專利名稱：一種固體材料的導熱系數(shù)的測量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及涉及材料導熱系數(shù)測試技術(shù)領域，尤其涉及一種固體材料的導熱系數(shù)測量裝置。

背景技術(shù)：
評價材料絕熱性能的物理參數(shù)就是材料本身的導熱率，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作用；導熱系數(shù)作為物質(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(nèi)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，然而該穩(wěn)態(tài)法需要準確的一維熱流，通常需要附設熱補償裝置；同時需要布置多個溫度測點來獲取均勻的溫度分布；因此實驗裝置的電氣控制和調(diào)節(jié)線路比較復雜；此外在準備所需要的測量工況和進行實驗，都比較耗時且對環(huán)境要求比較苛刻，穩(wěn)態(tài)法主要包括有保護平板法、熱流計法、圓管法等。非穩(wěn)態(tài)法是指實驗測量過程中試樣溫度隨時間變化，通過測量試樣內(nèi)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(zhì)，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，在兩者間夾入一條很薄的金屬片，即為熱帶，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上電阻的變化獲得，也可以直接用熱電偶測得。進一步可以獲取熱帶上溫度和時間的變化關系，根據(jù)其原理關系式就可以獲得導熱率。這種方法使熱帶可以很好的與待測材料接觸，同時，與比熱線法相比能夠更好的測量固體材料的導熱率，熱線法主要用于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)所用的熱帶橫截面尺寸為4×0.008mm2，其所選用的金屬材料的電阻率為5×10-3，待測材料的尺寸為80×50×15mm3。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，另外，在熱帶法基礎上出現(xiàn)的瞬態(tài)熱橋法，即以八個電阻構(gòu)成惠斯通電橋的形式分布，把原來熱帶法的溫度與時間關系換算成易于測量的電壓和時間的關系，利用恒流源來對整個電路進行加熱。但該方法在測量過程中采用假設系統(tǒng)總功率不變的前提，得到的理論體系以及相應的恒流測量方案都是錯誤的。
總之，目前本領域技術(shù)人員迫切需要發(fā)展出一種能夠操作簡單、且可以選用不同方式精確測量固體材料的導熱系數(shù)的儀器。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單、并能夠采用不同模式精確測量固體材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的的測量裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明公開了一種固體材料的導熱系數(shù)的測量裝置，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矩形槽，該第二熱帶包括兩個矩形槽，所述每個矩形槽均為鎳材料制備，且以惠斯通電橋的形式電連接； 電源，用于為該加熱片中相對的兩個節(jié)點提供恒定的能量； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接于所述加熱片，并用于采集所述加熱片中其它兩個相對的節(jié)點的電壓和溫度變化，以及獲得該待測材料的導熱系數(shù)。
進一步地，所述第二熱帶包括的兩個矩形槽外壁的間距為0.2±0.1mm。
進一步地，所述矩形槽的長為100±10mm、內(nèi)壁間距為0.2±0.1mm、深度為20±10μm、內(nèi)壁和鄰近的外壁的厚度為0.4±0.2mm。
進一步地，所述電源為恒流、恒壓、或恒功率的電源。
進一步地，所述第一矩形槽的等效阻值為R＝3Ω。
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。
進一步地，所述裝置還包括用于使待測材料與加熱片密切接觸的附加物。
為達到上述目的，本發(fā)明還公開了一種固態(tài)材料的導熱系數(shù)測量方法，包括包括 將上述的加熱片放置于兩個待測材料中間； 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； 采集并處理數(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(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點 首先，本發(fā)明的測量裝置能夠在很短的時間內(nèi)測量各種不同材料的導熱系數(shù)，其測量的導熱系數(shù)的范圍為0.01～300W·m-1·K-1，且所測量的導熱系數(shù)的不確定度在5％以內(nèi)，并能夠很好的測量熱擴散系數(shù)； 