pertal是什麼意思tal在線翻譯讀音例句

第30卷第4期

2009年8月

青岛科技大学学报(自然科学版)

JournalofQingdaoUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)

Vol.30No.4

Aug.2009

文章编号:167劝学原文高中教材 2-6987(2009)04-0353-04

稳态法导热系数测量仪的设计改进

段占立,马连湘*

(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)

摘要:根据稳态法测量导热系数原理,改进了稳态法导热系数测量仪(导热仪)的设计,

利用单片机控制技术实现了实验过程的可控性。以方型和圆型橡胶试样测量其导热系

数,并将实验数据与利用耐驰公司导热仪(LFA447)在相同条件下测量的数据进行比对。

结果表明,在测量温度小于60e的情况下,耐驰公司导热仪的测量误差小于1%,改进导

热仪测量误差小于2158%。

关键词:导热系数测量仪;单片机控制技术;稳态法测量

中图分类号:TK311;TH811文献标识码:A

TheDesignandImprovementoftheThermalConductivity

MeasurementInstrumentBasedonSteady-stateMethod

DUANZhan-li,MALian-xiang

(CollegeofElectromechanicalEngineering,QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061,China)

Abstract:Thethermalconductivitymeasurementinstrumentwasdesignedandimproved

suringaccuracyand

conveniencewereenhancedbecausetheMCU(Microchipunit)controllingtechnology

rmalconductivity

ofthecircularandtherectanglesampleswasmeasuredandcomparedwiththeexper-i

mentaldatameasuredbytheapparatusofthethermalconductivity(LFA447)madeby

ults

indicatethattheapparatusisabletomeasurethermalconductivityandtheerrorofthe

apparatusmadebyNETCHCompanyandtheimprovedapparatusislessthan1%and

2158%,respectively,whenthemeasuredtemperatureislessthan60e。

Keywords:thermalconductivitymeasuringinstrument;SCMcontroltechnology;steady-

statemeasure

收稿日期:2008-09-01

基金项目:青岛科技大学大学生科技创新立项重点资助项目(2008-043).

作者简介:段占立(1983~),男,硕士研究生.*通讯联系人.

导热系数作为物质的重要物理参数,在化工、

能源、动力工程等领域有着重要的用途,是许多工

业流程和产品设计中必不可少的基础数据。然

而,导热系数随着材料的成分、结构和温度变化很

大,测定导热系数几乎成为研究物质导热性的主

要途径之一。目前常用的测量材料导热系数的方

法主要分为稳态法和非稳态法[1-2]。前者主要有

平板法、保护热板法等;后者有瞬态热带法、热线

法和热探针法等。基于稳态法的大多数实验装置

测量时间长,集成度与自动化程度低,连线复杂,

而且热电偶冷端需要用冰水混合物进行温度补

偿[3-6]。为此,本研究根据稳态法测量导热系数原

青岛科技大学学报(自然科学版)第30卷

理设计改进了稳态法导热系数测量仪,利用单片

机控制技术实现了实验过程的可控性,并与耐弛

公司导热仪(LFA447)测量数据进行了比对。

1稳态法测量原理

稳态平板导热系数测定仪的测量原理是傅立

叶导热定律,即在导热过程中,单位时间内通过给

定截面的热量,与该截面的面积和垂直于该截面

方向的温度梯度成正比,在一维稳态导热时,其数

学表达:

Q=-K(T)A

9t

9n

。(1)

式中:Q)))单位时间内的热流量,W;

K(T))))导热系数,W#(m#e)―1;A)))平板

面积,m2。

导热实验中应用傅立叶定律基本形式:

Qc

9T

9S

=

9

9X

(Kx

9T

9X

)+

9

9Y

(Ky

9T

9Y

)+

9

9Z

(Kz

9T

9Z

)。(2)

导热系数表示在单位温度梯度作用下物体内

所产生的热流密度矢量的模,反映物体导热能力

的大小。在稳态情况下,即反映试件中任意一点的

温度不随时间变化,已知热流量(热流密度)和温

度梯度即可算出导热系数。

用稳态法测量时,常用一维稳态导热方程,方

程可简化为

92T

9x2=0。(3)

其边界条件:x=0时,T=Tw1;x=d时,

T=Tw2。

可以解得方程:Q=-

K

d

A(Tw1-Tw2)。(4)

由式(4)可推得:K=

Q#d

A(Tw1-Tw2)

。(5)

在满足上述要求的实验模型上,根据式(5)

测量有效传热面积A、热流量Q、试件厚度d以及

在厚度d方向上的温度差(Tw1-Tw2),便可求出

导热系数K。

由于Q=U2/R,则式(5)可化为

K=

U2d

RA(Tw1-Tw2)

=

U2d

RA$T

。(6)

