TC-3B型導(dǎo)熱系數(shù)實驗.doc

穩(wěn)態(tài)法測量固體導(dǎo)熱系數(shù) (TC-3B型固體導(dǎo)熱系數(shù)測定儀)(集成溫度傳感器測溫)實驗講義杭州精科儀器有限公司固體導(dǎo)熱系數(shù)的測量導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性質(zhì)的物理量。材料結(jié)構(gòu)的變化與所含雜質(zhì)等因素都會對導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生明顯的影響，因此，材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要通過實驗來具體測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法比較多，但可以歸并為兩類基本方法：一類是穩(wěn)態(tài)法，另一類為動態(tài)法。用穩(wěn)態(tài)法時，先用熱源對測試樣品進(jìn)行加熱，并在樣品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測量。而在動態(tài)法中，待測樣品中的溫度分布是隨時間變化的，例如按周期性變化等。本實驗采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行測量。【實驗?zāi)康摹? 用穩(wěn)態(tài)法測定出不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，并與理論值進(jìn)行比較。2 用穩(wěn)態(tài)法測定鋁合金棒的導(dǎo)熱系數(shù)，分析用穩(wěn)態(tài)法測定良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)存在的缺點?！緦嶒炘怼扛鶕?jù)傅立葉導(dǎo)熱方程式，在物體內(nèi)部，取兩個垂直與熱傳導(dǎo)方向、彼此間相距為、溫度分別為 的平行平面（設(shè)），若平面面積均為，在時間內(nèi)通過面積的熱量滿足下述表達(dá)式： ( 1 )式中為熱流量，即為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率（又稱作導(dǎo)熱系數(shù)），在數(shù)值上等于相距單位長度的兩平面的溫度相差個單位時，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量，其單位是 。本實驗儀器如圖1所示：在支架上先放上圓銅盤，在的上面放上待測樣品（圓盤形的不良導(dǎo)體），再把帶發(fā)熱器的圓鋁盤放在上，發(fā)熱器通電后，熱量從盤傳到盤，再傳到P盤，由于盤都是良導(dǎo)體，其溫度即可以代表盤上、下表面的溫度 、 ， 、分別由插入盤邊緣小孔鉑電阻溫度傳感器來測量。通過變換溫度傳感器插入位置，即可改變鉑電阻溫度傳感器的測量目標(biāo)。由式（1）可以知道，單位時間內(nèi)通過待測樣品任一圓截面的熱流量為： ( 2 )式中為樣品的半徑，為樣品的厚度，當(dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，和的值不變，于是通過盤上表面的熱流量與由銅盤向周圍環(huán)境散熱的速率相等，因此，可通過銅盤在穩(wěn)定溫度 時的散熱速率來求出熱流量 。實驗中，在讀得穩(wěn)態(tài)時的和后，即可將盤移去，而使發(fā)熱鋁盤的底面與散熱銅盤直接接觸。當(dāng)盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的值若干攝氏度后，再將發(fā)熱鋁盤移開，讓散熱銅盤自然冷卻。觀察它的溫度隨時間變化情況，然后由此求出銅盤在的冷卻速率,而 (為紫銅盤的質(zhì)量，為銅材的比熱容)，就是紫銅盤在溫度為時的散熱速率。但要注意，這樣求出的是紫銅盤的全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱表面積為（其中分別為紫銅盤的半徑與厚度）。然而，在觀察測試樣品的穩(wěn)態(tài)傳熱時，盤的上表面（面積為）是被樣品覆蓋著的，根據(jù)物體的冷卻速率與它的表面積成正比的原理，這部分面積計算時應(yīng)予以扣除。那么穩(wěn)態(tài)時銅盤的散熱速率的實際表達(dá)式應(yīng)按如下修正： （ 3 ）將式（3）代入式（2），得： （ 4 ）【實驗儀器】本實驗采用杭州精科儀器有限公司生產(chǎn)的型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。該儀器采用低于的隔離電壓作為加熱電源，安全可靠。整個加熱圓筒可上下升降和左右轉(zhuǎn)動，發(fā)熱圓盤和散熱圓盤的側(cè)面有一小孔，作為插入鉑電阻溫度傳感器之用。散熱盤放在可以調(diào)節(jié)的三個螺栓（接觸點隔熱）上，可使待測樣品盤的上下兩個表面與發(fā)熱圓盤和散熱圓盤緊密接觸。散熱盤下方有一個軸流式風(fēng)扇，在需要快速降溫時用來強(qiáng)制散熱。一個插在發(fā)熱圓盤（上盤）的小孔內(nèi)集成溫度傳感器，作為系統(tǒng)控溫和上盤溫度檢測用（出廠時已安裝）。另一個集成溫度傳感器根據(jù)實驗步驟需要，分別插入散熱銅圓盤（下盤）或發(fā)熱鋁圓盤（上盤）的側(cè)面小孔內(nèi)。