裝置的分解 示意圖8為本發(fā)明的測量儀的實驗曲線的擬合示意圖； 圖9為本發(fā)明的加熱片加載恒定電壓的等效電路示意圖； 圖10為本發(fā)明的恒壓源測量儀在相對測量模式下測量裝置的分 解示意圖ll為本發(fā)明的恒功率源測量儀在絕對測量模式下測量裝置組 合示意圖12為本發(fā)明的加熱片加載恒定功率的等效電路示意圖； 圖13本發(fā)明的測量儀測量導熱系數(shù)的實施例的測量曲線示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的固體材料導熱系數(shù)測量儀進 一步說明。
導熱系數(shù)是材料重要的熱物理性質之一，材料的導熱率是表征建
筑工程材料物性的重要參數(shù)，其精確測量有著非常重要的理論和工程
應用價值。由于導熱系數(shù)隨物質的成分和結構變化較多，用實驗方法
確定材料的導熱系數(shù)幾乎成為研究物質導熱系數(shù)的唯一途徑。
導熱系數(shù)反映材料導熱能力大小的物理量，也稱為導熱率，單位 為W.m-'.K-1。
參照圖2所示的現(xiàn)有技術中通用的一種惠斯通電橋，該電橋是一 種可以精確測量電阻的儀器。電阻A、 / 2、及3、 i 4叫做電橋的四個臂， G為檢流計，用以檢測它所在的支路有無電流。當G無電流通過時， 稱該電橋達到平衡，即該電橋的四個臂上的阻值滿足一個簡單的關系 式，利用這一關系式就可測量電阻。當電橋不平衡時，G的電流與&、 i 2、 / 3、及4的阻值有關，此時，G應從"檢流計，改稱為"電流計"， 其作用不是檢測有無電流而是測量電流的大小。
本發(fā)明的核心構思在于利用熱帶法建立的測量固體材料導熱系 數(shù)的測量儀，即使用瞬態(tài)熱橋法，結合恒壓源或恒功率源對待測材料 進行測量，釆用本發(fā)明的加熱片，建立了新的固體材料導熱系數(shù)的測 量方法，該方法能夠在很短的時間內測量從絕熱材料到金屬材料的導 熱系數(shù)，其測量導熱系數(shù)的范圍為0.01 300W'm-、K-\其測量的不確
定度在5%以內。 實施例l
參考圖3所示的本發(fā)明的加熱片的結構俯視圖，以及圖4和圖5 給出了圖3中局部區(qū)域A和局部區(qū)域B的放大結構示意圖，圖中顯 示了本發(fā)明使用的加熱絲的尺寸，圖中單位為mm,加熱片所選的材 料為20jam厚的純鎳片。
從圖3中可以看出，本發(fā)明的一種固體材料導熱系數(shù)測量儀，包
9括用于產生熱量的加熱片300,該加熱片300包括并列分布的第一 熱帶301、第二熱帶302、第三熱帶303;該第一熱帶301和第三熱帶303 分別包括第一矩形槽304，第二矩形槽305，該第二熱帶302包括兩個 第一矩形槽304、兩個第二矩形槽305，所述每一個熱帶所包含的一個 第一矩形槽304和一個第二矩形槽305組合并等效為一個電阻(如圖3 所示的結構)，且各個電阻所包含的該第一矩形槽304和第二矩形槽 305的間距為0.4土0,2mm;如圖6所示的等效電阻的連接關系示意圖， 其中電阻l、電阻2、電阻3、及電阻4是以惠斯通電橋的形式電連接， 所述第一矩形槽304為鎳材料制備的長度范圍為70il0mm，內壁 間距的范圍為0.2±0.1111111，深度范圍為20士10jum，內壁和鄰近的外壁 的厚度范圍為0.4士0.2mm;如圖4所標示的尺寸分布示意圖，其中， 所述第一熱帶301或第三熱帶303包含一個第一矩形槽304和一個第二 矩形槽305,第二熱帶包括兩個第一矩形槽304和兩個第二矩形槽305,
所述矩形槽均為鎳材料制備；
所述第二矩形槽305的長度范圍為30士10mm，內壁間距的范圍為 0.2士0.1mm,厚度范圍為20 ± 10 )a m,內壁和鄰近的外壁的厚度范圍 為0.4土0,2mm;如圖5所示的第二熱帶所包括的兩個電阻的間距范圍 為0.2士0.1mm;
恒壓源或恒功率源，用于為該加熱片的相對的兩個節(jié)點提供恒定 的電壓或恒定的功率；
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接于該加熱片，并用于采集所述加熱片的上表 面、下表面分別附加相同的待測材料后其它兩個相對的節(jié)點的電壓和 溫度變化，獲取所述待測材料的導熱系數(shù)。
在具體的實現(xiàn)過程中，優(yōu)選地每一個矩形槽的內壁和鄰近的外壁 的厚度為0.4mm，內壁間距為0.2111111,在本實施例中，設定第一矩形 槽為惠斯通電橋中的長電阻，且該第一矩形槽的長度為70mm，第二 矩形槽為惠斯通電橋中的短電阻，且該第二矩形槽的長度為30mm。
10該處長電阻和短電阻的設計可以減小在測量中產生的系統(tǒng)偏差，并可 以使系統(tǒng)誤差減少到0.01%。第一矩形槽和第二矩形槽組合等效為一
