專利名稱：防護熱板法測量導熱系數(shù)的儀器及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量導熱系數(shù)的儀器及方法，尤其涉及一種防護熱板法測量導熱 系數(shù)的儀器及方法。
背景技術：
導熱系數(shù)是保溫材料熱物理性能之一，是鑒別材料保溫性能好壞的重要指標。近 幾年來，國家對建筑節(jié)能越來越重視。而精確地測量保溫材料導熱系數(shù)對正確使用建筑保 溫材料及節(jié)約建筑物的使用能耗起著關鍵作用。因此，準確測定該參數(shù)顯得尤為重要。測定建筑材料導熱系數(shù)的方法可分為兩大類穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。兩類方法的各 種形式都各有特點和適用條件，不同材料根據(jù)自身的特性和使用條件，可選用不同的方法 測定。根據(jù)穩(wěn)態(tài)導熱原理建立起來的方法，在國內(nèi)外已很成熟。80年代末，我國已參照國際 標準制定了一系列國家標準。防護熱板法導熱系數(shù)測定儀也正式投入生產(chǎn)。然而，現(xiàn)今國 內(nèi)生產(chǎn)的儀器不能達到國家標準所提出的指標及測量范圍。而進口一臺防護熱板法導熱系 數(shù)測定儀價格又過于昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種防護熱板法測量導熱系數(shù)的儀器及方法，可 以用簡單的結(jié)構(gòu)和方法高精度的測定導熱系數(shù)。為解決上述技術問題，本發(fā)明的防護熱板法導熱系數(shù)測定儀的主要部件為主體 部分、冷源測控系統(tǒng)、熱源測控系統(tǒng)、智能測量儀、計算機傳輸、半導體制冷電源及穩(wěn)壓電 源。主體部分由熱板、冷板、試件壓緊系統(tǒng)組成，熱板由背護熱板、主加熱板、護加熱板組成， 主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成，冷板是由 鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成；提供背護熱板的熱源及冷板的冷源，是由二套結(jié)構(gòu) 相同的精密恒溫水槽組成，恒溫水槽由制冷回路、水槽、水泵、攪拌系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、水 溫顯示器等組成；半導體制冷電源獨立于主體部分、冷源測控系統(tǒng)和熱源測控系統(tǒng)之外。作為上述防護熱板法導熱系數(shù)測定儀的一種優(yōu)選，所述冷卻水系統(tǒng)包含了一套恒 溫水槽，由恒溫水槽提供穩(wěn)定的冷卻水流，當測試需要冷板溫度設定在5°C以上時，直接通 過恒溫水槽溫度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對冷板的溫度控制；當測試需要冷板溫度設定在5°C以下時， 用半導體制冷器來控制冷板溫度，此時恒溫水槽起到對半導體制冷器冷卻作用。作為所述導熱系數(shù)測定儀的其他優(yōu)選方式，待測試樣制作成300mmX 300mm，厚度 大于15mm，小于50mm，試樣熱阻彡0. Im2 · k/w;熱板、冷板尺寸為300mmX300mm ；背護熱 板采用40mm厚的鋁板加工制成，背護熱板由精密恒溫水槽提供穩(wěn)定熱源，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于 士0. 005°C，恒溫水進出采用螺旋形逆向流動的液體槽板；金屬均熱板采用黃銅板制作并進 行涂黑處理，其輻射率大于0.8 ；主、護均熱板的平整度為0. 04mm，不平整度小于0. 025% ； 主、護加熱器采用0. Imm厚的鍊銅箔腐蝕而成，采用半固化板絕緣；冷板板面進行氧化處 理，板面的平整度為0. 04mm,不平整度小于0. 025% ；冷、熱板溫度測量采用8個PtIOOO鉬電
