實(shí)驗(yàn)6 FD-TC-B導(dǎo)熱系數(shù)測定儀.doc

F DT CB導(dǎo)熱系數(shù)測定儀說明書一、概述 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)對導(dǎo)熱系數(shù)值都有明顯的影響，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要由實(shí)驗(yàn)具體測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般分為兩類：一類是穩(wěn)態(tài)法；一類是動態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源在待測樣品內(nèi)部形成一個穩(wěn)定的溫度分布，然后進(jìn)行測量。在動態(tài)法中，待測樣品溫度分布是隨時間變化的。 本實(shí)驗(yàn)儀是用穩(wěn)態(tài)法測不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器，F(xiàn)DTCB型是FDTCI I型改進(jìn)型，加熱盤原手工操作改為單片機(jī)自適應(yīng)控制測溫傳感器，讀數(shù)顯示為攝氏度，精度是0.1，散熱盤測溫傳感器由另一單片機(jī)控制，讀數(shù)精度也為0.1。該儀器結(jié)構(gòu)牢固、測控方便，已廣泛應(yīng)用于大專院校普通物理熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。 二、用途 (1)測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，本儀器附有橡皮樣品供教學(xué)測試用。(2)學(xué)習(xí)用物體散熱速率求熱傳導(dǎo)速率的實(shí)驗(yàn)方法。 (3)學(xué)習(xí)溫度傳感器的應(yīng)用方法。 三、儀器組成與技術(shù)指標(biāo)圖11儀器組成(如圖1所示) (1)熱源：電熱管、加熱銅板； (2)樣品架：樣品支架、樣品板； (3)測溫部分：單片電腦測溫及控制儀。 (4)橡皮樣品、導(dǎo)熱硅脂(配件)2技術(shù)指標(biāo) A、溫控儀與測溫儀 （1）溫度計顯示工作溫度：0一100（2）恒溫控制溫度：室溫一80。 (3)控制恒溫顯示分辨率：O1 B、溫度傳感器DS18B20的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特性(控溫及測量用) (1)溫度測量范圍：55125 (2)測溫分辨率：0.0625 (3)引腳排列、(如圖2所示)： 圖2(4)封裝形式：TO一9 2 詳細(xì)應(yīng)用軟硬件請參閱相關(guān)資料 C不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)測量 不確定度： l O 四、安裝步驟 (1)取下固定螺絲，將樣品放在加熱盤與散熱盤中間，然后固定；調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好，不宜過緊或過松； (2)插好加熱板的電源插頭；再將2根連接線的一端與機(jī)殼相連，另一端的傳感器分別插在加熱盤和散熱盤的小孔中(注意：要一一對應(yīng)，不可互換) ；（3）開啟電源后，左邊表頭顯示從FDHC當(dāng)時溫度b= = = 其含義是告知用戶，請設(shè)定控制溫度。右邊表頭顯示散熱盤的測量溫度。五、實(shí)驗(yàn)方法 (1)設(shè)定加熱器控制溫度：按升溫鍵左邊表顯示由B00.0可上升到B80.0攝氏度。一般設(shè)定7 58 0較為適宜。根據(jù)室溫選擇后，再按確定鍵，顯示變?yōu)锳X XX之值，即表示加熱盤此刻的溫度值，加熱指示燈閃亮，打開電扇開關(guān)，儀器開始加熱。(2)加熱盤的溫度上升到設(shè)定溫度值時，開始記錄散熱盤的溫度，可以每隔一分鐘，記錄一次，待在1 0分鐘內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度都基本保持不變，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。 (3)按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，再設(shè)定溫度到8 O加快加熱C盤的溫度上升(按升溫鍵和確定鍵)使散熱盤在原溫度上升2 0左右即可以了。 (4)移去加熱盤，讓散熱盤在風(fēng)扇作用下冷卻，每隔1 O秒(或者稍長時間，如2 0秒或者3 0秒)記錄該盤的溫度。作散熱曲線，計算散熱盤的冷卻速率。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，樣品上下表面的溫度1和2不變，這時可以認(rèn)為加熱盤C通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤P向周圍環(huán)境的散熱量相等。因此可以通過散熱盤P在穩(wěn)定溫度2時的散熱速率來求出熱流量Q/t。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，P盤的上表面并未暴露在空氣中，而物體的冷卻速率與它的散熱表面積成正比，為此，穩(wěn)態(tài)時銅盤P的散熱速率表達(dá)式應(yīng)作面積修正： （7）其中為散熱盤P的半徑，為其厚度。由(3)式和(7)式可得：（其中為樣品盤B的半徑，為其厚度） （8） 所以樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為： （9）六、注意事項(xiàng)(1)該測定儀用單片電腦控制，最高控制溫度為80，讀數(shù)誤差為0.1。