双平板式导热系数测定仪的研制
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摘要
导热系数表征着物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用具有重要指导意义。导热系数的测量方法以及仪器装置也在不断的发展和完善。其中，广为采用的保护热板法基于傅里叶一维稳态导热原理测量材料的导热系数，具有量程广、无需在测试前进行系统标定等优点。然而， 现有基于保护热板法测量材料导热系数的仪器还存在着智能化程度不高、功能单一、测量精度有待于进一步提高等问题。因此本课题研制了一种新型双平板式导热系数测定仪，可以对建筑材料为代表的隔热材料进行热阻、导热系数的高精度测量。
仪器由双平板装置（炉体）和智能测控系统两部分组成，前者从结构上保证实现保护热板法要求的一维稳态导热，后者主要实现以下功能：提供人机对话界面、信号采集与处理、过程控制、参数计算。智能测控系统的设计是本文论述的主要内容，其中的测控模块的设计对导热系数的测量精度起关键作用，也是决定整机性能的关键，其工作包括：运用控制算法控制加热器、制冷器，使系统快速、稳定、准确地进入一维稳态导热，利用高精度的测量电路进行温度、功率信号的精确测量，计算得到精确的导热系数。
本文从测量原理、总体设计、通用微处理器模块设计、测控模块设计、系统评估实验几方面对仪器的装置结构、硬件电路、程序设计、控制算法等逐一进行了阐述，分析了现场调试中可能存在的问题。
本论文工作的突出之处主要表现在三个方面。第一，高度智能化设计使仪器不但界面友好，而且在使用功能上有所扩展：不但可以测量特定温度差和平均温度下的导热系数，而且可以测量某一温度范围内固定温差下的多个算术平均温度点的导热系数，在上述测量结束时还可以选择测量材料的热扩散特性；第二，在测控系统的电路设计上体现了“器件解决”思想，在提高测量精度的同时又大大简化了测量电路；最后，控制算法方面运用了基本PID控制与模糊控制相结合的控制算法，达到了较高的控制精度和速度，而且对于类似问题的解决具有借鉴意义。
Thermal conductivity, as one of material’s thermal parameters, indicates the material’s capability of heat conduction. The measurement of thermal conductivity contributes much to new material development as well as proper use of materials, and therefore, has been a field of progressing. Double guarded hot plate apparatus has been widely used for its wide measurement range and non-demarcating, which is based on Fourier’s law of heat conduction for one dimensional steady state temperature field. At present, however, the instruments have still much to be desired, such as higher measurement precision, better performance, more flexible functions, etc. A new kind of thermal conductivity measurement instrument is, therefore, developed, which can be used to measure the thermal conductivity and the thermal resistance of heat insulation material in steady conduction state.
The whole instrument is made up of double guarded hot plate apparatus (stove) and the intelligent measuring-controlling system. The former provides the conditions for heat conduction in one dimensional steady state temperature field; the latter mainly realize the following functions: man-machine interaction, signal sampling and processing, procedure control and parameter calculation. The performance of the measuring-controlling system is the key point to the whole instrument’s function realization, and its design & evaluation forms main parts of this thesis. The intelligent measuring-controlling system takes on the power-controls of the heaters and thermoelectric coolers, temperature-measurements, and calculations of the thermal conductivity and the thermal resistance.
Introduced and discussed mainly in this thesis includes: the measurement principle, the whole instrument’s design, the microcontroller design, the measurement and control module design and the system evaluating experiments, and the potential problems in field debugging. The apparatus structure, detailed circuits, programs, control arithmetic can also be found in this thesis.
The outstanding point lies in following three aspects: the first, the highly intelligent design not only makes the man-machine-interaction friendly but also expands its functions. The second, use of highly integrate circuit chip makes the measuring circuits simpler and improves the measurement precision. Finally, as to the control arithmetic, PID and fuzzy control are colligated to improve the control precision and speed, which is helpful for solving the similar problems.