式中:R)))加热器的电阻;U)))加热电

压;R和U可利用万用表测得。

理想的情况下,稳态导热中的温度场各点温

度不随时间的变化而变化,当外界工况发生改变

时,稳态可能向准稳态或非稳态转变。而实际上,

由于温度随时间升高、绝热层漏热及四周箱壁散

热逐渐显著而使试样两端温度差$T发生变化,

系统脱离稳态导热。

图1是一维无限大平板稳态导热模型;图2

是平板温度变化过程的简化模型。图2中取试样

底面为X轴的起点,热流方向与X轴的正向相

同,平板受热流密度(q)恒定的热流均匀加热,试

样的顶部为绝热面。由于无限大平板只是理论上

的假设,而实际试样的尺寸是有限的,因此,在实

验中,往往通过测量试样两端面中心处的温差来

得到理论上无限大平板时两端的温差。实验证明,

当试样的横向尺寸为厚度的6倍以上时,两端散

热对试样中心温度的影响已在工程误差允许的范

围之内,可以忽略不计。古诗十九首作者 由式(6)可知:只要测得

试样的厚度、面积、电压值、加热器电阻值和达到

稳态后上下底面的温差,即可求得待测试样的导

热系数。

2改进的测量仪系统

根据前述的稳态导热系数测量原理[7],改进

导热仪系统符合GB3398-1980,其主要包括试样

装置、温度测量与数据采控系统等(见图3)。

354

第4期段占立等:稳态法导热系数测量仪的设计改进

图3改进的导热仪示意图

Fig.3Theschematicdiagramoftheimprovedthermalconductivitymeasuringinstrument

1.调压器;2.铜板;3.主加热板;4.上均热片;5.中均热片;6.下均热片;7.热电偶;8.副加热板;

9.数据采控系统;10.数字温度表;11.试样装置;12.循环水箱;13.保温材料;14.电位器

2.1试样装置系统

导热仪主体部分为平板导热实验箱,其中箱

中的试样装置包括待测试样、稳压电源、铜板、加

热板、均热片等,同时为了尽量减小被测试样与外

界的热交换,试样装置中填充了绝热层。为了保证

试样接触良好以及表面平整、干净,每次试验前都

要用酒精擦拭试样和均热片的接触面;试样的尺

寸要注意满足下列条件d[(1/7~1)D,其中D

为试样的短边长度,试样的直径和厚度可以适当

变化。

加热器要求加热均匀,根据试样的面积A,其

尺寸为80mm@120mm,由电阻丝在云母片上缠

绕形成,电阻值R=1718,电阻值在温度低于

100e时,阻值稳定。加热器上下2侧放置与试样

直径相同的均热紫铜箔,由于紫铜的导热系数很

大,可使得通过试样的热流均匀和稳定。为减少试

验过程中因传热带来的测量误差,采用导热系数

很小的玻璃丝棉毡(011~013W#(m#e)―1)

