[发明专利]一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备

说明书

技术领域

本发明涉及材料导热系数测定领域，具体涉及一种利用热电半导体、PID控制系统来自动测量材料导热系数的设备。 

背景技术

材料的导热系数是材料的一项重要特性，对工程设计有重要作用。其应用领域相当广泛，在石油、化工、材料和军工方面是必不可少的。 

目前测量材料导热系数的方法有稳态法和非稳态法两种。基于稳态法的测量有热流计法，保护热板法。非稳态测量有热线法，热带法和常功率热源法。 

稳态法是指在整个测量过程中被测样品中通过任意垂直于温度梯度的截面的热流通量保持不变，记载温度场稳定后进行测量。非稳态法与稳态法相反，是指在整个测量过程中，被测样品通过任意垂直于温度梯度的热流通量是随时间变化的，即在温度场未达到稳定时进行测量。在稳态法测量材料导热系数的过程中，最重要的是测量通过材料的热量。 

然而，现有技术中，采用多点测温来确定通过材料的热量，这种方式所测得的结果并不准确，并且，现有技术中也不能快速地实现温度的稳定。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明设计一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备，该设备采用热电半导体测量通过试样的热量，并且利用比例-积分-微分控制器（PID）自动控制温度的稳定过程，减少了多点测温带来的误差，并且使温度的稳定过程更快，便于测不同温度下材料的导热系数。本发明的设备的设计全部采用自动化采集控制，从而在整体上方便测量不同温度下材料导热系数，且精度高，人机界面友好，操作简单。 

本发明提供了一种基于热电半导体的导热系数测量设备，包括：试样管、试样管支撑、控制器，所述试样管包括：绝热套、加热装置、第一温度传感器、第二温度传感器、热电半导体以及电势测量装置； 

所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构，其一端封闭，另一端开口，所述绝热套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、所述试样和所述热电半导体； 

所述加热装置置于所述绝热套的封闭的一端的内部，能够以一定功率发出热量； 

所述试样置于所述绝热套内并且其一端与所述加热装置相接触，另一端与所述热电半导体相接触； 

所述第一温度传感器置于所述加热装置与所述试样相接的界面处，用于测量该处的温度T1； 

所述第二温度传感器置于所述试样的另一端与所述热电半导体相接的界面处，用于测量该处的温度T2； 

所述电势测量装置分别与所述热电半导体的两端相连，用于测量热电半导体两端的电势差； 

所述控制器接收所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差，并且基于所述第一温度传感器、所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电势测量装置测得的电势差确定所述试样的导热系数。 

优选地，所述热电半导体为圆柱状结构，包括两个端面和圆柱状的外侧壁，所述外侧壁与所述绝热套的内壁匹配。 

优选地，所述热电半导体置于所述绝热套内部，并且一个端面与所述试样相接触，另一个端面处设置有散热块。 

优选地，所述试样管支撑包括试样管支架、箱体和箱体支架。 

优选地，所述控制器基于如下公式确定所述试样的导热系数λ2， 

λ2=[λ1(ΔT)/(ΔX)]*L/(T1-T2) 

其中，L为试样的长度，单位为m；λ1为热电半导体的导热系数，单位为W/(m*K)；ΔX为热电半导体的厚度，单位为m；ΔT为热电半导体的热面和冷面的温差，其可以通过热电半导体两端的电势差而确定。 

优选地，所述加热装置的输出功率能够调节，所述控制器采用PID自动控制系统控制所述加热装置的输出功率。 

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的试样管的示意图； 

图2为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的整体结构示意图，其中，采用了图1中所示的试样管； 

图3为PID控制系统进行温度控制的示意图； 

图4为采用本发明的导热系数测量设备进行导热系数测量的流程图。 

附图标记： 

1  绝热层 

2  加热装置 

3  温度传感器 

4  试样 

5  温度传感器 

6  热电半导体 

7  散热块 

10 试样管卡槽螺栓 

11 绝热层螺栓 

12 试样管卡槽 

13 试样管支架 

14 箱体