電加熱時加熱指示燈閃亮，隨著與設(shè)定值的接近，閃亮變慢，超過設(shè)定溫度1即自動關(guān)加熱電源，低于設(shè)定溫度自動開啟。(2)加熱盤和散熱盤側(cè)面兩個小孔安裝數(shù)字式溫度傳感器，不可插錯。近電源開關(guān)的接插件為加熱傳感器，應(yīng)插入加熱盤的小孔內(nèi)，另一個傳感器插入散熱盤的小孔，特別注意插小孔之前涂上少許導(dǎo)熱硅脂或者硅油，使其接觸良好。(3)使用前將加熱盤與散熱盤及樣品的表面擦干凈，可以涂上少量硅油或者導(dǎo)熱硅脂，以保證接觸良好。在固定安裝加熱盤、散熱盤和樣品時三個調(diào)節(jié)螺絲不宜過緊過松，用力要均勻(手感一致)。(4)在實(shí)驗(yàn)過程中，需移開加熱盤時，請先關(guān)閉加熱電源，移開熱圓筒時，手應(yīng)握固定軸轉(zhuǎn)動，以免燙傷手；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，切斷總電源，保管好測量樣品，不要使樣品兩端面劃傷，以至影響實(shí)驗(yàn)的精度。穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù) 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)的不同對材料導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值都有明顯的影響，因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)常常需要由實(shí)驗(yàn)去具體測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和動態(tài)法兩類。在穩(wěn)態(tài)法中，先利用熱源對樣品加熱，樣品內(nèi)部的溫差使熱量從高溫向低溫處傳導(dǎo)，樣品內(nèi)部各點(diǎn)的溫度將隨加熱快慢和傳熱快慢的影響而變動；適當(dāng)控制實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)可使加熱和傳熱的過程達(dá)到平衡狀態(tài)，則待測樣品內(nèi)部可能形成穩(wěn)定的溫度分布，根據(jù)這一溫度分布就可以計算出導(dǎo)熱系數(shù)。而在動態(tài)法中，最終在樣品內(nèi)部所形成的溫度分布是隨時間變化的，如呈周期性的變化，變化的周期和幅度亦受實(shí)驗(yàn)條件和加熱快慢的影響，與導(dǎo)熱系數(shù)的大小有關(guān)。 本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體(橡皮樣品)的導(dǎo)熱系數(shù)，學(xué)習(xí)用物體散熱速率求傳導(dǎo)速率的實(shí)驗(yàn)方法。 實(shí)驗(yàn)原理1898年CHLe e s首先使用平板法測量不良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，這是一種穩(wěn)態(tài)法，實(shí)驗(yàn)中，樣品制成平板狀，其上端面與一個穩(wěn)定的均勻發(fā)熱體充分接觸，下端面與一均勻散熱體相接觸。由于平板樣品的側(cè)面積比平板平面小很多，可以認(rèn)為熱量只沿著上下方向垂直傳遞，橫向由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計，即可以認(rèn)為，樣品內(nèi)只有在垂直樣品平面的方向上有溫度梯度，在同一平面內(nèi)，各處的溫度相同。設(shè)穩(wěn)態(tài)時，樣品的上下平面溫度分別為，根據(jù)傅立葉傳導(dǎo)方程，在時間內(nèi)通過樣品的熱量滿足下式： （1） 式中為樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，為樣品的厚度，S為樣品的平面面積，實(shí)驗(yàn)中樣品為圓盤狀。設(shè)圓盤樣品的直徑為，則由（1)式得： （2） 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示、固定于底座的三個支架上，支撐著一個銅散熱盤P，散熱盤P可以借助底座內(nèi)的風(fēng)扇，達(dá)到穩(wěn)定有效的散熱。散熱盤上安放面積相同的圓盤樣品B，樣品B上放置一個圓盤狀加熱盤C，其面積也與樣品B的面積相同，加熱盤C是由單片機(jī)控制的自適應(yīng)電加熱，可以設(shè)定加熱盤的溫度。當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，樣品上下表面的溫度和不變，這時可以認(rèn)為加熱盤C通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤P向周圍環(huán)境散熱量相等，因此可以通過散熱盤P在穩(wěn)定溫度時的散熱速率來求出熱流量。 實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)測得穩(wěn)態(tài)時的樣品上下表面溫度和后，將樣品B抽去，讓加熱盤C與散熱盤P接觸，當(dāng)散熱盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的值20或者20以上后，移開加熱盤，讓散熱盤在電扇作用下冷卻，記錄散熱盤溫度隨時間t的下降情況，求出散熱盤在時的冷卻速率，則散熱盤P在時的散熱速率為： （3） 其中m為散熱盤P的質(zhì)量，c為其比熱容。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，P盤的上表面并未暴露在空氣中，而物體的冷卻速率與它的散熱表面積成正比，為此，穩(wěn)態(tài)時銅盤P的散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作面積修正： （4） 其中為散熱盤P的半徑，為其厚度。