基于ARM的双平板导热系数测定仪的研制

　　0　引　　言

　　为了节约能源,很多工业领域、建筑领域都在研究、生产耐热保温材料。导热系数是用来衡量耐热材料的导热特性和保温性能的重要参数,耐热保温材料的性能由材料的导热系数决定[1]。物质的导热系数取决于材料的成分、空隙度、吸水性、含水量、内部结构和热传导时的环境与温度等诸多因素。导热性能的精确测定对于环境工程、建筑工程、工业工程、科研、节能等都有重要意义。各种物质的导热系数,一般都是用不同的实验方法测定的。基于傅立叶导热定律[2]的稳态条件进行测量的方法主要适用于在中等温度下测量中低导热系数的材料,这些方法包括:热板法、保护热板法[3]、热流法、保护热流法、沸腾换热法等等。动态(瞬时)方法,如热线法、激光闪射法,主要用于测量高导热系数材料或在高温条件下测量。此外,还有一些测量方法或测量技巧,包括热脉冲法、准稳态测量法、恒功率平面热源法等,应用于特殊场合或特定的测量对象[4]。在上述方法中,保护热板法以其温度范围宽、量程广、无需对测量单元进行标定等优点一直备受重视,所以出现了大量基于保护热板法研制的导热系数测量仪器。就现有的平板式导热系数测量仪器而言,普遍存在如下问题:(1)对检测、控制系统言,某些仪器仍属于模拟式仪表。(2)多数仪器用冷却水浴来控制被测样品冷面温度容易使导热系数测量产生误差。(3)有些仪器进入稳态的时间太长,控制速度有待提高。(4)有些仪器人机对话界面过于粗糙,没有热工测量基础的人很难迅速掌握操作方法。针对上述问题,本课题研制了一种以微处理器ARM为核心的新型双平板式导热系数测定仪。ARM是精简指令集计算机(RISC),其特点是外形小、性能高、功耗低。本仪器所选用的ARM7是ARM通用32位微处理器之一[5]。该系列处理器提供Thumb 16位压缩指令集和JTAG软件调试方式,支持C/OS2Ⅱ和Linux等操作系统[6]。广泛应用于多媒体和嵌入式设备。ARM作为微处理器的导热系数测定仪DRY2400F是将控制、数据处理与显示单元嵌入到对象体系内部的现代化智能仪器。它没有水浴恒温设备,通过嵌入式C/OS2Ⅱ实时操作系统[7]和友好的人机界面实现仪器的全自动控制、数据采集和处理、以及导热系数的计算、显示和打印输出,具有测量时间短、速度快、数据准确、自动化程度高、无噪音、体积小等优点。

　　1　测量原理

　　导热仪的测量原理是建立在傅立叶传热原理基础之上的。傅立叶导热定律可以表述为:任意时刻t,各向同性的连续介质中任何地点的局部导热热流密度数值上与该点的温度梯度成正比,方向相反。其数学表达式为: