穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前導(dǎo)熱系數(shù)的測量中，通常采用單個熱電偶（如銅-康銅等），或者單個Pt電阻進 行溫度的測量。采用熱電偶測量時，首先需要調(diào)好冰水混合物（即溫度基準），根據(jù)金屬材料 的熱電效應(yīng)，熱電偶兩端分別與冰水混合物和待測物體接觸時可形成溫差電動勢，通過測 量溫差電動勢，達到測量溫度的目的。由于金屬材料的溫差系數(shù)較小，加上外界環(huán)境溫度的 影響，測量得到的電動勢往往只有幾個毫伏，記錄的數(shù)據(jù)往往會有上下起伏的變化，影響平 衡狀態(tài)的判斷，進而影響測量的精度。同樣采用鉑電阻（如PtKKKPtlOOO)測量，利用了類似 熱敏電阻阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻阻值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度，這樣經(jīng)過計算的溫度誤 差比較大;雖然它的線性好，但是它的熱響應(yīng)慢。
[0003] 目前測量實驗儀器中多采用單個熱電偶或者Pt電阻，操作時需將傳感器在發(fā)熱 盤、散熱盤之間更換，操作繁瑣，易于受環(huán)境的影響，通過單個傳感器測的有限幾組數(shù)據(jù)不 能準確判定系統(tǒng)是否達到平衡狀態(tài)，計時基本采用秒表計時，人工對溫度進行采集和記錄， 通過手工作圖法或者逐差法求得散熱速率，最后求得的導(dǎo)熱系數(shù)誤差往往偏大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)及 測量方法，它具有有效提高測量結(jié)果的精度和準確性的優(yōu)點。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)，包括：依次連接的待測裝置、下位機和上位 機；
[0007] 所述待測裝置包括：自上而下同軸緊貼平行放置的發(fā)熱盤、樣品盤和散熱盤，所述 發(fā)熱盤通過加熱控溫模塊控制加熱;所述發(fā)熱盤通過第一溫度傳感器與下位機連接，所述 散熱盤通過第二溫度傳感器與下位機連接；
[0008] 上位機通過發(fā)送控制指令，告知下位機對待測裝置進行熱平衡數(shù)據(jù)采集或者散熱 曲線數(shù)據(jù)采集。
[0009] 所述下位機與上位機之間通過串口進行通信，采用串口轉(zhuǎn)USB電路，直接連接上位 機電腦的USB插孔。
[0010] 所述加熱控溫模塊包括：隔離變壓器，所述隔離變壓器的一端與220V交流電連接， 所述隔離變壓器的另外一端與加熱棒連接，所述變壓器與加熱棒連接線路上設(shè)有繼電器， 所述繼電器由PID控制器控制，PID控制器控制繼電器來驅(qū)動加熱棒對發(fā)熱盤加熱，所述PID 控制器還與加熱棒連接，采集加熱棒的溫度，實現(xiàn)溫度的控制。
[0011]所述隔離變壓器將220V交流電轉(zhuǎn)換為36V、24V兩種不同的交變電壓；用戶根據(jù)不 同的加熱需要進行選擇。
[0012]所述上位機是人機交互系統(tǒng)，包括控制單元，所述控制單元分別與熱平衡數(shù)據(jù)采 集及平衡判斷模塊、存儲計算模塊、散熱曲線數(shù)據(jù)采集存儲模塊、發(fā)送控制指令模塊和數(shù)據(jù) 合成轉(zhuǎn)換模塊連接，其中，所述熱平衡數(shù)據(jù)采集及平衡判斷模塊還分別與熱平衡數(shù)據(jù)坐標 跟蹤作圖模塊和加熱數(shù)據(jù)Excel導(dǎo)出模塊連接;所述散熱曲線數(shù)據(jù)采集存儲模塊還分別與 散熱曲線的坐標跟蹤作圖曲線擬合模塊和散熱數(shù)據(jù)Exce 1導(dǎo)出模塊連接。
[0013]控制指令發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運算模塊均與下位機連接。
[0014] 所述熱平衡數(shù)據(jù)采集及平衡判斷模塊，用于加熱數(shù)據(jù)采集及平衡的判斷；
[0015] 所述存儲計算模塊，用于加熱過程中存儲達到平衡溫度數(shù)據(jù)的存儲及平衡點的計 算、散熱過程中平衡點散熱速率的計算、最終導(dǎo)熱系數(shù)的計算；
[0016] 所述散熱曲線數(shù)據(jù)采集存儲模塊，用于散熱曲線的溫度-時間數(shù)據(jù)采集存儲；
[0017] 所述發(fā)送控制指令模塊，用于發(fā)送控制指令給下位機，指示下位機發(fā)送加熱過程 數(shù)據(jù)還是散熱過程數(shù)據(jù)；
[0018] 所述數(shù)據(jù)合成運算模塊，完成對下位機發(fā)送的低八位、高八位溫度數(shù)據(jù)的合成運 算；
[0019] 所述熱平衡數(shù)據(jù)坐標跟蹤作圖模塊，用于加熱過程的發(fā)熱盤、散熱盤溫度-時間坐 標跟蹤作圖；
[0020] 所述加熱數(shù)據(jù)Excel導(dǎo)出模塊，用于對加熱過程的溫度-時間坐標數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 中以進行分析；