個電阻，即長電阻和短電阻組成的電阻1、電阻2、電阻3和電阻4
相當于電橋的四個臂，因而，該加熱片可以等效為由中心八個電阻構
成惠斯通電橋，如圖6所示等效電路圖，本發(fā)明所述的加熱片的邊緣 區(qū)域相當于電橋中的導線，圖6中4個陰影部分的電阻即為本發(fā)明所 述的內部電阻，其它四個電阻稱為外部電阻；并且該電橋的每一個臂 都含有一個長電組和短電阻；當然本發(fā)明中等效的惠斯通電橋中所述 的每一個長電阻都近似相等，誤差小于千分之一，每一個短電阻的誤 差也小于千分之一。 實施例2
以下結合附圖對恒壓源測量儀的測量原理及對應的測量儀裝置 進行詳細說明
參考圖6所示的本發(fā)明的加熱片的等效電路示意圖，本實施例中 對所述加熱片加載恒定電壓，即在圖6所示的惠斯通電橋的J和Z) 點之間加載恒定電壓，如圖7所示的裝置結構示意圖，該測量儀包括 為加熱片003提供能量恒壓源005、分別附加在加熱片003的上、下 表面的待測材料004和待測材料002 (本實施例中，待測材料004和 待測材料002是相同的)、用于釆集加熱片的B、 C兩點的電壓和溫 度數(shù)值的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)006、以及用于使待測材料和加熱片密切接觸 的附加物001;另外該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)還可以包括測量電壓變化的電測 設備、測量溫度變化的測溫設備。
對待測材料采用恒壓源測量儀進行測量時，第一步，把外面覆蓋 一層保護膜的鎳材料制備的加熱絲組成的加熱片放置于兩塊長度大 于或等于130mm、寬度大于或等于70mm、高度大于或等于25mm的 同種待測材料之間；
第二步，在加熱片相對的兩個節(jié)點上加載恒壓源，本實施例使用的恒壓源內置三檔輸出，0.4V、 0.8V、 1.6V,輸出電流精度為萬分之
第三步，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集如圖6所示的5、 C點的輸出電 壓和溫度，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以進行自動處理，并將測量結果即導熱 系數(shù)和熱擴散系數(shù)顯示在該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的界面上。
參照圖9所示的本發(fā)明的加熱片加載恒壓源后輸出的等效電路 圖，當在該加熱片加上一穩(wěn)定的電壓時，該加熱片產生熱量向待測材 料傳遞，通過測量該加熱片的相對應的萬和C點的電壓和溫度，輸 出相應的信號；選擇相對測量模式或絕對測量模式，進而通過數(shù)據(jù)釆 集系統(tǒng)自動處理，測量結果及導熱系數(shù)最終顯示在數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)的界 面上，獲得所述待測材料的導熱系數(shù)；
該恒壓源測量儀的絕對測量模式使用的測量原理如下面的公式 推導
以下結合圖6、圖9對本實施例恒壓源的導熱系數(shù)的計算公式推導 做詳細說明
在加熱片的^和i)點加載恒定電壓"，S和C點的電壓可以表 示為
其中圖6中陰影部分的電阻稱為內部電阻、其它部分的電阻稱為 外部電阻，結合公式(5)上式可轉換為內部電阻和外部電阻的形式 為
公式(6)中上標I和O分別代表內部電阻和外部電阻，下標 L和S分別代表長電阻和短電阻。
現(xiàn)有技術中電阻隨溫度的變化關系可以為
^03
i (r) = / (o 。c)(i+ar)公式(7)中i (0。C)為O'C時的電阻，c(為鎳的電阻溫度系數(shù)把公式(7)代入公式(6)整理得到
<formula>formula see original document page 13</formula>(8)
設定每一個臂上的電阻對應的熱帶的平均溫度為
<formula>formula see original document page 13</formula>(9)
公式(9)中①為加熱功率，丄為該熱帶的長度，A為導熱系數(shù)，y = 0.5772156649......為歐拉常數(shù)；其中，r = f為時間常數(shù)，"為熱擴
散系數(shù)，"為熱帶的寬度，^為時間。
當r"時，公式(9)的截斷項的影響會小于千分之一，即測量時間要滿足
<formula>formula see original document page 13</formula>(10)
由于內部電阻相對應的熱帶的功率是外部電阻對應的熱帶功率的2倍，并且內部電阻等效的的熱帶寬度是外部電阻等效的熱帶寬度的2.2倍，可以得到內部電阻與外部電阻分別對應的熱帶之間溫差
