基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)自動測量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)自動測量裝置，包括：試樣管、試樣管支撐、控制器，所述試樣管包括：絕熱套、加熱裝置、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、熱電半導(dǎo)體以及電勢測量裝置；所述絕熱套為由絕熱材料制成的中空的桶狀結(jié)構(gòu)，其一端封閉，另一端開口，所述絕熱套固定在所述試樣管支撐上并且容納所述加熱裝置、所述試樣和所述熱電半導(dǎo)體。本實(shí)用新型的設(shè)備采用熱電半導(dǎo)體測量通過試樣的熱量，并且利用PID自動控制溫度的穩(wěn)定過程，減少了多點(diǎn)測溫帶來的誤差，并且使溫度的穩(wěn)定過程更快，便于測不同溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
【專利說明】基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)自動測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料導(dǎo)熱系數(shù)測定領(lǐng)域，具體涉及一種利用熱電半導(dǎo)體、PID控制系統(tǒng)來自動測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的導(dǎo)熱系數(shù)是材料的一項重要特性，對工程設(shè)計有重要作用。其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在石油、化工、材料和軍工方面是必不可少的。
[0003]目前測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩種。基于穩(wěn)態(tài)法的測量有熱流計法，保護(hù)熱板法。非穩(wěn)態(tài)測量有熱線法，熱帶法和常功率熱源法。
[0004]穩(wěn)態(tài)法是指在整個測量過程中被測樣品中通過任意垂直于溫度梯度的截面的熱流通量保持不變，記載溫度場穩(wěn)定后進(jìn)行測量。非穩(wěn)態(tài)法與穩(wěn)態(tài)法相反，是指在整個測量過程中，被測樣品通過任意垂直于溫度梯度的熱流通量是隨時間變化的，即在溫度場未達(dá)到穩(wěn)定時進(jìn)行測量。在穩(wěn)態(tài)法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的過程中，最重要的是測量通過材料的熱量。
[0005]然而，現(xiàn)有技術(shù)中，采用多點(diǎn)測溫來確定通過材料的熱量，這種方式所測得的結(jié)果并不準(zhǔn)確，并且，現(xiàn)有技術(shù)中也不能快速地實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型設(shè)計一種基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)自動測量設(shè)備，該設(shè)備采用熱電半導(dǎo)體測量通過試樣的熱量，并且利用比例-積分-微分控制器(PID)自動控制溫度的穩(wěn)定過程，減少了多點(diǎn)測溫帶來的誤差，并且使溫度的穩(wěn)定過程更快，便于測不同溫度下材料的導(dǎo)熱系數(shù)。本實(shí)用新型的設(shè)備的設(shè)計全部采用自動化采集控制，從而在整體上方便測量不同溫度下材料導(dǎo)熱系數(shù)，且精度高，人機(jī)界面友好，操作簡單。
[0007]本實(shí)用新型提供了一種基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，包括:試樣管、試樣管支撐、控制器，所述試樣管包括:絕熱套、加熱裝置、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、熱電半導(dǎo)體以及電勢測量裝置；
[0008]所述絕熱套為由絕熱材料制成的中空的桶狀結(jié)構(gòu)，其一端封閉，另一端開口，所述絕熱套固定在所述試樣管支撐上并且容納所述加熱裝置、所述試樣和所述熱電半導(dǎo)體；
