導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

中國建筑科學研究院（國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）導熱系數(shù)儀器原理和測試技術(shù)導熱系數(shù)儀器原理和測試技術(shù)

近年來，建筑節(jié)能工作在我國的發(fā)展十分迅速，建筑節(jié)能形勢也越來越好。但據(jù)統(tǒng)計，全國節(jié)能建筑發(fā)展水平仍然參差不齊，建筑用能浪費仍相當嚴重，節(jié)能潛力還未充分發(fā)揮。全國每年新建城鄉(xiāng)建筑的建筑中80%以上是高耗能建筑。相同條件下，我國建筑平均使用能耗遠遠高于發(fā)達國家；同時伴隨著村鎮(zhèn)建筑用能的逐步提高，我國的建筑節(jié)能工作任重而道遠。

前言近年來，建筑節(jié)能工作在我國的發(fā)展十分迅速，建導熱系數(shù)是建筑材料的基本物性之一，是鑒別建筑材料保溫性能好壞的重要指標。對于保溫材料來說，導熱系數(shù)是其中最重要的一個參數(shù)，因為導熱系數(shù)是決定保溫材料保溫能力的根本因素。

近些年來，隨著國家對建筑節(jié)能的要求越來越高，高保溫（低導熱系數(shù)）性能的材料的應(yīng)用越來越廣泛，因此準確測定保溫材料的導熱系數(shù)有利于合理選材及指導圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，對于建筑節(jié)能來說具有十分重要的意義。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

針對日益廣泛的建筑節(jié)能檢測工作，其中保溫材料的導熱系數(shù)的測試在整個建筑節(jié)能檢測領(lǐng)域非常普遍，同時為了配合此次的認監(jiān)委導熱系數(shù)能力驗證項目（

CNCA-12-A10）的總結(jié)工作，本文主要介紹與導熱系數(shù)測試相關(guān)的標準、測試方法及測試儀器等問題，通過此次交流，以期與大家共同進步，為更好地開展節(jié)能檢測做一些力所能及的工作。

一基本原理和概念二常用穩(wěn)態(tài)測量方法★三導熱系數(shù)測試儀舉例分析四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹五檢測報告注意事項一基本原理和概念一基本原理和概念對于厚度為d的無限大的單層勻質(zhì)平壁，當兩側(cè)的溫度保持恒定，分別為t1和

t2，且

t1>t2，根據(jù)傅立葉定律可以得到公式：將此式分離變量積分，得到單層勻質(zhì)平壁在一維穩(wěn)態(tài)條件下的熱流密度計算公式為：一基本原理和概念對于厚度為d的無限大的單層勻質(zhì)平壁，當涵義簡述：理論基礎(chǔ)：式中：q—單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量（W/㎡）；

d—單層平壁的厚度（m）；

t1,t2—壁面兩側(cè)的溫度（℃）。導熱系數(shù)表述：λ，

W/（m·K）物理意義：在穩(wěn)態(tài)條件下，1m厚物體，兩側(cè)表面溫差為1k，1s內(nèi)通過1m2面積傳過的熱量。

導熱系數(shù)值越小，材料的絕熱（保溫）性能越好。涵義簡述：基于穩(wěn)定熱狀況的測試方法大致可分為三種類型：1.平板法，包括單平板法、雙平板法、相對平板法（比較法、熱流計法）；2.圓管法；3.球體法。其中以平板法為最主要的測試方式?；诜€(wěn)定熱狀況的測試方法大致可分為三種類型：二、常用穩(wěn)態(tài)測量方法2.1常用標準2.2防護熱板法（單試件）2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對比2.4熱流計法設(shè)備與防護熱板法（平板法）設(shè)備的對比二、常用穩(wěn)態(tài)測量方法2.1常用標準2.1常用標準1GB/T10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》

通過計量被測試件的兩側(cè)溫度和熱側(cè)的加熱功率，從而獲得材料的導熱系數(shù)。2GB/T10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》

通過計量被測試件的兩側(cè)溫度和通過試件的熱流密度，從而獲得材料的導熱系數(shù)。2.1常用標準2.2防護熱板法（單試件）本節(jié)以防護熱板法（GB/T10294方法）中的單試件法為例來重點介紹穩(wěn)態(tài)法測量保溫材料導熱系數(shù)的情況，然后進行介紹：防護熱板法中的雙平板法熱流計法（GB/T10295方法）

將這兩種常用的方法與單平板法的相同和不同之處做對比介紹。首先介紹一下儀器設(shè)備的原理，示意圖如下：2.2防護熱板法（單試件）導熱系數(shù)測試技術(shù)課件儀器重點：①試件兩側(cè)溫度計量準確；②試件熱側(cè)加熱功率計量準確；③試件溫度和側(cè)向護熱板、背向護熱板要保持高度一致。事實上，為了達到上述目的，對儀器的要求是方方面面的，如：測試元件的精度、測溫點的布置、控制系統(tǒng)的靈活，甚至包括儀器的機械加工精度等等，這些都會對儀器的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。儀器重點：對于儀器開發(fā)人員來說，如何提高儀器自身的測量精度是研究的重點。但對于節(jié)能檢測人員來說，儀器的內(nèi)部因素不是關(guān)注的重點，如何更好地使用儀器設(shè)備則才是重要的關(guān)注點，但對儀器原理應(yīng)有基本的了解，便于在日常工作中解決特殊問題及突發(fā)問題。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件測試達到平衡的判斷（1）一般憑經(jīng)驗確定測量間隔。對于泡沫塑料等輕質(zhì)試件可取30分鐘，對于較厚重試件取1小時。（2）當連續(xù)四組讀數(shù)給出的熱阻值的差別不超過±1%，并且不是單調(diào)地朝一個方向改變時即表示達到穩(wěn)定狀態(tài)。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件使用過程的一些基本注意事項（1）試件冷熱面溫度差的設(shè)定要按照相關(guān)標準或其他規(guī)定進行（GB/T10294標準建議溫差最少為10-20K），根據(jù)多年的科研檢測結(jié)果來看：對于普通絕熱材料，不宜將冷熱面溫差設(shè)定在10K以下；在實驗研究或材料對比時，可以適當放松溫差要求，但極端情況也不應(yīng)低于5K，否則不易保持測試的準確性。（2）對于軟質(zhì)保溫材料，在保證夾緊的同時還要避免過度壓縮試件，防止改變試件的熱工性能而影響測量結(jié)果。