由(2)式和(4)式可得： （5）所以樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為： （6）實(shí)驗(yàn)儀器FDTCB型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀裝置如圖1所示，它由電加熱器、銅加熱盤C、橡皮樣品圓盤B、銅散熱盤P、支架及調(diào)節(jié)螺絲、溫度傳感器以及控溫與測溫器組成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (1)取下固定螺絲，將橡皮樣品放在加熱盤與散熱盤中間，橡皮樣品要求與加熱盤散熱盤完全對準(zhǔn)；要求上下絕熱薄板對準(zhǔn)加熱和散熱盤。調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤接觸良好，但注意不宜過緊或過松： (2)按照圖1所示，插好加熱盤的電源插頭；再將2根連接線的一端與機(jī)殼相連，另一有傳感器端插在加熱盤和散熱盤小孔中，要求傳感器完全插入小孔中，并在傳感器上抹一些硅油或者導(dǎo)熱硅脂，以確保傳感器與加熱盤和散熱盤接觸良好。在安放加熱盤和散熱盤時，還應(yīng)注意使放置傳感器的孔上下對齊 (注意：加熱盤和散熱盤兩個傳感器要一一對應(yīng)，不可互換)(3)接上導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的電源，開啟電源后，左邊表頭首先顯示從FDHC，然后顯示當(dāng)時溫度，當(dāng)轉(zhuǎn)換至b= = =時，用戶可以設(shè)定控制溫度。設(shè)置完成按“確定”鍵，加熱盤即開始加熱。右邊顯示散熱盤的當(dāng)時溫度。(4)加熱盤的溫度上升到設(shè)定溫度值時，開始記錄散熱盤的溫度，可每隔一分鐘記錄一次，待在1 0分鐘或更長的時間內(nèi)加熱盤和散熱盤的溫度值基本不變，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)了。(5)按復(fù)位鍵停止加熱，取走樣品，調(diào)節(jié)三個螺栓使加熱盤和散熱盤接觸良好，再設(shè)定溫度到80，加快散熱盤的溫度上升，使散熱盤溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的值20左右即可。（6)移去加熱盤，讓散熱圓盤在風(fēng)扇作用下冷卻，每隔1 0秒(或者3 0秒)記錄一次散熱盤的溫度示值，由臨近值的溫度數(shù)據(jù)中計算冷卻速率。也可以根據(jù)記錄數(shù)據(jù)做冷卻曲線，用鏡尺法作曲線在點(diǎn)的切線，根據(jù)切線斜率計算冷卻速率。 (7)根據(jù)測量得到的穩(wěn)態(tài)時的溫度值和以及在溫度時的冷卻速率，由公式 計算不良導(dǎo)體樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。 注意事項(xiàng) 1為了準(zhǔn)確測定加熱盤和散熱盤的溫度，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該在兩個傳感器上涂些導(dǎo)熱硅脂或者硅油，以使傳感器和加熱盤、散熱盤充分接觸；另外，加熱橡皮樣品的時候，為達(dá)到穩(wěn)定的傳熱，調(diào)節(jié)底部的三個微調(diào)螺絲，使樣品與加熱盤、散熱盤緊密接觸，注意不要中間有空氣隙；也不要將螺絲旋太緊，以影響樣品的厚度。 2導(dǎo)熱系數(shù)測定儀銅盤下方的風(fēng)扇做強(qiáng)迫對流換熱用，減小樣品側(cè)面與底面的放熱比，增加樣品內(nèi)部的溫度梯度，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，所以實(shí)驗(yàn)過程中，風(fēng)扇一定要打開。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)例(僅供參考)樣品：橡皮； 室溫：20；散熱盤比熱容(紫銅)：C=385 J(KgK)； 散熱盤質(zhì)量：m=891.42g；散熱盤厚度(多次測量取平均值)： 表1 散熱盤厚度(不同位置測量)7.637.627.737.617.737.65所以散熱盤P的厚度=7.66mm；散熱盤半徑 (多次測量取平均值)： 表2 散熱盤直徑（不同角度測量）130.00129.98130.00129.99130.01130.00所以散熱盤P的半徑：=65.00mm；橡皮樣品厚度 (多次測量取平均值)： 表3 橡皮樣品厚度（不同位置測量）8.078.078.068.058.058.06所以橡皮樣品厚度=8.06mm；橡皮樣品直徑 (多次測量取平均值)：表4 橡皮樣品直徑（不同角度測量）129.22128.82128.92129.16129.00128.99所以橡皮樣品直徑=129.02mm； 穩(wěn)態(tài)時(1 0分鐘內(nèi)溫度基本保持不變,樣品上表面的溫度示值，樣品下表面溫度示值。每隔10秒記錄一次散熱盤冷卻時的溫度示值，如表5：表5 散熱盤每隔10秒自然冷卻時溫度記錄/47.947.447.046.546.045.545.1/44.744.243.843.443.042.642.2作冷卻曲線得到：取臨近溫度的測量數(shù)據(jù)求出冷卻速率/S。 (或者用鏡尺法求出冷卻速率) 將以上數(shù)據(jù)代入公式(6)計算得到： 查閱相關(guān)資料知， 橡皮在20的條件下測定導(dǎo)熱系數(shù)為0.130.23W(mK)。 思考題 1應(yīng)用穩(wěn)態(tài)法如何是否可以測量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)?如可以，對實(shí)驗(yàn)樣品有什么要求?實(shí)驗(yàn)方法與測不良導(dǎo)體有什么區(qū)