[0009]所述加熱裝置置于所述絕熱套的封閉的一端的內(nèi)部，能夠以一定功率發(fā)出熱量；
[0010]所述試樣置于所述絕熱套內(nèi)并且其一端與所述加熱裝置相接觸，另一端與所述熱電半導(dǎo)體相接觸；
[0011]所述第一溫度傳感器置于所述加熱裝置與所述試樣相接的界面處，用于測量該處的溫度Tl ；
[0012]所述第二溫度傳感器置于所述試樣的另一端與所述熱電半導(dǎo)體相接的界面處，用于測量該處的溫度T2 ；
[0013]所述電勢測量裝置分別與所述熱電半導(dǎo)體的兩端相連，用于測量熱電半導(dǎo)體兩端的電勢差；[0014]所述試樣管支架通過試樣管卡槽螺栓將所述試樣管固定在試樣管卡槽中，所述試樣管支架安裝在一箱體上，所述箱體由四個箱體支架來支撐；
[0015]所述控制器接收所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器所測得的溫度以及所述電勢測量裝置測得的電勢差，并且基于所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器所測得的溫度以及所述電勢測量裝置測得的電勢差確定所述試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0016]優(yōu)選地，所述箱體為方形，所述箱體支架位于方形箱體的四角；所述試樣管支架固定在箱體上，并且在支架上安裝有卡箍試樣管的卡槽。
[0017]優(yōu)選地，所述熱電半導(dǎo)體為圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括兩個端面和圓柱狀的外側(cè)壁，所述外側(cè)壁與所述絕熱套的內(nèi)壁匹配。
[0018]優(yōu)選地，所述熱電半導(dǎo)體置于所述絕熱套內(nèi)部，并且一個端面與所述試樣相接觸，另一個端面處設(shè)置有散熱塊。
[0019]優(yōu)選地，所述試樣管支撐包括試樣管支架、箱體和箱體支架。
[0020]優(yōu)選地，所述控制器基于如下公式確定所述試樣的導(dǎo)熱系數(shù)λ 2，
[0021]λ 2=[λ 1(AT)/(AX)]*L/(T1_T2)
[0022]其中，L為試樣的長度，單位為m ; λ I為熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*K)；Λ X為熱電半導(dǎo)體的厚度，單位為m ; Λ T為熱電半導(dǎo)體的熱面和冷面的溫差，其可以通過熱電半導(dǎo)體兩端的電勢差而確定。
[0023]優(yōu)選地，所述加熱裝置的輸出功率能夠調(diào)節(jié)，所述控制器采用PID自動控制系統(tǒng)控制所述加熱裝置的輸出功率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備的試樣管的示意圖；
[0025]圖2為根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，采用了圖1中所示的試樣管；
[0026]圖3為PID控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制的示意圖；
[0027]圖4為采用本實(shí)用新型的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測量的流程圖。
[0028]附圖標(biāo)記:
[0029]I絕熱層
[0030]2加熱裝置
[0031]3溫度傳感器
[0032]4 試樣
[0033]5溫度傳感器
[0034]6熱電半導(dǎo)體
[0035]7散熱塊
[0036]10試樣管卡槽螺栓
[0037]11絕熱層螺栓
[0038]12試樣管卡槽
[0039]13試樣管支架
[0040]14 箱體[0041]15箱體支架[0042]16箱體與控制器間的數(shù)據(jù)和電源線
[0043]17控制器
[0044]18顯示屏
[0045]19開關(guān)按鈕
[0046]20向左按鈕
[0047]21向上按鈕
[0048]22向右按鈕
[0049]23向下按鈕
[0050]24確認(rèn)按鈕
[0051]25返回按鈕
[0052]26啟控按鈕
[0053]27時間設(shè)置按鈕