仪器由双平板装置（炉体）和智能测控系统两部分组成，前者从结构上保证实现保护热板法要求的一维稳态导热，后者主要实现以下功能：提供人机对话界面、信号采集与处理、过程控制、参数计算。智能测控系统的设计是本文论述的主要内容，其中的测控模块的设计对导热系数的测量精度起关键作用，也是决定整机性能的关键，其工作包括：运用控制算法控制加热器、制冷器，使系统快速、稳定、准确地进入一维稳态导热，利用高精度的测量电路进行温度、功率信号的精确测量，计算得到精确的导热系数。
本文从测量原理、总体设计、通用微处理器模块设计、测控模块设计、系统评估实验几方面对仪器的装置结构、硬件电路、程序设计、控制算法等逐一进行了阐述，分析了现场调试中可能存在的问题。
本论文工作的突出之处主要表现在三个方面。第一，高度智能化设计使仪器不但界面友好，而且在使用功能上有所扩展：不但可以测量特定温度差和平均温度下的导热系数，而且可以测量某一温度范围内固定温差下的多个算术平均温度点的导热系数，在上述测量结束时还可以选择测量材料的热扩散特性；第二，在测控系统的电路设计上体现了“器件解决”思想，在提高测量精度的同时又大大简化了测量电路；最后，控制算法方面运用了基本PID控制与模糊控制相结合的控制算法，达到了较高的控制精度和速度，而且对于类似问题的解决具有借鉴意义。
Thermal conductivity, as one of material’s thermal parameters, indicates the material’s capability of heat conduction. The measurement of thermal conductivity contributes much to new material development as well as proper use of materials, and therefore, has been a field of progressing. Double guarded hot plate apparatus has been widely used for its wide measurement range and non-demarcating, which is based on Fourier’s law of heat conduction for one dimensional steady state temperature field. At present, however, the instruments have still much to be desired, such as higher measurement precision, better performance, more flexible functions, etc. A new kind of thermal conductivity measurement instrument is, therefore, developed, which can be used to measure the thermal conductivity and the thermal resistance of heat insulation material in steady conduction state.
The whole instrument is made up of double guarded hot plate apparatus (stove) and the intelligent measuring-controlling system. The former provides the conditions for heat conduction in one dimensional steady state temperature field; the latter mainly realize the following functions: man-machine interaction, signal sampling and processing, procedure control and parameter calculation. The performance of the measuring-controlling system is the key point to the whole instrument’s function realization, and its design & evaluation forms main parts of this thesis. The intelligent measuring-controlling system takes on the power-controls of the heaters and thermoelectric coolers, temperature-measurements, and calculations of the thermal conductivity and the thermal resistance.
Introduced and discussed mainly in this thesis includes: the measurement principle, the whole instrument’s design, the microcontroller design, the measurement and control module design and the system evaluating experiments, and the potential problems in field debugging. The apparatus structure, detailed circuits, programs, control arithmetic can also be found in this thesis.
The outstanding point lies in following three aspects: the first, the highly intelligent design not only makes the man-machine-interaction friendly but also expands its functions. The second, use of highly integrate circuit chip makes the measuring circuits simpler and improves the measurement precision. Finally, as to the control arithmetic, PID and fuzzy control are colligated to improve the control precision and speed, which is helpful for solving the similar problems.
