低温高精度导热系数测定仪的开发

论文摘要

传热方式有辐射、对流和热传导三种方式。热传导简称导热,是指热量从温度较高的物体传到与之接触的温度较低的物体,或者从一个物体中温度较高的部分传到温度较低的部分。绝热材料的使用是节约能源的一个重要途径。精确测定导热系数对于绝热材料的开发和生产具有重要意义。保护热板法是一种广为采用的测定导热系数的方法,该方法基于傅立叶一维稳态导热原理测量材料的导热系数,具有温度范围宽、测量精度较高等优点。本课题针对已有导热系数测定仪所存在的测量结果受冷热板温差、平均温度、室温及试件厚度等因素影响,以及无法对试件的夹紧力进行控制等问题,开发了一种带有夹紧力控制机构的低温高精度双平板式保护热板法导热系数测定仪。本仪器设计有试件夹紧力控制机构,同时通过软硬件的改进大幅减小了测量结果受以上诸因素的影响,并且测量温度可以低于室温(最低可低到接近绝对零度),另外,本仪器将导热系数的测量精度大幅提高,使误差从5%减小到1.5%以内、测量时间也缩短到原有仪器的2/3以内。本课题的主要工作和结论总结如下:1.通过导热系数测定仪现状的分析,总结了目前平板式导热系数测定仪,所存在的问题,提出了本课题研究的目的、意义和主要工作。2.通过对一维平板稳态热理论的分析,推导出材料导热系数的计算公式,并分析了影响导热系数的因素。3.分别从机械、电子两方面设计了导热系数测定仪的夹紧力控制机构,使仪器对试件的夹紧力能够保持恒定且满足国家标准,从而提高了导热系数测量的重复性和精度。4.改进了已有导热系数测定仪的护板与热板连接方式,并修正了其基本原理方程,基本原理方程中加入了侧面热量损失和加热丝电阻值对测量结果的影响。使导热系数测定仪的测量结果不再受平均测量温度、测量温差和试件厚度的影响,从而扩大了其测量条件范围。并提高了导热系数测定仪的测量精度,使误差控制到1.5%以内。5.在导热系数测定仪的主箱体内加入了液体循环单元,并改进了控制算法,从而减小了周围环境温度对仪器测量结果的影响,并将测量温度范围扩大到零下250℃到100℃,且缩短了测量时间。6.对课题工作进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外保护平板法导热系数测定仪的发展现状和存在问题
• 1.3 本课题的研究意义、目的和主要内容
• 第二章 保护平板法导热系数测定仪的测量原理
• 2.1 导热基本定律
• 2.2 影响导热系数的因素
• 2.3 一维稳态导热分析
• 2.4 双试件式保护平板法导热系数测定仪的基本测量原理
• 2.5 双试件式保护平板法导热系数测定仪的标定方法
• 第三章 导热系数测定仪夹紧力控制机构的设计
• 3.1 导热系数测定仪机械式夹紧力控制机构的设计
• 3.2 导热系数测定仪电子式夹紧力控制机构的设计
• 3.2.1 电阻应变片的选取及使用
• 3.2.2 测量电路的设计
• 3.2.3 数据采集系统的选择及软件设计
• 3.3 夹紧力控制机构的实验研究及夹紧力标定
• 第四章 导热系数测定仪的高精度化设计与实验研究
• 4.1 导热系数测定仪的精度分析、存在问题及解决方案
• 4.2 以降低侧面热量损失影响为目的的机械机构改进设计
• 4.3 以降低侧面热量损失影响为目的的原理方程改进设计
• 4.4 通过校正加热膜的电阻改进导热系数理论计算公式的设计
• 第五章 低温导热系数测定仪的设计与实验研究
• 5.1 机械结构设计
• 5.2 控制算法和软件程序设计
• 5.2.1 控制程序流程设计
• 5.2.2 控制程序优点分析
• 5.3 低温导热系数测定仪的实验与精度分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