保温材料导热系数检测仪器的开发与实现

　　导热系数是表征物质导热能力的重要指标，是衡量材料热物理性能的重要参数。 目前，导热系数的测量方法一般是基于傅里叶一维稳态导热原理的保护热板法，其具有量程广、无需每次在测试前进行系统标定等优点。 近年来，随着建筑节能法规的出台，我国对建筑节能越来越重视。 因此，对材料导热系数的高精度检测是十分必要的。 然而，现有基于热流计法测量材料导热系数的仪器还存在着智能化程度不高、功能单一、测量精度低等问题。因此，本课题研制了一种新型双平板式导热系数检测系 统，可对以建筑材料为代表的隔热材料进行热阻、导热系数的高精度测量。

　　本导热系数检测仪采用双平板式结构，检测对象主要面对低导热系数的隔热材料，依据国家标准GB/T10294-2008，“绝热材料稳态热阻及 有关特性的测定-防护热板法”进行检测仪总体设计。 系统以微处理器为控制核心，充分利用集成电路技术和电源技术，合理选择元器件，提高测量精度的同时又大大简化了硬件电路; 同时利用虚拟仪器在多核、数据处理及通用性、可扩展性上的优势，构建基于Labwindows/CVI 开发平台的材料导热系数检测系统，大大降低了系统成本，提高了测试效率。

　　1 检测依据

　　材料的导热系数与材料的组成、结构、温度特性等许多因素有关，用实验方法测定导热系数是研究材料导热性能的有效途径。 目前普遍采用稳态法，其主要检测依据是傅里叶导热定律，此定律可表述为：任意时刻 τ，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[1]

　　式中：负号表示热量传递方向和温度梯度的正方向相反，即和温度降度同方向;比例系数 λ 称为导热系数，单位是 W/(m·K)。 可见，导热系数 λ 在数值上等于单位温度降度下，单位时间内在垂直于热流密度的单位面积上所传导的热流量。

　　式(1)经变换得到：

　　而 Rt可比作电阻，称为热阻。 将式(4)改写成以下形式[2]：

　　2 系统硬件设计

　　仪器结构如图 1 所示， 主要包括热区加热装置、防护区加热装置、冷区这三个区域， 热区加 热 装 置 内 部 有 加 热器， 是仪器的基本供热体，供给试件热量。同时在热区加热装置内部装有 22 路温度传感器分别布置于热区的两侧，取温度平均值来表征式(8)中的 tw1;防护区加热装置的温度随时跟踪热区加热装置的温度变化，其功能是一方面使热区热量和外界没有热交换，同时又要保证防护区加热装置没有热量传给热 区。 保证热区加热装置和冷区的热流单向流动。 防护区加热装置内部装有 16 个高精度温度传感器，用来监控防护区温度;冷区内部装置加热体、制冷系统和 6 路温度传感器，以便维持冷区的温度恒定，6 路温度传感器分布于两块冷板的两侧，用来测量式(8)中的 tw2;试件有两块 ，尺寸与护板相同，分别放在主板和两个冷板之间，可以同时测量两块试件的导热系数，取其平均值作为该试件的导热系数;同时，试件在测试中，试件两侧面要以 一定的力夹在冷板和防护热区板之间，故要求仪器具有试件加紧装置，本设计采用的是气动阀加紧装置。通过以上分析可知，系统需检测的物理量包含44 路温度测量、1 路电压检测、气动阀驱动单元以及制冷系统控制单元。 系统硬件组成框图如图 2 所示。