胡涵星
苏州市计量测试院 215128
摘要：科研人员在研究材料隔热能力的过程中，需要利用专业仪器检测不同材料的导热系数，利用高温防护热板法制作导热系数检测装置，能够提升检测数据精度，对于新型隔热材料的研发工作提供设备支持。文章以分析高温防护热板法工作原理为基础，围绕如何设计导热系数检测装置的问题进行简要探究。
关键词：防护热板法；高温防护；导热系数测定仪
Abstract: in the process of studying the thermal insulation ability of materials, researchers need to use professional instruments to detect the thermal conductivity of different materials, and use high temperature protection hot plate method to make thermal conductivity detection device, which can improve the accuracy of detection data, and provide equipment support for the research and development of new thermal insulation materials. Based on the analysis of the working principle of high temperature protection hot plate method, this paper briefly explores how to design the thermal conductivity detection device.
Key words: protective hot plate method; High temperature protection; Thermal conductivity tester
引言
开展隔热材料研究工作过程中，科研人员需要利用专业的检测仪器收集材料导致系数数据，为科研活动提供数据基础。就目前该领域技术发展情况而言，高温防护热板法是应用较为广泛的一种检测方式。文章以该检测方法为基础，尝试对目前普遍使用的导热系数检测装置进行优化，并对其中的关键技术进行升级，通过这种方式确保该装置能够对材料在10～800℃导热系数进行精准测量。
一、工作原理介绍
从类型上看，高温防护热板法是一种稳态测量法，具体就是就是将待检测材料放置于一个稳定的传热空间中，利用温度控制装置，确保该空间的温度不变。同时，检测人员需要将待检测样本放置于冷板与热板中间，确保冷板的尺寸与热板尺寸相同，且保护板温度与热板温度相同，通过这种方式避免热板与保护板之间出现热传递现象。若冷板与热板之间温度不同，热量会在两块板之间传递，当冷板、热板以及防护板之间的温度稳定之后，利用三块板上安装的温度传感装置检测热量的变化情况，进而起到检测待测材料导热系统的目的[1](如图1所示）。
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二、仪器具体设计
（一）电气控制系统
1.温度传感器
温度感应装置是指可以检测温度并将温度信号转变为电信号的一种仪器。依据测量方法不同，温度感应装置可以分为接触式、非接触式两种；依据材料特点不同，可以将其分为热电阻以及热电偶两种。目前较为常见的温度检测方式为接触式测温方法，实际开展温度检测工作时，检测人员需要将待检样品与温度检测装置充分接触，利用热传导原理使得二者达到热平衡，得到温度数据。这种检测方式的优势在于检测数据精度高，而非接触式检测法是在温度检测装置与待检测样品不接触的情况下，采集待检测样品的温度数据，目前较为成熟的技术包括红外线测量法、辐射测量法以及比色法等，本次设计工作中采用接触式检测方式收集温度数据[2]。
2.位置传感器
位置感应装置的主要功能是对待检测样品移动过程中位置变化情况进行检测，该装置的分类方式较为灵活。从物体运动角度方面来看可以分为直线移动感应装置以及角度移动感应装置；根据材质可将其分为电位器感应装置、霍尔式感应装置等，其中霍尔式感应装置是在确保霍尔元件激励电流不发生变化的基础上，让待检测样品在梯度均匀的磁场中移动，通过计算其移动过程中输出的霍尔电势得出样品位移数据，而电位器感应装置的工作原理计算是将待检测样品的位移量转变为与其存在特定函数关系的电阻或者电压数据，这种检测方式具有信号输出快、检测方式简便、检测成本低等特点。通过对比研究人员决定使用后者作为该仪器的位置传感装置。该设备测量重复精度达到了0.01mm，研究人员将电位器感应装置安装在检测仪器的箱体上，并将其与冷板传动设备相连，若研究人员移动冷板，则该装饰就会收集冷板移动信号，通过这种方式得出待检测样品的厚度数据。
（二）控制电路设计
该装置中安装的控制电路中，加热电路采用直流加热方式，并使用24V直流电源为控制电路提供电力。正式开展测量工作过程中，检测仪器的温度很高，检测人员需要提高热板的加热功率。想要快速提升热板加热功率，设计人员就需要对热板上的加热丝进行合理设计，确保加热丝具有良好的耐高温性，并具有良好的导电性，通过对各种加热丝材料的对比，设计人员最终决定使用合金钢作为热板加热丝的材料[3]。具体而言，就是以碳素钢作为基础材料，在碳素钢中加入其他金属元素，通过这种方式得到碳铁合金，与其他材料相比，这种碳铁合金具有强度高、耐高温、耐腐蚀以及无磁性等特点，能够确保热板稳定工作（如图2所示）。
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（三）设计控制方式
从结构方面来看，该装置中使用的控制系统包括功率调节设备、控制设备以及温度传感设备等构成。因为温度为实际被控数据，控制装置通过比较预定温度值与实际测定温度值，得到温度偏差数据。同时通过PID算法发送控制信号，检测仪器内部安装的功率调节装置接收到控制信号之后对功率进行调节。功率调节装置包括三极管、运放电路等零件构成，该装置对发热功率进行调节使得实际温度逐渐趋近于预计温度，并将温度维持在一个稳定的范围内。实际设计过程中，设计人员通过调整供电电压的方法实现对于温度的灵活调控，并使用PCI采集卡D/A口进行控制信号的传输。实际检测过程中，由于温度变化存在惯性，因此设计人员使用分段控制法调节温度，当安装在发热板上的温度感应装置检测到实际测量温度值与预计值之间差距超过5℃后，会自动开启全功率加热，缩小温差[4]。
三、结束语
基于高温防护热板法，能够实现对于各种材料导致系统的精准测量，实际开展导热系数检测活动过程中，科研人员可以通过对电气、电路等系统的科学设计对检测仪器进行优化，确保导热系统测定仪所检测出的数据真实可靠，为隔热材料研究工作提供设备支持。
参考文献：
[1]李志平.建筑材料导热系数和密度分析技术研究[J].绿色环保建材,2021(03):7-8.
[2]时春峰,尚勇,卢连凤.防护热板法高温导热系数测定仪的研制[J].中国仪器仪表,2015(06):50-52.
[3]凡丽梅,张霞,王从科,董方旭,赵付宝,郑素萍.热防护板法导热系数能力验证样品的制备工艺参数[J].理化检验(物理分册),2020,56(08):5-12.
[4]冯新明,孙炳阳.一种简易式材料导热系数测量仪的设计[J].电子测试,2020(14):29-30.