導熱系數(shù)測定儀產(chǎn)品說明書(

1、導 熱 系 數(shù) 測 定 儀 說明書一、概述導熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)對導熱 系數(shù)值都有明顯的影響,因此材料的導熱系數(shù)常常需要由實驗具體測定。測量導熱 系數(shù)的方法一般分為兩類:一類是穩(wěn)態(tài)法;一類是動態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)法中,先利用熱 源在待測樣品內(nèi)部形成一個穩(wěn)定的溫度分布,然后進行測量。在動態(tài)法中,待測樣 品溫度分布是隨時間變化的。該儀器結(jié)構(gòu)牢固、測控方便,已廣 泛應用于大專院校普通物理熱學實驗。二、用途(1 測量不良導體的導熱系數(shù),本儀器附有橡皮樣品供教學測試用。(2 學習用物體散熱速率求熱傳導速率的實驗方法。(3 學習溫度傳感器的應用方法。三、儀器組成與技術指標1

2、.儀器組成(如圖 1所示(1 熱源:電熱管、加熱銅板 ;(2 樣品架:樣品支架、樣品板 ;(3 測溫部分:單片電腦測溫及控制儀。(4橡皮樣品、導熱硅脂(配件- 1 -A. 溫控儀與測溫儀(1溫度計顯示工作溫度:0 -100(2恒溫控制溫度:室溫-80o C圖 1 FD-TC-B 導熱系數(shù)測定儀裝臵圖 (3控制恒溫顯示分辨率:0.1B. 溫度傳感器 DS18B20的結(jié)構(gòu)與技術特性(控溫及測量用 :(1溫度測量范圍:-55 +125(2測溫分辨率:0.0625(3引腳排列 (如圖 2所示 : 圖 2(4封裝形式:TO-92詳細應用軟硬件請參閱相關資料C. 不良導體導熱系數(shù)測量不確定度:%10- 2

3、 - 3 -四、安裝步驟(1 取下固定螺絲,將樣品放在加熱盤與散熱盤中間,然后固定;調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺絲,使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好,不宜過緊或過松;(2 插好加熱板的電源插頭;再將 2根連接線的一端與機殼相連,另一端的傳感器分別插在加熱盤和散熱盤小孔中(注意:要一一對應,不可互換 ;(3 開啟電源后,左邊表頭顯示從 FDHC 當時溫度 b = = =其含義是告知用戶請設定控制溫度。右邊表頭顯示散熱盤的測量溫度。五、實驗方法(1 設定加熱器控制溫度:按升溫鍵左邊表顯示由 B00.0可上升到 B80.0攝氏度。一般設定 75-80C 較為適宜。 根據(jù)室溫選擇后, 再按確定鍵, 顯示變?yōu)?A

4、XX.X 之 值,即表示加熱盤此刻的溫度值,加熱指示燈閃亮,打開電扇開關,儀器開始 加熱。(2 加熱盤的溫度上升到設定溫度值時,開始記錄散熱盤的溫度,可以每隔一分鐘記錄一次, 待在 10分鐘內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度都基本保持不變, 可以認為已 經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)了。(3 按復位鍵停止加熱,取走樣品,調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好,再設定溫度到 80C 加快加熱 C 盤的溫度上升 (按升溫鍵和確定鍵 使散熱盤在原 溫度上升 20C 左右即可以了。(4 移去加熱盤,讓散熱盤在風扇作用下冷卻,每隔 10秒(或者稍長時間,如 20秒或者 30秒記錄該盤的溫度。作散熱曲線,計算散熱盤的冷卻速率。 當傳熱

5、達到穩(wěn)定狀態(tài)時,樣品上下表面的溫度 1和 2不變,這時可以認為加熱 盤 C 通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤 P 向周圍環(huán)境的散熱量相等。因此可以通過散 熱盤 P 在穩(wěn)定溫度 2時的散熱速率來求出熱流量 tQ 。- 4 - 在達到穩(wěn)態(tài)的過程中, P 盤的上表面并未暴露在空氣中,而物體的冷卻速率與 它的散熱表面積成正比,為此,穩(wěn)態(tài)時銅盤 P 的散熱速率表達式應作面積修正:22(2(222P P P P P p h R R h R R t m t Q += (7其中 P R 為散熱盤 P 的半徑, P h 為其厚度。由(3式和(7式可得:22(2(222212P P P P P p B B h R R