[0054]28PID參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕
[0055]29電源線
[0056]30電源插頭
【具體實(shí)施方式】
[0057]圖1為根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備的試樣管的示意圖。如圖1所示，用于容納試樣4的試樣管包括:絕熱套1、加熱裝置2、第一溫度傳感器3、第二溫度傳感器5、熱電半導(dǎo)體6?？蛇x地，該試樣管還可以包括散熱塊7。
[0058]如圖1所示，絕熱套I構(gòu)成一端封閉的桶狀結(jié)構(gòu)，例如圓桶狀或方桶狀，用于容納加熱裝置2、第一溫度傳感器3、試樣4、第二溫度傳感器5、熱電半導(dǎo)體6。絕熱套I 一端開口，另一端封閉。這里所提到的開口和封閉是針對熱量傳導(dǎo)而言的，封閉指的是熱封閉，即能夠?qū)崿F(xiàn)絕熱。實(shí)際上，封閉端也可以是可拆卸的，只要是由絕熱材料制成即可。
[0059]加熱裝置2置于絕熱套I內(nèi)部的封閉的一端處，能夠以一定功率對試樣加熱。加熱裝置2的電源通過弓丨線穿過絕熱套的側(cè)壁，對加熱裝置2進(jìn)行供電?？梢酝ㄟ^改變加熱裝置的輸入電壓和電流來改變加熱功率。
[0060]如圖1中所示，在本實(shí)施例中，加熱裝置2 —側(cè)緊貼絕熱套I的內(nèi)端壁，另一側(cè)放置有第一溫度傳感器3。雖然圖中將溫度傳感器3示為一個圓形的部件，但是應(yīng)該理解，溫度傳感器3在絕熱套內(nèi)部的部分可以僅為體積可以忽略的探頭，用于測量加熱裝置2與試樣4相接的界面處的溫度。換言之，溫度傳感器3的體積相對于試樣4而言，可以忽略不計。
[0061]試樣4也置于絕熱套I內(nèi)，一端緊貼加熱裝置2，另一端緊貼熱電半導(dǎo)體6。溫度傳感器3嵌入在加熱裝置2與試樣4相接的界面處。在試樣4的另一端與熱電半導(dǎo)體6相接的界面處，放置第二溫度傳感器5。類似地，也可以認(rèn)為第二溫度傳感器5嵌入在試樣4與熱電半導(dǎo)體6相接的界面處，并且忽略第二溫度傳感器5的體積。
[0062]熱電半導(dǎo)體6置于絕熱套I的另一端，一端(左側(cè))緊貼試樣4放置。在圖1中，熱電半導(dǎo)體6置于絕熱套I的右端。
[0063]可選地，為了促進(jìn)熱電半導(dǎo)體6的散熱，在熱電半導(dǎo)體6的另一端放置散熱塊7，二者緊密接觸?；蛘?，熱電半導(dǎo)體6的右側(cè)可以裸露在空氣中，以便進(jìn)行散熱。
[0064]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，采用了圖1中所示的試樣管。
[0065]如圖2所示，通過試樣管卡槽螺栓10將圖1中所示的試樣管固定在試樣管支架13上的試樣管卡槽12中，試樣管支架13安裝在箱體14上，箱體14由四個箱體支架15支撐。在試樣管兩端，通過螺栓11，將試樣管兩端的端蓋固定在試樣管上。
[0066]在本文中，試樣管I左側(cè)的端蓋是由絕熱材料制成的，形成試樣管的封閉端(該端蓋與試樣管I的側(cè)壁的連接在圖1中并未示出)。在試樣管I的右側(cè)，通過另外的螺栓11將散熱塊7固定在試樣管I的右側(cè)端部，緊貼熱電半導(dǎo)體。
[0067]控制器17與箱體14通過線纜16 (包括數(shù)據(jù)線及電源線)相連接。控制器17包括顯示屏18、開關(guān)按鈕19、向左按鈕20、向上按鈕21、向右按鈕22、向下按鈕23、確認(rèn)按鈕24、返回按鈕25、啟控按鈕26、時間設(shè)置按鈕27、PID參數(shù)調(diào)節(jié)按鈕28。控制器通過電源線29以及電源插頭30供電。
[0068]工作原理
[0069]繼續(xù)參照圖1并結(jié)合圖2，當(dāng)本實(shí)用新型的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備工作時，加熱裝置2以一定功率發(fā)出熱量。由于絕熱套I包圍加熱裝置2和試樣4，熱量從左向右在試樣4中傳導(dǎo)，并且繼而向熱電半導(dǎo)體6傳導(dǎo)，傳導(dǎo)到熱電半導(dǎo)體6的熱量導(dǎo)致熱電半導(dǎo)體兩側(cè)形成溫差，熱電半導(dǎo)體繼續(xù)將熱量向散熱塊7傳導(dǎo)，由散熱塊7將熱量散發(fā)出去。
