导热系数是表征物质导热能力的物理量,是很多场合都需要测定的热物性参数之一。测量方法有很多种,按热流状态一般分为稳态法和非稳态法。非稳态法具有快速、准确、温度范围和量程广等优点,近年来发展很快。 传统的导热系数测量仪器需要不断测量温度传感器的输出电压,记录时间,工作量大,重复性工作多,难以推广应用。特别是使用热线法测量不良导体材料时,由于测量过程中有效的升温时间只有数秒,不易实现温升和时间的同步准确测量,从而产生较大的方法误差,因此需要对传统的测量手段进行改进。 本文在论述各种导热系数测量方法的原理、特点和应用场合的基础上,对热线法进行了深入探讨,建立了数学模型并进行了求解,得出了测量公式,并对影响测量结果的因素进行了分析和讨论。 根据测量公式,深入阐述了温度、热流密度和时间等物理量的测量原理,介绍了原理电路,并进行了性能分析和电路参数的计算,最终研制出了基于“交叉热线法”和“热线比较法”原理的导热系数测定仪的原型样机。该仪器采用高性能单片机C8051F040作为下位机端的主控器件,由单片机及其外围电路、物料筒和热线、温度测量模块、热流密度测量模块、热线功率调节模块、人机接口模块和通信模块等七个部分组成,由于采用高精度测量元器件和先进的测量算法,仪器具有较高的测量精度。仪器的软件由上位机端和下位机端两大部分构成,下位机主要完成测量过程的控制和测量结果的显示,上位机端则实现测量数据的存储、管理和打印等功能。 论文详细阐述了测量系统的软件开发过程,给出了各模块的软件流程图,并在附录中给出了测量系统下位机端的部分C语言源程序清单。 论文最后对常温常压下干空气、颗粒状砂土和干燥水泥等3种不良导体材料的导热系数进行了实测验证,得到了不同条件下的实验数据,并对结果进行了分析讨论,总结出了影响导热系数的一些因素。数据显示,导热仪达到了5%的测量精度和重复精度,对粉末状固体和流体测量时一致性较好。与文献给出的传统测量手段相比,测量精度有了较大的提高,测量过程操作简单,对试样的破坏性小,具有良好的互换性。 结果表明,论文在理论和实验两方面的研究为热线法的智能化及工业应用的推广提供了一个比较系统、实用的途径,有一定的参考价值。