6、 h R R t m R h +=-= (8所以樣品的導熱系數(shù) 為: 2211 ( 22( 2(2B B P P P p R h h R h R t mc -+= (9 六、注意事項(1 該測定儀用單片電腦控制,最高控制溫度為 80C ,讀數(shù)誤差為 0.1C 。電加熱時加熱指示燈閃亮,隨著與設定值的接近,閃亮變慢,超過設定溫度 1C 即 自動關加熱電源,低于設定溫度自動開啟。(2 加熱盤和散熱盤側(cè)面兩個小孔安裝數(shù)字式溫度傳感器,不可插錯。近電源開關的接插件為加熱傳感器 , 應插入加熱盤上,另一個傳感器插在散熱盤上的小孔, 特別注意插小孔之前涂上少許導熱硅脂或者硅油,使其接觸良好。(3 使用前將

7、加熱盤與散熱盤及樣品的表面擦干凈,可以涂上少量硅油或者導熱硅脂,以保證接觸良好。在固定安裝加熱盤、散熱盤和樣品時三個調(diào)節(jié)螺絲不宜 過緊過松,用力要均勻 (手感一致 。(4 在實驗過程中,需移開加熱盤時,請先關閉加熱電源,移開熱圓筒時,手應握固定軸轉(zhuǎn)動,以免燙傷手;實驗結(jié)束后,切斷總電源,保管好測量樣品,不要 使樣品兩端面劃傷,以至影響實驗的精度。- 5 -穩(wěn)態(tài)法測量不良導體的導熱系數(shù)導熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)的不同 對材料導熱系數(shù)數(shù)值都有明顯的影響,因此材料的導熱系數(shù)常常需要由實驗去具體 測定。測量導熱系數(shù)的實驗方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。在穩(wěn)態(tài)法中,先

8、利用 熱源對樣品加熱,樣品內(nèi)部的溫差使熱量從高溫向低溫處傳導,樣品內(nèi)部各點的溫 度將隨加熱快慢和傳熱快慢的影響而變動;當適當控制實驗條件和實驗參數(shù)使加熱 和傳熱的過程達到平衡狀態(tài),則待測樣品內(nèi)部可能形成穩(wěn)定的溫度分布,根據(jù)這一 溫度分布就可以計算出導熱系數(shù)。而在動態(tài)法中,最終在樣品內(nèi)部所形成的溫度分 布是隨時間變化的,如呈周期性的變化,變化的周期和幅度亦受實驗條件和加熱快 慢的影響,與導熱系數(shù)的大小有關。本實驗應用穩(wěn)態(tài)法測量不良導體 (橡皮樣品 的導熱系數(shù),學習用物體散熱速率 求傳導速率的實驗方法。實驗原理1898年 C.H.Lees 首先使用平板法測量不良導體的導熱系數(shù), 這是一種穩(wěn)態(tài)法,

9、實驗中,樣品制成平板狀,其上端面與一個穩(wěn)定的均勻發(fā)熱體充分接觸,下端面與 一均勻散熱體相接觸。由于平板樣品的側(cè)面積比平板平面小很多,可以認為熱量只 沿著上下方向垂直傳遞,橫向由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計,即可以認為,樣品 內(nèi)只有在垂直樣品平面的方向上有溫度梯度,在同一平面內(nèi),各處的溫度相同。 設穩(wěn)態(tài)時,樣品的上下平面溫度分別為 1、 2,根據(jù)傅立葉傳導方程,在 t 時 間內(nèi)通過樣品的熱量 Q 滿足下式:S h t Q B21-= (1 式中 為樣品的導熱系數(shù), B h 為樣品的厚度, S 為樣品的平面面積,實驗中樣品為- 6 -圓盤狀,設圓盤樣品的直徑為 B d , 則由(1式得: 2214B