[0070]溫度傳感器3測量在加熱裝置2與試樣4的界面處的溫度Tl，溫度傳感器5測量試樣4與熱電半導(dǎo)體6的界面處的溫度T2。當(dāng)熱量垂直穿過熱電半導(dǎo)體6時，在熱電半導(dǎo)體兩端就有一定的溫差ΛΤ，`這個溫差使熱電半導(dǎo)體產(chǎn)生一定的溫差電動勢E。
[0071]一方面，由于熱電半導(dǎo)體厚度Λ X和熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)λ I可以預(yù)先測定和校準(zhǔn)，所以在穩(wěn)定的條件下，其熱流密度為
[0072]q=- λ I ( Δ Τ) / ( Δ X) (I)
[0073]式中代表q的方向與溫度梯度的方向相反；λ I為熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*K)，即，瓦/ (米.度)；AT為當(dāng)有熱量垂直穿過熱電半導(dǎo)體時，熱電半導(dǎo)體兩端的溫差，單位為度(K); ΛΧ為熱電半導(dǎo)體厚度，單位為米(m)。
[0074]另一方面，溫差決定的熱電半導(dǎo)體的輸出電動勢反映了熱流密度的大小，具體為:
[0075]q=C*E (2)
[0076]式中C為熱電半導(dǎo)體的測頭系數(shù)，單位為W/(m2*mv) ；q為通過熱電半導(dǎo)體的熱流密度，單位為J/ (1112*8)，焦耳/ (平方米?秒)；E為熱電半導(dǎo)體輸出電動勢，單位為毫伏(mV)o
[0077]溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)時，熱電半導(dǎo)體兩端具有穩(wěn)定的輸出電動勢E。根據(jù)熱電半導(dǎo)體的校準(zhǔn)曲線，基于輸出電動勢E，在已知熱電半導(dǎo)體的熱面溫度T2和輸出電動勢時，可知熱電半導(dǎo)體的熱面和冷面的溫差A(yù)T。
[0078]則某段時間t內(nèi)，通過試樣的熱量為:
[0079]Q=q*s*t (3)
[0080]如上所述，試樣加熱段溫度為Tl (溫度單位為。C)，試樣和熱電半導(dǎo)體接觸處的溫度為T2 (溫度單位為。C)，則試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為
[0081]λ 2=Q*L/(T1-T2)*s*t (4)
[0082]=q*L/(Tl_T2)
[0083]=[λ 1(AT)/(AX)]*L/(T1_T2)
[0084]其中，L為試樣的長度(單位為m)，Q為時間t (秒)內(nèi)通過試樣的熱量(公式中Q與t是對應(yīng)的)，單位為J (焦耳)；s為試樣的橫截面積，單位為m2 (平方米)；λ2為待測試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*K)，即，瓦/ (米?度)。
[0085]由本文上述內(nèi)容可知，公式(4)中的參數(shù)λ 1、AX、L已知，Tl和T2為測量值，AT通過T2和E可以查表獲得，因此只需測得Tl、T2和E即可計算出試樣材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0086]上面已經(jīng)提到，溫度的穩(wěn)定是測量過程中重要的一個因素，因為加熱裝置2不是恒溫器件，因此在加熱過程中溫度很難達(dá)到設(shè)定值，利用PID控制調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)溫度的快速穩(wěn)定。換言之，本實(shí)用新型需要找到一個輸出功率值，當(dāng)加熱裝置2以該輸出功率值恒定地發(fā)出熱量時，通過熱量從左向右的不斷傳導(dǎo)，并最終通過散熱塊散熱，整個試樣管能夠到達(dá)平衡狀態(tài)，各個部位的溫度不再發(fā)生變化。
[0087]這種穩(wěn)定狀態(tài) 的實(shí)現(xiàn)通過PID控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。PID自動控制系統(tǒng)的原理如圖3中所示。
