Intelligenter thermophysikalischer Parametertester HWX-II

Dieses Instrument bietet eine intelligente Methode zur Prüfung von thermophysikalischen Parametern mit der Methode der Planwärmequelle mit konstanter Leistung. Das System verfügt über hohe Messgenauigkeit, hohe Automatisierung und einfache Bedienung. Die Testergebnisse zeigen, dass sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die Temperaturleitfähigkeit einen Testfehler von weniger als ±4% aufweisen.
1: Zusammenfassung
Die thermophysikalischen Parameter von Substanzen sind eine der makrophysikalischen Größen von Substanzen und sind wichtige grundlegende Parameter für verschiedene Arten von wissenschaftlicher Forschung und technischer Konstruktion. Es umfasst den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, den Temperaturleitfähigkeitskoeffizienten, die relative Wärme, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmeemissivität, wobei der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient und der Temperaturleitfähigkeitskoeffizient die wichtigsten Indikatoren für die thermophysikalischen Parameter der Substanz sind.
Derzeit werden die meisten inländischen Geräte zur Messung der thermophysikalischen Parameter von Feststoffen mit Potentialmetern und Strommetern verwendet, um die Wärmekapazität und das Thermoelektropotential des Heizers und die damit verbundenen Parameter zu bestimmen, und die Wärmeleitfähigkeit und den Temperaturleitfähigkeit künstlich zu berechnen. Seine Nachteile sind der geringe Automatisierungsgrad, die schlechte Vielseitigkeit, die Komplexität des Regulierungsprozesses und die Testergebnisse, die von menschlichen Faktoren stark beeinflusst werden. Wärmeleitfähigkeitstester aus dem Ausland sind komplex strukturiert, teuer und nicht einfach zu verbreiten. Daher ist es dringend notwendig, ein automatisiertes Instrument zu entwickeln, das einen hohen Grad an Automatisierung, eine einfache Bedienung, eine schnelle Experimentsgeschwindigkeit, eine hohe Genauigkeit und eine hohe Vielseitigkeit hat, um die thermophysikalischen Parameter von Substanzen zu messen.
Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit und des Temperaturleitfähigkeitskoeffizienten von Stoffen gibt es viele Testmethoden und entsprechende Testinstrumente, die Testmethode dieses Instruments "Intelligentes Thermophysikalisches Parametertestsystem" - das Prüfprinzip der Planwärmequelle mit konstanter Leistung, die Umsetzung der Testmethode und die Testergebnisse.
2: Prüfprinzipien
Fixierungs- und Beheizungsteile von Testmaterialien für Thermophysikalische Parameter-Prüfsysteme mit konstanter Leistung
Prüfmaterial 1, Prüfmaterial 2 und Prüfmaterial 3 sind das gleiche Material mit unterschiedlicher Dicke zusammengefestigt. Die Dicke des Testmaterials 1 beträgt δ, die Dicke des Testmaterials 2 x1 und die Dicke des Testmaterials 3 δ + x1. Zwischen dem Probematerial 1 und dem Probematerial 2, dem Probematerial 2 und dem Probematerial 3 wird jeweils ein Thermoelementpaar platziert, um den Temperaturanstieg der oberen und unteren beiden Flächen des Probematerials 2 zu messen, und zwischen dem Probematerial 2 und dem Probematerial 3 wird ein Flächenheizer mit konstanter Leistung platziert. Wenn die Länge und Breite des Testmaterials 2 jeweils das 8-10-fache seiner Dicke sind, ist die Leistung des Heizers konstant und die Wärmekapazität des Heizers ist null. Unter diesen Bedingungen kann das Testmaterial 2 als eine unendlich große Flachwand betrachtet werden und das Testmaterial hat keine innere Wärmequelle. Wenn Sie die Heizungsversorgung anschließen, liefert die Heizung symmetrisch nach oben und unten auf beiden Seiten Wärme mit q0 kcal/m2 auf jeder Seite. Wenn die Flächenheizung elektrisch eingeschaltet wird, ist die anfängliche Temperatur der drei Prüfstoffe überall gleich T. Mit der Zeit erhöht sich τ, wird das Prüfmaterial erwärmt und der Wärmestrom allmählich auf beide Seiten des Heizers weitergeleitet wird, während seine Temperaturänderung nur in vertikaler Richtung zum Flächenheizung auftritt.