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阻傳感器，熱板6個，冷板2個，除了選擇高端PtIOOO鉬電阻傳感器之外，還把備選的PtIOOO 鉬電阻用高精度的恒溫油槽嚴格篩選，其中油槽的溫度分辨率達到0. 0001度。本發(fā)明的導熱系數(shù)測定方法包括以下步驟測量試樣厚度，完成試樣安裝后，首先，開啟交流穩(wěn)壓電源，由于交流穩(wěn)壓電源的 輸出有延遲時間，務必等穩(wěn)壓器的輸出表頭指向220V，才能開啟主機右側(cè)的總電源開關，此 時冷、熱源測控系統(tǒng)的表頭通電工作。它們顯示的溫度，分別為二水槽內(nèi)的水溫，接著開啟 智能測量儀及二水泵的電源。視冷、熱板的設定溫度的高低，決定二路制冷回路電源的開 啟，如設定點溫度高于環(huán)境溫度5°C以上，不用開；反之則打開；接著將試樣的厚度d輸入智 能測量儀。儀器自動進入測量狀態(tài)，自動升、降溫過程，并自動控溫，跟蹤控溫。觀察背護熱 板達到控溫點后，在無制冷的狀況下，控溫穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 002°C以內(nèi)；在有制冷的狀況 下，穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 005°C以內(nèi)。當冷、背護熱板溫度趨于穩(wěn)定，再觀察主加熱板和護熱板 溫度與背護熱板溫度的跟蹤情況。如三板的溫差小于士0.002°C，導熱系數(shù)一小時內(nèi)上、下 波動小于士 1%，實驗可結(jié)束，打印實驗結(jié)果。在測試元件精度水平不高的條件下，電路電流(包括控制電路)對儀器的總體精 度影響很小，但是在提高儀器溫度測試的過程中，溫度和功率測試的精度越高電路電流對 導熱儀的整體精度影響越大。特別是在整個導熱系數(shù)測定儀中，制冷單元功率是最大的，它 的運行對儀器的精度有著致命的影響。因此為了減少制冷單元電路對測試元器件的影響， 本發(fā)明把制冷單元獨立劃分出來，為提高導熱系數(shù)測定儀的精度提供了一個很好的解決辦 法。用所述導熱系數(shù)測定儀對幾個不同材質(zhì)的保溫材料進行了實測工作，得到的實驗 數(shù)據(jù)重復性比較好，實驗結(jié)果達到了國家標準所提出的指標及測量范圍，說明儀器的制造 水平能夠達到實際應用的要求，檢測的流程也是合理的。實驗結(jié)果表明，該導熱系數(shù)測定儀 具有推廣應用的價值。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1為防護熱板法導熱系數(shù)測定儀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為冷源結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，導熱系數(shù)測定儀主要由主體部分、冷源測控系統(tǒng)1、熱源測控系統(tǒng)2、 智能測量儀3、計算機傳輸4、半導體制冷電源5及穩(wěn)壓電源6等部件。(1)主體部分由熱板7、冷板8、試件壓緊系統(tǒng)組成。熱板7和冷板8是儀器的硬件 核心部分，主要目的是使檢測所必需的時間和空間達到穩(wěn)定狀態(tài)，并使熱板及冷板結(jié)構(gòu)合 理，制造工藝精密與可靠，這對儀器性能的影響很大。熱板、冷板尺寸為300mmX300mm。熱板7由背護熱板、主加熱板、護加熱板組成。背護熱板采用40mm厚的鋁板加工 制成，再由精密恒溫水槽提供穩(wěn)定熱源，要求溫度穩(wěn)定度優(yōu)于士0. 005°C，恒溫水進出采用 螺旋形逆向流動的液體槽板，這種設計可使板面的溫度均勻性達到較好的效果。背護熱板 的熱源及冷源由兩套精密恒溫水槽組成。
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主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成。 主、護熱板的大小與被測試件厚度成一定比例關系，并且還與邊緣熱損失Ee和不平衡誤差 Eg有關，因此，設計主護熱板時必須綜合考慮，使誤差Ee和不平衡誤差之和E = Ee+Eg最小。 有關這方面的問題，國內(nèi)外已做過大量工作，為此本儀器根據(jù)GB 10294推薦的尺寸進行設 計。均熱板采用黃銅板制作并進行涂黑處理，其輻射率大于0.8。主、護均熱板的平整度為 0. 04mm,不平整度小于0. 025 %。主、護加熱器采用0. Imm厚的鍊銅箔腐蝕而成，采用半固化板絕緣，這種工藝既保 證均熱板和加熱器之間有良好的電絕緣又有較好的熱接觸。主、護熱板的加熱器由智能測 量儀來控制，跟蹤背護熱板的溫度，使三塊板的溫度保持一致，溫度差值可控在士ο. oorc 內(nèi)。冷板8是由鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成。板面進行氧化處理，板面的平 整度為0. 04mm,不平整度小于0. 025%。冷卻水系統(tǒng)主要包含另一套恒溫水槽，由恒溫水槽 提供穩(wěn)定的冷卻水流。