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（3）對于硬質(zhì)材料，要避免儀器的冷熱板與試件之間產(chǎn)生空氣間隙，采用導熱良好的膏體材料排出縫隙間的空氣是一個好辦法。舉例說明空隙的影響：測試一種隔熱塑料的導熱系數(shù)，塑料的厚度15mm，導熱系數(shù)0.18W/（m·K），假定塑料試件的平整度每面都是0.3mm（對于300mm尺寸的試件，相當于平整度為1/1000），則在測試時的空氣間隙總厚度為0.6mm。由此可以簡單評估一下空氣間隙對整個測試的影響，空氣間隙總熱阻約為：0.0003/0.024=0.0125m2·K/W

塑料試件的自身熱阻約為：0.015/0.18=0.0833m2·K/W空氣間隙熱阻約占試件熱阻的15%。這種巨大的偏差是實驗室測試所要堅決避免的。（3）對于硬質(zhì)材料，要避免儀器的冷熱板與試件之間產(chǎn)生空氣間（4）對于常規(guī)材料，應(yīng)在實驗結(jié)束前對其測量結(jié)果做一個基本判斷（其中，密度是一個重要參考因素，因為密度對于很多材料來說，在一定范圍內(nèi)與導熱系數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系），如果出現(xiàn)意外結(jié)果，則應(yīng)及時查找各方面原因。（4）對于常規(guī)材料，應(yīng)在實驗結(jié)束前對其測量結(jié)果做一個基本（5）對于非常規(guī)材料，應(yīng)在實驗前根據(jù)材料的密度，以及與其相似材料的一些性能等參數(shù)做參考，粗估材料的導熱系數(shù)，從而設(shè)定合理的溫度范圍，有利于縮短測量過程并得到更為準確的測量結(jié)果。（6）儀器的冷熱板表面不宜覆蓋其他材料（一般是促進冷熱板與試件的接觸）；如果采用這種方式，應(yīng)做好與之相關(guān)的校準工作。（5）對于非常規(guī)材料，應(yīng)在實驗前根據(jù)材料的密度，以及與其相

（7）試件熱阻不能太小。其中，標準建議要大于0.1（m2·K）/W。

潛臺詞：試件不能太??；試件的導熱系數(shù)不能太大。注意問題：同時試件不能太厚，否則在有限的測量尺寸下，試件越厚會導致測量溫度場偏離一維穩(wěn)態(tài)傳熱的程度越大，而一維穩(wěn)態(tài)傳熱是測試的理論基礎(chǔ)，必須得到保證才能確保測量的準確性。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件（8）試件厚度對測量有較大影響，對于300mm×300mm尺寸的設(shè)備，比較理想的試件厚度為20mm～30mm，一般不要超過10mm～50mm的范圍。

（9）不應(yīng)對所有的材料都用統(tǒng)一的夾緊力。一般說來，試件越不平所需的夾緊力應(yīng)越大，試件越硬所需的夾緊力越大。（8）試件厚度對測量有較大影響，對于300mm×300

（10）設(shè)備測量區(qū)的防護罩對試件的測量影響大小因不同測試溫度條件和不同試件而不同，建議不要放棄防護罩的使用。（11）測試時設(shè)備的大環(huán)境溫度盡量保持穩(wěn)定，同時盡量避免測試溫度和環(huán)境溫度接近的情況，否則容易增加一般設(shè)備的控制難度，造成穩(wěn)定時間過長的情況出現(xiàn)。（10）設(shè)備測量區(qū)的防護罩對試件的測量影響大小因不同測

2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對比雙試件法設(shè)備簡單說來，就是采用在主加熱板的兩側(cè)各設(shè)置一塊相同試樣，進行材料導熱系數(shù)測試的方法。2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對T2T1T3Q1Q2Q3Q2T2T1T3Q1Q2Q3Q2

與單平板法設(shè)備相比，兩者的區(qū)別在于：首先，由于雙試件設(shè)備采用了兩塊試件，這就使得雙試件設(shè)備避免使用了單試件設(shè)備中主加熱板背后的背護熱板，從而避免了主加熱板向背護熱板的傳熱問題，從這個角度看有利于提高設(shè)備的測量精度。

其次，雙試件設(shè)備所使用的兩塊試件必須完全一致（理論上），否則可能會引起主加熱板向雙側(cè)的傳熱不均而導致測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。實際測試中，無論是試件的厚度還是試件的均勻性，兩塊試件不可能做的完全一致，從這個角度看雙試件設(shè)備不利于提高設(shè)備測量精度。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

2.4防護熱板法（平板法）設(shè)備與熱流計法設(shè)備的對比

熱流計法設(shè)備采用GB/T10295-2008標準，因為它不精確計量熱量（功率）參數(shù)，所以它是一種相對法設(shè)備。設(shè)備所使用的熱流計是經(jīng)過系數(shù)標定的，因此測量的準確性與熱流計的標定準確性有著決定性的關(guān)系。2.4防護熱板法（平板法）設(shè)備與熱流計法設(shè)備的對比熱流計設(shè)備原理圖（雙熱流計）示意圖如下所示：熱流計設(shè)備原理圖（雙熱流計）注意事項：

