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JF-12型导热系数测试仪
一、 概述
导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的热学特性的依据，而且是材料在应用时的一个设计依据，在加热器，散热器，传热管道设计，房屋设计等工程中都要涉及这个参数。因为材料的导热率不仅随着温度压力变化，而且材料的杂质含量，结构变化都会明显影响热导率的数值，而且在科学实验和工程技术中对质材料的热导率常用实验的方法测定。
测量热导率的方法大体上可分为稳态法和动态法两类。本测试仪采用稳态法测量不同材料的导热系数，其设计思路清晰，简捷，实验方法具有典型性和实用性。测量物质的导热系数是热学实验中的一个重要内容。
本测试仪由加热器，数字电压表，计时秒表等组成（采用一体化设计）
二、 主要技术指标
1、 电源：AC（220±10%）V，（50/60）Hz
2、 数字计时秒表:计时范围:0~100min;小分辨1S;精度:10-5
3、 测量温度范围:室温~100。C(高加热温度120。C)
4、 加热电压: 36VAC
5、 散热铜板:半径:65mm 厚度:7mm 质量:815g
(以上的参数已在每一块铜板上标注以上提供的仅为参考值)
6、 测试材料:硬铝橡皮空气等
7、 连续工作时间:>8小时
三、 仪器维护与保养
1、 使用前将加热盘与散热盘的表面擦干净。样品两端面擦净可涂上少量硅油。以保证接触良好。
2、 在实验过程中，如若移开电热板，应先关闭电源。移开热圆筒时，手应拿住固定轴转动，以名烫伤手。
3、 实验结束后，切断电源，保管好测量样品。不要使样品两端划伤，以至影响实验的精度。显度显示表数字出现不稳定时先查热电偶及各个环节的接触是否良好。
4、 仪器在搬运及放置时，应避免强烈振动和爱到撞击。
5、 仪器长时间不使用时，请套上塑料袋，防止潮湿空气长期与仪器接触。房间内空气湿度应小于80%。
6、 仪器使用时，应避免周围有强烈磁场源的地方。
7、 长期放置不用后再次使用时，请先加电预热30min后使用。
四、 成套性
1、JF-12型导热系数测试仪 1台
2、电源线 1根
3、测量热电偶 2根
4、测试样品（硬铝，橡皮） 1组
5、使用说明书 1份
6、产品合格证明 1份
五、 售后服务
在用户遵守保管和使用规则的条件下，从发货之日起十二个月内因产品质量不良而发生的损坏或不能正常工作时，制造厂应无偿地为用户修理或更换零部件。
导热系数的测量
导热系数（热导率）是反映材料热性能的物理量，导热是热交换三种（导热，对流和辐射）基本形式，是工程物理，材料科学，固体物理及能源，环保等各个研究领域的课题，要认识导热的本质和特征，需了解粒子物理而目前对导热机理解大多数来自固体物理的实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子，分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构，温度，压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中所用材料的导热系数都需要用实验的方法测定。（粗略的估计，可以热学参数手册或教科书的数据和图表中可是查寻）
1882年法国科学家J.傅里叶奠定了热传导理论目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律基础之上从测量方法来说可分为两大类:稳态法和动态法本实验采用的是稳态平板法测量材料的导热系数。
【实验目的】
1、 了解热传导现象的物理过程
2、 学用稳态平板法测量材料的导热系数
3、 学用作图法求冷却速率
4、 掌握一种用热电转换方式进行温度测量的
【实验仪器】
1、 JF12导热系数测试仪 1台
2、 测试样品（硬铝，橡皮） 1组
【实验原理】
为了测定材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出：如果热量是没着Z方向传导，那么在Z轴上任一位置Z0处取一个垂直截面积dS（如图1）以dTdz表示在Z处的温度梯度以dQdt表示在该处的传热速度(单位时间内通过学截面积dS的热量热)
