瞬态法热物性测试仪

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1、-优质的仪器提供商SHT-20 热物性瞬态自动测试仪简介及使用说明-优质的仪器提供商0 0 概述概述 众所周知，固体材料的热导率、热扩散系数、比热等热物理性质，随着材料，材料的结构、 密度、多孔性、导电性、含湿率和温度的不同而变化。有些材料还与方向有关。对应于不同的材料 和不同的试验条件，测量值会有很大的差异。测量材料的热物理性质，在科学研究和工程应用上， 具有至关重要的意义；热物性测量与力学测量、电学测量、光学测量等一样，是物性研究和应用的 基本测量技术之一。 材料热物理性质可以用稳态法或瞬态法进行测量。目前，国内、外主要使用稳态法测量材料的 热导率。本仪器采用瞬态法测量材料的热扩散系数、热

2、导率和定压比热等热物理性质。所谓瞬态测 量，是指在加热升温，或停止加热后的降温过程中，实现对材料热物理性质的测量。瞬态测量不要 求恒温环境，测量系统也无需达到或保持热平衡状态。 SHT-20 材料热物性瞬态自动测量仪， 是一种新型的材料热物性测量仪器， 也是替代稳态法测量 仪器的升级换代产品。 本仪器用平面热源加热，在室温附近，可以分别用脉冲法或恒流法等两种不同的测量方法， 测 量材料的热扩散系数、热导率和定压比热。 本仪器可广泛用于冶炼、能源、环保、建筑、热力工程和新材料研制等行业，作为科学研究， 物性检测、生产过程控制与产品质量检验等领域；也可以用于理工科学生的物理实验、建筑物理实 验，材

3、料物理实验中，作为热物性测量的主导仪器。 该仪器将 A/D 转换技术、数值计算技术、计算机应用技术和瞬态测量技术等多种高新技术， 运 用于材料的热物性测量中，实现了热物性测量的自动化。仪器的结构合理，运行稳定，质量可靠， 准确度高，运行成本不到稳态测量的十分之一，测量时间不超过 300 秒。一一 仪器规格及主要技术指标仪器规格及主要技术指标 1.1 规格、参数试件尺寸： 主试件：mmxmmmmmmmmxmm 202;200200 辅试件 1：xmmD3 辅试件 2：xmmd2 平面热源： 有效发热面积mmmm200200 1.2直流稳流电源 输入：电功率：100W 交流：220V 频率：50H

4、z 输出：直流电流在 0.01-1.000A 之间精密可调。在热测量过程中，电流波动幅度： AI001. 0 1.3运行环境 温度：室温 湿度：85% 1.4 主要技术指标 温度范围：室温100 热导率测量范围：0.031000W/(mK) 热扩散系数测量范围：0.011000mm2/s 热导率不确定度：1%-优质的仪器提供商热扩散系数不确定度：2% 重复测量精度：2.0% 整机不确定度：2.5% 热测量时间：200s 有效发热面积：200二二 一维半无限大传热模型一维半无限大传热模型 对于均匀、无限大介质，若其中存在一个无限大的，均匀且恒定发热的平面热源（热流强度为 常数q） ，则在垂直于平

5、面热源的方向上，可视为理想的一维半无限大传热问题。这个问题可以用下述模型近似地予以实现：2.1 一维半无限大传热模型的待测试件待测试件由长、宽均为 200mm 的主试件、 辅试件 1 和辅试件 2 等三块同一材料的平板组成。 主试件的厚度依待测材料的密度不同可以有较大差别。 对大多数待测材料， 可以在 420mm 间取值。若主试件厚度取xmm，辅试件 1 的厚度：xmmD3；辅试件 2 的厚度：xmmd2。三块试 件迭放时，接触面应光洁平整，热接触良好。2.2 一维半无限大传热待则试件的测量布置三块试件重迭放置，放置方式如图 1 所示：辅试件 1 置底，主试件与辅试件 1 之间有平面热源。 平