熱流計法導熱儀的準確性與設(shè)備所使用的熱流計系數(shù)標定有很大關(guān)系。通常來說，熱流計法導熱儀是利用標準件進行標定的，在儀器的使用范圍內(nèi)，應(yīng)該針對不同熱流密度（絕熱材料一般為低熱流密度，非絕熱材料一般為高熱流密度）進行至少兩種熱流情況進行標定，不能僅僅進行一次標定就用來測量多類型材料，尤其是測量與標準件性能差別過大的材料一定要慎重，否則測量結(jié)果可能會產(chǎn)生巨大誤差。以某次能力驗證為例來說明（當然檢測機構(gòu)使用的為平板法和熱流計法兩種設(shè)備，但很多設(shè)備都是以標準板標定為基礎(chǔ)的）：注意事項：

參加能力驗證的檢測機構(gòu)共36家，由于各檢測機構(gòu)都采用的是玻璃棉或聚苯板等類的軟質(zhì)、低導熱系數(shù)的材料做為標準件，因此各檢測機構(gòu)的聚苯板導熱系數(shù)能力驗證整體結(jié)果比較理想，而丙烯酸樹脂板導熱系數(shù)能力驗證整體結(jié)果非常差。檢測結(jié)果偏差柱狀圖如下所示：

說明：其中有的檢測機構(gòu)沒有能測出丙烯酸樹脂板的導熱系數(shù)

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熱流計法導熱儀與防護熱板法設(shè)備相比，其特點在于：

首先，由于熱流計法設(shè)備不計量功率（熱量）因此不存在主加熱板與護熱板之間傳熱問題，設(shè)備構(gòu)造相對簡單。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

其次，熱流計法設(shè)備中，一般與被測試件接觸的都是熱流計，而防護熱板法設(shè)備中，與被測試件接觸的是冷熱板（一般是金屬材料）。金屬材料的導熱性能一般遠好于普通材料，因此從設(shè)定溫度的角度來說，熱流計法導熱儀設(shè)定溫度與試驗最終溫度水平之間差異較大，設(shè)定時需要一定的測試經(jīng)驗，或者在測試過程中做較長時間的漸進式調(diào)整。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件第三，由于采用了熱流計測量原理，因此測量所需達到平衡的穩(wěn)定時間理論上要短于平板法設(shè)備。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件2.5熱流傳感器的標定常用熱流傳感器其實就是熱電偶堆。隨著使用周期的延長和自身老化等方面的影響，熱流傳感器可能會產(chǎn)生變形或損壞，熱流系數(shù)也隨之改變，一般情況下，熱流傳感器系數(shù)每年至少標定一次。標定熱流傳感器的儀器一般要符合GB/T10294《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法

》（從邏輯的角度上來說不應(yīng)該采用GB/T10295《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》的方法進行標定。）2.5熱流傳感器的標定采用GB/T10294法，并選擇用標準試件進行標定的方法。注：標定熱流傳感器應(yīng)根據(jù)未來應(yīng)用的范圍，至少針對高熱流狀態(tài)和低熱流狀態(tài)進行兩次標定。標定原理圖如下：采用GB/T10294法，并選擇用標準試件進行標定的方法。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件熱流計標定系數(shù)C1如下：熱流計標定系數(shù)C1如下：三導熱系數(shù)測試儀舉例分析導熱儀主要由

1主體部分（測試計量區(qū)）

2冷/熱源系統(tǒng)3智能測量儀（控制系統(tǒng)）三部分組成。三導熱系數(shù)測試儀舉例分析導熱儀主要由

主體部分智能測量儀熱源測控系統(tǒng)冷源測控系統(tǒng)輔助部件主體部分智能測量儀熱源測控系統(tǒng)冷源測控系統(tǒng)輔助部件主體部分由熱板、冷板和試件壓緊裝置組成，熱板和冷板是儀器的硬件核心部分，主要目的是使檢測所必需的時間和空間達到穩(wěn)定狀態(tài)，并使熱板及冷板結(jié)構(gòu)合理，制造工藝精密與可靠，這對儀器性能的影響很大。由于時間有限，對于導熱儀中紛繁的各種部件，本節(jié)僅對檢測人員日常能最直觀接觸到的冷熱板及其系統(tǒng)進行舉例說明。主體部分由熱板、冷板和試件壓緊裝置組成，熱板和冷板是儀器的硬熱側(cè)熱板包括——背護熱板、主加熱板和護熱板（周圍護熱板）背護熱板采用40mm厚的鋁板加工制成，再由精密恒溫水槽提供穩(wěn)定熱源，恒溫水進出采用螺旋形逆向流動的液體槽板，這種設(shè)計可使板面的溫度均勻性達到較好的效果。背護熱板的熱源及冷源由兩套精密恒溫水槽組成。主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成。主、護熱板的大小與被測試件厚度成一定比例關(guān)系，并且還與邊緣熱損失和不平衡誤差有關(guān)，因此，設(shè)計主護熱板時必須綜合考慮，使誤差和不平衡誤差之和最小。有關(guān)這方面的問題，國內(nèi)外已做過大量工作，例如可以根據(jù)GB10294推薦的尺寸進行設(shè)計。均熱板采用黃銅板制作并進行涂黑處理，其輻射率大于0.8。主、護均熱板的平整度為0.04mm，不平整度小于0.025%。主、護加熱器采用0.1mm厚的鏮銅箔腐蝕而成，采用半固化板絕緣，這種工藝既保證均熱板和加熱器之間有良好的電絕緣又有較好的熱接觸。主加熱板、護熱板和背護熱板的溫度要保持高度一致。熱側(cè)冷側(cè)冷板是由鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成。板面進行氧化處理，板面的平整度為0.04mm，不平整度小于0.025%。冷卻水系統(tǒng)主要包含另一套恒溫水槽，由恒溫水槽提供穩(wěn)定的冷卻水流。當測試需要冷板溫度設(shè)定在5℃以上時，直接通過恒溫水槽溫度的調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)對冷板的溫度控制；當測試需要冷板溫度設(shè)定在5℃以下時，用半導體制冷器來控制冷板溫度，此時水槽起到對半導體制冷器冷卻作用。冷側(cè)導熱儀加工試制完成后必須進行如下工作：儀器測試（主要針對設(shè)備）1.1熱、冷板溫度場分布的均勻性應(yīng)用不同材質(zhì)試件進行測試。1.2邊緣熱損一般來說，當試件厚度和熱阻最大，而試件溫差最小時，此時邊緣熱損最大（指比例大）。1.3試件最小厚度的確定1.4最小溫差的確定導熱儀加工試制完成后必須進行如下工作：2.驗證測試（主要針對材料）2.1.線性實驗（導熱系數(shù)與平均溫度的關(guān)系）2.2.不同溫差影響實驗2.3.重復(fù)性試驗影響實驗2.驗證測試（主要針對材料）3.誤差分析3.1.測量誤差（1）主加熱板功率測量誤差（2）試件厚度測量誤差（3）溫度測量誤差