其次，本發(fā)明利用恒壓源測量導熱系數(shù)的原理是通過使用鎳材料制備的加熱絲組成的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的中間兩個相對的節(jié)點的電壓和溫度變化，依據(jù)本發(fā)明的測量原理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，且測量時的溫度變化的范圍-30℃—100℃之內(nèi)； 再者，在現(xiàn)有技術(shù)的瞬態(tài)熱帶法基礎上，發(fā)展出對稱瞬態(tài)熱帶法，把熱帶法中測量溫度信號轉(zhuǎn)換成測量電壓信號，并由此得到的恒流源瞬態(tài)對稱熱帶裝置、恒壓源瞬態(tài)對稱熱帶裝置和恒功率源瞬態(tài)對稱熱帶裝置，該裝置能夠很快而且高精度的測量固體材料的導熱系數(shù)，而且大大降低了制作成本。



圖1為本發(fā)明測量裝置包括的加熱片的結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖2為本發(fā)明的圖1中的局部A的放大示意圖； 圖3為本發(fā)明的圖1中的局部B的放大示意圖； 圖4為本發(fā)明的加熱片的等效電路示意圖； 圖5為本發(fā)明的測量裝置在絕對測量模式下的測量裝置的分解示意圖； 圖6為本發(fā)明的加熱片加載恒定電流的等效電路示意圖； 圖7為本發(fā)明的測量裝置在絕對測量模式下的測量裝置組合示意圖； 圖8為本發(fā)明的加熱片加載恒定電流的等效電路示意圖； 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)明的測量裝置在相對測量模式下的測量裝置組合示意圖； 圖11為本發(fā)明的測量裝置測量導熱系數(shù)的實施例的測量曲線圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的固體材料導熱系數(shù)測量裝置進一步說明。
導熱系數(shù)是材料重要的熱物理性質(zhì)之一，材料的導熱率是表征建筑節(jié)能材料物性的重要參數(shù)，對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(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)變化較多，用實驗方法確定材料導熱系數(shù)幾乎成為研究物質(zhì)導熱系數(shù)的唯一途徑。
導熱系數(shù)是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-1·K-1。
本發(fā)明的核心構(gòu)思在于利用熱帶法建立的測量固體材料導熱系數(shù)的測量裝置，即使用瞬態(tài)熱橋法，結(jié)合恒流源、恒壓源或恒功率源對待測材料進行測量，采用本發(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(nèi)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-1·K-1，并且測量的不確定度在5％以內(nèi)。
實施例1 參考圖1所示的本發(fā)明的加熱片的結(jié)構(gòu)俯視圖，圖2和圖3給出了圖1中局部區(qū)域A和局部區(qū)域B的放大結(jié)構(gòu)示意圖以及在圖中標定了加熱絲的尺寸，圖中單位為mm，加熱片所選的材料為20μm厚的純鎳片。
從圖1中可以看出，本發(fā)明的一種固體材料導熱系數(shù)測量裝置，包括加熱片101，該加熱片101包括并列分布的第一熱帶102、第二熱帶103、第三熱帶105；該第一熱102帶和第三熱帶105分別包括一個鎳材料制備的矩形槽，該第二熱帶103包括兩個間距為0.2±0.1mm的矩形槽(如圖3所示)，所述矩形槽為鎳材料制備的長為100±10mm、內(nèi)壁間距為0.2±0.1mm、深度為20±10μm、內(nèi)壁和鄰近的外壁的厚度為0.4±0.2mm；所述矩形槽以惠斯通電橋的形式電連接，本實施例中所述的矩形槽通過導線104相互連接，并由導線104連接電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 電源，用于為該加熱片的相對的兩個節(jié)點提供恒定的能量；其中，該電源可以是恒流源、恒壓源、或恒功率源； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集所述加熱片的上表面和下表面附加相同的待測材料后的其它兩個相對的節(jié)點的電壓和溫度變化，獲取待測材料的導熱系數(shù)。
在具體的實現(xiàn)過程中，優(yōu)選的每一個矩形槽的內(nèi)壁和鄰近的外壁的厚度為0.4mm，內(nèi)壁間距為0.2mm，在本實施例中，設定每一個矩形槽等效為一個電阻。這樣的設計可以減小測量中的系統(tǒng)偏差，帶來的影響小于0.01％。因而，該加熱片可以等效為由中心四個電阻構(gòu)成惠斯通電橋的電路連接示意圖，如圖4所示所述加熱片的邊緣區(qū)域相當于導線連接所述矩形槽，每一個矩形槽等效的電阻R1、電阻R2、電阻R3和電阻R4相當于電橋的四個臂，且圖4中的陰影部分電阻稱為內(nèi)部電阻，其余兩個電阻稱為外部電阻。另外，圖4中的每一個電阻都近似相等，其差別小于千分之一。
