智能导热系数测试仪测控系统的设计[毕业论文]

机电毕业设计论文：智能导热系数测试仪测控系统的设计含毕业论文

智能导热系数测试仪测控系统的设计[毕业论文]

摘 要

导热系数是表征物质热传导性质的物理量，材料结构的变化与所含杂质的不同对导热系数值都有明显的影响。导热系数作为衡量建筑材料保温性能，表征料传热能力的重要指标一直为人们所重视，材料的导热系数经常需要由实验具体测定，目前大多使用电位差计和电流计来人工测定计算导热系数，其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果容易受到人为因素的影响。

随着我国经济和科学技术的发展，新产品、新材料不断涌现，工业、农业、建筑、地质、等部门对新产品、新材料的导热系数测量越来越多，精度要求也越来越高，面对科研、生产的高要求，用微机和智能控制方法构成的一种新型的数字测控系统十分必要，智能导热系数的测控系统提高了保温材料特性测试的自动化和智能水平，同时提高了测量的效率和测试的精度，减轻了人员的劳动强度。

本次设计的任务是智能导热系数测试仪测控系统的设计。本测控系统主要功能是通过加热模块对被测保温（绝热）材料的两侧进行加温。当两侧温度达到稳定时，形成稳定的温差。该温差形成一个稳定的热流通过被测材料。根据此温差和材料的几何尺寸等参数和计算公式就可计算得出该材料的导热系数。
因此，本设计任务主要包括：材料两侧的温度测量、温度控制、稳温状态的判定和导热系数的计算、被测材料几何参数的输入、导热系数结果的显示等。通过任务分析、方案比较确定和电路设计，较好的实现了导热系数测试仪测控系统的设计任务。

关键词：微型处理器，导热系数，智能，温度控制，功率驱动

Abstract

The coefficient of transmitting heat is described as a physics context which tokens the heat conduction character of material. The coefficient value of transmitting heat is strongly affected by the changing of material construction and the different impurity which the material contains. The coefficient of transmitting heat, as the important index which measures the heat preservation function of the building materials and tokens the transmitting heat ability which the material has, is paid more attentions all the time. The coefficient of transmitting heat of the material is always requested to be measured in experiment. Nowadays the electric potential difference counts and the galvanometer are used to measure the coefficient of transmitting heat in most case, which exists some shortcomings: the low automation degree , the bad performance in general use, the complicacy regulate process ,the measure results are easily influenced by artificial factors.

Along with the development of the economy and science technique in our country, there present a lot of new products and new materials. In the industrial agricultural department, and building departments, more and more measurements are needed to obtain the coefficient of transmitting heat of the new product, the measuring accuracy is requested to be higher. In the face of the requirement for scientific research and industrial production, it is quite necessary to design a new digital measuring system with the microcomputer and the intelligence control technique. Intelligent system which measures the coefficient of transmitting heat improves the automation and intelligence level. At the same time, it improves the measure efficiency and the test accuracy, alleviates the personnel's labor strength.

The task of this design is to design and finish a measure system which contains a intelligent machine measuring the coefficient of transmitting heat.It mainly designs to collect the temperature of the material which is to be measured with thermo-element on the condition that the temperature controlling module makes the measuring condition reaching a stably level .And then amplifier, convert it from analog to digital, deliver it and the conduct in the whole controlling module, then convert the processed signal from digital to analog signal, control the heating efficiency. Then it designs the communication between the upper and below computer and the communicating bus among each module, and so on. Finally we finish the task which contains the measure of the coefficient of transmitting heat which the material have, and the manifestation of the data result with CRT. And what’s more, the measure result could be printed out from the printer at any time.

By the designing of the each module above, we complete the measuring function of the machine which measures the coefficient of transmitting heat, and obtain quite a good result which we look forward to. The design result proves that the measuring system with high intelligence and automation level improves the intelligence and automation level in measuring the characters of the preserving heat material, meantime, improves the measure efficiency and the test accuracy.

Key word: MCU, The coefficient of transmitting heat, intelligence, Temperature controlling

目 录

第一章、绪论
第二章、导热系数的测试方法和测试原理
2．1导热系数的测试方法
2．1．1 稳态方法测量法
2．1．2动态（瞬时）测量法
2．2导热系数的测试原理
2．3影响绝热材料导热系数的主要因素
第三章、专用电炉的设计
第四章、智能导热系数测试仪硬件系统的设计
4．1 上位机
4．2 下位机
4．2．1 模/数转换器
4．2．2 数/模转换器
4．2．3 温度传感器
4．2．4 信号放大电路
4．2．5 温度控制电路
第五章、智能导热系数测试仪软件系统的设计
5．1软件功能分析
5．2面板设计及软件程序框图
第六章、系统通信的设计
6．1 系统总线的简介
6．2上下位机之间的通信总线的选择与实现
6．3 PI总线的特点和PI-BIU的设计流程
第七章、智能导热系数测试仪整机操作说明
结语与谢辞

