[发明专利]一种新型导热参量测试仪

说明书

一种新型导热参量测试仪，测试仪整体结构为方形，外罩上设置有把手，主要由控制芯片、水箱、超声雾化探头、风扇、半导体制冷片、冷凝片、湿度传感器、温度传感器、加热器、热敏感片、样品容器、重量传感器、无线WIFI模块和远程上位机构成，能够控制测试环境的湿度，在试样加热过程中，测量试样内部和热敏感片表面点温度，通过热传导方程反演的方法测量出材料在不同湿度条件下的比热和导热系数；与现有装置相比，本装置运算量小，测量时间短，结构简单，成本低，适用范围广，能够一次性测出两个导热参量，还可以方便的用于演示教学。

技术领域

本发明涉及物理学领域，特别是一种新型导热参量测试仪。

背景技术

材料的导热系数和比热直接关系到材料热传导特性，这两个参量的测量是物理学和工程热学中重要的研究课题。

一、材料的导热系数

常见的测量装置有动态测量法装置和稳态测量法装置。

1、稳态法测量装置在待测试样的温度分布达到稳定后进行测量，其分析的出发点是稳态导热微分方程(式中λ代表导热系数，S代表材料的截面积，Q代表传递的热量，T代表温度)。这种装置的特点是实验公式简单，成本低，需要测量热流量和若干点的温度。最常用的导热系数测量装置是基于传统稳态平板法的仪器(比如杭州大华YBF系列测量仪)。该装置只适用于测量热的不良导体，并且实验步骤繁琐，需要对数据进行手工处理，由于线性拟合时带有很大的随意性导致热流测量不准。同时，由于散热盘在高温稳态条件下不仅仅是热传导过程，还会产生热辐射，因而估算热流会存在系统性的偏离。针对这些缺点，有很多发明改进了稳态测量实验装置。有的采用上位机来进行数据处理，降低人为数据处理误差；有的采用电热功率法来得到热流量；有的采用循环水方法得到稳态时的热流量。然而，经过这些改进，稳态法测量装置还存在以下问题：(1)测量热流量都会存在系统性的偏离。(2)实验步骤过于繁琐，耗时过长。(3)实验仪器普遍连线较多，结构复杂，不方便移动，无法用于大学实验的教学演示。(4)稳态测量装置因为使用时需要对样品进行加热的时间长，木质材料或者木质复合材料在温度90-100℃下加温1小时就会开裂，不适宜进行木质材料的性能进行检测。

2、动态法测量装置分析的出发点是动态热传导微分方程公式(式中c代表比热，ρ代表密度)。通常是在试样的某一部分施加持续的或周期变化的热流，而在试样地另一部分测量温度随时间的变化率，即温度的响应，进而测出试样的热扩散率(即导温系数)，若已知材料的比热，可进一步算出导热系数。动态测量装置的优点是测量时间短，然而也存在如下缺点：(1)很多装置适用范围有限制，比如直接电加热法装置只适用于电导体，热线法装置只适用于粉末状材料，热探针法装置则只适用于土壤或者松散材料，因此适用范围有限制。(2)动态法测量装置普遍较为昂贵。而且市场上有些动态测量装置在测量前还需要知道材料的一些其他物性数据，如果这些数据未知，测量无法进行。

二、固体材料的比热

需要先对材料进行加热，然后冷却。比较常见的装置会采用直接法或比较法得到材料的热量变化，从而测出材料的比热。直接法仪器通常采用水吸热的方法，通过水温变化得到热量变化；比较法仪器通常采用同时测量已知比热的材料和未知比热的材料温度变化的方法，通过比值计算得到未知材料的比热。无论是采用哪种方法，这类测量装置，普遍存在仪器结构复杂，耗时过长的问题。

目前市场上，还很少有仪器能够一次性同时测出材料的比热和导热系数，测量时需要分别使用两种不同的仪器，无法一次同时测出。

此外，很多材料具有孔状结构，具有吸湿功能，因而当外界湿度变化时，导热系数和比热会显著变化。研究测量这些材料导热参量随湿度的变化对工程建筑学具有重要意义。然而，现有的仪器都只能在外界湿度条件下进行测量，无法改变湿度条件进行测量，无法测出不同湿度条件下的导热参量。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种新型导热参量测试仪，其具体技术方案如下：