實施例2 以下結(jié)合附圖對恒流源測量裝置的測量原理及相應的測量裝置進行詳細說明 參考圖1所示的本發(fā)明的加熱片結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例采用恒定電流的方式來給加熱片提供能量，即在圖4所示的惠斯通電橋的A和D點之間加載恒定電流，加載恒流源的導熱系數(shù)的測量裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括為加熱片101提供能量的恒流源005、加熱片101的上、下表面分別連接相同的待測材料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)、用于采集加熱片101的B、C兩點的電壓和溫度變化的數(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)采集系統(tǒng)還可以包括測量并記錄電流變化的電測設備、測量并記錄溫度變化的測溫設備。
使用恒流源測量裝置進行測量時，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，在加熱片相對的兩個節(jié)點上加載恒流源，本實施例使用的恒流源內(nèi)置三檔，即0.15A、0.3A、0.6A，且該橫流源輸出電流的誤差為萬分之五； 第三步，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集B和C點(如圖4所示)的輸出電壓，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動處理顯示導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。
參照圖6所示的本發(fā)明的加熱片加載恒流源后輸出的等效電路圖，當在該加熱片加上一穩(wěn)定的電流時，該加熱片向待測材料傳遞一定的熱量，通過測量該加熱片的相對應的B和C點的電流和溫度變化，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)采集系統(tǒng)采集該信號，并進行自動處理，測量結(jié)果及導熱系數(shù)最終顯示在程序界面上，獲得待測材料的導熱系數(shù)； 該恒流源測量裝置的絕對測量模式使用的測量原理如下面的公式推導 在A和D點加載恒流，則B和C點的電壓為 式中R03和R04分別為臂R3和臂R4的電阻。
每一個電阻隨溫度的變化關系可以由下式表示 R(T)＝R(0℃)(1+αT) (2) 式中R(0℃)為0℃時的電阻，α為鎳的電阻溫度系數(shù)，T為溫度。把式(2)帶入式(1)，整理得到
式中上標I和O分別代表內(nèi)部電阻和外部電阻。
對每一個電阻對應的熱帶，其平均溫度為 式中Φ為加熱功率，L為每一個電阻對應的熱帶的長度，λ為導熱系數(shù)，γ＝0.5772156649......為歐拉常數(shù)，為時間常數(shù)，a為熱擴散系數(shù)，D為每一個電阻對應的熱帶的寬度，t為時間。
當τ>4時，式(4)的截斷項的影響會小于千分之一，從而需要的測量時間滿足以下公式(5) 考慮到內(nèi)部電阻相對應的熱帶的功率是外部電阻相對應熱帶功率的2倍，并且內(nèi)部電阻的等效寬度是外部熱帶等效寬度的2.2倍，可以得到內(nèi)部電阻相對應的熱帶與外部電阻相對應的熱帶之間溫差 代入式(3)可以得到 在實際測量中，可以測得BC兩端的電壓隨時間變化的曲線，進一步可以把τ>4的實驗數(shù)據(jù)擬合成線性關系式如下 式中m是斜率，n是截距。
對比式(7)和(8)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
在測量過程中，所用恒功率源的變化小于千分之五，因而加熱功率表示為
最后，測量導熱系數(shù)的方程為
公式(12)即為恒流源測量裝置使用的測量材料導熱系數(shù)的公式。該公式(12)中的熱帶長度L、溫度系數(shù)α、電阻在0攝氏度時阻值R(0℃)都可以在實驗前確定，測量開始時溫度T可以由溫度計或其它測溫設備進行測量獲取，其中，斜率m由電壓UBC隨時間變化曲線擬合得到，測量電流I由已知的標準電阻R0和上面測得電壓U0確定。
所有的理論算法都集成在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制程序中，在本實施例中使用的加熱片中等效的每一個電阻阻值約為R＝3Ω，為了在測量中得到穩(wěn)定且準確的信號，盡可能使整個加熱片的功率變化較小，其中I＝0.3A本實施例最優(yōu)選的選擇。
實施例3 以下結(jié)合附圖對恒壓源測量裝置的測量原理及對應的測量裝置進行詳細說明 本實施例中采用穩(wěn)定的電壓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(jié)構(gòu)如圖1所示，如圖7所示本發(fā)明的加載恒壓源并在絕對測量模式下的測量裝置組合示意圖，該裝置與上述的恒流源測量裝置是相同的；該恒流源加載所述加熱片時，以如圖8所示的等效電路圖進行分析； 對待測材料采用恒壓源測量裝置進行測量時，同上恒流源的測量步驟第一步，把外面覆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的同種待測材料之間； 第二步，在加熱片相對的兩個節(jié)點上加載恒壓源，使恒壓源與加熱片電連接，本實施例使用的恒壓源內(nèi)置三檔輸出，0.4V、0.8V、1.6V，輸出電流精度為萬分之一。