……3.2.儀器結(jié)構(gòu)引起的誤差3.3.被測試件對測試結(jié)果的影響本項誤差實際上已經(jīng)不是單純的儀器本身的精度問題。一個簡單的例子：測量有機玻璃時，由于試件表面的不平整（厚度也不完全處處相等），直接測量時，冷熱板與有機玻璃之間會形成空氣間隙，引起較大的附加接觸熱阻（含空氣間隙熱阻），測得導熱系數(shù)λ=0.1592W/m·K（平均溫度22.36℃）；再涂上一層導熱硅油后再進行測量，后得到的導熱系數(shù)λ=0.1774W/m·K（平均溫度22.35℃），導熱系數(shù)比直接測量時提高了11.43%。3.誤差分析四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹4.1熱脈沖法4.2線熱源法四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹4.1熱脈沖法4.1熱脈沖法

4.1.1基本原理熱脈沖法是以非穩(wěn)定熱流原理為基礎(chǔ)，在試驗材料中給以短時間的加熱，使試驗材料的溫度發(fā)生變化，根據(jù)其變化的特點，就可以計算出試驗材料的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)和比熱容等相關(guān)參數(shù)。4.1熱脈沖法熱脈沖法具有以下特點：1.裝置簡單，幾乎可以通過購置有關(guān)儀表自行組裝設(shè)備；2.試驗時間短，一次試驗10～20分鐘左右；3.一次試驗中可以同時測出材料的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)和比熱容等多項相關(guān)參數(shù)；4.測量范圍廣，可測定密度30～3000kg/m3的干燥和潮濕的塊狀和粉狀的建筑材料和保溫材料。熱脈沖法具有以下特點：根據(jù)熱脈沖法的基本原理，其試驗裝置可分為三個主要部分。第一部分為試件及試件夾具。為了便于放置加熱器及測量溫度用的熱電偶，試件分為三塊，中間一塊試件比較薄，兩邊的試件比較厚。試件和試件之間夾以熱電偶和加熱器。第二部分為溫度測量系統(tǒng)。溫度的感應(yīng)元件成對出現(xiàn)，一對溫度傳感器相互之間必須高度一致，包括原點一致和斜率一致。第三部分為加熱系統(tǒng)。為了在試驗過程中保持電壓恒定，讓電流首先經(jīng)過穩(wěn)壓器，然后經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)至所需要的電壓，加熱電路中接入電壓表以讀出加熱器的兩端電壓。根據(jù)熱脈沖法的基本原理，其試驗裝置可分為三個主要部分。4.1.2試驗條件的控制1.加熱器的要求加熱器應(yīng)該滿足如下的要求：（1）加熱器的厚度要盡可能?。ú怀^0.4mm），有彈性，熱容量要小（不超過0.42kJ/m2·K），在使用過程中要堅固而耐久；（2）制作加熱器的材料應(yīng)選電阻溫度系數(shù)小的材料（如康銅、錳銅等），使得加熱器在溫度變化10～20℃時，它的電阻變化實際上很?。唬?）試驗潮濕材料時加熱器不吸收濕氣；（4）接通電源時加熱器應(yīng)該使整個面積均勻地發(fā)熱，而且對于試件來說是對稱的；（5）加熱器的尺寸應(yīng)與試件的尺寸相適應(yīng)。4.1.2試驗條件的控制2.溫度傳感器和測試儀表的選擇對于溫度測定，溫度傳感器要使溫度讀數(shù)的精確度為0.01℃以上，例如，如果采用熱電偶的采集儀，其最小分辨率要小于0.0004毫伏。作為成對出現(xiàn)的溫度傳感器，其不但要原點高度一致，線性斜率也需要保持高度一致。2.溫度傳感器和測試儀表的選擇3.試件尺寸的確定和制作要求試件的制作不可能如同理論上假定的那樣作成無限厚，但是只要對試件的尺寸按一定的比例制作和合理控制試驗時間，使加熱器發(fā)出的熱量擾動尚未傳到試件的邊界面或影響力到達試件邊界面時，試驗就已結(jié)束，這就滿足了理論上的要求，一般要求試件的長和寬為薄試件厚度的5～10倍。同組試件必須是同一種材料，一次成型。試件相互接觸的表面要求制作得平整，接合緊密，這樣可以避免形成縫隙而受空氣間隙的影響，造成測試結(jié)果的誤差。3.試件尺寸的確定和制作要求4試驗時間的控制熱脈沖法是以無限厚物體導熱方程的解為基礎(chǔ)的，但由于我們實際制作的試件是有限厚的，因此要滿足無限厚物體導熱方程解的要求，則試驗時間（即時間）必須限制熱源面所發(fā)出的熱流尚未傳至試塊界面（一般是試件背面）之前，否則就要受到外界條件的影響而破壞原始的假定。當然在實踐中與理論上的假定是有一定出入的，若這誤差相當小的時候，就可以認為已滿足理論上的假定。對于一般建筑材料來說，試驗時間10分鐘左右是不會超過控制時間的，僅對少數(shù)過重或過輕的材料要事先計算一下大致的控制時間，并在實測中嘗試和調(diào)整。4試驗時間的控制5試驗環(huán)境的恒溫要求脈沖法導熱公式的推導中，試件的初始外界溫度和實驗過程外界溫度是恒定不變的，因此，要求試驗室內(nèi)的氣溫波動盡量減小，以免試件內(nèi)部初始溫度引起不均勻而影響測定結(jié)果。5試驗環(huán)境的恒溫要求4.2線熱源法4.1基本原理在試驗材料中間，安置一根細長的金屬加熱絲，當加熱絲兩端接通電流后，就會發(fā)出熱量，使加絲溫度升高。加熱絲溫度升高的快慢，與試驗材料的導熱系數(shù)有關(guān)。如果試驗材料的導熱系數(shù)小，即材料的絕熱性能好，向外傳遞較慢，那么加熱絲的溫度升得幅度高、速度快；相反，試驗材料的導熱系數(shù)大，向外傳遞較快，則加熱絲的溫度升得幅度小、速度慢。線熱源法就是根據(jù)這種原理研制成的。

