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1、(10)申请公布号 CN 103558247 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558247 A (21)申请号 201310502981.5 (22)申请日 2013.10.23 G01N 25/20(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 山西省电力公司大同供电分公司 (72)发明人 黄耀雄 王启银 王晓强 赵锐 郭鹏飞 王旭 李增强 党世昉 (74)专利代理机构 北京天达知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11386 代理人 马东伟 (54) 发明名称 一种基于热电半导体的导热系数自动测量设 。
2、备 (57) 摘要 本发明提供了一种基于热电半导体的导热系 数测量设备， 包括 ： 试样管、 试样管支撑、 控制器， 所述试样管包括 ： 绝热套、 加热装置、 第一温度传 感器、 第二温度传感器、 热电半导体以及电势测量 装置 ； 所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶 状结构， 其一端封闭， 另一端开口， 所述绝热套固 定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、 所述试样和所述热电半导体。本发明的设备采用 热电半导体测量通过试样的热量， 并且利用 PID 自动控制温度的稳定过程， 减少了多点测温带来 的误差， 并且使温度的稳定过程更快， 便于测不同 温度下材料的导热系数。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103558247 A CN 103558247 A 1/1 页 2 1. 一种基于热电半导体的导热系数测量设备， 包括 ： 试样管、 试样管支撑、 控制器， 其 特征在于， 所述试样管包括 ： 绝热套、 加热装置、 第一温度传感器、 第二温度传感器、 热电半导体以 及电势测量装置 ； 所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构， 其一端封闭， 另一端开口， 所述绝热 套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、 所。
4、述试样和所述热电半导体 ； 所述加热装置置于所述绝热套的封闭的一端的内部， 能够以恒定功率发出热量 ； 所述试样置于所述绝热套内并且其一端与所述加热装置相接触， 另一端与所述热电半 导体相接触 ； 所述第一温度传感器置于所述加热装置与所述试样相接的界面处， 用于测量该处的温 度 T1 ； 所述第二温度传感器置于所述试样的另一端与所述热电半导体相接的界面处， 用于测 量该处的温度 T2 ； 所述电势测量装置分别与所述热电半导体的两端相连， 用于测量热电半导体两端的电 势差 ； 所述控制器接收所述第一温度传感器、 所述第二温度传感器所测得的温度以及所述电 势测量装置测得的电势差， 并且基于所述第一。
5、温度传感器、 所述第二温度传感器所测得的 温度以及所述电势测量装置测得的电势差确定所述试样的导热系数。 2. 如权利要求 1 所述的导热系数测量设备， 其特征在于， 所述热电半导体为圆柱状结 构， 包括两个端面和圆柱状的外侧壁， 所述外侧壁与所述绝热套的内壁匹配。 3. 如权利要求 2 所述的导热系数测量设备， 其特征在于， 所述热电半导体置于所述绝 热套内部， 并且一个端面与所述试样相接触， 另一个端面处设置有散热块。 4. 如权利要求 1 所述的导热系数测量设备， 其特征在于， 所述控制器基于如下公式确 定所述试样的导热系数 2， 2=1(T)/(X)*L/(T1-T2) 其中， L 为试。