第三步，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集如圖8所示的B和C點的輸出電壓和溫度，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行自動處理并顯示導熱系數(shù)，此外還可以同時獲得熱擴散系數(shù)。
當在加熱片上加載恒壓源時，該恒壓源測量裝置的等效電路圖如圖8所示。實驗測量時在加熱片的A和D兩端加上恒定的電壓，測量B和C端的輸出電壓隨時間的變化，獲取測量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(jié)合圖8對本實施例恒壓源的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 如圖4所示，在加熱片的A和D點加載恒定電壓U，B和C點的電壓可以表示為 把上式拆分成內(nèi)部電阻和外部電阻(圖4中所示的惠斯通電橋的四個臂中，陰影部分的電阻為內(nèi)部電阻、其它電阻稱為外部電阻)為 式中上標I和O分別代表內(nèi)部電阻和外部電阻。
現(xiàn)有技術(shù)中每一個電阻隨溫度的變化關系可以由下式表示 R(T)＝R(0℃)(1+αT)(15) 式中R(0℃)為0℃時的電阻，α為鎳的電阻溫度系數(shù)。把式(15)代入式(14)整理得到 對每一個電阻對應的熱帶，其平均溫度為 式中Φ為加熱功率，L為該熱帶的長度，λ為導熱系數(shù)，γ＝0.5772156649......為歐拉常數(shù)，為時間常數(shù)，a為熱擴散系數(shù)，D為熱帶的寬度，t為時間。
當τ>4時，式(4)的截斷項的影響會小于千分之一，因而測量時間需要滿足 得到 考慮到內(nèi)部電阻相對應的熱帶的功率是外部電阻相對應熱帶功率的2倍，并且內(nèi)部電阻的等效寬度是外部熱帶等效寬度的2.2倍，可以得到內(nèi)部電阻相對應的熱帶與外部電阻相對應的熱帶之間溫差 (19) 代入式(16)可以得到 在實際測量中，可以測得B、C兩端的電壓隨時間變化的曲線，進而可以把τ>4時的實驗數(shù)據(jù)擬合成如下的線性關系式 式中m是斜率，n是截距。
對比式(20)和(21)的系數(shù)，可以得到 在測量過程中，加熱功率的變化要小于千分之五，而加熱功率表示為
最后可以得到
測量前，對熱帶長度L、溫度系數(shù)α、長電阻在0攝氏度時阻值RL(0℃)和短電阻在0攝氏度時阻值RS(0℃)可以預先設定，測量開始時溫度T可以由溫度計測量得到，斜率m和截距n由電壓UBC隨時間變化曲線擬合得到，測量電壓U由電壓表U0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自動計算，根據(jù)式(25)和(23)得出待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)，本實施例在A和D之間加載恒定電壓U＝0.8V是最優(yōu)的選擇。
實施例4 以下結(jié)合附圖對恒功率源測量裝置的測量原理及對應的測量裝置進行詳細說明 本實施例中采用穩(wěn)定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)的第三種實驗測量裝置及相應的測量原理。加熱片的結(jié)構(gòu)如同上圖1所示，整個測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參照圖7的組合示意圖或圖5的分解示意圖都可以；該恒功率源與恒壓源、恒流源的區(qū)別為在于內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)不同，參考圖9所示的加載恒功率源時的等效電路圖；并結(jié)合圖4加熱片的等效電路圖進行分析。
選擇恒功率源測量裝置對待側(cè)材料進行測量時，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，在加熱片相對的兩個節(jié)點上，加載恒功率源，本實施例使用的內(nèi)置三檔功率輸出，0.06W、0.24W、0.96W，輸出精度為千分之一。
第三步，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集如圖4所示的B和C點的輸出電壓，該數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行自動處理顯示導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。
當在加熱片上加載恒功率源時，該恒功率源測量裝置的等效電路圖如圖9所示。實驗測量時在加熱片的A和D兩端加上恒定的功率，測量B和C端的輸出電壓隨時間的變化，然后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(jié)合圖9對本實施例恒功率源的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 在A和D點加載恒定功率Φ，所測得的導熱系數(shù)可由式(12)和(25)決定
