Testador de parâmetros termofísicos inteligente HWX-II (Metodo de fonte de calor plana de potência constante)

Este instrumento fornece uma abordagem inteligente para testar parâmetros termofísicos usando o método de fonte de calor plana de potência constante. O sistema apresenta alta precisão de medição, alto nível de automação e facilidade de operação. Os resultados do teste mostraram que os erros de teste do condutor térmico e do condutor térmico eram menores de ±4%.
1: Resumo
Os parâmetros termofísicos da matéria são uma das quantidades macrofísicas da matéria e são parâmetros fundamentais importantes para vários tipos de pesquisa científica e projeto de engenharia. Ele inclui o fator de condutividade térmica, o fator de condutividade térmica, o calor relativo, o fator de expansão térmica e a emissão térmica, etc., onde o fator de condutividade térmica e o fator de condutividade térmica são os principais indicadores dos parâmetros termofísicos da matéria.
Atualmente, os instrumentos produzidos domésticamente para medir os parâmetros termofísicos de materiais sólidos usam principalmente o diferencial de potencial e o corrente para medir a capacidade térmica do aquecedor e o potencial do termopar e os parâmetros relacionados, calculando manualmente o fator de condutividade térmica e o fator de condutividade térmica. Suas desvantagens são o baixo grau de automação, a má versatilidade, o processo de regulação é complexo e os resultados dos testes são muito influenciados por fatores humanos. Os testes de condutividade térmica produzidos no exterior são estruturalmente complexos, caros e difíceis de promover. Portanto, é urgente desenvolver um instrumento de automação com alto grau de automação, fácil operação, velocidade experimental rápida, alta precisão e versatilidade para medir os parâmetros termofísicos da substância.
Para a medição do fator de condutividade térmica e do fator de condutividade térmica da matéria, existem muitos métodos de teste e instrumentos de teste correspondentes, o método de teste do sistema de teste de parâmetros termofísicos inteligentes deste instrumento - o princípio de teste do método de fonte de calor plana de potência constante, a implementação do método de teste e os resultados do teste.
2: Princípio do teste
Fixação e aquecimento de materiais para sistemas de teste de parâmetros termofísicos com fonte de calor plana de potência constante
O material de teste 1, o material de teste 2 e o material de teste 3 são os mesmos materiais de espessura diferente. A espessura do material de ensaio 1 é δ, a espessura do material de ensaio 2 é x1 e a espessura do material de ensaio 3 é δ + x1. Um par de termopares é colocado entre o material de ensaio 1 e o material de ensaio 2, o material de ensaio 2 e o material de ensaio 3 para medir o aumento da temperatura em ambos os lados do material de ensaio 2 e inferior, e um aquecedor plano de potência constante é colocado entre o material de ensaio 2 e o material de ensaio 3. Se o comprimento e a largura do material de teste 2 são 8 a 10 vezes a sua espessura, a potência do aquecedor é constante e a capacidade térmica do aquecedor é zero. Nestas condições, o material de ensaio 2 pode ser visto como uma parede plana infinitamente grande e o material de ensaio não possui uma fonte de calor interna. Conecte a fonte de energia do aquecedor, o aquecedor fornece calor simétricamente para cima e para baixo, cada lado de q0 kcal / m2. No momento em que o aquecedor plano é eletrificado, a temperatura inicial dos três materiais de teste é uniformemente igual a T. Com o aumento do tempo τ, o material de teste será aquecido e o fluxo de calor será gradualmente transferido para ambos os lados longe do aquecedor, no processo, sua mudança de temperatura ocorre apenas na direção vertical do aquecedor plano.

Figura 1 Esquema da parte de aquecimento e fixação da matéria de ensaio
Nas condições acima, o fator de condutividade térmica λ e o fator de condutividade térmica α do material de ensaio podem ser calculados da seguinte forma [1]:
Coeficiente de condução de temperatura
Coeficiente de condutividade térmica
X2x1 na fórmula – Detectado diretamente da tabela com base na quantidade medida
θ(0, τ0) – Aumento da temperatura da área central na superfície de contato do material de ensaio 2 com o aquecedor plano no momento τ0.

3 Implementação de métodos de teste
De acordo com o princípio do teste, o dispositivo de teste consiste em três partes de coleta e processamento de dados de ensaio e fixação de ensaio, sistema de aquecimento e máquina única (Figura 2).