参考文献

第一章、绪论

导热系数作为衡量建筑材料保温性能，表征料传热能力的重要指标一直为人们所重视，材料的导热系数经常需要由实验具体测定，目前大多数的人工测定计算导热系数，其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果容易受到人为因素的影响。因此，没有先进的计算机技术，复杂的测控系统是难以实现的。

本设计属于典型的稳态法平板式导热系数测定法 对试块和专用电炉的应用来讲，符台无限大平板式稳态测量原理，满足稳态傅立叶导热公式的应用条件。

电炉设计合理，尤其其升温速率很快，这样可以缩短测量周期，是本仪器的特色之一。固为使用了微机技术，可对各种金属、非金属进行 测量。其量程广泛，是本仪器特色之二。固为在单片机上使用了LabVIEW 软件包，不仅实现了软件代替硬件的原则，而且极大降低了编程时间。两个月底层编程时间可以缩减到十天，而且程序易于修改和链接本仪器从压一次“自动升温”虚拟按键开始，直至打印出测量结果，全部实现微机自调和管理，无需人工干预。可知，本设计是一套复杂的闭环测控系统。总之，本仪器是一台高质量，高速度和全自动化的新产品，在各行各业中有广泛的应用前景。

第二章、导热系数的测试方法和测试原理

2.1 导热系数的测试方法

2.1.1 稳态方法测量法

热流法导热仪：将厚度一定的方形样品（通常长宽各30cm，厚10cm）插入于两个平板间，设置一定的温度梯度。使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流，传感器在平板与样品之间和样品接触。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。

图2.1示出了一种新型的热流法导热仪。样品的厚度可达到10cm，长与宽为30到60cm之间。这种仪器能测量导热系数在0.005到0.5W/m•K之间的材料，通常用于确定玻璃纤维绝热体或绝热板的导热系数与k因子。选用不同类型的仪器，能够在-20℃到100℃之间测量。该方法的优点是易于操作，测量结果精确，测量速度快，但是温度与测量范围有限。

图2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪

图2.1 NETZSCH HFM436 Lambda 热流法导热仪，能在中等温度下对中低等导热系数材料进行测量分析。

保护热流法导热仪：对于较大的、需要较高量程的样品，可以使用保护热流法导热仪。其测量原理几乎与普通的热流法导热仪相同。不同之处是测量单元被保护加热器所包围，因此测量温度范围和导热系数范围更宽。

保护热板法导热仪：热板法或保护热板法导热仪的工作原理和使用热板与冷板的热流法导热仪相似。保护热板法的测量原理如图2.2所示。热源位于同一材料的两块样品中间。使用两块样品是为了获得向上与向下方向对称的热流，并使加热器的能量被测试样品完全吸收。测量过程中，精确设定输入到热板上的能量。通过调整输入到辅助加热器上的能量，对热源与辅助板之间的测量温度和温度梯度进行调整。热板周围的保护加热器与样品的放置方式确保从热板到辅助加热器的热流是线性的、一维的。辅助加热器后是散热器，散热器和辅助加热器接触良好，确保热量的移除与改善控制。测量加到热板上的能量、温度梯度及两片样品的厚度，应用Fourier方程便能够算出材料的导热系数。

图2.2 （保护）热板法导热仪结构原理图

相比热流法，保护热板法的优点是温度范围宽（-180到650℃）与量程广（最高可达2W/m•K）。此外，保护热板法使用得是绝对法——无需对测量单元进行标定。

2.1.2 动态（瞬时）测量法

动态测量法是最近几十年内开发的导热系数测量方法，用于研究高导热系数材料，或在高温度条件下进行测量。动态法的特点是精确性高、测量范围宽（最高能达到2000℃）、样品制备简单。

热线法：热线法是在样品（通常为大的块状样品）中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身的或与热线相隔一定距离的平板的温度随时间上升的关系。由于被测材料的导热性能决定这一关系，所以测定它是导热系数一种测量方法。

测量热线的温升有多种方法。其中交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升。平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升。热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系测量热线本身的温升。

待测样品的导热系数大小是选择正确方法的重要参考因素。交叉线法适用于导热系数低于2W/m•K的样品，热阻法与平行线法适用于导热系数更高的材料（测来囊先分别为为15 W/m•K与20W/m•K）。

某些热线法仪器可以使用上述全部三种方法。某些热线法仪器的测试温度范围为室温至1500℃。测试时将样品加热到所需的温度，待样品温度稳定后，就能开始进行热线测量。这一方法能够测量体积较大的样品，能对不均匀的陶瓷材料与耐火材料进行测试。

闪光扩散法：闪光扩散法，又称为激光闪射法，是一种用于测量高导热材料与小体积样品的技术。该方法直接测量材料的热扩散性能。在已知样品比热与密度的情况下，便可以得到样品的导热系数。闪光扩散法能够用比较法直接测量样品的比热；但推荐使用差示扫描量热仪，该方法的比热测量精确度更高。密度随温度的改变可使用膨胀仪进行测试 。

应用闪光扩散法时，平板形样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后，由激光仿生器或闪光灯产生的一束短促(<1ms)光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散，使样品背部温度的上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。必须注意，重要的是测量信号随时间的变化，测量信号的绝对高度并不重要。