二、热带法测量材料热导率

二 热带法测量材料热导率二 热带法测量材料热导率 二 非稳态热带法测量材料热导率 一 实验目的1 巩固和深化稳定导热过程的基本理论 学习用热 带法测定绝热材料导热系数的实验方法和技能 2 测定试验材料的 导热系数 3 确定试验材料导热系数与温度的关系 二 实验原理热带法全称为瞬态热带法 测量原理类似于瞬态热 线法 实验中 将一条很薄的金属带 热带 夹持在待测材料中间 从某 时刻起以恒定电功率加热金属带 测量并记录热带的温度响应曲线 并可同时得到被测材料的导热系数和热扩散系数这两个物性参数 热带法不仅可以测量液体 松散材料 多孔介质及非金属固体材料 并且在热带表面覆盖很薄的绝缘层之后 还可以用于测量金属材 料 适用范围较广 测量精度较高 而且容易实现 由于热带法属于非稳态方法 测量所用时间也较稳态法短 1 热带法测量原理如图1所示 一条很长很薄的金属带 热带 处于体 积很大的介质当中 初始时刻金属带与介质具有相同的温度 若突 然给该金属带通以恒定的电流I 则金属带上产生的焦耳热将向周围 介质传递 忽略热带有限长度及介质有限边界的影响 假设热带为无限长 周 围介质为无限大 且热1带与介质间无接触热阻 则热带及周围介质 中的温度分布可表示为21022 4 exp atipqT xy t T acyd ydx erfcerfc d 1 式中t为时间 为初始温度 a为介质的热扩散率 cp为介质的 体积热容 q为热带每单位面积上的加热功率 d为热带宽度的一半 由于热带很薄 与d相比 v很小 v为厚度的一半 可近似认为热带表 面与中心温度相同 则热带平均温度iT tTm1 0 22dm iidQT tT Ty tT dyfd 2 其中 3 21 221 2 1 4 1exp 1 4 1 if erfcE 2i1 22 2 exp erfc ud u 4 1 exp iE ud 5 at d 为介质的导热系数 Q为热带单位长度的加热功率 W m 值得关注的是 在加热足够长时间后 即 1 或时 可得2 t d a2 ln4m iQatT tTd 6 式中 为Euler常数 015772 这表明Tm t 与ln t 呈线性关系 对其微分可得 4ln mdT tQd t 7 此式即为热带法测量介质导热系数的理论公式 实际应用中 若热带宽2d 2mm 介质热扩散率 则经过数秒钟以后 热带温升随时间的6210 a m s2对数呈线性变化 热带的温度变化可以通过测量热带电阻的变化来获得 也可以直接用 热电偶测量 本实验采用后一种方式 图图2实验装置示意图2 热带法测量的实验装置实验测量系统如图2 所示 1 试样部分 待测试样是由两块长230mm 宽约150mm 厚约40mm的固体材料组成 两块试样中间夹着金属热带 热带为Ni2Cr合金 长1000mm 宽2mm 厚0115mm 在其表面焊接有直径为0 11mm的K型热电偶 以测量热带 温度的变化 如图3所示热带及测温热电偶示意 图3 图图3试样俯视图3 2 开关控制盒部分 Rs为标准电阻 Rb为平衡电阻 其阻值为标准电阻与热带电阻之和 热带温度Tm t 热带两端电压Um 以及标准电阻两端电压Us均由AD 8221数据采集器测量和记录 若标准电阻Rs 1 则电压Us值代表加热电流I 进而可确定出热带 的加热功率 3 电源部分 电源部分为一恒流电源 其可提供0 215A的直流输出 测量开始前 开关K接通辅助回路 使恒流源预热 当开关接通主回路时 测量开始 热带以恒定功率加热试样 4 信号调理模块部分 它是用来调节输入信号的大小 通过放大或缩小输入电压 使得试 验处于一个较为稳定的状态 5 数据采集器部分 数据采集器能够自动测量和记录热带温度变化及热带电压 电流等 信号 直至实验结束 实验数据保存在数据文件中 送至计算机进行处理和计算 以确定待 测试样的导热系数 由于数据采集器是获得整个实验测量数据的核心部分 并且直接跟 计算机相连 所以以下来着重介绍数据采集器 如图4所示 本实验采用的是AD8221型数据采集器 该采集器以USB电缆线与计算 机相连 外壳内的数据采集卡采用40芯扁平线接头与用户信号相连 采集器一般采用铁质喷塑外壳封装 壳体带端子板 用户可以直接 把信号接在端子上 是现场信号采集的理想选择 采集器的工作原理信号从模拟量输入接头J1输入 然后经过阻容元 件 多路开关进入仪器放大器 经过一起放大器实现阻抗匹配和干 扰抑制 再送到程控放大器 然后送到A D芯片 USB单片机首先选通相应的通道 然后触发A D A D结果送到FIFO 然后由USB总线读出 送到PC上 板上的定时器定时产生定时采集信号 实现硬件定时采集 一般信号采集直接采用单端即可 将信号的地线与本板的模拟地线 相接 将信号线接本板的通道线 由于本板有很强的共模噪声抑制能力 将信号直接接采集板能够保 证有很高的采集精度 对于噪声特别严重的信号 可以采用双端的方式输入 首先将板配 制成双端采集模式 然后将信号的两端接通道的两端 本板出库时 设置为单端方式 3 热带法测量的实验装置连接实验所用的开关控制盒是由电阻 导 线 开关等原材料自制而成的 按照实验装置示意图 连接好各部 4USB接口FIFO A D转换程控放大器多路开关J1模拟量输入J3开关量综合逻辑控制图 图4数据采集器 1 微机 10型电源 的 15V GND 15V三端分别与 信号调理模块 的 15V GND 15V三端相连 2 开关控制盒 上的 电源 接口与 稳压温流直流电源 上 的 极和地端相连 3 开关控制盒 上的 标准电阻 与 数据采集器 的2和32 通道相连 4 开关控制盒 上的 热带 接口分别接在热带的两端 5 开关控制盒 上的 平衡电阻 与滑动变阻器连接 6 被夹在待测材料中的热带的两端分别接于 数据采集器 的3 和33通道 7 信号调理模块 的V1与GND端分别接在 数据采集器 的1和 31通道 8 热电偶两端接在 信号调理模块 的V1 和V1 两端 至此 实验装置连接完毕 连接完后 仔细检查线路 注意正负极的正确连接 5待测试样由两块长230mm 宽150mm 厚40mm的固体材料组成 金属热带为Ni2Cr合金 长1000mm 宽2mm 厚0115mm 在其表面焊 接有直径为0 11mm的K型热电偶 以测量热带温度的变化 如图3所 示 热带及热电偶被夹持在两块相同的试样当中 Rs为标准电阻 Rb为平衡电阻 其阻值为标准电阻与热带电阻之和 热带温度Tm t 热带两端电压Um 以及标准电阻两端电压Us均由AD8 221型数据采集器测量和记录 数据采集速度可设定为每秒5至400个 点 若标准电阻Rs 1 则电压Us值代表加热电流I 进而可确定出热带 的加热功率 恒流电源可提供0