Abbildung 1 Darstellung von Teststoffbeheizung und -fixierung
Unter den oben genannten Bedingungen können die Wärmeleitfähigkeit λ und die Temperaturleitfähigkeit α des Testmaterials wie folgt berechnet werden [1]:
Temperaturleiter
Wärmeleitfähigkeit
In der Formel ξ2x1 - direkt aus der Tabelle nach der gemessenen Menge ermittelt
θ(0, τ0) - Temperaturanstieg im Mittelbereich auf der Kontaktfläche des Prüfstoffs 2 mit der Flachheizung zum Zeitpunkt τ0.

3 Umsetzung von Testmethoden
Gemäß dem Prüfprinzip besteht die Prüfeinrichtung aus drei Teilen der Datenerfassung und -bearbeitung von Prüfstücken und Prüfstückeinrichtungen, Heizungssystemen und Single-Chip-Maschinen (Abbildung 2).

(Neue Produktion hat das Single-Chip-Steuersystem auf Computer oder Laptop-Steuerung umgewandelt)
Abbildung 2 Thermophysikalische Referenzmessgerät
Das Testteil ist in drei Teile unterteilt, das mittlere Testteil ist dünner und die beiden Seiten dicker. Zwischen Prüfstück und Prüfstück wird ein Thermoelement angebracht und mit einer Befestigung befestigt. Das Heizsystem besteht aus Heizungsgeräten und Spannungsreglern, um eine stabile Wärme zu erzeugen. Das Single-Chip-System verarbeitet die Daten nach dem von den Testprinzipien bereitgestellten Algorithmus und druckt die Ergebnisse an.
Die Methode zur Messung der thermophysikalischen Parameter eines Materials mit konstanter Leistung muss sowohl in Bezug auf das Methodenprinzip als auch auf die experimentelle Technik weiter untersucht werden. Um die thermophysikalischen Parameter des Materials genau zu bestimmen, müssen neben der genauen Messung von Temperatur und Zeit auch die folgenden Versuchsbedingungen erfüllt werden: (1) Die getestete Probe ist homogen und konstant; (2) die Probe ist 8-10 Mal die Dicke der Probe, das heißt, die Probe ist halb unendlich groß und hat eine gleichmäßig einheitliche Anfangstemperatur; (3) Flächenwärmequellen mit konstanter Leistung; (4) Die Wärmekapazität des Heizers ist Null. Wenn die oben genannten Bedingungen nicht erfüllt werden, führen sie zwangsläufig zu Messfehlern, daher müssen diese Fehlerfaktoren analysiert und korrigiert werden und die Versuchsbedingungen angemessen kontrolliert und die Versuchseinrichtung verbessert werden, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen [2-4].
3.1 Systemhardware-Konstruktion
Das intelligente thermophysikalische Parameterprüfsystem mit konstanter Leistung ist ein Testsystem der neuen Generation, das auf einem 8031-Monochip basiert und verschiedene Berechnungen der Messdaten mit einem Monochip durchführt, um Fehler, die durch Störsignale, analoge Schaltungen und menschliche Faktoren verursacht werden, auszuschließen oder zu reduzieren.