4.2線熱源法材料的導熱系數(shù)與加熱絲的溫升關(guān)系可以通過求解無限長圓柱體的導熱微分方程式很嚴格地表示出來。我們知道，圓柱體的導熱微分方程為：它的解為：材料的導熱系數(shù)與加熱絲的溫升關(guān)系可以通過求解線熱源法適用于測定粉末材料，小顆粒狀材料，短纖維狀材料的導熱系數(shù)。線熱源法的特點是：1.測量時間短，約12分鐘。2.不需要測量試樣的尺寸，試樣放入容器內(nèi)即可。3.操作簡單。4.精確度為3%左右，一般不超過5%。其它測試過程和因素分析參考熱脈沖法。線熱源法適用于測定粉末材料，小顆粒狀材料，短五檢測報告注意事項在材料導熱系數(shù)的檢測結(jié)果（報告）中應(yīng)注明以下信息：（1）材料的名稱、標志和物理性能。（2）試樣說明及其與取樣關(guān)系的描述。（3）試樣的厚度、收到及檢測時的厚度。（4）方法和用于制備的環(huán)境（試驗室制樣時）。（5）已制備和檢測的試樣密度（非常重要）。（6）測定的平均溫度。（7）平衡時的熱流密度，w/m2。（8）試樣的熱阻（m2·K/W）或?qū)嵯禂?shù)(W/m·K)。五檢測報告注意事項在材料導熱系數(shù)的檢測結(jié)果（報告）中應(yīng)注明導熱系數(shù)測試技術(shù)課件中國建筑科學研究院（國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）導熱系數(shù)儀器原理和測試技術(shù)導熱系數(shù)儀器原理和測試技術(shù)

近年來，建筑節(jié)能工作在我國的發(fā)展十分迅速，建筑節(jié)能形勢也越來越好。但據(jù)統(tǒng)計，全國節(jié)能建筑發(fā)展水平仍然參差不齊，建筑用能浪費仍相當嚴重，節(jié)能潛力還未充分發(fā)揮。全國每年新建城鄉(xiāng)建筑的建筑中80%以上是高耗能建筑。相同條件下，我國建筑平均使用能耗遠遠高于發(fā)達國家；同時伴隨著村鎮(zhèn)建筑用能的逐步提高，我國的建筑節(jié)能工作任重而道遠。

前言近年來，建筑節(jié)能工作在我國的發(fā)展十分迅速，建導熱系數(shù)是建筑材料的基本物性之一，是鑒別建筑材料保溫性能好壞的重要指標。對于保溫材料來說，導熱系數(shù)是其中最重要的一個參數(shù)，因為導熱系數(shù)是決定保溫材料保溫能力的根本因素。

近些年來，隨著國家對建筑節(jié)能的要求越來越高，高保溫（低導熱系數(shù)）性能的材料的應(yīng)用越來越廣泛，因此準確測定保溫材料的導熱系數(shù)有利于合理選材及指導圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，對于建筑節(jié)能來說具有十分重要的意義。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

針對日益廣泛的建筑節(jié)能檢測工作，其中保溫材料的導熱系數(shù)的測試在整個建筑節(jié)能檢測領(lǐng)域非常普遍，同時為了配合此次的認監(jiān)委導熱系數(shù)能力驗證項目（

CNCA-12-A10）的總結(jié)工作，本文主要介紹與導熱系數(shù)測試相關(guān)的標準、測試方法及測試儀器等問題，通過此次交流，以期與大家共同進步，為更好地開展節(jié)能檢測做一些力所能及的工作。

一基本原理和概念二常用穩(wěn)態(tài)測量方法★三導熱系數(shù)測試儀舉例分析四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹五檢測報告注意事項一基本原理和概念一基本原理和概念對于厚度為d的無限大的單層勻質(zhì)平壁，當兩側(cè)的溫度保持恒定，分別為t1和

t2，且

t1>t2，根據(jù)傅立葉定律可以得到公式：將此式分離變量積分，得到單層勻質(zhì)平壁在一維穩(wěn)態(tài)條件下的熱流密度計算公式為：一基本原理和概念對于厚度為d的無限大的單層勻質(zhì)平壁，當涵義簡述：理論基礎(chǔ)：式中：q—單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量（W/㎡）；

d—單層平壁的厚度（m）；

t1,t2—壁面兩側(cè)的溫度（℃）。導熱系數(shù)表述：λ，

W/（m·K）物理意義：在穩(wěn)態(tài)條件下，1m厚物體，兩側(cè)表面溫差為1k，1s內(nèi)通過1m2面積傳過的熱量。

導熱系數(shù)值越小，材料的絕熱（保溫）性能越好。涵義簡述：基于穩(wěn)定熱狀況的測試方法大致可分為三種類型：1.平板法，包括單平板法、雙平板法、相對平板法（比較法、熱流計法）；2.圓管法；3.球體法。其中以平板法為最主要的測試方式?；诜€(wěn)定熱狀況的測試方法大致可分為三種類型：二、常用穩(wěn)態(tài)測量方法2.1常用標準2.2防護熱板法（單試件）2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對比2.4熱流計法設(shè)備與防護熱板法（平板法）設(shè)備的對比二、常用穩(wěn)態(tài)測量方法2.1常用標準2.1常用標準1GB/T10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》