同樣，在測量前，需要對熱帶長度L、溫度系數(shù)α、長電阻在0攝氏度時阻值RL(0℃)和短電阻在0攝氏度時阻值RS(0℃)進行預先設定，測量開始時溫度T可以由溫度計測量得到，斜率m和截距n由電壓UBC隨時間變化曲線擬合得到，測量電壓U由電壓表U0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(26)和(27)得出在絕對測量模式下加載恒功率源的待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測量公式。
實施例5 在具體實現(xiàn)方式中，通常只有一塊待測材料，因此本發(fā)明還可以選擇恒流源、恒壓源、恒功率源測量裝置的相對測量模式進行測量。以下對恒流源、恒壓源、恒功率源的相對測量原理進行詳細描述。
其恒流源、恒壓源、恒功率源相對測量的公式都相同，結(jié)合圖10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、恒流源、以及恒壓源的相對測量模式的裝置結(jié)構(gòu)是相同的，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中選擇相對測量時，將一塊材料M1作為美國計量標準技術(shù)研究院的標準材料SRM1450c的標準材料010(該材料為現(xiàn)有技術(shù)中公知的)，實驗前用絕對模式測量其導熱系數(shù)λ0，或通過查表獲取公知的該標準材料010各個溫度對應的導熱系數(shù)。
當選擇恒定功率/恒定/恒流時，本發(fā)明的加熱片上的溫度分布將同時受到這兩種材料的約束，所述公式(12)、(25)、(26)即為綜合導熱系數(shù)為λall；也就是說，該綜合導熱系數(shù)為待測材料與標準材料的導熱系數(shù)之和。
通過上述的恒定功率/恒定/恒流的絕對測量原理的推倒公式可以知道，因而所述相對測量模式的待測材料的導熱系數(shù)λ滿足如下的關系式 λ＝2λall-λ0(29) 在恒功率源、恒流源、以及恒壓源的裝置結(jié)構(gòu)中選擇相對測量模式，在基本控制程序中增加公式(29)，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)。
實施例6 以下對所述測量裝置的測量/操作方法進行詳細說明 使用恒流源測量裝置、恒壓源測量裝置或恒功率源測量裝置測量待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)的測量方法的主要步驟包括 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、或高度大于或等于25mm； 步驟S02選擇絕對測量模式或相對測量模式； 步驟S03記錄待測材料種類和環(huán)境的濕度及溫度； 步驟S04加載恒流源、恒壓源或恒功率源； 步驟S05采集并處理數(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5或圖7所示的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；進而選擇測量絕對測量模式，其次，在本實施例中可以采用進行多次測量即選擇是否需要連續(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)將分別顯示于界面上，并存儲在指定文件中。
當然，在本實驗操作方法中，還可以選擇相對測量模式，此時將標準材料放置在加熱片的上表面、將待測材料放置在加熱片的下表面，選擇相對測量模式，同上其它的操作步驟，進而可以得到待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。
實施例7 以下結(jié)合具體的實驗曲線對本發(fā)明的恒壓源測量裝置進行詳細說明實驗可以在-30℃～100℃進行，當使用絕對測量時，需要130mm×70mm×10mm(金屬材料為130mm×70mm×25mm)的待測材料兩塊，當使用絕對測量時，只需要130mm×70mm×10mm(金屬材料為130mm×70mm×25mm)的待測材料一塊，測量時需要記錄下房間的濕度。當設置好樣品后，在操作界面上選擇相對測量模式或絕對測量模式，按下開始鍵，等待一定時間，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示出導熱系數(shù)的準確測量結(jié)果。
圖11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(shù)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(18)得知，取的點進行擬合，得到線性公式如下 U＝-1.175534+1.622887ln(t) (30) 從而得到 m＝1.622887；n＝-1.175534(31) 代入公式(25)和公式(23)，得到 λ＝0.039W·m-1·K-1 (32) a＝0.12mm2·s-1 (33) NIST在此溫度和相應密度下的標稱值為λ＝0.038W·m-1·K-1，兩者差別小于5％。
利用本發(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(zhì)的導熱系數(shù)進行了測量，結(jié)果列于表1，其中λa為絕對法測量的導熱系數(shù)值，λr為相對方法測量值。