dTλ dd
dz dd
利用（S1-1）式测量材料的导热系数λ，需解决的关键问题两个：一个是在材料内造成温度梯度
dTλ dd
dz dd
dQλ dd
dtλ dd （图1）
1、 dzλ dd dTλ dd
关于温度梯度
上铜板 下铜板 样品 散热 传热 加热
到平衡时，可以认为同一铜板各处的温度相同，样品内同一平行平面上各处的温度也相同。这样只要测出样品的厚度h和两块钢板的温度T1和T2，就可以确定样品内的温度梯度度T1-T2/h，当然这需要铜板与样品表面的紧密接触，无缝隙，否则中间的空气层将产生热阻，使得温度梯度不准确。为了保证样品中温度场的分布具有良好的对称性，把样品及两场铜板都加工成等大的圆形。
dQλ dd
2、 dtλ dd
单位时间内通过一截面的热量dQ/dt是一个无法直接测定的量，我们设法将这个量转化为较为容易测量的量，为了维持一个恒定的温度梯度分布，必须不断地给高温侧铜板加热，热量通过学样品传到低温侧铜块，低温侧铜块则要将热量不断地向周围环境散出。当加热速率，传热速率与散热速率相等时，系统就达到一个动态平衡状态，称之为稳态。此时低温侧钢板的散热速率就是样品内的传热速率。这样，只要测量低温铜板在稳态温度T2下散热的速率，也就间接测量季风了样品内的传热速率。但是，铜板的散热速率也不易测量，还需要进一步作参量转换，我们已经知道，铜板的散热速率与共冷却速率（温率变化率dT/dt）有关，其表达式为
dQλ dd dTλ dd
dtλ dd dtλ dd T2λ dd = -mc dd T2λ dd （S1-2） dd
dTλ dd
式中的m为铜板的质量，c为铜板的比热容，负号表示热量向低温方向传递，因为质量容易直接测量，C为常量，这样对铜板的散热率的测量又转化为对低温侧铜板冷却速度的测量。测量铜板的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去样品，用加热铜板直接对下金属铜板加热，使其的温率高于稳定温度T2（大约高出10℃左右）再让其在环境中自然冷却，直到温度低于T2，测出温度在大于T2区间到小于T2区间中随时间的变化关系，描绘出T—t曲线，曲线在T2处的斜率就是铜板在稳态温度时T2下的冷却速率。
dtλ dd
应该注意的是，这样得出的 是在铜板全部表面暴露于空气中的冷却速率其散热面积为2∏Rp2 +2∏php（其中Rp和hp分别是下铜的半径和厚度）然而在实验中稳态传热时，铜板的上表面（面积为∏Rp2）是样品覆盖的，由于物体的散热速率与它们的面积成正比，所以稳态时，铜板散热速率的表达式应修正为：
=-mc dd dTλ dd ·λ dd ∏Rp2 +2∏php dd 2∏Rp2 +2∏php dd dtλ dd dQλ dd （S1-3） dd dtλ dd
根据前面的分析，这个量就是样品的传热速率。
将上式代入热传定律表达式，并考虑到ds = ∏R2 可以得到导热系数：
-mc dd 2hp +RP dd 1λ dd h dT dd
（S1-4） dd ·λ dd dt dd ·λ dd T1-T2 dd ∏R2 dd ·λ dd 2hp +2RP dd
λ=
T1=T2 dd
式中的R为样品的半径，h为样品的高度，m为下铜板的质量，C为铜块的比热容，hp 和RP分别是下铜板的半径和厚度。右式中的各项均为常量或直接易测量。
【实验步骤】
1、 先放置好待测样品及下铜板（散热盘），调节下圆盘托架上的三个微调螺丝，使待测样品与上下铜板接触良好。安置圆筒，圆盘时，须使放置电偶的洞孔与杜瓦瓶同一侧。热电偶插入铜墙铁壁盘上的小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，使热电偶测温端与铜盘接触良好，热电偶冷端插在冰水混合物中。
2、 将电压选择开关打在（0）位置，参照附录（三）智能温度控制器使用说明书设定好上铜板的加热温度对上铜板进行加热。
