HWX-II (恒功率平面熱源法)智能熱物理參數測試儀

本儀器提供了一種采用恒功率平面熱源法測試熱物理參數的智能化方法。該系統具有測量準確度高、自動化程度高和操作方便等特點。測試結果表明，導熱系數和導溫系數的測試誤差均小于±4%。
1　：概要
物質熱物理參數是物質的宏觀物理量之一，是各類科學研究和工程設計的重要基礎參數。它包括導熱系數、導溫系數、比熱、熱膨脹系數和熱發射率等，其中導熱系數和導溫系數是物質熱物理參數的主要指標。
目前，國內生產的測量固體材料的熱物理參數的儀器大多使用電位差計和電流計測定加熱器的熱容量和熱電偶電勢及相關參數，人工計算導熱系數和導溫系數。其缺點是自動化程度低、通用性差、調節過程復雜、測試結果受人為因素影響較大。國外生產的導熱系數測試儀，結構復雜、價格昂貴、不便于推廣使用。因此，迫切需要研制一種自動化程度高、操作方便、實驗速度快、準確度高、通用性強的測定物質熱物理參數的自動化儀器。
對物質導熱系數和導溫系數的測量，有許多測試方法和相應的測試儀器，本儀器《智能熱物理參數測試系統》采用的測試方法——恒功率平面熱源法的測試原理、測試方法的實現和測試結果。
2：　測試原理
　　恒功率平面熱源法熱物理參數測試系統的試材固定和加熱部分
試材1、試材2、試材3是緊固在一起厚度不同的相同材料。其中試材1的厚度為δ，試材2的厚度為x1，試材3的厚度為δ+x1。試材1和試材2、試材2和試材3之間各放置一對熱電偶，用于測定試材2上、下兩個面的溫升，試材2和試材3之間放置一個恒功率平面加熱器。如果試材2的長和寬各為其厚度的8～10倍，加熱器的功率恒定，加熱器熱容量為零。在這些條件下，試材2可看作無限大平壁，并且試材無內熱源。接通加熱器電源，加熱器對稱地向上、下兩個面各提供熱量，每側為q0千卡/m2。在平面加熱器通電瞬時，三試材的初始溫度處處一致等于T，隨時間τ增加，試材將升溫，熱流逐漸向遠離加熱器的兩邊傳遞，在此過程中其溫度變化僅僅發生在與平面加熱器垂直的方向。

圖1　試材加熱和固定部分示意圖
　　在上述條件下，試材的導熱系數λ、導溫系數α可按下式計算［1］：
導溫系數　
導熱系數　
式中　ξ2x1——根據已測定的量直接從表中查出
　θ(0，τ0)——τ0時刻試材2與平面加熱器接觸面上的中心區溫升。

3　測試方法的實現
　　根據測試原理，測試裝置由試件及試件夾具、加熱系統和單片機數據采集及處理三部分組成(圖2)。

(新投產的已把單片機控制系統改為計算機或筆記本電腦控制)
圖2　熱物理參照測量裝置示意圖
　　試件分為三塊，中間一塊試件較薄，兩邊試件比較厚。試件和試件之間加以熱電偶并用夾具固定。加熱系統包括加熱器和穩壓電源用以產生穩定的熱量。單片機系統按測試原理提供的算法進行數據處理，并將結果顯示打印。
　　恒功率平面熱源法測量材料熱物理參數，在方法原理和實驗技術上都需要進一步探討。要想準確測定材料的熱物理參數，除了要準確測量溫度和時間外，還必須滿足如下的實驗條件：（1）被測試樣均勻各向同性且其物性為常數；（2）試樣長寬各為厚度的8-10倍即試樣是半無限大，而且具有均勻一致的初始溫度；（3）恒功率平面熱源；（4）加熱器熱容量為零。如果不滿足上述條件，必然造成測量誤差，因此必須對這些誤差因素加以分析和修正并適當控制實驗條件、改善實驗裝置才能獲得較高的準確度〔2～4〕。
3.1系統硬件設計
　　恒功率平面熱源法智能熱物理參數測試系統是以8031單片機為基礎的新一代測試系統，采用單片機對測量數據進行各種計算，排除或減少了由干擾信號、模擬電路和人為因素引起的誤差。
　　系統硬件由傳感器、前置放大電路、通道控制電路、模數轉換電路、鍵盤顯示及控制電路、打印驅動及控制電路、單片機系統、系統監控及后備保護電路、系統及加熱器供電電源、加熱器、試樣夾卡等部分組成。系統硬件構成如圖3所示。

圖3　測試系統硬件構成框圖
　　熱電偶的溫度-電壓特性曲線成指數形式，本系統采用單片機計算法對此進行線性校正。另外，熱電偶分度表是以熱電偶冷端溫度等于0℃制定的，如果冷端溫度不等于0℃，熱電勢將隨冷端溫度變化，所以必須對熱電偶測溫電路進行校正。本系統采用AD590集成溫度傳感器對熱電偶冷端進行補償。基于熱電偶連接定律和中間溫度定律的熱電偶冷端補償器的硬件電路及前置放大電路原理圖如圖4。

圖4　熱電偶冷端補償及前置放大電路原理圖
　　模數轉換電路采用ICL7135雙積分A/D轉換器，通過鍵盤對各種工作狀態進行設置，并在顯示器上以不同的形式顯示出來，打印控制電路的主要功能是控制微型打印頭的機械動作，系統監控后備保護電路是為了防止單片機系統因瞬間掉電、電網欠電壓和軟件“跑飛”而設計的。
3.2　軟件設計
　　系統軟件是測試系統的重要組成部分，它包括系統管理模塊、數據運算、打印機管理、參數設置、數據采集濾波、熱電偶熱電勢—溫度變換、中斷處理、時鐘管理等模塊。通過系統管理模塊按一定的層次結構把它們有機地結合起來，便可完成各項功能。系統管理軟件流程圖如圖5。

圖5　系統管理軟件流程圖
4　測試結果
　　使用智能熱物理參數測試系統對聚氨脂泡沫的導熱系數進行了測試，并與傳統的測試儀器進行比較。被測材料規格為：試材1：200×200×65mm；試材2：200×200×22mm；試材3：200×200×90mm。測試結果如表1所示。實驗結果表明智能測試系統對導熱系數測定值再現率、均方差和相對誤差優于傳統的測試儀器。考慮影響測試精度因素后，導熱系數測試誤差小于±4%。
表1　聚氨脂泡沫的導熱系數測試結果(W/m.℃)
平面熱源法儀器類型
實驗次數智能型熱物理參數測試系統傳統導熱系數測試系統
1 0.027985 0.02824
2 0.027947 0.02737
3 0.027836 0.02840
4 0.027875 0.02861
5 0.027652 0.02785
平均值0.027859 0.02809
均方差1.159776×10-4 4.39299×10-4
相對誤差3.18% 4.04%