表1 不同材料的導熱系數(shù)值
在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側(cè)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(shù)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(shù)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)的恒流源測量裝置、恒壓源測量裝置、恒功率源測量裝置、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(shù)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(nèi)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(shù)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(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種固體材料的導熱系數(shù)的測量裝置，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矩形槽，該第二熱帶包括兩個矩形槽，所述每個矩形槽均為鎳材料制備，且以惠斯通電橋的形式電連接；
電源，用于為該加熱片中相對的兩個節(jié)點提供恒定的能量；
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，連接于所述加熱片，并用于采集所述加熱片中其它兩個相對的節(jié)點的電壓和溫度變化，以及獲得該待測材料的導熱系數(shù)。
2、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述第二熱帶包括的兩個矩形槽外壁的間距為0.2±0.1mm。
3、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述矩形槽的長為100±10mm、內(nèi)壁間距為0.2±0.1mm、深度為20±10μm、內(nèi)壁和鄰近的外壁的厚度為0.4±0.2mm。
4、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述電源為恒流、恒壓、或恒功率的電源。
5、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述第一矩形槽的等效阻值為R＝3Ω。
6、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，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。
7、如權(quán)利要求1所述的測量裝置，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。
8、一種使用權(quán)利要求1所述的測量裝置測量固態(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中間；
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；
采集并處理數(shù)據(jù)，獲得該待測材料的導熱系數(shù)。
9、如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述選擇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。
10、如權(quán)利要求8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)明涉及一種固體材料的導熱系數(shù)的測量裝置，其包括，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矩形槽，該第二熱帶包括兩個矩形槽，所述每個矩形槽均為鎳材料制備，且以惠斯通電橋的形式電連接；該測量裝置還包括用于為該加熱片的相對的兩個節(jié)點提供恒定的能量的電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接于所述加熱片，并用于采集所述加熱片中其它兩個相對的節(jié)點的電壓和溫度變化，獲取待測材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)，該裝置能夠在短時間內(nèi)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0.01～300W·m-1·K-1，且所測量的導熱系數(shù)的不確定度在5％以內(nèi)。
文檔編號G01N25/20GK101464423SQ20091007642
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者鴻 林, 張金濤, 薛壽清 申請人:中國計量科學研究院