3、 上铜板加热到设定温度时，同时通过信号选通开关将信号选通开关打在（1）测量上铜板的温度。当上铜板的温度保持不变时（可通过温控仪的温度显示来观测）。记录下此时上铜板（T1），在不断地给高温侧铜板（上铜板）加热，热量通过样品不断地传到低温侧铜板（下铜板），经过一定的时间后，当下铜板的温度基本不变时，将信号选通开关打在（Ⅱ）测量下铜板的温度，记录下此时下铜板的温度值（T2）。此时则可认为已达到了稳态。（大约在二分钟内下铜板的温度保持不变）
4、 移去样品，继续对下铜板加热，当下铜盘温度比T2高出10 0C左右时，移去圆筒，让下铜盘所有表面均暴露于空气中，使下铜板自然冷却。每隔30秒读一次下铜盘的温度示值并记录，直至温度下降到T2以下一定值。作铜板的T—t冷却速率曲线。（选取 邻近的T2测量数据来求出冷却速率）
5、 根据（S1—4）样品的导热系数λ
6、 设定上铜板不同的加热温度，在设定加热温度时，须高出室温30℃。设定不同的加热温度，测量出不同温度下样品的导热系数λ
【实验注意事项】
1、稳态法测量时，要使温度稳定约要40分钟左右。使T1读数在±0.1℃范围内，同时每隔30秒记下样品上，下圆盘A和P的温度T1和T2的数值，待T2的数值在2分钟内不变即可认为已达到稳定状态，记下此时的T1和T2值
2、测金属（或陶瓷）的导热系数时，T1 ，T2值为稳定时金属样品上下两个面的温度此时散热盘P的温度为T3。因此测量盘P的冷却速率应为：
1 ∏R2 dd ﹡ h T1-T2 dd ﹡ T=T3 dd △t △T ∴λ=mc T=T3 dd △t △T
测T3值时要在T1、T2达到稳定时，将上面测T1和T2的热电偶移下来进行测量。
3、圆筒发热体盘侧面和散热盘P侧面，都有供安插热电偶的小孔，安放发热盘时此二小孔都应与杜瓦瓶在同一侧，以名线路错乱，热电偶插入小孔时，要抹上些硅脂，并插到洞孔底部，保证接触良好，热电偶插冷端浸于冰水混合物中。
4、样品圆盘B和散热盘P的几何尺寸，可用游标尺多次测量取平均值。散热盘的质量m 约为0.8㎏可用药物天平称量.
附录一:部分材料的额度和导热系数
材料名称 | (20℃) | 导热系数 | ||||
导热系数 | 密度 | 温度(℃) | ||||
W/(m.k) | (㎏/㎡) | -100 | 0 | 100 | 200 | |
纯铝 | 236 | 2700 | 243 | 236 | 240 | 238 |
铝合金 | 107 | 2610 | 86 | 102 | 123 | 148 |
纯铜 | 398 | 8930 | 421 | 401 | 393 | 389 |
金 | 315 | 19300 | 331 | 318 | 313 | 310 |
硬铝 | 146 | 2800 | ||||
橡皮 | 0.13—0.35 | 1100 | ||||
电木 | 0.23 | 1270 | ||||
木丝纤维板 | 0.048 | 245 | ||||
软木板 | 0.044-0.079 | |||||
附录二:智能温度控制器使用说明书（以出厂型号为准）
使用本仪器前请阅读说明书以便正确使用并请妥善保存以便随时参考.
一、 按键名称及功能
h h h
1、指示灯（ALM1红）：报警指示灯，报警输出时点亮。
2、指示灯（ALM2红）：第二报警指示灯，第二报警输出时点亮（无触点输出）。
3、指示灯（AT绿）：自整定指示灯，工作时闪烁。
4、指示灯（OUT绿）：控制输出指示灯，控制输出工作时点亮
5、测量值（PV）：显示器（绿） ①显示测量值 ②显示参数名称
6、设定值（SV）：显示器（橙） ①显示设定值 ②显示参数内容
③显示控制回路异常 ④显示测量回路异常
7、设定键（SET）：SV设定：按SET键，SV显示器个位数码管闪烁，可用其余三键修改，按SET键确认并返回至正常显示SV。
8、加数键（▲）：在参数设定状态下，作加数键。
9、减数键（▼）：①在正常显示状态下，作当前输出值显示用
②在参数设定状态下，作减数键。
10、自动/手动（◣）：①在正常显示状态下，作自动/手动切换用
②在参数设定状态下，作移位键用
二、操作说明
（1）参数设定过程：1、按SET键三秒后进入内部参数更改或设定。
