一種金屬導熱係數測量裝置的製作方法

2023-06-14 20:06:26 2

本實用新型屬於固體物理性能測試技術領域，具體涉及一種金屬導熱係數測量裝置。

背景技術：

傳導、對流、輻射是能量傳遞的三種方式，導熱是所有物質都具有的一項基本屬性，而導熱係數表徵著物體導熱能力的大小，是反映材料導熱性能的重要參數之一，它不僅是評價材料熱學特性的依據，而且是應用材料的一個重要設計參數。導熱係數在電子、航天、建築、冶煉、食品工藝處理等行業有著廣泛的應用，比如，在加熱器、散熱器、傳熱管道設計、房屋設計、冷庫等工程實踐、新型陶瓷材料、電子封裝材料、高導熱高絕緣新材料，以及日常生活中保溫杯、冰箱設計等等，又比如在LED照明燈具設計中晶片的散熱設計中，就採用了導熱係數較好的頂齒鋁基板；半導體製冷片用於CPU的散熱設計中，利用了銅基或鋁基水冷頭，所以，對導熱係數的研究和測量就顯得很有必要。

測量導熱係數的方法大體上分為穩態法和非穩態法兩類。非穩態測量法分為瞬態法和熱波法，多用於研究高導熱係數材料，或在高溫條件下進行測量；最普遍採用的方法是穩態法,穩態測量法又可細分為熱流計法、保護熱板法和圓管法，具有原理清晰，可準確、直接地獲得熱導率絕對值等優點，並適於較寬溫區的測量。穩態法是指當試樣上的溫度分布達到穩定後，即試樣內溫度分布是不隨時間變化的穩定的溫度場，通過測定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數來確定試樣的導熱係數的方法，穩態法實驗原理簡單，然而為了得到準確的一維熱流，通常需要附設熱補償裝置，為了獲得準確的溫度分布，需要布置多個溫度測點，因此，實驗裝置的電氣控制和調節線路比較複雜，此外，在準備所需要的測量工況和必需進行的實驗時都比較耗費時間。

技術實現要素：

本實用新型彌補了現有測量裝置的缺陷，提供了一種基於穩態法的金屬導熱係數測量裝置，該裝置基於穩態法測量方式搭建，藉助換熱水吸收的熱量來計算求得被測金屬的導熱係數，該裝置結構簡單、成本低，測量結果精確，適用範圍廣。

本實用新型的具體技術方案是：

一種金屬導熱係數測量裝置，該測量裝置包括熱源、被測金屬導熱單元及測量單元，關鍵點是，所述的被測金屬導熱單元為導熱棒，導熱棒頭部設置有盲孔，所述的熱源為放置於盲孔中的加熱管，導熱棒外圍設置有隔熱箱，導熱棒外壁上設置有位於同一縱向上的兩個固定孔，固定孔中安裝有測溫裝置，所述的測量單元包括套裝於導熱棒尾部的螺旋管，螺旋管兩端分別為穿過隔熱箱向外伸出的換熱進口和換熱出口，換熱進口外部連接有水箱，換熱出口外部藉助三通連接有廢水回收箱和換熱水收集裝置，換熱進口處安裝有第一水溫傳感器，換熱出口處依次安裝有第二水溫傳感器和流量控制閥，廢水回收箱和換熱水收集裝置相對應的三通支管上分別安裝有廢水電磁閥和換熱水電磁閥。

所述的導熱棒的直徑為40-60mm，螺旋管的材質為被測金屬材質，其外徑為6-10mm，壁厚為1-2mm，螺旋管的螺旋圈數為4-6圈。

所述的水箱與換熱進口之間設置有恆壓水槽，恆壓水槽進口和出口分別藉助輸水管道與水箱和換熱進口相連。

所述的測量裝置設置有計算機處理單元，計算機處理單元包括單片機及與其相連的顯示屏、鍵盤和實時時鐘，測溫裝置、第一水溫傳感器及第二水溫傳感器的信息輸出端均與單片機的信息輸入端相連。