通過計量被測試件的兩側(cè)溫度和熱側(cè)的加熱功率，從而獲得材料的導熱系數(shù)。2GB/T10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》

通過計量被測試件的兩側(cè)溫度和通過試件的熱流密度，從而獲得材料的導熱系數(shù)。2.1常用標準2.2防護熱板法（單試件）本節(jié)以防護熱板法（GB/T10294方法）中的單試件法為例來重點介紹穩(wěn)態(tài)法測量保溫材料導熱系數(shù)的情況，然后進行介紹：防護熱板法中的雙平板法熱流計法（GB/T10295方法）

將這兩種常用的方法與單平板法的相同和不同之處做對比介紹。首先介紹一下儀器設(shè)備的原理，示意圖如下：2.2防護熱板法（單試件）導熱系數(shù)測試技術(shù)課件儀器重點：①試件兩側(cè)溫度計量準確；②試件熱側(cè)加熱功率計量準確；③試件溫度和側(cè)向護熱板、背向護熱板要保持高度一致。事實上，為了達到上述目的，對儀器的要求是方方面面的，如：測試元件的精度、測溫點的布置、控制系統(tǒng)的靈活，甚至包括儀器的機械加工精度等等，這些都會對儀器的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。儀器重點：對于儀器開發(fā)人員來說，如何提高儀器自身的測量精度是研究的重點。但對于節(jié)能檢測人員來說，儀器的內(nèi)部因素不是關(guān)注的重點，如何更好地使用儀器設(shè)備則才是重要的關(guān)注點，但對儀器原理應(yīng)有基本的了解，便于在日常工作中解決特殊問題及突發(fā)問題。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件測試達到平衡的判斷（1）一般憑經(jīng)驗確定測量間隔。對于泡沫塑料等輕質(zhì)試件可取30分鐘，對于較厚重試件取1小時。（2）當連續(xù)四組讀數(shù)給出的熱阻值的差別不超過±1%，并且不是單調(diào)地朝一個方向改變時即表示達到穩(wěn)定狀態(tài)。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件使用過程的一些基本注意事項（1）試件冷熱面溫度差的設(shè)定要按照相關(guān)標準或其他規(guī)定進行（GB/T10294標準建議溫差最少為10-20K），根據(jù)多年的科研檢測結(jié)果來看：對于普通絕熱材料，不宜將冷熱面溫差設(shè)定在10K以下；在實驗研究或材料對比時，可以適當放松溫差要求，但極端情況也不應(yīng)低于5K，否則不易保持測試的準確性。（2）對于軟質(zhì)保溫材料，在保證夾緊的同時還要避免過度壓縮試件，防止改變試件的熱工性能而影響測量結(jié)果。

導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

（3）對于硬質(zhì)材料，要避免儀器的冷熱板與試件之間產(chǎn)生空氣間隙，采用導熱良好的膏體材料排出縫隙間的空氣是一個好辦法。舉例說明空隙的影響：測試一種隔熱塑料的導熱系數(shù)，塑料的厚度15mm，導熱系數(shù)0.18W/（m·K），假定塑料試件的平整度每面都是0.3mm（對于300mm尺寸的試件，相當于平整度為1/1000），則在測試時的空氣間隙總厚度為0.6mm。由此可以簡單評估一下空氣間隙對整個測試的影響，空氣間隙總熱阻約為：0.0003/0.024=0.0125m2·K/W

塑料試件的自身熱阻約為：0.015/0.18=0.0833m2·K/W空氣間隙熱阻約占試件熱阻的15%。這種巨大的偏差是實驗室測試所要堅決避免的。（3）對于硬質(zhì)材料，要避免儀器的冷熱板與試件之間產(chǎn)生空氣間（4）對于常規(guī)材料，應(yīng)在實驗結(jié)束前對其測量結(jié)果做一個基本判斷（其中，密度是一個重要參考因素，因為密度對于很多材料來說，在一定范圍內(nèi)與導熱系數(shù)有一定的相關(guān)關(guān)系），如果出現(xiàn)意外結(jié)果，則應(yīng)及時查找各方面原因。（4）對于常規(guī)材料，應(yīng)在實驗結(jié)束前對其測量結(jié)果做一個基本（5）對于非常規(guī)材料，應(yīng)在實驗前根據(jù)材料的密度，以及與其相似材料的一些性能等參數(shù)做參考，粗估材料的導熱系數(shù)，從而設(shè)定合理的溫度范圍，有利于縮短測量過程并得到更為準確的測量結(jié)果。（6）儀器的冷熱板表面不宜覆蓋其他材料（一般是促進冷熱板與試件的接觸）；如果采用這種方式，應(yīng)做好與之相關(guān)的校準工作。（5）對于非常規(guī)材料，應(yīng)在實驗前根據(jù)材料的密度，以及與其相

（7）試件熱阻不能太小。其中，標準建議要大于0.1（m2·K）/W。

潛臺詞：試件不能太薄；試件的導熱系數(shù)不能太大。注意問題：同時試件不能太厚，否則在有限的測量尺寸下，試件越厚會導致測量溫度場偏離一維穩(wěn)態(tài)傳熱的程度越大，而一維穩(wěn)態(tài)傳熱是測試的理論基礎(chǔ)，必須得到保證才能確保測量的準確性。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件（8）試件厚度對測量有較大影響，對于300mm×300mm尺寸的設(shè)備，比較理想的試件厚度為20mm～30mm，一般不要超過10mm～50mm的范圍。

（9）不應(yīng)對所有的材料都用統(tǒng)一的夾緊力。一般說來，試件越不平所需的夾緊力應(yīng)越大，試件越硬所需的夾緊力越大。（8）試件厚度對測量有較大影響，對于300mm×300