<formula>formula see original document page 13</formula>(11)
將公式(9)、 (10)、 (ll)代入公式(8)可以得到a/BA/yDflnexp(3-"a
<formula>formula see original document page 13</formula>(12)
在實際測量中，可以測得5、 C兩端的電壓隨時間變化的曲線如圖8示，測量點可以選擇0.4V、 0.8V、 1.6V等，對所測數(shù)據(jù)進行擬合，進而可以把7>4的實驗數(shù)據(jù)擬合成線性關系式如下
<formula>formula see original document page 14</formula> (13)
公式(13)中m是斜率，"是截距。
對比公式(12)和公式(13)可以得到
<formula>formula see original document page 14</formula> (14)
<formula>formula see original document page 14</formula> ( 15 )
整個測量過程盡可能保證總功率變化不超過千分之五，因此加熱
功率可以由起始功率代替，公式(14)簡化為
<formula>formula see original document page 14</formula> (16)
測量前，對熱帶長度丄、溫度系數(shù)"、長電阻在O攝氏度時阻值i l(0。C)和短電阻在0攝氏度時阻值i^O。C)進行標定，測量開始時溫度r可以由溫度計測量得到，斜率m和截距"由電壓tv隨時間變化
曲線擬合得到，測量電壓t/由電壓表t/o測量得到。所有得到的數(shù)值最后交由LabVIEW編制的測量控制程序進行計算，根據(jù)公式(16)和(15)得出待測材料的導熱系教和熱擴散系數(shù)，該處公式(16)和(15)為恒壓源測量儀的絕對測量模式使用的公式。
對于本發(fā)明設計的加熱片，上述的長電阻的阻值約為A-^G，短電阻約為^-G'sn。為了測量時獲取較好的信號，在測量過程中，
還需要注意避免所使用的加熱片的功率變化太大，對于本發(fā)明的加熱片，恒定電流"=()'8￥是最優(yōu)的選擇。
此外，使用恒壓源測量儀的相對測量模式的原理可以為如圖IO所示，為本發(fā)明的導熱系數(shù)相對測量的裝置結構示意圖；在數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)中選擇相對測量模式時，將一塊材料M,作為美國計量標準技術研究院的標準材料SRM1450c的標準材料007,實驗前用絕對的方法測量其導熱系數(shù)義。。
當通過加載恒定的電壓測量時，參考圖6所示的內電阻對應的熱帶與外電阻對應的熱帶之間的溫差將同時受到這兩種材料(標準材料和待測材料)的約東，通過該恒壓源測量儀測量的數(shù)值為綜合的導熱系數(shù)為^。而綜合的導熱系數(shù)由兩種材料的導熱性能決定，有基本的導熱方程可知，待測材料的導熱系數(shù)A滿足如下的關系
&=乎 ^ 義=2義" (16)在恒壓源的測量裝置結構中選擇相對測量模式，在基本控制程序中增加公式(16)，即可在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲得待測材料的相對測量的導熱系數(shù)。利用恒壓源測量導熱系數(shù)的裝置和方法簡單、快捷，并能夠準確測量固體材料的導熱系數(shù)，且可以降低現(xiàn)有技術中測量儀的制作成本，本發(fā)明所用的恒壓源可以使用現(xiàn)有技術的恒壓源、或使用自制的高精度的恒壓源，本實施例不對此進行限制。實施例3
以下孥合附圖對恒功率源測量儀的測量原理及對應的測量儀裝置進行詳細說明
本實施例中釆用輸出穩(wěn)定功率的恒功率源來給加熱片提供能量，從而得到測量導熱系數(shù)的另一種實驗測量裝置及相應的測量原理。加熱片的結構如圖3所示，恒功率測量儀的結構示意圖如圖ll所示，該恒功率源與恒壓源的最大的區(qū)別為內部電路不同，參考圖6所示的等效電路圖；以及，結合圖12恒功率源的等效電路圖進行分析；
對待測材料釆用恒功率源測量儀進行測量時，第一步，把外面覆
15蓋一層保護膜的加熱絲組成的加熱片放置在兩塊長度大于或等于
130mm、寬度大于或等于70mm、高度大于或等于25mm的同種待測
材料中；
第二步，加載恒功率源，本實施例使用內置三檔的恒功率源，其
功率輸出為，0.06W、 0.24W、 0.96W,輸出誤差為千分之一，該處恒功率源可以為自制的，也可以使用公知的任何一種。