Die Systemhardware besteht aus Sensoren, Vorverstärkungsschaltungen, Kanalsteuerschaltungen, Modulumwandlungsschaltungen, Tastaturanzeige- und Steuerschaltungen, Druckantrieben und Steuerschaltungen, Monochipsystemen, Systemüberwachungs- und Backup-Schutzschaltungen, Stromversorgung von Systemen und Heizungen, Heizungen, Probenkarten usw. Die Hardwarezusammensetzung des Systems ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 Diagramm der Hardware des Testsystems
Die Temperatur-Spannung-Kennlinie des Thermoelements wird exponentiell ausgebildet und wird linear korrigiert durch ein Single-Chip-Algorithmus. Darüber hinaus wird das Thermoelektrometer mit der Temperatur des kalten Endes des Thermoelektrons gleich 0 ° C entwickelt, wenn die Temperatur des kalten Endes nicht gleich 0 ° C ist, wird sich das Thermopotential mit der Temperatur des kalten Endes ändern, so dass der Thermoelektrometterkreis korrigiert werden muss. Das System verwendet den integrierten Temperatursensor AD590 zur Kompensation des Kälteendes des Thermoelektrons. Die Hardwareschaltung und das Prinzip der Vorvergrößerungsschaltung des Thermoelektronen-Kühlkompensators basierend auf dem Gesetz der Thermoelektronverbindung und dem Gesetz der Mitteltemperatur sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4 Prinzipien der Kühlkompensation des Thermoelements und der Vorverstärkungsschaltung
Die analoge Umwandlungsschaltung verwendet den ICL7135 Doppel-Integral-A / D-Wandler, über die Tastatur, um verschiedene Arbeitszustände einzustellen und auf dem Monitor in verschiedenen Formen zu zeigen, ist die Hauptfunktion der Drucksteuerschaltung, die mechanische Bewegung des Mikrodruckkopfes zu steuern, die Systemüberwachung der Reserve-Schutzschaltung ist, um zu verhindern, dass das Single-Chip-System aufgrund eines sofortigen Stromausfalls, des Stromnetzes unter Spannung und der Software "fliegt".
3.2 Softwareentwicklung
Die Systemsoftware ist ein wichtiger Bestandteil des Testsystems und umfasst Module wie Systemverwaltung, Datenberechnung, Druckerverwaltung, Parametereinstellung, Datenerfassungsfilter, Thermocouple-Thermopotential-Temperaturumwandlung, Unterbrechungsbehandlung und Uhrenmanagement. Durch die organische Zusammenführung der Systemverwaltungsmodule in einer bestimmten Hierarchie können die Funktionen erfüllt werden. Das Ablaufdiagramm der Systemverwaltungssoftware ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5 Ablaufdiagramm der Systemverwaltungssoftware
4 Testergebnisse
Mit einem intelligenten thermophysikalischen Parameterprüfsystem wurde die Wärmeleitfähigkeit des Polyammoniakschaums getestet und mit herkömmlichen Prüfinstrumenten verglichen. Die Spezifikationen des getesteten Materials sind: Testmaterial 1: 200 x 200 x 65 mm; Testmaterial 2: 200 x 200 x 22 mm; Testmaterial 3: 200 x 200 x 90 mm. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass intelligente Testsysteme die Wiederholbarkeit, die mittlere Varianz und die relative Fehlerquote der Wärmeleitfähigkeit besser als herkömmliche Testinstrumente messen. Nach Berücksichtigung der Faktoren, die die Prüfgenauigkeit beeinflussen, ist der Wärmeleitfähigkeit-Testfehler kleiner als ±4%.
Tabelle 1 Wärmeleitfähigkeitsprüfergebnisse von Polyammoniakschaumstoffen (W/m.°C)
Typen von Flächenwärmemethoden
Intelligentes Thermophysikalisches Parameterprüfsystem Traditionelles Wärmeleitfähigkeitsprüfsystem
1 0.027985 0.02824
2 0.027947 0.02737
3 0.027836 0.02840
4 0.027875 0.02861
5 0.027652 0.02785
Durchschnittswert 0.027859 0.02809
Durchschnittliche Abweichung 1,159776×10-4 4,39299×10-4
Relativer Fehler 3,18% 4,04%