穩態法導熱系數測定實驗

一、實驗目的
 1、通過實驗使學生加深對傅立葉導熱定律的認識。
 2、通過實驗，掌握在穩定熱流情況下利用穩態平板法測定材料導熱系數的方法。
 3、確定材料的導熱系數與溫度之間的依變關系。
 4、學習用溫差熱電偶測量溫度的方法。
 5、學習熱工儀表的使用方法
二、實驗原理
 平板式穩態導熱儀的測量原理是基于一維無限大平板穩態傳熱模型，這種方法是把被測材料做成比較薄的圓板形或方板形，薄板的一個表面進行加熱，另一個表面則進行冷卻，建立起沿厚度方向的溫差。

三、實驗設備
 實驗設備如圖2所示。

圖2 平板式穩態法導熱儀的總體結構圖
1.調壓器2.銅板3.主加熱板 4.上均熱片 5.中均熱片
6.下均熱片7.熱電偶 8.副加熱板 9.數據采控系統 10.溫度儀表
11.試樣裝置 12.循環水箱電位器 13.保溫材料 14.電位器
 鍵盤共有6個按鍵組成， 包括為“5”、“1”、“0.1”3個數據鍵，“±”正負號轉換鍵，“RST”復位鍵，“ON/OFF”開關鍵。
 數據鍵：根據不同的功能對相應的數據進行加減，與后面的“±”正負號轉換鍵和“shift”功能鍵配合使用。
 “±”正負號轉換鍵：當“±”正負號轉換鍵為“+”時，在原數據基礎上加相應的數值；為“-”時，減相應的數值。
 “RST”復位鍵：復位數據，重新選擇。
 控制板上的四個發光二極管分別對應四路熱電偶，發光二極管發光表示對應的熱電偶接通。由一臺調壓器輸出端采用并聯方式提供兩路輸出電壓，電位器對每路輸出電壓進行調整，作為兩個加熱板的輸入電壓。
四、實驗內容
 1、根據提供的實驗設備儀器材料，搭建實驗臺，合理設計實驗步驟。調整好電加熱器的電壓（調節調壓器），并測定相關的溫度及電熱器的電壓等試驗數據。
 2、對測定的實驗數據按照一定的方法測量進行數據處理，確定材料的導熱系數與溫度之間的依變關系公式。
 3、對實驗結果進行分析與討論。
 4、分析影響制導熱儀測量精度的主要因素。
 5、在以上分析結論的基礎之上盡可能的提出實驗臺的改進方法。
五、實驗步驟
 1、利用游標卡尺測量試樣的長、寬、厚度，測試樣3個點的厚度，取其算術平均值，作為試樣厚度和面積。
 2、測量加熱板的內部電阻。
 3、校準熱工溫度儀表。
 4、向水箱內注入冷卻水。
 5、通過調整電位器改變提供給主加熱板和副加熱板的加熱功率，通過4位“LED”顯示主加熱板和副加熱板的溫度，根據主加熱板的溫度，調整電位器改變施加在副加熱板的電壓，使副加熱板的溫度與主加熱板的溫度一致。利用數字電壓表測量并記錄主加熱板電壓。
 6、在加熱功率不變條件下, 試樣下表面和循環水箱下表面的溫度波動每5min不超過±1℃時，認為達到穩態。此時，記錄主加熱板溫度、試樣兩面溫差。
 7、通過數據鍵輸入試樣面積、厚度等相關參數，由試樣面積、厚度、主加熱板的電阻、電壓、上表面溫度及上均熱片的上表面溫度獲得試樣的導熱系數。
 8、改變電位器改變提供給主加熱板和副加熱板的加熱功率件，重復步驟（5至7）測量并記錄多個溫度下的材料導熱系數。
 9、 關掉電源。
六、實驗要求
 1、采用精度不低于0. 05 mm的厚度測量工具（游標卡尺），沿試樣四周測量四處的厚度，取其算術平均值，作為實驗前試樣厚度。
 2、用酒精將試件及均熱片擦洗干凈并晾干，晾干后在其上均勻涂抹導熱油。
 3、用調壓器將電壓調至一定值，保持不變，經一段時間后，待跟試件上下表面接觸的銅片各點溫度為一定值時，即導熱過程達到穩定后記錄各點溫度及電熱器的電壓。
 4、改變電加熱器的電壓（調節調壓器），即改變電熱器熱量使之維持在另一個數值上，跟試件上下表面接觸的銅片各點溫度達到新的穩定狀態后，重復第3項的測量。
 5、用zui小二乘法計算不同橡膠材料的導熱系數隨溫度變化的關系式。
五、實驗報告要求
 1、材料溫度可取材料上下表面溫度的平均值，即，其中：Tw1為試樣材料下表面溫度，Tw2為試樣上表面溫度。
 2、實驗報告需用的實驗報告用紙進行書寫；
 3、實驗報告中必須包含實驗目的和實驗步驟；
 4、實驗報告中必須包括實驗數據的記錄；
 5、實驗報告中必須包括實驗數據處理的具體步驟，并有材料的導熱系數隨溫度變化的關系式及關系曲線圖；
 6、實驗報告中必須有對實驗數據結果的分析。