第三步，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)釆集如圖6所示的B和C點的輸出電壓和溫度，該數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)進行自動釆集并處理，得到該待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。
當在加熱片上加載恒功率源時，該恒功率源測量儀的等效電路圖如圖12所示。實驗測量時在加熱片的^和D兩端加上恒定的功率，測量S和C端的輸出電壓隨時間的變化，分析所測量結果擬合曲線的斜率和截距得到需要的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。
以下結合圖6、圖ll、圖12對本實施例使用恒功率源在絕對測量模式下的導熱系數(shù)的計算公式推導做詳細說明
首先，獲取恒流源的測量方程；即在加熱片的^和D加載恒定
的電流，則萬和C點的電壓為
"BC="T^M^o2Wo4) (17)
公式(17)中/ 01、 / 02、及03和7 o4分別為的初始電阻。且每一個電阻近似相等，所以公式(17)簡化為
KC={K3U (18)
公式(18)拆分成內部電阻和外部電阻為=![( )-( )] (19)
公式(19)中上標I和0分別代表內部和外部電阻，下標L和S分別代表長和短電阻。
16現(xiàn)有技術中的電阻隨溫度的變化關系可以由下式表示
i (" = i (0oC^l + ar) (20)
公式(20)中i (0。C)為O'C時的電阻，ot為鎳的電阻溫度系數(shù)；把公式(20)帶入公式(19)整理得到
= Y(r' - r。 。c)]=T ArAA (21)
現(xiàn)有技術中的每一個"熱帶"，即相應于本發(fā)明中的第一矩形槽
和第二矩形槽組成的一個電阻，其平均溫度為
f(,)=
①
3 —;r + 21nr + 0
。、
、i 乂
(22)
當r〉4時,考慮到內部電阻對應的熱帶的功率是外部的2倍，并且內部電阻對應的熱帶寬度是外部電阻對應熱帶寬度的2.2倍，可以得到內外熱帶之間溫差
△f = :r' -r0 =
20
廣 exp(3-"a
3-y + 21n
2.2D
0)
3-y + 21n
(23)
ln-
公式(23)代入公式(21)可以得到
ln
5.86D2
(24)
在實際測量中，可以測得BC兩端的電壓隨時間變化的曲線如圖8所示的實際測量曲線，進一步可以把r〉4的實驗數(shù)據(jù)擬合成線性關系式如下
^JC =附
(25)
公式(25)中m是斜率，"是截距。
對比公式(24)和公式(25)的系數(shù)可以得到測量導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的方程<formula>formula see original document page 18</formula>
(26)
結合公式(16)和公式(26)可以得到加載恒功率源的測量裝置測量導熱系數(shù)的表達式
幾_ a①A(o。c)-i s(o。c) (27)
a = 5.86D2exp(^-3 + y) (28)同樣，在測量前，需要對熱帶長度丄、溫度系數(shù)"、長電阻在0
攝氏度時阻值& (o 。c)和短電阻在o攝氏度時阻值& (o 。c)進行初始設定，測量開始時溫度r可以由溫度計測量得到，斜率附和截距w由電壓Kc:隨時間變化曲線擬合得到，測量電壓t/由電壓表t/o測量得
到。所有得到的數(shù)值最后交由LabVIEW編制的測量控制程序進行計算，根據(jù)公式(27)和(28)得出待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)該恒功率源的測量儀測量待測材料的方法和原理為絕對測量模式使用的原理；
此外，利用恒功率源測量待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的相對測量模式的原理為
可參考圖ll所示，為本發(fā)明的導熱系數(shù)相對測量的裝置分解示意圖；其恒功率源在相對測量模式的裝置與恒壓源在相對測量模式的裝置結構是相同的，在數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)中選擇相對測量時，將一塊材料Mi作為美國計量標準技術研究院的標準材料SRM1450c的標準材料，實驗前用絕對測量模式測量該標準材料的導熱系數(shù);io 。
當加載恒定功率/恒定的電壓時，本發(fā)明的加熱片的溫度分布將同時受到標準材料和待測材料的共同約束，測量得到的綜合導熱系數(shù)為^。有基本的導熱方程可知，待測材料的導熱系數(shù)義滿足如下的關系
;1 = 24 -^ (29)
