导热系数测定仪的系统稳定状态判定方法研究.doc

双页码计算机应用研究2006年

导热系数测定仪的系统稳定状态判定方法研究
曾悠兵，李艳宁
（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）
摘要：提出了一种基于稳态法的导热系数测定仪的系统稳定状态判定方法，该方法打破了现有防护热板法平板导热系数测定仪测量时间固定且耗时长等缺陷，能根据不同的测试试样和不同的测试条件在相对较短的时间内自动确定系统状态的平衡时刻点且测量精度符合国家标准、重复性好（小于1%）、线性度高（大于0.998），对建筑材料导热性能的确定和测试节能等均具有一定的参考价值。
关键词: 防护热板法；导热系数测定仪；热板加热功率；稳定状态
中图分类号: TP216文献标识码:A文章编号：Y10031
AMethodtoDeterminetheSteady-stateofthermalconductivityinstrumentsystem
ZENGYou-bing，LIYan-ning
(CollegeOfPrecisionInstrumentAndOpto-ElectronicsEngineering，TianJin300072)
Abstract:Proposedamethodbasedonsteady-statetestingtodeterminethesteady-stateofthermalconductivityinstrumentsystem.Themethodhasovercometheexistingprotectivehot-platethermalconductivityinstrument’sshortcomingssuchasthefixedmeasurementtimeandtime-consuming,Itcanbeautomaticallydetermineswhenthesystemcometothesteady-stateaccordingtothedifferenttestsamplesanddifferentconditionsinarelativelyshortperiodoftime．Besides，themeasuringaccuracyisinlinewithnationalstandardsandhasagoodrepeatability(lessthan1%)aswellashighlinearity(greaterthan0.998)．So，thisdeterminationmethodhasacertainreferencevalueonthebuildingmaterials’thermalconductivitytestingandenergy-savingtesting.
Keywords：Protectivehot-platemethod；Thermalconductivityinstrument；Heatingpowerofthehot-plate；Steady-state
0引言
材料的导热系数是其热物性的一项重要指标，直接衡量材料的绝热性能的好坏，导热系数越小，材料的保温、绝热性能就越好。由于近年来对建筑材料等的绝热性能要求越来越高，因而也产生了很多对材料导热系数进行测量的原理和方法，目前主要有稳态法和瞬态法[1]，稳态法是基于傅里叶导热定律描述的稳态条件进行导热系数测量的方法，只有在系统达到稳定后才能得出正确的结果，主要适应于低导热系数试件在中低温条件下的测量，如防护热板法、热流法等；瞬态法主要适应于高导热系数试件在高温条件下的测量，如瞬态平面热源法等[2]。由于防护热板法测量精度较高且原理简单，目前大部分导热仪都是采用这种方法进行测量的，但由于此种方法内部系统热稳定状态不易确定，因而现有防护热板法平板导热仪很多都是以一个固定较长的时间来衡量系统的稳定状态，系统稳定后再计算导热系数。因此，这种方法必然存在以下问题：测量时间长；人为地统一固定不同测试试样和在不同条件下的系统稳定时刻点，不科学；对于稳定时间长的试件可能会出现错误的测量结果。本文给出的系统稳定状态判定方法能很好地解决以上问题。
1防护热板法平板导热仪的测量原理
防护热板法平板导热仪的核心结构包括热板、防护板、冷板[3]，如图1所示。测量时，把被测试样放在热板与冷板

之间，热量便由热板通过被测试样向冷板传递，防护板的作用是防止热板热量向边沿扩散，保证热板热量垂直向冷板传
递，以减少热板加热功率的损失。

图1防热热板法结构示意图
设热板温度为，冷板温度为，热板加热功率为，被测试样厚度为、面积为，仪器常数为，导热系数为。由傅里叶导热定律知：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的温度梯度成正比[4]，其数学关系式为：
（1）
当为一维稳态导热时，通过积分可得[