6、面热源的有效发热面与主试件重合。主试件与平面热源上表面之间安置温差电偶 1。温差电偶 1 的测温点，位于主试件下表面中央，测量热面的温度变化；主试件与辅件 2 之间，安置温差电堆 2， 温差电堆 2 的测温点，位于主试件上表面中央，测量冷面的温度变化。X0Z200mmDdx平面热源辅件 1辅件 2温差电偶 1温差电偶 2主试件图 1，一维半无限大传热模型的待测试件的测量布置示意。图中的间隔是为了让人们看得更清楚， 被人为的誇大了。-优质的仪器提供商2.3 平面热源平面热源置于 0yz平面内，为一理想平面。实际上，真正的理想平面难于做到。因此，要求热源厚度应小于mm2 . 0，发热体电阻在36左

7、右，表面光洁平整。在测量时间内，发热体电阻随温 度的变化极小；在热测量时间内，平面热源发热要求恒定、均匀。2.4 测温元件测量温度用温差电偶和温差电堆。专用温差电偶 1、专用温差电堆 2，均用直径mm05. 0的， 经标定后的金属丝或合金丝制作。结点和焊点牢固、可靠。保护层控制在 46m，且坚固、耐摩擦。三三三三 瞬态自动测量系统瞬态自动测量系统瞬态自动测量系统瞬态自动测量系统3.1 SHT-20 热物性瞬态自动测量仪的结构框图SHT-20 热物性瞬态自动测量仪的结构框图，如图 2 所示。由直流稳流电源，加热测量装置，测 温元件，温度采集模块，中央处理器、输入、显示及打印，测量操作系统及数据处

8、理软件等六部分 组成。加 热 测 量装置测温 元件打印机精密可调直流稳流电源中央处理器温度采集 模块输入显 示图 2SHT-20 热物性瞬态自动测量仪结构框图3.2 直流稳流电源输入：电功率 100W，交流 220V，50Hz 市电；输出：直流电流，在A000. 101. 0之间精密可调。在热测量时间内，加热电流的波动幅度： AI001. 0。-优质的仪器提供商3.3 中央处理器及输入、输出设备中央央处理器及输入、输出设备采用标准装置。3.4 温度采集模块温度分辩率kT1 . 0； 采样频率Hz15 . 0间连续可调。3.5 测量操作系统及数据处理软件本仪器的两种测量方法，测量和数据处理均有较

9、高要求，需要用 C 或+C语言，开发出实用的测量操作系统和数据处理软件 SHT，才能顺利地完成测量和数据处理任务。 SHT 测量操作系统的主界面如图 3 所示：图 3SHT 测量操作系统及数据处理软件的主界面测量操作系统的主界面，分为四个功能区。上部功能区分三层，最上一层为软件标题；第二层 有文件（F） ，查看（V） ，设置（S） ，数据（D） ，工具（I）和帮助（H）等菜单；第三层是测量操 作按键。中部分为两个功能区：左部显示测量得到的温度-时间曲线；右面部分显示测量方法，图 例和适时测量数值。下面部份为测量数据列表。数据列表用于数据处理时校核数据之用，是不可或 缺的。-优质的仪器提供商数据

10、处理软件包括热扩散系数，热导率，比热和和密度的数值计算，热导率和热扩散系数在室 温附近随温度变化的经验公式，拟合中值温度对应的测量值。测量的误差分析，测量结果显示和输 出，打印测量报告等内容。使用这个测量操作系统，让热物性测量较为复杂的测量操作和数据处理 过程变得简单快速，能大大地节约测量操作者的劳动和时间，使繁难的热物性测量变得轻松愉快。四四四四 脉冲法和恒流法脉冲法和恒流法脉冲法和恒流法脉冲法和恒流法本测量仪可以用两种测量方法，即脉冲法和恒流法，分别测量材料的热物理性质。下面，用脉 冲加热测量得到的温度-时间曲线，来说明两种测量方法的意义和运用特点。以便在仪器的使用中， 能灵活选用不同的方

11、法，测量不同材料的热物理性质。4.1 脉冲加热测量的温度-时间曲线将图 1 的试件及其布置，放入图 2 的测量装置中，脉冲加热时，测量得到的温度-时间曲线如 图 4 所示。图 4 中：曲线 1 为热面的 T（0,t）-t 曲线；曲线 2 为冷面的 T(x，t)-t 曲线；曲线 3 为环境温度曲线，在短暂的测量过程中，环境温度通常保持不变。图图 4 4脉冲加热的 T-t 曲线4.2 脉冲法和恒流法在图 4 中，用虚线1后面的测量数据，计算材料的热物理性质的方法，称为脉冲法；用虚线1前面的测量数据，计算材料热物理性质的方法，因为穿过平面热源与主试件接触界面的热流强度在 测量过程中始终保持不变。因而

