FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀產(chǎn)品說明書

1、儀器使用說明 TEACHER'S GUIDEBOOKFD-TC-B導(dǎo)熱系數(shù)測定儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司Shanghai Fudan Tianxin Scientific_Education Instruments Co.,Ltd.FD-TC-B 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀一、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

2、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)D-TC-B型是FD-TC-II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)1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

3、）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(jì)顯示工作溫度：0 100(2)恒溫控制溫度：室溫80oC 圖1 FD-TC-B 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀裝置圖(3)控制恒溫顯示分辨率：0.1B.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：-55 +125(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-92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： 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

4、；(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?jiān)O(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75-80較為適宜。根據(jù)室溫選擇后，再按確定鍵，顯示變?yōu)锳XX.X 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

5、鐘記錄一次，待在10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80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20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10秒（或者稍長時間，如20秒或者30秒）記錄該盤的溫度。作散熱曲線，計(jì)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和不變，這時可以認(rèn)為加熱盤通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤向周圍環(huán)境的散熱量相等。因此可以通過散熱盤在穩(wěn)定溫度時的散熱速率來求出熱流量。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，盤的上

6、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)時銅盤的散熱速率表達(dá)式應(yīng)作面積修正： (7)其中為散熱盤的半徑，為其厚度。由（3）式和（7）式可得： (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)插入加熱盤上，另一個傳感器插在散熱盤上的小孔，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

7、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

8、，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；當(dāng)適當(dāng)控制實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)參數(shù)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(jì)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C.H.Lees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

9、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(jì)，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，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,散熱盤可以借助底座內(nèi)的風(fēng)扇，達(dá)到穩(wěn)定有效的散熱

10、。散熱盤上安放面積相同的圓盤樣品,樣品上放置一個圓盤狀加熱盤，其面積也與樣品的面積相同，加熱盤是由單片機(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)為加熱盤通過樣品傳遞的熱流量與散熱盤向周圍環(huán)境散熱量相等。因此可以通過散熱盤在穩(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，將樣品抽去，讓加熱盤與散熱盤接觸，當(dāng)散熱盤的溫度上升到高于穩(wěn)態(tài)時的值或者以上后，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的下降情況，求出散熱盤在時的冷卻速率，則散熱盤在時的散熱速率為： (3)其中為散熱盤的質(zhì)量，為其比熱容

11、。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，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)時銅盤的散熱速率的表達(dá)式應(yīng)作面積修正： (4)其中為散熱盤的半徑，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】FD-TC-B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,橡皮樣品圓盤,銅散熱盤、支架及調(diào)節(jié)螺絲、溫度傳感器以及控溫與測溫器組成。圖1 FD-TC-B 導(dǎo)熱系數(shù)測定儀裝置圖【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

12、，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小孔上下對齊。（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 = =· =，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)

13、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10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，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10秒（或者30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(jì)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(jì)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

14、卻速率，由公式計(jì)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?！緦?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)】（注：以下數(shù)據(jù)不作為儀器驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，僅供實(shí)驗(yàn)時參考）樣品：橡皮； 室溫：；散熱盤比熱容（紫銅）：C=385

15、； 散熱盤質(zhì)量：；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）/763762773761773765所以散熱盤的厚度：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所以橡皮樣品的厚度：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）/129221288212892129161290012

16、899所以橡皮樣品的厚度：129.02mm；穩(wěn)態(tài)時(10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：圖2 散熱盤冷卻曲線取臨近溫度的測量數(shù)據(jù)求出冷卻速率。（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(jì)算得到：查閱相關(guān)資料知，橡皮在的條件下測定導(dǎo)熱系數(shù)為?！舅伎碱}】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)別？2 什么是鏡尺法？鏡尺法畫切線利用