鉑電阻插入時，其表面要涂少量的硅脂，集成溫度傳感器的兩個接線端插在儀器面板的插座內(nèi)。變換溫度傳感器的插入位置，可以由數(shù)字表方便地讀取上、下盤的溫度值。儀器的數(shù)字計時裝置，計時范圍，分辯率，供實驗時計時用。儀器還設(shè)置了自動溫度控制裝置，控制精度，分辨率，供實驗時控制加熱溫度用?！緦嶒瀮?nèi)容】在測量導(dǎo)熱系數(shù)前應(yīng)先對散熱盤和待測樣品的直徑、厚度進(jìn)行測量。1用游標(biāo)卡尺測量待測樣品直徑和厚度，各測5次。2用游標(biāo)卡尺測量散熱盤的直徑和厚度，測5次，按平均值計算盤的質(zhì)量。也可直接用天平稱出盤的質(zhì)量（產(chǎn)品出廠時盤的質(zhì)量已用鋼印打在上面）。一不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量 ：1實驗時，先將待測樣品（例如硅橡膠圓片）放在散熱盤上面，然后將發(fā)熱鋁盤放在樣品盤上方，并用固定螺母固定在機(jī)架上，再調(diào)節(jié)三個螺栓，使樣品盤的上下兩個表面與發(fā)熱鋁盤和散熱銅盤緊密接觸。2將集成溫度傳感器插入散熱盤側(cè)面的小孔中，并將集成溫度傳感器接線連接到儀器面板的傳感器插座。用專用導(dǎo)線將儀器機(jī)箱后部插座與加熱組件圓鋁板上的插座加以連接。為了保證溫度測量的準(zhǔn)確性，采用同一個溫度傳感器測溫，在需要測量發(fā)熱盤和散熱盤溫度時，采用手動操作，變換溫度傳感器的測溫對象。3接通電源，在“溫度控制”儀表上設(shè)置加溫的上限溫度（具體操作見附錄）。按加熱開關(guān)，如果上限溫度設(shè)置為，那么當(dāng)傳感器的溫度到達(dá)，大約加熱分鐘后，發(fā)熱鋁盤（上盤）、散熱銅盤（下盤）的溫度不再上升時，說明系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，這時每間隔分鐘測量并記錄和的值。5測量散熱盤在穩(wěn)態(tài)值附近的散熱速率（）。移開發(fā)熱鋁盤，取下橡膠盤，并將發(fā)熱鋁盤的底面與銅盤直接接觸，當(dāng)盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)值值若干度（例如左右）后，再將發(fā)熱鋁盤移開，讓散熱銅盤自然冷卻，這時候，每隔30秒(或自定)記錄此時的值。根據(jù)測量值可以計算出散熱速率。二金屬導(dǎo)熱系數(shù)的測量 ：1將圓柱體金屬鋁棒置于發(fā)熱圓盤與散熱圓盤之間，上下表面涂上導(dǎo)熱硅脂。（這時候，測溫點應(yīng)該變換到鋁棒的上、下小孔中）2當(dāng)發(fā)熱盤與散熱盤達(dá)到穩(wěn)定的溫度分布后， 、值為金屬樣品上下兩個面的溫度，此時散熱盤的溫度為 值。因此測量盤的冷卻速率為 ：由此得到導(dǎo)熱系數(shù)為： 測值時可在 、達(dá)到穩(wěn)定時，將插在鋁圓柱體“上小孔”或“下小孔”中的集成溫度傳感器取出，改插入散熱盤小孔中進(jìn)行測量。三空氣的導(dǎo)熱系數(shù)的測量 ：當(dāng)測量空氣的導(dǎo)熱系數(shù)時，通過調(diào)節(jié)三個螺栓，使發(fā)熱圓盤與散熱圓盤平行，它們之間的距離為 ，并用塞尺進(jìn)行測量（即塞尺的厚度，一般為幾個毫米），此距離即為待測空氣層的厚度。注意：由于存在空氣對流，所以此距離不宜過大。 【注意事項】1集成溫度傳感器插入發(fā)熱鋁盤和散熱銅盤側(cè)面的小孔時應(yīng)在溫度傳感器頭部涂上導(dǎo)熱硅脂，避免因傳感器接觸不良，造成溫度測量不準(zhǔn)。2實驗中，抽出被測樣品時，應(yīng)先旋松加熱圓筒上端的固定螺釘。樣品取出后，小心將加熱圓筒降下，使發(fā)熱鋁盤與散熱銅盤接觸，重新擰緊固定螺釘。3實驗操作過程中要注意防止高溫燙傷?！緮?shù)據(jù)與結(jié)果】1 實驗數(shù)據(jù)記錄（ 銅的比熱，密度 ）散熱盤：質(zhì)量 = (g) 半徑： （）測量次數(shù)12345 橡膠盤： 半徑 （）測量次數(shù)12345 穩(wěn)態(tài)時 、的值： ， 測量次數(shù)12345散熱速率：每間隔測一次時間（）03060901201501802102 根據(jù)實驗結(jié)果，計算出不良導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)單位換算：（) ，并求出相對誤差?！靖戒洝?PID智能溫度控制器該控制器是一種高性能?？煽亢玫闹悄苄驼{(diào)節(jié)儀表，廣泛使用于機(jī)械化工、陶瓷、輕工、冶金、熱處理等行業(yè)的溫度、流量、壓力、液位自動控制系統(tǒng)。控制器面板布置圖：例如需要設(shè)置加熱溫度為，具體操作步驟如下：1 先按設(shè)定鍵SET 0.5秒,進(jìn)入溫度設(shè)置。(注：若學(xué)生不慎按設(shè)定鍵時間長達(dá)5秒，出現(xiàn)進(jìn)入第二設(shè)定區(qū)符號，這時只要停止操作5秒，儀器將自動恢復(fù)溫控狀態(tài)。)2按位移鍵，選擇需要調(diào)整的位數(shù)，數(shù)字閃爍的位數(shù)即是可以進(jìn)行調(diào)整的位數(shù)。3按上調(diào)鍵或下調(diào)鍵確定這一位數(shù)值，按此辦法，直到各位數(shù)值滿足設(shè)定溫度