18在恒功率源的裝置結構中選擇相對測量模式，在基本控制程序中 增加公式(29),即可以在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲得待測材料的相對測量 模式下的導熱系數(shù)。
實施例4
以下對恒壓源測量儀和恒功率源測量儀的測量方法進行詳細說
明
使用恒壓源測量儀或恒功率源測量儀測量待測材料的導熱系數(shù) 和熱擴散系數(shù)的主要步驟包括
步驟S01:將加熱片放置于兩個待測材料中間，所述待測材料需 要滿足的條件長度大于或等于130mm、寬度大于或等于70mm、以及 高度大于或等于25mm;
步驟S02:選擇絕對測量或相對測量的測量模式；
步驟S03:記錄待測材料種類和環(huán)境的濕度及溫度；
步驟S04:選擇恒壓源或恒功率源；
步驟S05:釆集并處理數(shù)據(jù)，獲得該待測材料的導熱系數(shù)。 優(yōu)選的實施方式，在步驟S02之前，壓上本裝置配置的附加物， 如圖7或圖IO所示的裝置結構示意圖；進而選擇測量絕對測量模式 或相對測量模式，其次，在本實施例中可以釆用進行多次測量即可 以選擇是否需要連續(xù)測量多次(間隔30分鐘一次)；測量的導熱系數(shù) 和熱擴散系數(shù)將分別顯示在界面上，并存儲在指定文件中。 實施例5
以下結合具體的實驗曲線對本發(fā)明的恒壓源測量儀進行詳細說 明實驗可以在-30'C 10(TC進行，當使用絕對測量時，需要130mm x 70mm x 10mm (金屬材料為130mm x 70mm x 25mm)的待測材料 兩塊，當使用絕對測量時，只需要130mmx70mmx 10mm (金屬材 料為130mmx70mmx25mm)的待測材料一塊，測量時需要記錄下 房間的濕度。當放置好待測樣品后，在程序界面上選擇相對測量還是絕對測量，按下開始鍵，等待一定的時間，所述數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)顯示出 準確的測量結果。
圖13以恒壓源為例給出了在室溫下用絕對法測量美國計量標準
技術研究院的標準材料SRM1450c的實驗曲線，圖中離散的點為實驗 數(shù)據(jù)，橫坐標為時間的自然對數(shù)，縱坐標為輸出電壓。由公式(IO)
得知，取"！的點進行擬合，得到線性公式如下:
(30)
(31)
C/=-l.l 75534+1.6228871n(0
從而得到從而得到
w = 1.622887;" = -l.175534 代入公式(15)和公式(16)，得到
hO.t^W.m'.K-1 (32) a = 0.12mm2.s_1 (33) 而NIST在此溫度和相應密度下的標稱值為A = 0.038 W m-1.K-1 ，兩者 差別小于5%。
使用本發(fā)明的測量裝置，選擇絕對測量模式和相對測量模式對下 列物質的導熱系數(shù)進行了測量，結果列于表l，其中人為選擇絕對測 量模式下的導熱系數(shù)值，A為選擇相對測量模式的測量值。
表l不同材料的導熱系數(shù)值
材料義a々參考值77 °CRH%
SRM1450c0.0390.0390.03824.820
擠塑板0.0270.0270惡 0扁26.818
聚苯板0.0310.0310.030~0.03525.320
紙張0.1780.1820.18025.117
參考材料l-0.0330,03525.218
參考材料2-0.2400.23525.820
20參考材料3 - 1.409 1.412 25.9 17
在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例 中沒有詳述的部分，可以參見其他實施例的相關描述即可。
最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關 系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來， 而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關 系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵 蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或 者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或 者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有 更多限制的情況下，由語句"包括一個......"限定的要素，并不排除在
包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