为绝热层材料。

2.2温度测量系统

温度测量系统通过测量热电偶的电势差,并

将其传送到数据采控系统。该系统由温度采集器、

热电偶、电位器等组成。其中温度采集器选用了精

度较高的万用表;热电偶采用直径为0125mm的

铜-康铜K级热电偶,经检验其测量误差在1%~

5%以内,满足实验精度要求;电位器是本实验室

自行研制的。首先利用热电偶直接测量试样的表

面温度,将热电偶热点放在试样中心部位,同时将

测点要紧紧固定在被测表面上。放置好试样及加

热器后,装上压紧装置,要保证试样与加热器及冷

却器表面充分接触。

2.3数据采控系统

数据采控系统包括2部分,热电偶的外接通

道和数据处理显示和通道选择系统。四路热电偶

的冷端与数据采控系统的4个输入端相连,单片

机控制2个继电器对热电偶进行4选1的选择;由

发光二极管(LED)指示选中的热电偶,被选中的

热电偶通过数据控制系统中继电器与输出端导

通,输出端与数字温度表的输入端相连,由数字温

度表采集温度数据。

3误差分析及装置校核

导热系数测定的误差主要来自于4个方面。

(1)试验中假设加热器产生的热量完全提供给试

样,但实际上会有不可避免的热损失,一部分热量

由加热板下表面、侧面及试样的侧面散失。(2)试

样与加热板和冷却器之间有时存在空气间隙,产

生接触热阻。接触热阻严重影响试验精度,其带来

的相对误差可达10%~20%。(3)预热时间的

合理性。试验设备是否充分干燥也是影响热损失

的重要原因,设备含水率越高,热损失越大,试验

之前一定要进行适当时间的预热。(4)试样导热

系数随其含水率的增大而增大,这主要是由于水

分迁移增强了材料的导热能力。此外,热电偶导线

的热损失、试样本身厚度不均以及测量仪器本身

的误差等都对试验结果有影响。

由式(6)可知,导热系数的相对误差[8-9]为

DK

K

=2(

DU

U

)2+(

DA

A

)2+(

DT

T

)2+(

Dd

d

)2。

其中可调直流稳压电源的精度DU为011V;试件

355

青岛科技大学学报(自然科学版)第30卷

面积A与厚度d是通过游标卡尺测得相关的数据

得到,DA和Dd均为0102mm;试件两端温度稳定

后的D$T为011e。其中取U为2511V,$T为4

e,面积A为010096m2,d为2108mm。计算出

的改进导热仪的相对误差为2158%。

通过本实验装置对方形和圆形橡胶试样的测

试结果,将U、A、d、R、$T代入式(6)计算得到的

导热系数李白《日本完蛋》 K值见表1和表2。

表1方形橡胶试样的实验测量数据及导热系数K

Table1Theexperimentalresultofthethermal

conductivityoftherectanglerubber

U/V

2通道

T

w0

/e

3通道

T

w1

/e

4通道

T

w2

/e

T

w1

-

T

w2

/e

平衡温度

T/e

K/(W

#(m#e)―1)

20.1282726126.00.51

25.1383733434.50.20

30.1413934536.50.23

35.1484539642.00.26

40.1555043746.50.29

45..50.23

表2圆形橡胶试样的实验测量数据及导热系数K

Table2Theexperimentalresultofthethermal

conductivityofthecircularrubber

U/V

2通道

T

w0

/e

3通道

T

w1

/e

4通道

T

w2

/e

T

w1

-

T

w2

/e

平衡温度

T/e

K/(W江南春杜牧简介

#(m#e)―1)

20.1333231131.50.53

25.1363532333.00.28

30.1434137438.50.30

35.1484440642.00.27

40.1555144747.50.30

45.1635849952.50.30

根据表1和表2的实验数据可看出,电压值

每隔5V测量1组数据,随着电压(尽量小于40V)

的增加,通道平衡温度越来越高,试样2端温差也

越来越大;开始实验计数时,电压和温度较低,由

于加热不充分南宋历史简介 ,引起了误差较大。但由表1和表2

可知,橡胶试样的导热系数有良好的波动性和交

替性,总的趋势是导热系数随着温度的升高增大,

符合导热系数变化规律,表明本实验装置所测得

的结果具有可信性。同时从表1和表2数据的对

比可以得出,表2的圆形试样的实验数据波动性

小,主要由于圆形试样更易形成温度场。

为了进一步检验改进导热仪的准确性,在相

同的条件下与耐驰公司激光导热仪(LFA447)[10-11]

测量的橡胶导热系数进行比对,结果见图4。

图4改进导热仪(方形、圆形橡胶试样)与

耐驰公司LFA447(方形试样)测得的导热系数

Fig.4Thethermalconductivitymeasuredbyimproved

instrumentandLFA447(rectangleandcircularrubber)

从图4可以看出,在相同条件下,耐驰公司激

光导热仪测得的实验数据:在温度20~60e范

围内,密度Q=998~1100kg#m―3,导热系数

K=01205~01308(W#(m#e)―1),其测量误

差小于1%。改进导热仪测量的导热系数K=

0120~0130(W#(m#e)―1),测量误差215%~

2158%,还能够满足实际实验的要求。

4结论

(1)开发改进了稳态法导热系数测量仪,利

用单片机控制技术实现了实验过程的可控性。系

统连线简单、集成度高;弃用了冰水混合物进行温

度补偿,使实验更易于进行;单片机控制两个继电

器对热电偶进行4选1的选择;由发光二极管

(LED)指示选中的热电偶与由数字温度表采集

到的温度数据。

(2)利用改进的导热仪进行了导热系数的测

量,在测量温度小于60e的情况下,导热系数

K=0120~0130(W#(m#e)―1),误差小于2158%。

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(下转第360页)

356

青岛科技大学学报(自然科学版)第30卷

最大迭代次数为1000,能量函数E参数A=015,

B=018,D=015;板材宽为600mm,排料零件数

目为33,它们由计算机在零件库中明月山河 随机选取。

由图4可知,神经网络算法与文献[8]采用

NGSA算法相比,系统运行时间相对较短,神经

网络算法在寻找排样件最优(排列最紧密)的排样

次序及各自的旋转角度方面,均比NGSA好,可

以获得材料利用率更高的排样方案,这也进一步

证明了采用神经网络算法的有效性。不管是从定

性分析还是运行过程中的数值分析方面来看,神

经网络混合算法在搜索能力、优化效率、鲁棒性和

多样性等方面都具有明显的优越性;且能够在很

短的时间内较精确地寻找到问题的近似最优解。

4结语

实践证明,本研究采用的神经网络混合优化

策略结合了SOM神经网络和Hopfield神经网络

的特点,是一种优化能力、效率和可靠性较高的优

化方法,能够明显地提高材料的利用率。

参考文献

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