當測試需要冷板溫度設定在5°C以上時，直接通過恒溫水槽溫度的調(diào) 節(jié)就可以實現(xiàn)對冷板的溫度控制；當測試需要冷板溫度設定在5°C以下時，用半導體制冷 器來控制冷板溫度，此時水槽起到對半導體制冷器冷卻作用。為適應不同厚度試樣的測量，冷板在工作臺上可移動，冷側(cè)裝有壓緊裝置，以保證 冷、熱板與試樣的緊密接觸。試樣的厚度應< 50mm。冷、熱板溫度測量采用PtIOOO鉬電阻傳感器，共8個。熱板6個、冷板2個，在溫 度傳感器的使用方面，除了選擇高端PtIOOO鉬電阻傳感器之外，還把備選的PtIOOO鉬電阻 用高精度的恒溫油槽嚴格篩選，其中油槽的溫度分辨率達到0.0001度。(2)冷、熱源測控系統(tǒng)提供背護熱板的熱源及冷板的冷源，是由二套結(jié)構(gòu)相同的精密恒溫水槽組成。其 一套的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示它是由制冷回路、水槽9、水泵10、攪拌系統(tǒng)11、加熱控溫系統(tǒng)12、水溫顯示器13
等組成。溫度的設定和控制都由控溫系統(tǒng)來完成，打開總電源開關，熱源的控溫儀表即起 動，儀表閃動“888888”數(shù)秒后，出現(xiàn)的數(shù)值為熱源水槽內(nèi)的溫度，若不進行新的設定，儀表 默認上一次的設定并開始控溫。冷板的冷源是由二套測控系統(tǒng)來給定的。當冷板溫度控在5°C以上，直接由冷卻水 槽，提供一個穩(wěn)定的冷源。低于此溫度，由半導體制冷器提供冷源，水槽的循環(huán)水此時起到 冷卻的作用。開啟總電源開關，冷源的控溫儀表即啟動，顯示水槽內(nèi)的當前溫度值和水槽的 設定溫度，開機后所顯示的是上一次的設定溫度，如要改變設定溫度，只要按加、減數(shù)鍵即可。(3)智能測量儀智能測量儀采用微電腦系統(tǒng)，為了保證測量的精確性，各電子元件都經(jīng)過精選。儀 器有8路溫度測量通道，有主加熱板加熱器直流電壓、電流、功率測量；有二路P. I.D調(diào)節(jié)系 統(tǒng)，分別對主、護熱板進行控溫。功率測量是通過高級標準電阻和三級管放大器等實現(xiàn)。測 試者設定冷熱板指標溫度后，儀表自動進入測量狀態(tài)，并對各采集的數(shù)據(jù)進行運算；經(jīng)后臺 計算得出主、護、背熱板的平均溫度，冷板平均溫度，熱流密度，試件熱阻，導熱系數(shù)等參數(shù)。由5寸彩色液晶屏分二屏顯示。儀器在開機后的測量過程中，主、護熱板的測、控溫是同步 進行的。主護熱板根據(jù)自身的P. I. D調(diào)節(jié)參數(shù)，紿終跟蹤背護熱板的溫度，實現(xiàn)全自動的溫 控過程。當儀器達到熱平衡狀態(tài)后，打印測試結(jié)果。(4)半導體制冷電源當試件冷板溫度設定在5°C以下時，需用半導體制冷器及半導體制冷電源。采用半 導體制冷器，電源相對獨立，采用獨立穩(wěn)壓電源，制冷功率不小于1000W。半導體制冷電源上部表頭為測控溫表，下部表頭是電流表，單位安培。為了防止 自動控溫時，半導體制冷器電流變化而帶來的干擾，采用手動控溫，即給一個恒定的制冷電 流。如要降溫速度快，可隨時加大輸出比例，再即時減小輸出比例。為了防止對溫度測量的 干擾，只能用手動設定冷板溫度。在測試元件精度水平不高的條件下，電路電流(包括控制電路)對儀器的總體精 度影響很小，但是在提高儀器溫度測試的過程中，溫度和功率測試的精度越高電路電流對 導熱儀的整體精度影響越大。特別是在整個導熱系數(shù)測定儀中，制冷單元功率是最大的，它 的運行對儀器的精度有著致命的影響。因此為了減少制冷單元電路對測試元器件的影響， 本發(fā)明把制冷單元獨立劃分出來，為提高導熱系數(shù)測定儀的精度提供了一個很好的解決辦 法。(5)筆記本電腦為清晰顯示測量狀況，用計算機液晶屏給予顯示，并便于電子存檔。(6) 220V交流穩(wěn)壓器為確保交流供電的穩(wěn)定性，能排除某些交流電網(wǎng)帶來的波動干擾。儀器主要技術參數(shù)1.測量范圍試樣熱阻彡0. Im2 · k/w2.熱板溫度10°C 60°C3.冷板溫度-20°C 40°C4.試樣尺寸300mmX300mmX (15 50)mm5.電源電壓交流 200V士20V ;50HZ6.環(huán)境條件20°C 士 10°C ；相對濕度< 80%7.測量誤差測定的平均溫度接近室溫時，測量熱性質(zhì)能夠準確到< 士2% (溫差 在15°C 30°C之間)。在裝置的全部測定范圍內(nèi)彡士5% (試件平均溫度最低在_5°C ；最 高50°C ；溫差在15°C 30°C之間)。本儀器為單試件式防護熱板裝置。加熱單元的一側(cè)用螺旋形逆向流動的液體槽 板作一恒熱源，與主、護加熱單元表面的溫差始終控制為零，使其無熱流通過。這樣就保證 了中心計量單元建立起一維熱流，對計量單元主加熱器功率的精確測量及冷、熱表面溫度