以上對本發(fā)明所提供的 一種固體材料導熱系數(shù)的恒壓源測量儀、 固體材料導熱系數(shù)的恒功率源測量儀、以及固體材料導熱系數(shù)的測量 方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施 方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法
及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思
想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說 明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍 的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也 屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1、一種固體材料導熱系數(shù)測量儀，其特征在于，包括加熱片，該加熱片包括并列分布的第一熱帶、第二熱帶、第三熱帶；該第一熱帶和第三熱帶分別包括一個第一矩形槽，一個第二矩形槽，該第二熱帶包括兩個第一矩形槽、兩個第二矩形槽，所述各個熱帶上的一個第一矩形槽與一個第二矩形槽組合為一個電阻，該電阻以惠斯通電橋的形式電連接，且該電阻所包含的該第一矩形槽和第二矩形槽的間距為0.4±0.2mm；所述第一矩形槽為鎳材料制備，且該第一矩形槽的長為70±10mm、內壁間距為0.2±0.1mm、深度為20±10μm、內壁和鄰近的外壁的厚度為0.4±0.2mm；所述第二矩形槽為鎳材料制備，且該第二矩形槽的長為30±10mm，內壁間距為0.2±0.1mm，厚度為20±10um，內壁和鄰近的外壁的厚為0.4±0.2mm；恒壓源或恒功率源，用于為該加熱片中相對的兩個節(jié)點提供恒定的電壓或恒定的功率；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接于所述加熱片，且用于采集所述附加待測材料的加熱片中其它兩個相對的節(jié)點的電壓及溫度，獲取該待測材料的導熱系數(shù)。
2、 如權利要求l所述的測量儀，其特征在于，所述第一矩形槽的 等效阻值為& =1 '8 Q,所述第二矩形槽的等效阻值為& =Q 。
3、 如權利要求l所述的測量儀，其特征在于，所述第二熱帶包括 的兩個第一矩形槽和兩個第二矩形槽分別組合的兩個電阻的間距為 0.2土0.1mm。
4、 如權利要求l所述的測量儀，其特征在于，所述待測材料長度 大于或等于130mm、寬度大于或等于70mm。
5、 如權利要求l所述的測量儀，其特征在于，還包括用于使待測材料與加熱片密切接觸的附加物。
6、 一種使用權利要求1所述測量儀測量固態(tài)材料導熱系數(shù)的方 法，其特征在于，包括將加熱片放置于兩個待測材料之間； 選擇相對測量模式或絕對測量模式；記錄待測材料種類和環(huán)境的濕度及溫度； 加載恒流源、恒壓源或恒功率源； 釆集并處理數(shù)據(jù)，獲得該待測材料的導熱系數(shù)。
7、 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述選擇恒壓或恒功 率的測量模式的步驟之前還包括，加載一所述待測材料與所述加熱片 密切接觸的附加物。
8、 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述待測材料的長度 大于或等于130mm、寬度大于或等于70mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種固體材料導熱系數(shù)測量儀，包括加熱片，該加熱片包括并列分布的第一熱帶、第二熱帶、第三熱帶；該第一熱帶和第三熱帶分別包括一個第一矩形槽，一個第二矩形槽，該第二熱帶包括兩個第一矩形槽、兩個第二矩形槽，所述每一個熱帶所包括的一個第一矩形槽和一個第二矩形槽組合為一個電阻，該電阻以惠斯通電橋的形式電連接；該測量儀還包括恒壓源或恒功率源，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；上述的測量儀能夠在很短的時間內測量從絕熱材料到金屬材料的導熱系數(shù)，其范圍為0.01～300W·m^-1·K^-1，且測量的導熱系數(shù)的不確定度在5％以內。
文檔編號G01N25/20GK101464422SQ20091007642
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權日2009年1月6日
發(fā)明者孫云飛, 張金濤, 李宏偉, 鴻 林, 王艷秋, 亮 董, 薛壽清, 濤 黃 申請人:中國計量科學研究院