所述的單片機信息輸出端藉助串口連接有上位機，上位機為LABview監測控制平臺。

本實用新型的有益效果是：本實用新型利用導熱棒式的被測金屬來進行熱量的傳導，通過水箱中水藉助螺旋管進行換熱從而形成穩恆態，螺旋管吸收導熱棒傳導的熱量，通過流量控制閥來調節流經螺旋管的水量，當測溫裝置的溫度數值穩定後，換熱過程達到穩恆態，穩恆態下的水流向換熱水收集裝置，通過穩恆態下換熱水收集裝置收集到的水的換熱熱量計算得到被測金屬的導熱係數，該裝置結構原理簡單，成本可控，可操作性強，導熱係數測量精準。

附圖說明

圖1是本實用新型中熱源、被測金屬導熱單元及測量單元的連接結構示意圖。

圖2是本實用新型的原理結構示意圖。

附圖中，1、隔熱箱，2、導熱棒，3、加熱管，4、測溫裝置，5、螺旋管，6、水箱，7、廢水回收箱，8、換熱水收集裝置，9、第一水溫傳感器，10、廢水電磁閥，11、換熱水電磁閥，12、第二水溫傳感器，13、流量控制閥，14、恆壓水槽，15、單片機，16、顯示屏，17、鍵盤，18、實時時鐘，19、串口，20、上位機。

具體實施方式

本實用新型涉及一種金屬導熱係數測量裝置，該測量裝置包括熱源、被測金屬導熱單元及測量單元，被測金屬導熱單元為導熱棒2，導熱棒2頭部設置有盲孔，所述的熱源為放置於盲孔中的加熱管3，導熱棒2外圍設置有隔熱箱1，導熱棒2外壁上設置有位於同一縱向上的兩個固定孔，固定孔中安裝有測溫裝置4，所述的測量單元包括套裝於導熱棒2尾部的螺旋管5，螺旋管5兩端分別為穿過隔熱箱1向外伸出的換熱進口和換熱出口，換熱進口外部連接有水箱6，換熱出口外部藉助三通連接有廢水回收箱7和換熱水收集裝置8，換熱進口處安裝有第一水溫傳感器9，換熱出口處依次安裝有第二水溫傳感器12和流量控制閥13，廢水回收箱7和換熱水收集裝置8相對應的三通支管上分別安裝有廢水電磁閥10和換熱水電磁閥11。

具體實施例，如圖1和圖2所示，被測金屬導體選用導熱係數較好的銅，將其製作成導熱棒2，導熱棒2的直徑為50mm，一端沿軸線打盲孔，內置加熱管3作為熱源，加熱管3電源採用直流電源，避免了交流電產生的熱量波動，採用直流電源能夠使導熱棒2溫度更加線性，最大限度地避免波動情況的發生，螺旋管5的材質也選為銅，其外徑為8mm，壁厚為1mm，螺旋管5的螺旋圈數為5圈，沿導熱棒2軸線方向間隔長度L打兩個固定孔，固定孔與軸線相垂直，兩個固定孔中分別內置一個測溫裝置4作為兩個測溫點，測溫裝置4為K型熱電偶，導熱棒2的另一端纏繞螺旋管5，螺旋管5中通水，作為冷卻端，整個導熱棒2放入由耐熱橡膠板製作的隔熱箱1中，隔熱箱1底部、導熱棒2的四周填充隔熱材料巖棉繩和玻璃棉。