的精確測量，輸入試件厚度山即可測得試件的熱阻R (R=)和導熱系數(shù);ιμ = 。其
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中，R代表試件熱阻；Δ T代表試件冷表面和熱表面的溫差；A代表試件有效面積；Q代表通 過試件有效面積的功率；d代表試件厚度。對試樣的要求及安裝1.制作300mmX 300mm試樣一塊，厚度大于15mm，小于50mm。對于硬質(zhì)材料，試樣表面不平整度，應小于厚度的士2%。2.測量可壓縮試樣時，在試樣的周邊墊入四個小截面低導熱系數(shù)的支柱(如用竹 筷制作)，以限制試樣的壓縮。3.用游標卡尺，測量試樣的厚度，每邊至少一個點，四邊測完取平均值，作為試樣 的厚度d。4.試樣安裝打開主機上的保溫套，移動冷板，放入試樣，將試樣緊靠熱板，移動 冷板，使試樣與冷、熱板接觸，此時再擰緊絲杠一圈，使試樣與冷、熱板緊密結(jié)合。合上保溫 罩，試樣安裝完畢。測量試樣厚度，完成試樣安裝后，首先，開啟交流穩(wěn)壓電源，由于交流穩(wěn)壓電源的 輸出有延遲時間，務必等穩(wěn)壓器的輸出表頭指向220V，才能開啟主機右側(cè)的總電源開關，此 時冷、熱源測控系統(tǒng)的表頭通電工作。它們顯示的溫度，分別為二水槽內(nèi)的水溫，接著開啟 智能測量儀及二水泵的電源。視冷、熱板的設定溫度的高低，決定二路制冷回路電源的開 啟，如設定點溫度高于環(huán)境溫度5°C以上，不用開；反之則打開；接著將試樣的厚度d輸入智 能測量儀。儀器自動進入測量狀態(tài)，自動升、降溫過程，并自動控溫，跟蹤控溫。觀察背護熱 板達到控溫點后，在無制冷的狀況下，控溫穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 002°C以內(nèi)；在有制冷的狀況 下，穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 0050C以內(nèi)。當冷、背護熱板溫度趨于穩(wěn)定，再觀察主加熱板和護熱板 溫度與背護熱板溫度的跟蹤情況。如三板的溫差小于士0.002°C，并且上、下波動。導熱系 數(shù)一小時內(nèi)上、下波動小于士 1 %，實驗可結(jié)束，打印實驗結(jié)果?？梢岳斫?，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)特征的前提下，本發(fā)明還可具有多種變形，并不 僅限于上述實施方式的具體結(jié)構(gòu)，而應該在權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)作廣義的理解?？傊?，本 發(fā)明應包括那些對于本領域普通技術人員來說顯而易見的變換或替代。
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權(quán)利要求
一種防護熱板法導熱系數(shù)測定儀，其特征在于包括主體部分、冷源測控系統(tǒng)、熱源測控系統(tǒng)、智能測量儀、計算機傳輸、半導體制冷電源及穩(wěn)壓電源，主體部分由熱板、冷板、試件壓緊系統(tǒng)組成；熱板由背護熱板、主加熱板、護加熱板組成；主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成；冷板是由鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成；提供背護熱板的熱源及冷板的冷源，是由二套結(jié)構(gòu)相同的精密恒溫水槽組成，恒溫水槽由制冷回路、水槽、水泵、攪拌系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、水溫顯示器等組成；半導體制冷電源獨立于主體部分、冷源測控系統(tǒng)和熱源測控系統(tǒng)之外。
2.如權(quán)利要求1所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述冷卻水系統(tǒng)包含了一套恒 溫水槽，由恒溫水槽提供穩(wěn)定的冷卻水流，當測試需要冷板溫度設定在5°C以上時，直接通 過恒溫水槽溫度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對冷板的溫度控制；當測試需要冷板溫度設定在5°C以下時， 用半導體制冷器來控制冷板溫度，此時恒溫水槽起到對半導體制冷器冷卻作用。