10、 Bd h t Q -= (2 實驗裝臵如圖 1所示, 固定于底座的三個支架上, 支撐著一個銅散熱盤 P , 散熱 盤 P 可以借助底座內(nèi)的風扇,達到穩(wěn)定有效的散熱。散熱盤上安放面積相同的圓盤 樣品 B , 樣品 B 上放臵一個圓盤狀加熱盤 C , 其面積也與樣品 B 的面積相同, 加熱盤 C 是由單片機控制的自適應電加熱,可以設定加熱盤的溫度。當傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時,樣品上下表面的溫度 1和 2不變,這時可以認為加熱 盤 C 通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤 P 向周圍環(huán)境散熱量相等。因此可以通過散熱 盤 P 在穩(wěn)定溫度 2時的散熱速率來求出熱流量 tQ 。 實驗時,當測得穩(wěn)態(tài)時的樣品上下表面溫度

11、 1和 2后,將樣品 B 抽去,讓加熱 盤 C 與散熱盤 P 接觸, 當散熱盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的 2值 C 20或者 C 20以 上后, 移開加熱盤, 讓散熱盤在電扇作用下冷卻, 記錄散熱盤溫度 隨時間 t 的下降 情況,求出散熱盤在 2時的冷卻速率 2=t ,則散熱盤 P 在 2時的散熱速率為: 2=t t Q (3其中 m 為散熱盤 P 的質(zhì)量, c 為其比熱容。在達到穩(wěn)態(tài)的過程中, P 盤的上表面并未暴露在空氣中,而物體的冷卻速率與 它的散熱表面積成正比,為此,穩(wěn)態(tài)時銅盤 P 的散熱速率的表達式應作面積修正:22(2(222P P P P P p h R R h R R t m t

12、 Q += (4其中 P R 為散熱盤 P 的半徑, P h 為其厚度。由(2式和(4式可得:- 7 -22(2(4222212P P P P P p B B h R R h R R t m d h +=-= (5所以樣品的導熱系數(shù) 為: 2211 (4 22( 2(2B B P P P p d h h R h R t mc -+= (6 實驗儀器導熱系數(shù)測定儀裝臵如圖 1所示 , 它由電加熱器、 銅加熱盤 C , 橡皮樣品圓盤 B , 銅散熱盤 P 、支架及調(diào)節(jié)螺絲、溫度傳感器以及控溫與測溫器組成。 圖 1 FD-TC-B 導熱系數(shù)測定儀裝臵圖實驗內(nèi)容(1 取下固定螺絲, 將橡皮樣品放在加熱

13、盤與散熱盤中間, 橡皮樣品要求與加熱盤、散熱盤完全對準;要求上下絕熱薄板對準加熱和散熱盤。調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào) 螺絲,使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好,但注意不宜過緊或過松;(2 按照圖 1所示,插好加熱盤的電源插頭;再將 2根連接線的一端與機殼相連,另一有傳感器端插在加熱盤和散熱盤小孔中,要求傳感器完全插入小孔中,并 在傳感器上抹一些硅油或者導熱硅脂,以確保傳感器與加熱盤和散熱盤接觸良- 8 -好。在安放加熱盤和散熱盤時,還應注意使放臵傳感器的小孔上下對齊。 (注 意:加熱盤和散熱盤兩個傳感器要一一對應,不可互換。 ;(3 接上導熱系數(shù)測定儀的電源,開啟電源后,左邊表頭首先顯示從 FDHC ,然

14、后顯示當時溫度,當轉(zhuǎn)換至 b = = =,用戶可以設定控制溫度。設臵完成按“確 定”鍵,加熱盤即開始加熱。右邊顯示散熱盤的當時溫度。(4 加熱盤的溫度上升到設定溫度值時,開始記錄散熱盤的溫度,可每隔一分鐘記錄一次, 待在 10分鐘或更長的時間內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度值基本不變, 可以 認為已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)了。(5 按復位鍵停止加熱,取走樣品,調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好,再設定溫度到 C 80, 加快散熱盤的溫度上升, 使散熱盤溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的 2值 C 20左右即可。(6 移去加熱盤,讓散熱圓盤在風扇作用下冷卻,每隔 10秒(或者 30秒記錄一次散熱盤的溫度示值, 由臨近 2值的