2、过30秒不操作按键，将从目前的更改状态返回到PV/SV（测量，显示）显示模式。
（2）内部参数的设定：
1、按SET键三秒以上后，进入内部参数菜单，此时（PV）窗口显示参数名称，（SV）窗口显示参数值。再按一下SET键移动到所要修改的参数。若要修改某一参数按以下三个键对内部参数作相应的修改。
①加数键（▲）：在修改某一参数时作加数键用。
②减数键（▼）：在修改某一参数时作减数键用。
③移位键（◣）：在修改某一参数时作移位键用。
2、设定好一个参数后，按一下SET键存储，同时进入下一个参数显示。如果只对一个参数作修改，在修改完毕后按一下SET键存储，等待30秒后返回到正常显示模式（PV/SV）显示模式——（PV）窗口显示测量的温度值
（SV）窗口显示设定的温度值
3、若同时对多个内部参数作修改在修改完一个参数后按一下SET键，同时再按SET移动到所需要更改的内部参数。在对所有的参数都更改完毕后，再次按一下SET键对所有更改过的内部参数进行存储，同时等等30秒后返回到正常显示模式（PV/SV显示模式）。
4、按SET键可顺序显示下表参数符号及各符号的意义。
符号 | 名称 | 设定范围 | 说明 | 出厂值 |
AL-Ⅰ | 热报警 | -1999~+9999 | 热报警 | 150 |
AL-Ⅱ | 第二热报警 | 第二热报警 | -50 | |
P | 比例带（加热侧） | 全量程的 0.1~200.0% | 执行PIPD或PID控制需设立此值 | 随机 |
I | 积分时间 | 0~360sec设定为0时成为PI控制 | 设定积分时间以解除比例控制所发生之残余偏差 | 随机 |
D | 微分时间 | 0~360sec设定为0时成为PI控制 | 设定微分时间以防止输出的波动提高控制稳定性 | 随机 |
AT | 自整定 | ON:自整定功能开启OFF: 自整定功能关闭 | 自整定方式的选择 | OFF |
T | 继电器比例控制周期 | 1~200sec | 设定继是器控制的动作周期加热/制冷PID动作时设定加热侧控制输出周期 | 20 |
db | 比例带 | 全量程的 0~10% | 设定(加热侧)比例带与(制冷侧)比例带之间控制动作不感带庙宇负数即成重叠 | 0.0 |
Hy | 主输出的滞后宽度 | 1000码 | 只有主控制输出为ON/OFF时才有 | 2 |
Hy-1 | 报警回差 | 1000码 | 用于报警触点输出的回差设定 | 2 |
Hy-2 | 第二报警回差 | 1000码 | 用于报警触点输出的回差设定 | 2 |
Pb | 过程值偏置 | ±1000码 | 传感器的测量值与此值相加作为PV值 | 0 |
USTP | 低PV值自整定修正 | 全量程值的0.0~100.0% | 自整定时用于减少温度的过冲 | 0 |
PILT | 滤波系数 | 0~1 | 是测量采样的软件滤波常数常数大测量值抗干扰能力强但使测量速度和系统响应时间变慢 | 0.5 |
Sn | 输入类型 | 按信号而定 | 具体见输入表 | pt |
P-SH | 高满度显示值设定 | 按具体需要 | 可设定输入信号的高满度显示值 | 120 |
P-SL | 低满度显示值设定 | 按具体需要 | 可设定输入信号的高满度显示值 | -50 |
OUTH | 允许输出大值 | 0.0~100.0% | 可实现输出高限幅位式输出时无作用 | 100.0 |
OUH | 允许输出小值 | 0.0~99.9% | 可实现输出高限幅位式输出时无作用 | 0.0 |
ALP1 | 报警定义 | 按具体需要 | 0为定值报警 1为跟随报警 | 0 |
ALP2 | 第二报警定义 | 按具体需要 | 0 | |
COOL | 正反作用选择 | ON/OFF | ON正作用(制冷输出) OFF反作用(加热输出) | OFF |
OP-A | 主控输出方式 | 按具体需要 | SSr SSR驱动电平输出和可控硅过零触发脉冲输出 Rlp继电器输出 OnoF继电器位式控制输出 | rlp |
OPPO | 开机输出功率 | 0.0~100.0% | 首次上电后仪表的输出功率 | 0 |