3.如權(quán)利要求1或2所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，待測試樣制作成 300mmX 300mm，厚度大于15mm，小于50mm，試樣熱阻彡0. Im2 · k/w。
4.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述熱板、冷板尺寸為 300mmX 300mm。
5.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述背護熱板采用40mm厚的鋁 板加工制成。
6.如權(quán)利要求5所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述背護熱板由精密恒溫水槽 提供穩(wěn)定熱源，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于士0. 005°C，恒溫水進出采用螺旋形逆向流動的液體槽板。
7.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述金屬均熱板采用黃銅板制 作并進行涂黑處理，其輻射率大于0. 8。主、護均熱板的平整度為0. 04mm,不平整度小于 0. 025%。
8.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述主、護加熱器采用0.Imm厚 的鍊銅箔腐蝕而成，采用半固化板絕緣。
9.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述冷板板面進行氧化處理，板 面的平整度為0. 04mm,不平整度小于0. 025%。
10.如權(quán)利要求3所述的導熱系數(shù)測定儀，其特征在于，所述冷、熱板溫度測量采用8個 PtIOOO鉬電阻傳感器，熱板6個，冷板2個，除了選擇高端PtIOOO鉬電阻傳感器之外，還把備 選的PtIOOO鉬電阻用高精度的恒溫油槽嚴格篩選，其中油槽的溫度分辨率達到0. 0001度。
11.一種利用權(quán)利要求1所述的導熱系數(shù)測定儀測量試樣導熱系數(shù)的方法，其特征在 于包括以下步驟測量試樣厚度，完成試樣安裝后，首先，開啟交流穩(wěn)壓電源，由于交流穩(wěn)壓 電源的輸出有延遲時間，務必等穩(wěn)壓器的輸出表頭指向220V，才能開啟主機右側(cè)的總電源 開關，此時冷、熱源測控系統(tǒng)的表頭通電工作，它們顯示的溫度，分別為二水槽內(nèi)的水溫；接 著開啟智能測量儀及二水泵的電源，視冷、熱板的設定溫度的高低，決定二路制冷回路電源 的開啟，如設定點溫度高于環(huán)境溫度5°C以上，不用開，反之則打開；接著將試樣的厚度d輸 入智能測量儀；儀器自動進入測量狀態(tài)，自動升、降溫過程，并自動控溫，跟蹤控溫；觀察背 護熱板達到控溫點后，在無制冷的狀況下，控溫穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 002°C以內(nèi)；在有制冷的 狀況下，穩(wěn)定度應優(yōu)于士0. 005°C以內(nèi)；當冷、背護熱板溫度趨于穩(wěn)定，再觀察主加熱板和 護熱板溫度與背護熱板溫度的跟蹤情況，如三板的溫差小于士0. 002°C，導熱系數(shù)一小時內(nèi)上、下波動小于士 1%，實驗可結(jié)束，打印實驗結(jié)果。
全文摘要
一種防護熱板法測量導熱系數(shù)的儀器及方法，儀器主要部件為主體部分、冷源測控系統(tǒng)、熱源測控系統(tǒng)、智能測量儀、計算機傳輸、半導體制冷電源及穩(wěn)壓電源，主體部分由熱板、冷板、試件壓緊系統(tǒng)組成，熱板由背護熱板、主加熱板、護加熱板組成，主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成，冷板是由鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成，提供背護熱板的熱源及冷板的冷源，是由二套結(jié)構(gòu)相同的精密恒溫水槽組成，其由制冷回路、水槽、水泵、攪拌系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)、水溫顯示器等組成，半導體制冷電源獨立于主體部分、冷源測控系統(tǒng)和熱源測控系統(tǒng)之外，從而提高了導熱系數(shù)測定儀的測量精度。
文檔編號G01N25/20GK101915778SQ201010228968
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者周輝, 楊玉忠 申請人:中國建筑科學研究院