[0021] 所述散熱曲線坐標跟蹤作圖及曲線擬合模塊，用于對散熱過程的溫度-時間坐標 數(shù)據(jù)跟蹤作圖；
[0022] 所述散熱數(shù)據(jù)Excel導(dǎo)出模塊，用于對散熱過程的溫度-時間坐標數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 進行分析。
[0023] 所述下位機包括單片機，所述單片機分別與時鐘電路、復(fù)位電路、蜂鳴報警電路、 液晶顯示電路和串口轉(zhuǎn)USB電路連接，單片機與液晶顯示器連接，單片機通過串口轉(zhuǎn)USB電 路直接與上位機連接。
[0024] -種穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟(1):加熱控溫模塊的加熱棒對發(fā)熱盤進行第一加熱過程，熱量通過樣品盤傳 到散熱盤；
[0026] 步驟(2):通過第一溫度傳感器檢測發(fā)熱盤的溫度，通過第二溫度傳感器檢測散熱 盤的溫度，第一、第二溫度傳感器采集的溫度都傳輸給下位機進行處理，并通過下位機連接 的液晶顯示器顯示；
[0027] 步驟(3):下位機處理后的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，在上位機中，溫度-時間數(shù)據(jù)以曲線 方式在直角坐標系顯示;根據(jù)曲線直觀判斷是否達到平衡狀態(tài)；
[0028] 若達到平衡狀態(tài)，則下位機采集達到平衡狀態(tài)的溫度數(shù)據(jù):發(fā)熱盤TdP散熱盤T2， 分別存于兩數(shù)組中，通過分別求取兩組數(shù)的平均值，獲得發(fā)熱盤平衡溫度值和散熱盤平 衡溫度值5;
[0029] 步驟(4):將發(fā)熱盤和散熱盤直接接觸加熱，實現(xiàn)第二加熱過程，當加熱到設(shè)定曲 線溫度采集范圍的上限值（$+1〇)°Γ時，下位機發(fā)出報警信號；下位機發(fā)出報警信號后， 分離加熱盤和散熱盤，散熱盤轉(zhuǎn)入散熱過程；
[0030] 此時下位機開始記錄散熱盤的散熱曲線數(shù)據(jù)并送上位機；由上位機完成散熱曲線 的采集；
[0031] 步驟(5):當加熱到設(shè)定曲線溫度采集范圍的下限值時，下位機發(fā)出 報警信號，并停止記錄散熱曲線數(shù)據(jù)；
[0032] 步驟(6):將采集的數(shù)據(jù)存儲顯示于坐標系中，作出散熱曲線，基于最小二乘法的 二次多項式擬合，得出散熱曲線方程，在散熱曲線上查找r = ，并求該點切線斜率，切 AT 線斜率即為I ，，代入傅里葉熱傳導(dǎo)方程計算出導(dǎo)熱系數(shù)λ。 At -
[0033] 所述散熱曲線溫度采集的范圍是指在平衡點溫度值上下浮動設(shè)定溫度值。
[0034] 所述傅里葉熱傳導(dǎo)方程： _ _ , AT f Rc^r2hc 1,?、1
[0035] ^ c ψ)·1 ⑶' Δ/ + -2/ζ^ J Τγ - ?，ττΜ-β
[0036] 其中Rb為樣品盤的半徑，RC為散熱盤的半徑，hB為樣品盤的厚度，hc為散熱盤的厚 度，m為散熱盤的質(zhì)量，co為散熱盤的比熱容。
[0037]本發(fā)明的有益效果：
[0038] 1.可實現(xiàn)加熱裝置的高精度溫度控制，利于系統(tǒng)實現(xiàn)平衡狀態(tài)，進一步減小環(huán)境 溫度的影響誤差，；
[0039] 2.由曲線可直觀判斷系統(tǒng)是否達到平衡狀態(tài)，進而獲得較為準確的平衡點溫度
[0040] 3.可設(shè)定采樣時間間隔進行數(shù)據(jù)采集，采用最小二乘法的二次多項式擬合散熱曲 線，符合散熱盤與室溫溫差相差越大，散熱速率越快，接近室溫散熱速率變慢的實際物理過 程。
[0041 ] 4.利用計算機進行數(shù)據(jù)處理，提高了測量的精度，提高了實驗測量的自動化程度。
【附圖說明】
[0042]圖1為本發(fā)明測量示意圖；
[0043]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0044] 圖3 (a)為本發(fā)明的圖2的加熱控溫模塊；
[0045] 圖3(b)為本發(fā)明的圖2的上位機內(nèi)部模塊示意圖；
[0046] 圖3(c)為本發(fā)明的圖2的下位機內(nèi)部模塊示意圖；
[0047]圖4為本發(fā)明的上位機顯示界面示意圖；
[0048]圖5(a)和圖5(b)為本發(fā)明的上位機程序設(shè)計流程圖；
[0049]圖6為下位機程序設(shè)計框圖；
[0050] 圖7為上下盤數(shù)據(jù)采集及平衡判斷示意圖；
[0051] 圖8為數(shù)據(jù)Excel導(dǎo)出及分析；
[0052]圖9為散熱曲線采集及計算截圖。
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0054]如圖1所示，將發(fā)熱盤、樣品盤、散熱盤三者自上向下同軸緊密貼合放置。
[0055]如圖2所示是整個測量系統(tǒng)的框圖。由加熱部分實現(xiàn)對發(fā)熱盤的控溫加熱，熱量由 發(fā)熱盤經(jīng)過樣品