12、，称为恒流法。4.3 脉冲法测量所谓脉冲法测量，是将待测试件按图 1 布置在瞬态测量系统的加热测量装置中，从0t时刻开始加热，到冷面有5 . 0度左右的温升的时刻011tt=断电，停止加热。但仍应继续测量热面的降温和冷面的升温， 直到有足够的测量数据为止。 因为加热测量过程中， 存在一个短暂的脉冲加热过程， 故叫做脉冲法。脉冲法适合于测量热导率较小的绝热保温材料的热物性。1-优质的仪器提供商4.4 恒流法测量所谓恒流法测量，是将待测试件按图 1 布置在瞬态测量系统的加热测量装置中，从0t时刻开始加热，直到测量结束，才切断电源。在整个测量过程中，穿过平面热源与主试件接触界面的热流强 度始终保持不

13、变。因而，称为恒流法。恒流法适合于测量热导率较大的其它材料的热物性。4.5 测量时间的控制为保证测量正常进行。若用脉冲法测量时，应使1以后至少有 60 组左右的测量数据；若选用恒流法测量，则应一直加热，直到从冷面有C5 . 0左右的升温算起，至少有 60 组左右的测量数据， 才能断电。同时，停止测量。五五五五 脉冲法测定材料的热扩散系数和热导率脉冲法测定材料的热扩散系数和热导率脉冲法测定材料的热扩散系数和热导率脉冲法测定材料的热扩散系数和热导率若选用脉冲法测量，根据一维半无限大传热模型的定解问题，不难解得在加热升温过程中， 待 测试件中，温度变化的分布规律为)(),(yBaqx =（1）式中=

14、 yyydyeyeyB12 122)(（2）)4/(22axy=（3）以及加热到1时刻断电，011tt=，至脉冲加热停止之后的2时刻（记时起点与1相同） ，试件中0=x处（热面）的温度变化为/)/(). 0(1222=aq（4）5.1 计算热扩散系数当脉冲加热测量得出图 4 的曲线和数据列表后，顺序选择ni3 , 2 , 1=个i2，以及相对应的), 0(2i作为一个样本。与测量得到的1和),(1 x，用（1） 、 （4）两式，计算出n个)(yBi的数值。并代入（2）式，反解出iy的数值。再代入（3）式，计算材料的热扩散系数224iiyxa=（5）-优质的仪器提供商5.2 计算热导率用测量值

15、I、R、A、ia、), 0(2i、i2等，代入（4）式，计算材料的热导率/), 0(/1222=iiiiaq（6）六六六六 恒流法测定材料的热扩散系数和热导率恒流法测定材料的热扩散系数和热导率恒流法测定材料的热扩散系数和热导率恒流法测定材料的热扩散系数和热导率当选用恒流法测量： 对于热面，0=x。 由 （3） 式知， 必有0=y。 用之代入 （2） 式， 当有1)(=yB。因此，热面i时刻的温度变化 i iaq=), 0(（7）因此，由（2）、（7）两式，在同一时刻，必可解得函数), 0(),()(ii ixyB=（8）将测量得到的同一时刻冷面和热面的温升代入（8）式，可以计算出)(yBi的值。用之代入（2）式，可以反解出iy的值。6.1 计算待测材料的热扩散系数将解得的iy代入（3）式，解得热扩散系数224iiiyxa=（9）6.2 再用（7）式，计算热导率iiiaq=), 0(（10）-优质的仪器提供商七七七七热导率、热扩散系数的经验公式热导率、热扩散系数的经验公式热导率、热扩散系数的经验公式热导率、热扩散系数的经验公式7.1iia ,对应的温度在选取的样本中，计算得到的第i个热扩散系数或热导率对应的热面和冷面的温度，可以从测量列表中查出，设为1iT和2iT。可以认为iia ,对应的温度可以用其中值温度来表征。即221ii iTTT+=（11）7.2