15、溫度數(shù)據(jù)中計算冷卻速率 2=t 。 也可以根據(jù)記錄數(shù)據(jù)做冷卻曲線,用鏡尺法作曲線在 2點的切線,根據(jù)切線斜率計算 冷卻速率。(7 根據(jù)測量得到的穩(wěn)態(tài)時的溫度值 1和 2, 以及在溫度 2時的冷卻速率, 由公式2211 (4 22( 2(2B B P P P p d h h R h R t mc -+=計算不良導體樣品的導熱系數(shù)。 注意事項1.為了準確測定加熱盤和散熱盤的溫度, 實驗中應該在兩個傳感器上涂些導熱硅脂 或者硅油,以使傳感器和加熱盤、散熱盤充分接觸;另外,加熱橡皮樣品的時候, 為達到穩(wěn)定的傳熱, 調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺絲, 使樣品與加熱盤、 散熱盤緊密接觸, 注意不要中間有空氣隙;也不

16、要將螺絲旋太緊,以影響樣品的厚度。2. 導熱系數(shù)測定儀銅盤下方的風扇做強迫對流換熱用, 減小樣品側(cè)面與底面的放熱- 9 - 比,增加樣品內(nèi)部的溫度梯度,從而減小實驗誤差,所以實驗過程中,風扇一定要 打開。實驗數(shù)據(jù)例 (僅供參考 樣品:橡皮; 室溫:C 20;散熱盤比熱容(紫銅 :C=385 /(K Kg J ; 散熱盤質(zhì)量:g m 42. 891=; 散熱盤厚度 P h (多次測量取平均值 :表 1 散熱盤厚度(不同位臵測量 所以散熱盤 P 的厚度:P h =7.66mm ;散熱盤半徑 P R (多次測量取平均值 :表 2 散熱盤直徑(不同角度測量 所以散熱盤 P 的半徑:P R=65.00m

17、m ;橡皮樣品厚度 B h (多次測量取平均值 :表 3 橡皮樣品厚度(不同位臵測量 所以橡皮樣品的厚度:B h =8.06mm ;橡皮樣品直徑 B d (多次測量取平均值 :表 4 橡皮樣品直徑(不同角度測量 所以橡皮樣品的厚度:B d =129.02mm ;穩(wěn)態(tài)時(10 分鐘內(nèi)溫度基本保持不變，樣品上表面的溫度示值 q 1 = 80 . 2 o C ,樣 品下表面溫度示值 q 2 = 45 . 0 o C ； 每隔 10 秒記錄一次散熱盤冷卻時的溫度示值如表 5： 表5 q / C o 散熱盤自然冷卻時溫度記錄 47.0 43.8 46.5 43.4 46.0 43.0 45.5 42.6

18、 45.1 42.2 47.9 44.7 47.4 44.2 q / C o 作冷卻曲線得到： 49 48 TEMPERATURE( 47 46 45 44 43 42 41 0 20 40 60 80 TIME(S 圖 2 散熱盤冷卻曲線 100 120 140 160 取臨近 q 2 溫度的測量數(shù)據(jù)求出冷卻速率 冷卻速率） 將以上數(shù)據(jù)代入公式（6）計算得到： Dq Dt q =q 2 = 0 . 040 o C /S 。 （或者用鏡尺法求出 - 10 - l = mc Dq Dt q =q 2 -3 (R p + 2hP 4hB 1 2 ( 2 R P + 2 h P (q 1 - q 2 p d B ´ 385 ´ 0 . 040 ´ = 891 . 42 ´ 10 65 . 00 + 2 ´ 7 . 66 2 ´ 65 . 00 + 2 ´ 7 . 66 ´ 4 ´ 8 . 06 80 . 2 - 45 . 0 ´ 1 p ´