(O novo sistema de controle de uma única placa foi transformado em um computador ou um computador portátil)
Figura 2 Esquema do dispositivo de medição de referência termofísica
A peça de ensaio é dividida em três peças, uma peça de ensaio no meio é mais fina e a peça de ensaio em ambos os lados é mais espessa. Entre a peça de ensaio e a peça de ensaio são colocados termopares e fixados por meio de fixações. Os sistemas de aquecimento incluem aquecedores e fontes de energia reguladoras para gerar calor estável. O sistema de chip único processa os dados de acordo com o algoritmo fornecido pelo princípio de teste e mostra os resultados para impressão.
O método de fonte de calor plana de potência constante mede os parâmetros termofísicos dos materiais e precisa ser explorado mais em termos de princípios metodológicos e técnicas experimentais. Para determinar com precisão os parâmetros termofísicos do material, além de medir com precisão a temperatura e o tempo, as seguintes condições experimentais devem ser cumpridas: (1) a amostra testada é homogênea e homogênea e suas propriedades são constantes; (2) o comprimento e largura da amostra são 8-10 vezes a espessura, ou seja, a amostra é semi-infinita e tem uma temperatura inicial uniforme e consistente; (3) Fonte de calor plano de potência constante; (4) A capacidade térmica do aquecedor é zero. Se as condições acima não forem satisfeitas, isso inevitavelmente causará erros de medição, portanto, esses fatores de erro devem ser analisados e corrigidos e as condições experimentais devem ser devidamente controladas e o dispositivo experimental melhorado para obter uma alta precisão [2-4].
3.1 Desenho de hardware do sistema
O sistema de teste de parâmetros termofísicos inteligentes de fonte de calor plana de potência constante é um sistema de teste de nova geração baseado em um único chip 8031 que usa um único chip para vários cálculos de dados de medição para excluir ou reduzir erros causados ​​por sinais de interferência, circuitos analógicos e fatores humanos.
O hardware do sistema é composto por sensores, circuitos de pré-amplificação, circuitos de controle de canal, circuitos de conversão modular, circuitos de visualização e controle de teclado, circuitos de accionamento e controle de impressão, sistemas de máquina única, circuitos de monitoramento e proteção de reserva do sistema, fontes de alimentação do sistema e do aquecedor, aquecedores, caixas de amostras e outros componentes. A composição do hardware do sistema é mostrada na Figura 3.

Figura 3 Diagrama da composição do hardware do sistema de teste
A curva de propriedade de temperatura-tensão do termopar é exponencial, e o sistema utiliza um algoritmo de um único chip para corrigir linearmente. Além disso, o divisório de termopar é desenvolvido com a temperatura do termopar frio igual a 0 ℃, se a temperatura do termopar frio não for igual a 0 ℃, o potencial térmico mudará com a temperatura do termopar frio, então o circuito de medição da temperatura do termopar deve ser corrigido. O sistema utiliza um sensor de temperatura integrado AD590 para compensar a extremidade fria do termopar. O esquema do circuito de hardware e do circuito de pré-amplificação do compensador de termopar frio baseado na lei da conexão de termopar e na lei da temperatura média é mostrado na Figura 4.

Figura 4 Esquema do circuito de compensação de termopar frio e pré-amplificação
O circuito de conversão analógica usa o conversor A / D de integração dupla ICL7135, através do teclado para configurar vários estados de trabalho e exibir em diferentes formas no monitor, a principal função do circuito de controle de impressão é controlar o movimento mecânico da cabeça de impressora micro, o circuito de proteção de reserva de monitoramento do sistema é projetado para evitar que o sistema de máquina de um único chip seja desconectado instantaneamente, a rede elétrica não esteja voltada e o software "corra".
3.2 Desenho de software
O software do sistema é um componente essencial do sistema de teste, que inclui módulos de gerenciamento do sistema, computação de dados, gerenciamento de impressoras, configuração de parâmetros, filtragem de aquisição de dados, termopotencial de termopar - transformação de temperatura, processamento de interrupções, gerenciamento de relógios e outros módulos. As funções podem ser completadas combinando-as organicamente em uma certa hierarquia através de módulos de gerenciamento de sistemas. O diagrama de fluxo do software de gerenciamento do sistema é mostrado na Figura 5.

Figura 5 Diagrama de fluxo do software de gerenciamento do sistema
4 Resultados do teste
O coeficiente de condutividade térmica da espuma de poliamônica foi testado usando um sistema de teste de parâmetros termofísicos inteligentes e comparado com instrumentos de teste tradicionais. Especificações do material testado são: material de teste 1: 200 × 200 × 65 mm; material de teste 2: 200 × 200 × 22 mm; material de teste 3: 200 × 200 × 90 mm. Os resultados do teste são mostrados na tabela 1. Os resultados experimentais mostram que os sistemas de teste inteligentes são melhores para a reprodutividade, a variação média e os erros relativos dos valores medidos para o condutor térmico do que os instrumentos de teste tradicionais. Depois de considerar os fatores que afetam a precisão do teste, o erro do teste do condutor térmico é inferior a ± 4%.
Tabela 1 Resultados do teste de condutividade térmica da espuma poliamônica (W/m.℃)
Tipo de instrumento de fonte de calor plana
Número de experimentosSistema de teste de parâmetros termofísicos inteligenteSistema de teste de condutividade térmica tradicional
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
Média 0,027859 0,02809
Variação média 1,159776×10-4 4,39299×10-4
Erro relativo 3,18% 4,04%