（10）設(shè)備測量區(qū)的防護罩對試件的測量影響大小因不同測試溫度條件和不同試件而不同，建議不要放棄防護罩的使用。（11）測試時設(shè)備的大環(huán)境溫度盡量保持穩(wěn)定，同時盡量避免測試溫度和環(huán)境溫度接近的情況，否則容易增加一般設(shè)備的控制難度，造成穩(wěn)定時間過長的情況出現(xiàn)。（10）設(shè)備測量區(qū)的防護罩對試件的測量影響大小因不同測

2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對比雙試件法設(shè)備簡單說來，就是采用在主加熱板的兩側(cè)各設(shè)置一塊相同試樣，進行材料導熱系數(shù)測試的方法。2.3雙試件（平板法）設(shè)備與單試件（平板法）設(shè)備的對T2T1T3Q1Q2Q3Q2T2T1T3Q1Q2Q3Q2

與單平板法設(shè)備相比，兩者的區(qū)別在于：首先，由于雙試件設(shè)備采用了兩塊試件，這就使得雙試件設(shè)備避免使用了單試件設(shè)備中主加熱板背后的背護熱板，從而避免了主加熱板向背護熱板的傳熱問題，從這個角度看有利于提高設(shè)備的測量精度。

其次，雙試件設(shè)備所使用的兩塊試件必須完全一致（理論上），否則可能會引起主加熱板向雙側(cè)的傳熱不均而導致測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。實際測試中，無論是試件的厚度還是試件的均勻性，兩塊試件不可能做的完全一致，從這個角度看雙試件設(shè)備不利于提高設(shè)備測量精度。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

2.4防護熱板法（平板法）設(shè)備與熱流計法設(shè)備的對比

熱流計法設(shè)備采用GB/T10295-2008標準，因為它不精確計量熱量（功率）參數(shù)，所以它是一種相對法設(shè)備。設(shè)備所使用的熱流計是經(jīng)過系數(shù)標定的，因此測量的準確性與熱流計的標定準確性有著決定性的關(guān)系。2.4防護熱板法（平板法）設(shè)備與熱流計法設(shè)備的對比熱流計設(shè)備原理圖（雙熱流計）示意圖如下所示：熱流計設(shè)備原理圖（雙熱流計）注意事項：

熱流計法導熱儀的準確性與設(shè)備所使用的熱流計系數(shù)標定有很大關(guān)系。通常來說，熱流計法導熱儀是利用標準件進行標定的，在儀器的使用范圍內(nèi)，應(yīng)該針對不同熱流密度（絕熱材料一般為低熱流密度，非絕熱材料一般為高熱流密度）進行至少兩種熱流情況進行標定，不能僅僅進行一次標定就用來測量多類型材料，尤其是測量與標準件性能差別過大的材料一定要慎重，否則測量結(jié)果可能會產(chǎn)生巨大誤差。以某次能力驗證為例來說明（當然檢測機構(gòu)使用的為平板法和熱流計法兩種設(shè)備，但很多設(shè)備都是以標準板標定為基礎(chǔ)的）：注意事項：

參加能力驗證的檢測機構(gòu)共36家，由于各檢測機構(gòu)都采用的是玻璃棉或聚苯板等類的軟質(zhì)、低導熱系數(shù)的材料做為標準件，因此各檢測機構(gòu)的聚苯板導熱系數(shù)能力驗證整體結(jié)果比較理想，而丙烯酸樹脂板導熱系數(shù)能力驗證整體結(jié)果非常差。檢測結(jié)果偏差柱狀圖如下所示：

說明：其中有的檢測機構(gòu)沒有能測出丙烯酸樹脂板的導熱系數(shù)

導熱系數(shù)測試技術(shù)課件導熱系數(shù)測試技術(shù)課件導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

熱流計法導熱儀與防護熱板法設(shè)備相比，其特點在于：

首先，由于熱流計法設(shè)備不計量功率（熱量）因此不存在主加熱板與護熱板之間傳熱問題，設(shè)備構(gòu)造相對簡單。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件

其次，熱流計法設(shè)備中，一般與被測試件接觸的都是熱流計，而防護熱板法設(shè)備中，與被測試件接觸的是冷熱板（一般是金屬材料）。金屬材料的導熱性能一般遠好于普通材料，因此從設(shè)定溫度的角度來說，熱流計法導熱儀設(shè)定溫度與試驗最終溫度水平之間差異較大，設(shè)定時需要一定的測試經(jīng)驗，或者在測試過程中做較長時間的漸進式調(diào)整。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件第三，由于采用了熱流計測量原理，因此測量所需達到平衡的穩(wěn)定時間理論上要短于平板法設(shè)備。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件2.5熱流傳感器的標定常用熱流傳感器其實就是熱電偶堆。隨著使用周期的延長和自身老化等方面的影響，熱流傳感器可能會產(chǎn)生變形或損壞，熱流系數(shù)也隨之改變，一般情況下，熱流傳感器系數(shù)每年至少標定一次。標定熱流傳感器的儀器一般要符合GB/T10294《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法

》（從邏輯的角度上來說不應(yīng)該采用GB/T10295《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定熱流計法》的方法進行標定。）2.5熱流傳感器的標定采用GB/T10294法，并選擇用標準試件進行標定的方法。注：標定熱流傳感器應(yīng)根據(jù)未來應(yīng)用的范圍，至少針對高熱流狀態(tài)和低熱流狀態(tài)進行兩次標定。標定原理圖如下：采用GB/T10294法，并選擇用標準試件進行標定的方法。導熱系數(shù)測試技術(shù)課件熱流計標定系數(shù)C1如下：熱流計標定系數(shù)C1如下：三導熱系數(shù)測試儀舉例分析導熱儀主要由