[0088]參見圖3，假設(shè)被控量與設(shè)定值之間有偏差e (t)=設(shè)定值-被控量(其中設(shè)定值是指設(shè)定的溫度，被控量指采集回來的溫度)，則根據(jù)偏差e(t)，由自動控制算法得出結(jié)果，來控制加熱裝置。PID自動控制系統(tǒng)依據(jù)e(t)及預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)規(guī)律輸出調(diào)節(jié)信號u(t)，執(zhí)行單元(即，加熱裝置)按u (t)輸出操作量(按一定功率輸出熱量)至被控對象(即，試樣)，使被控量(即試樣的實(shí)測溫度)逼近直至最后等于(試樣溫度的)設(shè)定值。PID自動控制系統(tǒng)是按偏差比例、積分、微分進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)自動測量裝置，包括:試樣管、試樣管支架、控制器，其特征在于， 所述試樣管包括:絕熱套、加熱裝置、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、熱電半導(dǎo)體以及電勢測量裝置； 所述絕熱套為由絕熱材料制成的中空的桶狀結(jié)構(gòu)，其一端封閉，另一端開口，所述絕熱套固定在所述試樣管支撐上并且容納所述加熱裝置、所述試樣和所述熱電半導(dǎo)體； 所述加熱裝置置于所述絕熱套的封閉的一端的內(nèi)部，能夠以恒定功率發(fā)出熱量； 所述試樣置于所述絕熱套內(nèi)并且其一端與所述加熱裝置相接觸，另一端與所述熱電半導(dǎo)體相接觸； 所述第一溫度傳感器置于所述加熱裝置與所述試樣相接的界面處，用于測量該處的溫度Tl ； 所述第二溫度傳感器置于所述試樣的另一端與所述熱電半導(dǎo)體相接的界面處，用于測量該處的溫度T2 ； 所述電勢測量裝置分別與所述熱電半導(dǎo)體的兩端相連，用于測量熱電半導(dǎo)體兩端的電勢差； 所述試樣管支架通過試樣管卡槽螺栓將所述試樣管固定在試樣管卡槽中，所述試樣管支架安裝在一箱體上，所述箱體由四個箱體支架來支撐； 所述控制器接收所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器所測得的溫度以及所述電勢測量裝置測得的電勢差，并且 基于所述第一溫度傳感器、所述第二溫度傳感器所測得的溫度以及所述電勢測量裝置測得的電勢差確定所述試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，其特征在于，所述熱電半導(dǎo)體為圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括兩個端面和圓柱狀的外側(cè)壁，所述外側(cè)壁與所述絕熱套的內(nèi)壁匹配。
3.如權(quán)利要求2所述的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，其特征在于，所述熱電半導(dǎo)體置于所述絕熱套內(nèi)部，并且一個端面與所述試樣相接觸，另一個端面處設(shè)置有散熱塊。
4.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，其特征在于，所述試樣管支撐包括試樣管支架、箱體和箱體支架。
5.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，其特征在于，所述控制器基于如下公式確定所述試樣的導(dǎo)熱系數(shù)入2，
λ 2=[λ 1(ΔT)/(ΔX)]*L/(T1_T2) 其中，L為試樣的長度，單位為m ; λ I為熱電半導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*K) ； ΔΧ為熱電半導(dǎo)體的厚度，單位為m; AT為熱電半導(dǎo)體的熱面和冷面的溫差，其可以通過熱電半導(dǎo)體兩端的電勢差而確定。
6.如權(quán)利要求1所述的導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，其特征在于，所述加熱裝置的輸出功率能夠調(diào)節(jié)，所述控制器采用PID自動控制系統(tǒng)控制所述加熱裝置的輸出功率。
【文檔編號】G01N25/20GK203534994SQ201320656207
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】黃耀雄, 王啟銀, 王曉強(qiáng), 趙銳, 郭鵬飛, 王旭, 李增強(qiáng), 黨世昉 申請人:國家電網(wǎng)公司, 山西省電力公司大同供電分公司