6、样的长度， 单位为 m ； 1 为热电半导体的导热系数， 单位为 W/(m*K) ； X 为热电半导体的厚度， 单位为 m ； T 为热电半导体的热面和冷面的温差， 其可以通过热电 半导体两端的电势差而确定。 5. 如权利要求 1 所述的导热系数测量设备， 其特征在于， 所述加热装置的输出功率能 够调节， 所述控制器采用 PID 自动控制系统控制所述加热装置的输出功率。 权 利 要 求 书 CN 103558247 A 2 1/6 页 3 一种基于热电半导体的导热系数自动测量设备 技术领域 0001 本发明涉及材料导热系数测定领域， 具体涉及一种利用热电半导体、 PID 控制系统 来自动测量材。
7、料导热系数的设备。 背景技术 0002 材料的导热系数是材料的一项重要特性， 对工程设计有重要作用。其应用领域相 当广泛， 在石油、 化工、 材料和军工方面是必不可少的。 0003 目前测量材料导热系数的方法有稳态法和非稳态法两种。 基于稳态法的测量有热 流计法， 保护热板法。非稳态测量有热线法， 热带法和常功率热源法。 0004 稳态法是指在整个测量过程中被测样品中通过任意垂直于温度梯度的截面的热 流通量保持不变， 记载温度场稳定后进行测量。 非稳态法与稳态法相反， 是指在整个测量过 程中， 被测样品通过任意垂直于温度梯度的热流通量是随时间变化的， 即在温度场未达到 稳定时进行测量。 在稳态。
8、法测量材料导热系数的过程中， 最重要的是测量通过材料的热量。 0005 然而， 现有技术中， 采用多点测温来确定通过材料的热量， 这种方式所测得的结果 并不准确， 并且， 现有技术中也不能快速地实现温度的稳定。 发明内容 0006 针对现有技术的不足， 本发明设计一种基于热电半导体的导热系数自动测量设 备， 该设备采用热电半导体测量通过试样的热量， 并且利用比例 - 积分 - 微分控制器 （PID） 自动控制温度的稳定过程， 减少了多点测温带来的误差， 并且使温度的稳定过程更快， 便于 测不同温度下材料的导热系数。本发明的设备的设计全部采用自动化采集控制， 从而在整 体上方便测量不同温度下材料。
9、导热系数， 且精度高， 人机界面友好， 操作简单。 0007 本发明提供了一种基于热电半导体的导热系数测量设备， 包括 ： 试样管、 试样管支 撑、 控制器， 所述试样管包括 ： 绝热套、 加热装置、 第一温度传感器、 第二温度传感器、 热电半 导体以及电势测量装置 ； 0008 所述绝热套为由绝热材料制成的中空的桶状结构， 其一端封闭， 另一端开口， 所述 绝热套固定在所述试样管支撑上并且容纳所述加热装置、 所述试样和所述热电半导体 ； 0009 所述加热装置置于所述绝热套的封闭的一端的内部， 能够以一定功率发出热量 ； 0010 所述试样置于所述绝热套内并且其一端与所述加热装置相接触， 另。
10、一端与所述热 电半导体相接触 ； 0011 所述第一温度传感器置于所述加热装置与所述试样相接的界面处， 用于测量该处 的温度 T1 ； 0012 所述第二温度传感器置于所述试样的另一端与所述热电半导体相接的界面处， 用 于测量该处的温度 T2 ； 0013 所述电势测量装置分别与所述热电半导体的两端相连， 用于测量热电半导体两端 的电势差 ； 说 明 书 CN 103558247 A 3 2/6 页 4 0014 所述控制器接收所述第一温度传感器、 所述第二温度传感器所测得的温度以及所 述电势测量装置测得的电势差， 并且基于所述第一温度传感器、 所述第二温度传感器所测 得的温度以及所述电势测量。
11、装置测得的电势差确定所述试样的导热系数。 0015 优选地， 所述热电半导体为圆柱状结构， 包括两个端面和圆柱状的外侧壁， 所述外 侧壁与所述绝热套的内壁匹配。 0016 优选地， 所述热电半导体置于所述绝热套内部， 并且一个端面与所述试样相接触， 另一个端面处设置有散热块。 0017 优选地， 所述试样管支撑包括试样管支架、 箱体和箱体支架。 0018 优选地， 所述控制器基于如下公式确定所述试样的导热系数 2， 0019 2=1(T)/(X)*L/(T1-T2) 0020 其中， L 为试样的长度， 单位为 m ； 1 为热电半导体的导热系数， 单位为 W/(m*K) ； X 为热电半导体。
