一种全自动的准稳态法导热系数测量装置

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1、一种全自动的准稳态法导热系数测量装置吴江涛，等一种全自动的准稳态法导热系数测量装置FullyAutomatedMeauringApparatuofThermalConductivitybyuingQuai_teadyStateMethod吴江涛潘江张可刘志刚（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安710049）摘要在对准稳态法测量导热系数原理分析的基础上，研制了一套用准稳态法测量导热系数的实验装置，克服了以往准稳态法导热系数测量装置中存在的一些不足，同时开发了运行于Windows环境下的全自动测量软件。最后利用已知热物性数据的标

2、准试样有机玻璃对装置进行了检验。实验结果表明，所研制的实验装置能够准确地测得一定范围内固体试样的导热系数，并可满足实际工程导热系数测量的需要。关键词准稳态法导热系数自动化测量AbstractOnthebasisofanalysisoftheprincipleofthequasi-steadystatetechniquetomeasurethethermalconductivity，afullyautomatedapparatustomeasurethethermalconductivitywasdeveloped.Manydisadva

3、ntagesinpreviousapparatushadbeenovercome.Inaddition，automaticmeasurementsoft-warerunninginWindowsenvironmentwasdeveloped.Finally，theapparatuswastestedwithacalibratedsampleofwhichthethermalpropertydataareknown.Theexperimentalresultsindicatedthattheapparatusisabletomeasure

4、thermalconductivityofsolidsamplespreciselyincertainrangeandmeettherequirementsinengineeringapplication.KeywordsQuasi-steadystatemethodThermalconductivityAutomatedmeasurement［2，4］根据传热学可知，模型数学描述式为0引言2∂T（x，τ）∂T（x，τ）导热系数作为物质的重要物理参数，在化工、能∂τ=α2（0

5、业流程∂T（0，τ）=0（2）和产品设计中必不可少的基础数据。物质的导热系数∂x可以通过实验测量、理论推算或计算机模拟等方法来∂T（l，τ）Q=（3）获得，但目前仍然以实验测量为主。根据导热系数的∂xAλ实验测量原理［1，2］，其测量方法大致可以分为稳态法T（x，0）=T0（4）和非稳态法。其中，非稳态法［3］由于测量时间短、测量式中：τ为时间（s）；Q为从底面向试样加热的恒定功率（W）；α为试样的热扩散率（m2精度可以与稳态法相当，近年来得到了快速发展。目/s）；λ为试样的导热系数W（/m·K）；A为试样面积（m2）；l为试样厚度（m

6、）。前，用于导热系数测量的非稳态法有很多种，如瞬态热丝法、探针法和平板准稳态法等。本文所介绍的是为通过计算可以得到此模型的解为2实际工程应用开发的一种全自动的准稳态法导热系数Qlατx1T（x，τ）-T0=(2+2-6λAl2l测量装置。∞（-1）n+122）+2Σ22ex（p-nπF01准稳态法测量原理n=1nπx在介绍准稳态法测量导热系数原理之前，首先对×cosπn)（5）1用该方法测量导热系数时加热过程中无限大平板温度式中，F0为傅立叶数，n=1，2，3，⋯的变化过程进行分析。图1给出了平板温度变化过程的简化模型，取试样底面为x轴

7、的起点，热流方向与x轴的正向相同，平板受热流密度（q）恒定的热流均匀加热，试样的顶部为绝热面，T表示试样中位置为x的某点处、时间为τ时的温度，试样的初始温度为T0。图1平板加热过程图2准稳态法测试曲线23《自动化仪表》第26卷第5期2005年5月为了使该模型能够在实际中得到应用，必须进一步简化上述模型与方程的解。由ατF0=2（6）l可知，随着时间τ的延长，式（5）中的级数和变小。当F0>0.5时，解的级数和变得很小，可以忽略不计，所图3实验系统示意图以式（5）可简化为Qlατx21试样装置用来安装试样、加热装置和热电偶，并尽T（x，τ

8、）-T0=(2+2-6)（7）λAl2l量减小被测试样与外界的换热。试样装置包括待测试由此可见，当F0>0.5时，平板各处的温度与时间呈线样、稳压电源、加热器、均热用铝箔和绝热层等。试样性关系，平板温度随时