改进型导热系数测量仪的研制与实验

0 引 言

在现代物理传热学的科研测试或实践教学中，导热系数是材料的重要热物理性质测试参数，而传热学实验室中不良导体的导热系数测量仪普遍采用防护热板法测量，这是一种标准的稳态测量方法，使用设备价格相对经济，适用于测定干燥试件。但是传统稳态法的测量存在测试时间长、精度低、不利于误差分析、实验操作步骤多和计算繁杂等缺点［1］。

因此，本文在借助原有测量仪的加热平台上，利用单片机实现数据智能采集和处理。采用高精度温度传感器 DS18B20 与高精度电路，结合计算机虚拟仪器的功能模块编辑实现了全自动数据采集、数据处理、实时显示温度曲线，数据存储等功能。研制的设备测量时间短、数据准确和自动化程度高［2］。

1 防护热板法测导热系数原理［3］

Lees 首先使用平板法测量不良导体的导热系数，实验如图 1 所示。样品制成平板状，其上端面与一个稳定的均匀发热体充分接触，下端面与一均匀散热体相接触。由于平板样品的侧面积比平板平面小很多，可以认为热量只沿着上下方向垂直传递，横向由侧面散去的热量可以忽略不计，即可以认为，样品内只有在垂直样品平面的方向上有温度梯度，在同一平面内，各处的温度相同。设稳态时，样品的上下平面温度分别为 T1、T2，根据傅里叶传导方程，在 Δt 时间内通过样品的热量 ΔQ满足［4］:

式中: λ 为样品的导热系数; h 为样品的厚度; S 为样品的截面面积，实验中样品为圆盘状。设圆盘样品直径为 dB，则由式( 1) 得:

原有 FD-TC-B 型导热系数测量仪如图 2 所示。在固定于底座的 3 个支架上，支撑着一个铜散热盘 C，散热盘 C 可以借助底座内的风扇，达到稳定有效的散热。散热盘上安放面积相同的圆盘样品 B，样品 B 上放置一个圆盘状加热盘 A，其面积也与样品 B 的面积相同，加热盘 A 是由单片机控制的自适应电加热盘，可以在 20 ～110℃间自行设定加热盘的温度。

当传热达到稳定状态时，样品上下表面的温度 T1和 T2不变，这时可以认为加热盘 A 通过样品传递的热流量与散热盘 C 向周围环境散热量相等。因此，可以通过散热盘 C 在稳定温度 T2时的散热速率求出热流量 ΔQ/Δt。

测量时，当测得稳态时的样品上下表面温度 T1和T2后，将样品 B 抽去，让加热盘 A 与散热盘 C 接触，当散热盘的温度上升到高于稳态时的 T2值 20℃ 或者20℃ 以上后，移开加热盘，让散热盘在电扇作用下冷却，记录散热盘温度 T 随时间 t 的下降情况，求出散热盘在 T2时的冷却速率． ΔT/Δt|T = T2，则散热盘 C 在 T2时的散热速率为