12、的厚度， 单位为 m ； T 为热电半导体的热面和冷面的温差， 其可以通过热 电半导体两端的电势差而确定。 0021 优选地， 所述加热装置的输出功率能够调节， 所述控制器采用 PID 自动控制系统 控制所述加热装置的输出功率。 附图说明 0022 图 1 为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的试样管的示意图 ； 0023 图 2 为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的整体结构示意图， 其中， 采用了图 1 中所示的试样管 ； 0024 图 3 为 PID 控制系统进行温度控制的示意图 ； 0025 图 4 为采用本发明的导热系数测量设备进行导热系数测量的流程图。 0026 附图标。
13、记 ： 0027 1 绝热层 0028 2 加热装置 0029 3 温度传感器 0030 4 试样 0031 5 温度传感器 0032 6 热电半导体 0033 7 散热块 0034 10 试样管卡槽螺栓 0035 11 绝热层螺栓 0036 12 试样管卡槽 0037 13 试样管支架 0038 14 箱体 0039 15 箱体支架 0040 16 箱体与控制器间的数据和电源线 0041 17 控制器 0042 18 显示屏 说 明 书 CN 103558247 A 4 3/6 页 5 0043 19 开关按钮 0044 20 向左按钮 0045 21 向上按钮 0046 22 向右按钮 0。
14、047 23 向下按钮 0048 24 确认按钮 0049 25 返回按钮 0050 26 启控按钮 0051 27 时间设置按钮 0052 28 PID 参数调节按钮 0053 29 电源线 0054 30 电源插头 具体实施方式 0055 图 1 为根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的试样管的示意图。如图 1 所示， 用于容纳试样 4 的试样管包括 ： 绝热套 1、 加热装置 2、 第一温度传感器 3、 第二温度传 感器 5、 热电半导体 6。可选地， 该试样管还可以包括散热块 7。 0056 如图 1 所示， 绝热套 1 构成一端封闭的桶状结构， 例如圆桶状或方桶状， 用于容纳 加。
15、热装置 2、 第一温度传感器 3、 试样 4、 第二温度传感器 5、 热电半导体 6。绝热套 1 一端开 口， 另一端封闭。这里所提到的开口和封闭是针对热量传导而言的， 封闭指的是热封闭， 即 能够实现绝热。实际上， 封闭端也可以是可拆卸的， 只要是由绝热材料制成即可。 0057 加热装置 2 置于绝热套 1 内部的封闭的一端处， 能够以一定功率对试样加热。加 热装置 2 的电源通过引线穿过绝热套的侧壁， 对加热装置 2 进行供电。可以通过改变加热 装置的输入电压和电流来改变加热功率。 0058 如图 1 中所示， 在本实施例中， 加热装置 2 一侧紧贴绝热套 1 的内端壁， 另一侧放 置有第。
16、一温度传感器 3。虽然图中将温度传感器 3 示为一个圆形的部件， 但是应该理解， 温 度传感器 3 在绝热套内部的部分可以仅为体积可以忽略的探头， 用于测量加热装置 2 与试 样 4 相接的界面处的温度。换言之， 温度传感器 3 的体积相对于试样 4 而言， 可以忽略不 计。 0059 试样 4 也置于绝热套 1 内， 一端紧贴加热装置 2， 另一端紧贴热电半导体 6。温度 传感器 3 嵌入在加热装置 2 与试样 4 相接的界面处。在试样 4 的另一端与热电半导体 6 相 接的界面处， 放置第二温度传感器 5。类似地， 也可以认为第二温度传感器 5 嵌入在试样 4 与热电半导体 6 相接的界面。
17、处， 并且忽略第二温度传感器 5 的体积。 0060 热电半导体 6 置于绝热套 1 的另一端， 一端 （左侧） 紧贴试样 4 放置。在图 1 中， 热 电半导体 6 置于绝热套 1 的右端。 0061 可选地， 为了促进热电半导体6的散热， 在热电半导体6的另一端放置散热块7， 二 者紧密接触。或者， 热电半导体 6 的右侧可以裸露在空气中， 以便进行散热。 0062 图 2 是根据本发明的一个实施例的导热系数测量设备的整体结构示意图， 其中， 采用了图 1 中所示的试样管。 说 明 书 CN 103558247 A 5 4/6 页 6 0063 如图2所示， 通过试样管卡槽螺栓10将图1中。