水箱6與換熱進口之間設置有恆壓水槽14，恆壓水槽14進口和出口分別藉助輸水管道與水箱6和換熱進口相連，在螺旋管5的換熱進口處用水箱6和恆壓水槽14的雙重措施來減小由於水湍流造成的水壓的突變，進而減小傳熱溫度梯度的驟變，縮短熱交換平衡態建立時間，測量裝置設置有計算機處理單元，計算機處理單元包括單片機15及與其相連的顯示屏16、鍵盤17和實時時鐘18，測溫裝置4、第一水溫傳感器9及第二水溫傳感器12的信息輸出端均與單片機15的信息輸入端相連，溫度信號的採集與處理由計算機處理單元來完成，單片機15選用宏晶單片機STC89C52，單片機15連接有時鐘電路、按鍵電路和LCD顯示電路，實現實時時鐘18、鍵盤17和顯示屏16的連接，單片機15還連接有溫度採集接口電路來實現測溫裝置4、第一水溫傳感器9及第二水溫傳感器12的連接，單片機15及其連接的各種電路共同構成了主控單元，測溫裝置4為K型熱電偶，主控單元還設置有MAX6675K數字測溫模塊，MAX6675K數字測溫模塊為帶有冷端補償、線性校正、熱電偶斷線檢測的12位解析度串行K型熱電偶模數轉換器，主控單元藉助MAX6675K數字測溫模塊將K型熱電偶的模擬線號轉換為數位訊號，第一水溫傳感器9和第二水溫傳感器12選用DS18B20溫度傳感器，在主控單元的控制下，利用DS18B20溫度傳感器和MAX6675K數字測溫模塊，通過溫度採集接口電路完成換熱進口和換熱出口處水溫信息的採集，單片機15信息輸出端藉助串口19連接有上位機20，上位機20為LABview監測控制平臺。

測量裝置首先進入測試預測準備態時，廢水電磁閥10打開、換熱水電磁閥11關閉，水箱6中的水沿輸水管道經過恆壓水槽14穩壓後進入螺旋管5中進行換熱，最後經過流量控制閥13、廢水電磁閥10後流入廢水回收箱7中，調節流量控制閥13控制出水流速，單片機15採集各個測溫點的溫度數據，兩個測溫裝置4位置採集到的溫度分別為T1、T2，其中T2為靠近螺旋管5位置的測溫裝置4採集到的溫度，判斷T2是否穩定，穩定狀態時，流過的水帶走的熱量應當等於加熱管3散發的熱量，此時，T2的溫度在一個閾值內波動，達到溫度的動態平衡，此時可以確定T2處於穩定狀態，那麼可以認為該測量裝置處於恆溫態，恆溫態狀態下，程序提示進入測試狀態，開始正式測量，記錄換熱進口處第一水溫傳感器9的溫度T3，關閉廢水電磁閥10、打開換熱水電磁閥11，水經過換熱後流入換熱水收集裝置8中，換熱水收集裝置8選用燒杯，到達測試時間t後，關閉換熱水電磁閥11，記錄換熱出口處第二水溫傳感器12的溫度T4，稱量或者依據燒杯顯示體積來計算燒杯中換熱水的質量m，按照公式Q＝cm(T4-T3)計算該換熱水的交換熱量，然後根據交換熱量來計算被測金屬的導熱係數，計算公式為上述兩個公式中，Q：交換熱量，C：水的比熱，m:流出水的質量，λ：導熱係數，S：螺旋管橫截面的面積，τ：流出質量為m的水的時間間隔。

溫度的採集、處理和計算過程通過計算機處理單元來進行，單片機15將採集的溫度數據，經串口19送入上位機20中，上位機採用LABview監測控制平臺，上位機程序採用labview虛擬儀器進行開發，前面板採用四個按鈕控制項構成菜單欄，分別實現開始測量、放棄測量、數據儲存、退出程序的操作，左半窗口為參數設置以及狀態指示，其中串口設置板塊由一個VISA資源選擇控制項、兩個數值控制項和一個下拉列表控制項組成，數據儲存目錄選擇由路徑控制項構成，狀態指示由四個溫度計控制項和四個LED控制項組成，進行溫度指示和溫度穩定狀態的指示，右半窗口上部由兩個波形圖控制項分兩組來顯示T1、T2和T3、T4溫度變化情況，右半窗口下部是由5個數值輸入控制項、一個按鈕控制項以及一個數值顯示控制項組成的實驗結果計算窗口。

該裝置中結合單片機技術、數字溫度傳感技術和Labview虛擬儀器技術提升了實驗的綜合性，改變了力學實驗綜合性差的問題，基於Labview設計的溫度監測處理平臺，實現了測溫點溫度數據的實時動態採集、指針或圖形曲線的多方式顯示、處理和存儲。