C0F | 测量单位显示 | C或0F | 摄氏度或华氏度显示选择 | ℃ |
d p | 显示精度 | ON/OFF | ON显示精度为0.1℃OFF显示精度为1℃ | ON |
三、故障及报警发生时的显示
故障名 | PV显示器 | SV显示器 | 指示灯 | 控制输出 | 变送输出 |
1、以下致命故障 | 无测量数据可显示，PV显示器长时间显示提示符 | ||||
温度补偿故障 | -Cb- | 设定值 | 设定值 | 0 | 0 |
输入信号太大（正量程） | HHHH | 设定值 | 0 | 0 | |
输入信号太小（负量程） | LLLL | 设定值 | 0 | 0 | |
2、以下一般故障（报警） | 测量数据可显示，SV显示器交替显示设定值/提示符（3sec/0.5sec） | ||||
报警 | 测量值 | 设定值 | ALM1 | 控制量 | 实际值 |
第二报警 | 测量值 | 设定值 | ALM2 | 信号 | 实际值 |
四、有关参数的设定及功能的解释：
1、仪表的自整定功能（AT）：
（1）在内部参数层中将自整定功能（AT）设置成ON后，按SET键启动自整定功能，（自整定系统的P，I，D参数）。仪表返回至PV/SV显示，而面板上AT灯开始闪烁，同 时（SV）窗口交替显示庙宇的温度值和自整定符事情“AT”。
（2）注意：在将自整定功能（AT）设置成ON后，在整个自整定过程中，系统不允许修改任何值（包括加热上限温度的设定），若要修改参数先将（AT）设置成OFF。
（3）低SV值的自整定：为防止自整的调太大，可以在低于设定值SV的某一个值处进行自整定，这个低于的量由仪表量程P—SH（高满度显示值设定）/P—SL（低满度显示值设定）和USTP（低PV值自整定修正）共同决定；USPT值是量程的百分比，在0—400度量程下，如果USPT=2.0那么实际降低的值为(400—0)×2.0%=8也就是说在自整定状态下值将降低8℃。
2、手动/自动无扰动切换：在PV/SV显示状态下，按◣键一下，SV显示器千位数上出现H，后三位表示当前输出功率的百分数（0.0～99.9%）可用▲，▼键来调整输出值，退出手动状态，返回自动控制输出状态，只要再按一下◣键即可。
3、输出值显示：在PV/SV显示状态下，按▼键一下，SV显示器千位数上出现P后，后三位则为当前的输出值，再按一下返回，过20秒自动返回。
4、变送输出（采用OP-b输出口）：利用仪表的高满度显示值（P—SH）设定和低满度显示值（P—SL）设定功能，可将仪表的测量值对应为任意范围的线性电流输出，变送精度在0~20mA范围内，精度优于0.5%，误差小于0.1 mA。
5、阀位控制：利用仪表的允许调节输出大值（OUTH）和小值（OUTL）功能，可实现对阀门位置的上限和下限进行软件限制。手动功能可以手动调节阀门位置，输出功能在手动及自动控制状态下均可显示阀门位置。
（1） HY—位式控制输出的滞后宽度（不灵敏区）。如HY设定为1℃，则仪表将在控制点的±1℃外改变输出。
（2） HY—1和HY—2报警控制输出的回差，如HY—1设定为1℃，则仪表将在大于控制点和小于控制点—1℃时动作。
（3） P—比例带设定：当温度有规律波动（系统振荡）时，应增加比例带，当温度无规律漂动时，应减小积分时间。
（4） I—积分时间：当温度有规律波动（系统振荡）时，应增加比例带，当温度无规律漂动时，应减小比例带。
（5） D—微分时间设定：微分时间的增加有助于减小系统的温。
（6） db—冷侧比例带与加热侧比例带的不重叠区，当db大于0时，加热与冷却输出不重叠，节能，但控制输出在冷热交替处时系统不易稳定；当db小于0时，加热与冷却输出不重叠，能量消耗较大，但控制输出在冷却交替处时系统容易稳定。
五、注意事项
1、仪表在以下环境：大气压力：86—106Pa，环境温度：0—40℃
相对湿度：45—85%RH
2、仪表使用时应注意以下情况：
（1）、环境湿度的急剧变化可能引起的结露。
（2）、腐蚀性，易燃气体。
（3）、直接震动或冲击主体结构。
（4）、水，油，化学品，烟雾或蒸汽污染。
（5）、过多的灰尘，盐分或金属粉末
（6）、空调直吹
（7）、阳光的直射
（8）、热辐射积聚之处。