18、所示的试样管固定在试样管支架13 上的试样管卡槽12中， 试样管支架13安装在箱体14上， 箱 体14由四个箱体支架15支撑。 在试样管两端， 通过螺栓 11， 将试样管两端的端盖固定在试样管上。 0064 在本文中， 试样管 1 左侧的端盖是由绝热材料制成的， 形成试样管的封闭端 （该端 盖与试样管 1 的侧壁的连接在图 1 中并未示出） 。在试样管 1 的右侧， 通过另外的螺栓 11 将散热块 7 固定在试样管 1 的右侧端部， 紧贴热电半导体。 0065 控制器 17 与箱体 14 通过线缆 16（包括数据线及电源线） 相连接。控制器 17 包 括显示屏 18、 开关按钮 19、 向左按。
19、钮 20、 向上按钮 21、 向右按钮 22、 向下按钮 23、 确认按钮 24、 返回按钮 25、 启控按钮 26、 时间设置按钮 27、 PID 参数调节按钮 28。控制器通过电源线 29 以及电源插头 30 供电。 0066 工作原理 0067 继续参照图 1 并结合图 2， 当本发明的导热系数测量设备工作时， 加热装置 2 以一 定功率发出热量。由于绝热套 1 包围加热装置 2 和试样 4， 热量从左向右在试样 4 中传导， 并且继而向热电半导体6传导， 传导到热电半导体6的热量导致热电半导体两侧形成温差， 热电半导体继续将热量向散热块 7 传导， 由散热块 7 将热量散发出去。 00。
20、68 温度传感器 3 测量在加热装置 2 与试样 4 的界面处的温度 T1， 温度传感器 5 测量 试样 4 与热电半导体 6 的界面处的温度 T2。当热量垂直穿过热电半导体 6 时， 在热电半导 体两端就有一定的温差 T， 这个温差使热电半导体产生一定的温差电动势 E。 0069 一方面， 由于热电半导体厚度 X 和热电半导体的导热系数 1 可以预先测定和 校准， 所以在稳定的条件下， 其热流密度为 0070 q=-1(T)/(X) （1） 0071 式中 “-” 代表 q 的方向与温度梯度的方向相反 ； 1 为热电半导体的导热系数， 单 位为 W/(m*K)， 即， 瓦 /（米度） ； T。
21、 为当有热量垂直穿过热电半导体时， 热电半导体两端 的温差， 单位为度 （K） ； X 为热电半导体厚度， 单位为米 （m） 。 0072 另一方面， 温差决定的热电半导体的输出电动势反映了热流密度的大小， 具体 为 ： 0073 q=C*E （2） 0074 式中 C 为热电半导体的测头系数， 单位为 W/(m2*mv) ； q 为通过热电半导体的热流 密度， 单位为 J/（m2s） ， 焦耳 /（平方米秒） ； E 为热电半导体输出电动势， 单位为毫伏 （mV） 。 0075 温度处于稳定状态时， 热电半导体两端具有稳定的输出电动势E。 根据热电半导体 的校准曲线， 基于输出电动势 E， 。
22、在已知热电半导体的热面温度 T2 和输出电动势时， 可知热 电半导体的热面和冷面的温差 T。 0076 则某段时间 t 内， 通过试样的热量为 ： 0077 Q=q*s*t （3） 0078 如上所述， 试样加热段温度为 T1（温度单位为） ， 试样和热电半导体接触处的温 度为 T2（温度单位为） ， 则试样的导热系数为 0079 2=Q*L/(T1-T2)*s*t （4） 0080 =q*L/(T1-T2) 说 明 书 CN 103558247 A 6 5/6 页 7 0081 =1(T)/(X)*L/(T1-T2) 0082 其中， L 为试样的长度 ( 单位为 m)， Q 为时间 t( 。
23、秒 ) 内通过试样的热量 （公式中 Q 与 t 是对应的） ， 单位为 J（焦耳） ； s 为试样的横截面积， 单位为 m2( 平方米 ) ； 2 为待测试 样的导热系数， 单位为 W/(m*K)， 即， 瓦 /（米度） 。 0083 由本文上述内容可知， 公式 （4） 中的参数 1、 X、 L 已知， T1 和 T2 为测量值， T 通过 T2 和 E 可以查表获得， 因此只需测得 T1、 T2 和 E 即可计算出试样材料的导热系数。 0084 上面已经提到， 温度的稳定是测量过程中重要的一个因素， 因为加热装置 2 不是 恒温器件， 因此在加热过程中温度很难达到设定值， 利用 PID 控制。