引文
[1] 赵镇南，传热学，北京：高等教育出版社，2002
[2] 中华人民共和国国家技术监督局，GB/T 10294-1988绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法，中华人民共和国国家标准，北京：中国标准出版社，1989-10-01
[3] 中华人民共和国国家技术监督局，GB/T 10295-1988绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——热流计法，中华人民共和国国家标准，北京：中国标准出版社，1989-10-01
[4] 郑祥华、张亚静、王瑞春，绝热板导热系数测定方法的改进，耐火材料，1996，30（5）
[5] Jurgen Blumm，导热系数测量，仪器信息网应用文章栏目
[6] 王兴安、孟祥墉、徐益峰，用局部加热法测量不良导热材料的导热系数，上海机械学院学报，1989，11（1）
[7] 杨思乾、谭义明、张勇、赵亚光，稀土铝锂合金导热系数的简易测定，宇航计测技术，1994，13（2）
[8] 李华新、张名木、刘志平，关于测试材料热物性热脉冲法的新探讨，计量学报，1997，18（1）
[9] 朴明姝，测量建筑材料导热系数的一种方法，辽宁师范大学学报（自然科学版），1997，20（1）
[10] 田红花、李鸿冰，用标准样法测量材料的导热系数，机械设计与制造，1999
[11] 禹国强、刘安伟、张国君、胡小唐，恒功率平面热源法智能热物理参数测试系统，仪器仪表学报，2000，21（l）
[12] 帕尔哈提、木太里甫，结焦碳层导热系数测定，新疆石油学院学报，2001，13（1）
[13] 张辉、陈友昌、孙建刚，颗粒物料智能化热导率测定仪及其应用，油气田地面工程，2001，20（1）
[14] 张辉、陈友昌，新疆沙漠砂有效导热系数的测定，东南大学学报(自然科学版)，2002，32（2）
[15] 齐红、单春贤、夏云铧，稳态平板法测量绝热材料导热系数嵌入式测控系统的研究与分析，嵌入式论文集，2002
[16] Texas Instruments Incorporated.，MSC1212：Precision Analog-to-Digital Converter (ADC) and digital-to-analog converters (DAC) with 8051 Microcontroller and Flash Memory，2003.3
[17] Texas Instruments Incorporated.，MSC1210 Analog-to-Digital Converter (ADC) with 8051 Microcontroller and Flash Memory user’s guide，2002.12
[18] Texas Instruments Incorporated.，CD74HC4060，CD74HCT4060High Speed CMOS Logic14-Stage Binary Counter with Oscillator，1998.2
[19] Texas Instruments Incorporated.，CD74HC4040，CD74HCT4040：High Speed CMOS Logic12-Stage Binary Counter，1998.2
[20] Texas Instruments Incorporated.，CD74HC4020，CD74HCT4020：High Speed CMOS Logic14-Stage Binary Counter，1998.2
[21] 金鹏科技有限公司，240×128图形点阵液晶显示模块使用说明书
[22] 重庆市渝中区鸿胜科技开发部，液晶显示驱动控制器T6963C
[23] 沈阳荣达电子有限公司，MP-A(D)系列面板式（可前换纸）汉字微型打印机说明书
[24] DALLAS Semiconductor，DS1554:256K NV Y2KC Timekeeping RAM，2002
[25] MAXIM Integrated Products，±15kV ESD-Protected， +5V RS-232 Transceivers：MAX202E–MAX213E， MAX232E/MAX241E，1996.5
[26] 李刚，ADuC8XX系列单片机及其应用，北京：北京航空航天大学出版社，2001
[27] 孙涵芳、徐爱卿，MCS-51/96系列单片机原理及应用，北京：北京航空航天大学出版社，1996
[28] DALLAS Semiconductor，DS1833：5V Econo Reset
[29] 何希才，传感器及其应用电路，北京：电子工业出版社，2001
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[32] 施文康、余晓芬，检测技术，北京：机械工业出版社，2000
[33] 郭振芹，非电量电测量，北京：中国计量出版社，1984
[34] 李福山、汪金龙，热电偶测温的冷端温度补偿技术及其实现，郑州工学院学报，1995，16（4）
[35] Analog Devices Inc.，Two-Terminal IC Temperature Transducer AD590，1997
[36] Analog Devices Inc.，Low Cost Low Power Instrumentation Amplifier AD620
[37] 陈正、喻红，热电偶测温的线性化处理模块，计量技术，1999，12
[38] 孙传友、孙晓斌、汉泽西、张欣，测控电路及装置，北京：北京航空航天大学出版社，2002
[39] 徐德胜，半导体制冷与应用技术，上海：上海交通大学出版社，1999
[40] 孙传友、孙晓斌、汉泽西、张欣，测控系统原理与设计，北京：北京航空航天大学出版社，2002
[41] 章卫国、杨向忠，模糊控制理论与应用，西安：西北工业大学出版社，1999
[2] 中华人民共和国国家技术监督局，GB/T 10294-1988绝热材料稳态热阻及有关特性的测定——防护热板法，中华人民共和国国家标准，北京：中国标准出版社，1989-10-01
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