智能化导热系数测定仪的开发应用
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摘 要：依据无限大平板导热理论的傅立叶导热定律设计了平板式导热系数测试仪。本装置结合了导热系数测定仪在实验教学中的需要及现代计算机控制技术，可以很好的应用在实验教学及相关材料的导热系数测定中。
关键词：导热系数;测定装置;热电偶测温;智能化控制
Abstract： A flat plate thermal conductivity tester is designed based on the Fourier law of thermal conductivity of infinite plate. This device combines the needs of thermal conductivity tester in experimental teaching and modern computer control technology， and can be well applied in experimental teaching and the measurement of the coefficient of thermal conductivity of related materials.
1 项目背景
1882年法国科学家傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上。从测量导热系数方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法。本设计采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。
在建筑材料中，如保温层的导热性能检测，我们经常会用到导热系数测定仪，在专业教学中，导热系数测定是《传热学》里非常重要的一个实验，我们希望通过我们的研究开发制作出一种全自动化测量导热系数的仪器，用来测定导热系数相对较小的材料，可以很好的应用在相关专业实验教学及材料的导热系数测定中。
2 导热系数测定仪设计方案
根据一维无限大平板稳态导热模型，设在物体内部垂直于热传导的方向上取相距为δ、温度分别为tw1、tw2的二个平行平面的温度（如图1）。平壁导热量与壁两侧表面的温度差和平壁面积成正比，与壁厚成反比，通过平壁的热流密度：q=λ·t/δ（W/m2），即可得到传热系数：λ=q·δ/t （W/m·K），式中：δ-壁厚，m;t=tw1-tw2，K;λ-导热系数，W/m·K。
设计该实验装置的主体结构，如图2所示，由被测量的2块面积较大的平板试件、薄加热片、2个带散热风扇的铝制散热片、0.01欧姆的电流采样电阻及直流电源等组成。由于平板试验相对比较薄，加热过程中，向四周的散热量可以忽略，因为在测试过程中四周不加保温层。加热片产出的热量可以认为通过薄板对称的向两个方向传递给了导热性能良好的铝制散热片，通过铝制散热片与恒定的室内空气进行强制换热。这种采用双板结构+高效的散热片方式可以保证散热片的温度恒定，达到较理想的稳态导热。
参数检测上设置了4个热电偶温度传感器，t1、t2为加热面温度传感器，t3、t4为散热面温度传感器，温度差t取两个面的平均温度差，热电偶测温采用自动化测量模块直接测量，取消了冰点补偿。0.01欧标准采样电阻两端设置了高精度毫伏级电压测量点，电压测量值为U，工作电流I=U/0.01，加热片工作时的电阻R是已知的，则加热片的发热功率P=10000U2R。平板试件的面积A，厚度为δ，导热状态稳定后通过平板的热流密度：q=P/2A，将热流密度代入导热系数公式即可计算出导热系数。
3 导热系数测定仪自控采集系统的设计
如图3所示，智能化导热系数测定仪测量控制系统总体图，前端设置一个控制测量控制模块，模块可以采样多路热电偶信号及毫伏级电压信号采样，并且设置了开关量输出通道用来控制加热电源的输出，模块通过RS485通信总线与MCGS嵌入式触摸屏进行数据通信。MCGS软件部分可全自动智能化处理实验测量数据，实时显示出测量面的温度曲线变化趋势，达到稳定后自动计算出导热系数值。
控制测量模块采用C8051F系列单片机设计的系统，系统结构如图4所示，核心器件C8051F系列单片机，通过SPI总线与高精度16位AD转换芯片通信，AD转换芯片内置了1-128倍增益，可以通过内部参数的设置调整信号放大倍数，热电偶、毫伏级信号通过模拟量多路切换开关自动切换后，可测量多路高精度模拟量。测量热电偶时，单片机通过采集设置在系统板上的DS18B20单总线温度传感器的温度对热电偶进行温度补偿，大大增加了系统的测量热电偶温度的精度及方便性。继电器DO输出主要负责控制加热电源的开关。单片机系统通过RS485通信芯片与MCGS触摸屏系统进行数据通信。
4 测温热电偶设计
为了提高测温精度，设计采用了T型热电偶即铜-康铜热电偶，由于夹在两平板中的测温热电偶要求特别薄，否则会影响传热效果。我们采用了直径0.05mm铜丝与康铜丝焊接而成，并且用透明胶带夹层封装。热电偶信号由模块测量后，传给MCGS触摸屏的信号是一个毫伏级的电压信号，由MCGS触摸屏软件进行拟合处理成温度，由于热电偶电压信号与温度之间并非线性关系，为了提高精度，我们采用分段拟合的方式。根据国际温标是ITS-90标准，T型号热电偶分度数据表，我们将测温范围从-20℃到100℃数据进行拟合，得到温度-电势曲线关系式如图5所示。
5 MCGS嵌入式触摸屏系统设計
如图6所示，主界面中设置了热电偶测温显示及加热电流显示，导热系数根据电流及加热面加热温度自动判断系统运行状态，自动计算出导热系数测量值。界面中设置了动态温度跟踪曲线，可直观的观察加热面及散热面的温度变化，方便实验者观察及测量过程数据记录。
热电偶测温转换关系我们在1S的循环策略里进行了转换，代码如下：
t为热电偶测量的温度值，u为电偶采集电势值，t0为补偿温度即DS18B20数字温度传感器测量值。导热系数测量计算部分公式：=IIRb/（2Atx），其中I为电流，R为加热面电阻值，b为测试板厚度，A为试件面积，tx为加热面与非加热面温度差值即：tx=（t1+t2）/2-（t3+t4）/2。通过以上计算公式，当系统检测到加热面与非加热面的温度递增值基本一致时，系统将自动在连续一段时间内进行数据采样并计算，测量完成时自动显示测量结果，并关闭加热。
6 仪器及测试结果
6.1 仪器装置
实验仪器我们自行焊接了一个加载架子，可以通过四各角的加载夹，夹紧试件。试件中心安装了一个超薄的聚酰亚胺电热膜片，最大发热功率可以40W。试件上下两面安装了2个铝制散热片及散热风扇，实验测试过程中，我们采用了标准的有机玻璃板作为测试试件，采用两块厚度一样的测试板，厚度0.00978m，面积0.2m0.2m。安装试件后的试验台如图7所示。
测试稳定状态下，我们用红外热像仪FLIR i7红外热相仪拍摄了两平板截面温度分布，如图8所示，可看出温度均匀对称，也充分说明了对称性导热良好。
6.2 测试结果见表1
有机玻璃导热系数为0.19-0.20W/m·K，从测量结果看数据比较稳定，接近理想值。
7 结束语
经过实验测试，该测定仪系统运行稳定，抗干扰能力强，数据采集精度高，控制界面人机交互友好，操作方便。与传统的导热系数测定仪相比，智能化导热系数测定仪更先进，并可以直观的显示整个测试过程的数据变化，更适合现代实验教学的需求，下一步我们将进一步推广应用。
参考文献：
[1]章熙民，朱彤，等.传热学（第6版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3]张辉.嵌入式MCGS串口通信快速入门及编程实例[M].北京：化学工业出版社，2018.
[4]宋丽薇，等.基于ARM的双平板导热系数测定仪的研制[J].电子测量技术，2007，9：81-83.
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