1主體部分（測試計量區(qū)）

2冷/熱源系統(tǒng)3智能測量儀（控制系統(tǒng)）三部分組成。三導熱系數(shù)測試儀舉例分析導熱儀主要由

主體部分智能測量儀熱源測控系統(tǒng)冷源測控系統(tǒng)輔助部件主體部分智能測量儀熱源測控系統(tǒng)冷源測控系統(tǒng)輔助部件主體部分由熱板、冷板和試件壓緊裝置組成，熱板和冷板是儀器的硬件核心部分，主要目的是使檢測所必需的時間和空間達到穩(wěn)定狀態(tài)，并使熱板及冷板結(jié)構(gòu)合理，制造工藝精密與可靠，這對儀器性能的影響很大。由于時間有限，對于導熱儀中紛繁的各種部件，本節(jié)僅對檢測人員日常能最直觀接觸到的冷熱板及其系統(tǒng)進行舉例說明。主體部分由熱板、冷板和試件壓緊裝置組成，熱板和冷板是儀器的硬熱側(cè)熱板包括——背護熱板、主加熱板和護熱板（周圍護熱板）背護熱板采用40mm厚的鋁板加工制成，再由精密恒溫水槽提供穩(wěn)定熱源，恒溫水進出采用螺旋形逆向流動的液體槽板，這種設(shè)計可使板面的溫度均勻性達到較好的效果。背護熱板的熱源及冷源由兩套精密恒溫水槽組成。主熱板由主加熱器和金屬均熱板組成，護加熱板由護加熱器和金屬均熱板組成。主、護熱板的大小與被測試件厚度成一定比例關(guān)系，并且還與邊緣熱損失和不平衡誤差有關(guān)，因此，設(shè)計主護熱板時必須綜合考慮，使誤差和不平衡誤差之和最小。有關(guān)這方面的問題，國內(nèi)外已做過大量工作，例如可以根據(jù)GB10294推薦的尺寸進行設(shè)計。均熱板采用黃銅板制作并進行涂黑處理，其輻射率大于0.8。主、護均熱板的平整度為0.04mm，不平整度小于0.025%。主、護加熱器采用0.1mm厚的鏮銅箔腐蝕而成，采用半固化板絕緣，這種工藝既保證均熱板和加熱器之間有良好的電絕緣又有較好的熱接觸。主加熱板、護熱板和背護熱板的溫度要保持高度一致。熱側(cè)冷側(cè)冷板是由鋁板、半導體制冷器、冷卻水系統(tǒng)組成。板面進行氧化處理，板面的平整度為0.04mm，不平整度小于0.025%。冷卻水系統(tǒng)主要包含另一套恒溫水槽，由恒溫水槽提供穩(wěn)定的冷卻水流。當測試需要冷板溫度設(shè)定在5℃以上時，直接通過恒溫水槽溫度的調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)對冷板的溫度控制；當測試需要冷板溫度設(shè)定在5℃以下時，用半導體制冷器來控制冷板溫度，此時水槽起到對半導體制冷器冷卻作用。冷側(cè)導熱儀加工試制完成后必須進行如下工作：儀器測試（主要針對設(shè)備）1.1熱、冷板溫度場分布的均勻性應(yīng)用不同材質(zhì)試件進行測試。1.2邊緣熱損一般來說，當試件厚度和熱阻最大，而試件溫差最小時，此時邊緣熱損最大（指比例大）。1.3試件最小厚度的確定1.4最小溫差的確定導熱儀加工試制完成后必須進行如下工作：2.驗證測試（主要針對材料）2.1.線性實驗（導熱系數(shù)與平均溫度的關(guān)系）2.2.不同溫差影響實驗2.3.重復(fù)性試驗影響實驗2.驗證測試（主要針對材料）3.誤差分析3.1.測量誤差（1）主加熱板功率測量誤差（2）試件厚度測量誤差（3）溫度測量誤差

……3.2.儀器結(jié)構(gòu)引起的誤差3.3.被測試件對測試結(jié)果的影響本項誤差實際上已經(jīng)不是單純的儀器本身的精度問題。一個簡單的例子：測量有機玻璃時，由于試件表面的不平整（厚度也不完全處處相等），直接測量時，冷熱板與有機玻璃之間會形成空氣間隙，引起較大的附加接觸熱阻（含空氣間隙熱阻），測得導熱系數(shù)λ=0.1592W/m·K（平均溫度22.36℃）；再涂上一層導熱硅油后再進行測量，后得到的導熱系數(shù)λ=0.1774W/m·K（平均溫度22.35℃），導熱系數(shù)比直接測量時提高了11.43%。3.誤差分析四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹4.1熱脈沖法4.2線熱源法四非穩(wěn)態(tài)測量方法介紹4.1熱脈沖法4.1熱脈沖法

4.1.1基本原理熱脈沖法是以非穩(wěn)定熱流原理為基礎(chǔ)，在試驗材料中給以短時間的加熱，使試驗材料的溫度發(fā)生變化，根據(jù)其變化的特點，就可以計算出試驗材料的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)和比熱容等相關(guān)參數(shù)。4.1熱脈沖法熱脈沖法具有以下特點：1.裝置簡單，幾乎可以通過購置有關(guān)儀表自行組裝設(shè)備；2.試驗時間短，一次試驗10～20分鐘左右；3.一次試驗中可以同時測出材料的導熱系數(shù)、導溫系數(shù)和比熱容等多項相關(guān)參數(shù)；4.測量范圍廣，可測定密度30～3000kg/m3的干燥和潮濕的塊狀和粉狀的建筑材料和保溫材料。熱脈沖法具有以下特點：根據(jù)熱脈沖法的基本原理，其試驗裝置可分為三個主要部分。第一部分為試件及試件夾具。為了便于放置加熱器及測量溫度用的熱電偶，試件分為三塊，中間一塊試件比較薄，兩邊的試件比較厚。試件和試件之間夾以熱電偶和加熱器。第二部分為溫度測量系統(tǒng)。溫度的感應(yīng)元件成對出現(xiàn)，一對溫度傳感器相互之間必須高度一致，包括原點一致和斜率一致。第三部分為加熱系統(tǒng)。為了在試驗過程中保持電壓恒定，讓電流首先經(jīng)過穩(wěn)壓器，然后經(jīng)過調(diào)壓器調(diào)至所需要的電壓，加熱電路中接入電