24、调节可以实现温度的快 速稳定。换言之， 本发明需要找到一个输出功率值， 当加热装置 2 以该输出功率值恒定地发 出热量时， 通过热量从左向右的不断传导， 并最终通过散热块散热， 整个试样管能够到达平 衡状态， 各个部位的温度不再发生变化。 0085 这种稳定状态的实现通过 PID 控制系统来实现。PID 自动控制系统的原理如图 3 中所示。 0086 参见图 3， 假设被控量与设定值之间有偏差 e(t)= 设定值 - 被控量 （其中设定值是 指设定的温度， 被控量指采集回来的温度） ， 则根据偏差 e(t)， 由自动控制算法得出结果， 来 控制加热装置。PID 自动控制系统依据 e(t) 及预。
25、先设定的调节规律输出调节信号 u(t)， 执 行单元 （即， 加热装置） 按 u(t) 输出操作量 （按一定功率输出热量） 至被控对象 （即， 试样） ， 使被控量 （即试样的实测温度） 逼近直至最后等于 （试样温度的） 设定值。优选地， 试 样的 温度设定值设在 27.5 度、 30 度、 50 度、 72 度等。优选地， 温度设定值不超过 150 度。 0087 PID 自动控制系统是按偏差比例、 积分、 微分进行调节， 其调节规律可表示为 ： 0088 0089 式中 Kp 为比例系数。第二项为积分调节， T 为积分时间常数。第三项为微分调节， TD为微分时间常数。 0090 PID 控。
26、制过程需要设定值和被控量来实现。设定值在控制器表面通过方向按键 20、 21、 22、 23 进行设定， 按确认按钮 24 后按启控按钮 26， 加热装置 （即， 执行单元） 开始加 热， 图 1 中温度传感器 3 和 5 开始采集温度 （被控量） ， 温度 （被控量） 采集后经 AD 变换然后 与设定值进行差运算得出e(t)， 再按照公式5的运算结果 （输出调节信号u(t)） 控制加热装 置， 从而实现温度的快速稳定。 0091 图 4 示意性地示出了本发明的设备的操作过程。首先， 通过控制器 17 上的开关按 钮控制过程的启动。然后， 控制器进行设备的初始化以及自检。通过控制器上的操作按钮。
27、 进行参数的设置并确认设置是否可行。 参数设定完毕后， 控制器将所设定的参数输送给PID 控制系统。同时， 控制器控制温度传感器和电势测量装置进行温度和电势差的采集。通过 AD 转换将所采集的温度和电势差信号转换成数字信号， 并基于所得到的数字信号确定测得 的参数， 测得的参数为温度 T1、 T2 和电势差 E。 0092 然后， PID 控制系统根据设定的参数和所测得的参数控制加热装置， 改变其输出功 率。 0093 本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、 没有偏离本发明 的精神和本质特性的特定形式来执行。因此， 所有方面的上述实施方式应当被解释为例示 说 明 书 CN 1。
28、03558247 A 7 6/6 页 8 的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定， 而 不是由上述描述来确定， 并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将 包括进来。 0094 对于本领域技术人员来说显而易见的是， 在所附权利要求书中没有显示地互相引 用的权利要求可以组合起来， 作为本发明的示例性实施方式， 或者被包括而在提交本申请 之后通过之后的修改而成为新权利要求。 0095 本发明的方式 0096 以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。 0097 工业应用性 0098 如根据上述描述所显而易见的， 对于本领域技术人员来说显而易见的是， 可以对 本发明做出各种修改和变型， 而不偏离本发明的精神或范围。 因此， 旨在本发明覆盖落入所 附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。 说 明 书 CN 103558247 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103558247 A 9 2/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558247 A 10 3/3 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103558247 A 11 。