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双平板式导热系数测定仪的研制

作　者: 郝丽宏
导　师: 林凌
学　校: 天津大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 导热系数热阻隔热材料稳态导热 MSC1212
分类号: TH81
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

导热系数表征着物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数之一，对于材料的使用具有重要指导意义。导热系数的测量方法以及仪器装置也在不断的发展和完善。其中，广为采用的保护热板法基于傅里叶一维稳态导热原理测量材料的导热系数，具有量程广、无需在测试前进行系统标定等优点。然而，现有基于保护热板法测量材料导热系数的仪器还存在着智能化程度不高、功能单一、测量精度有待于进一步提高等问题。因此本课题研制了一种新型双平板式导热系数测定仪，可以对建筑材料为代表的隔热材料进行热阻、导热系数的高精度测量。仪器由双平板装置（炉体）和智能测控系统两部分组成，前者从结构上保证实现保护热板法要求的一维稳态导热，后者主要实现以下功能：提供人机对话界面、信号采集与处理、过程控制、参数计算。智能测控系统的设计是本文论述的主要内容，其中的测控模块的设计对导热系数的测量精度起关键作用，也是决定整机性能的关键，其工作包括：运用控制算法控制加热器、制冷器，使系统快速、稳定、准确地进入一维稳态导热，利用高精度的测量电路进行温度、功率信号的精确测量，计算得到精确的导热系数。本文从测量原理、总体设计、通用微处理器模块设计、测控模块设计、系统评估实验几方面对仪器的装置结构、硬件电路、程序设计、控制算法等逐一进行了阐述，分析了现场调试中可能存在的问题。本论文工作的突出之处主要表现在三个方面。第一，高度智能化设计使仪器不但界面友好，而且在使用功能上有所扩展：不但可以测量特定温度差和平均温度下的导热系数，而且可以测量某一温度范围内固定温差下的多个算术平均温度点的导热系数，在上述测量结束时还可以选择测量材料的热扩散特性；第二，在测控系统的电路设计上体现了“器件解决”思想，在提高测量精度的同时又大大简化了测量电路；最后，控制算法方面运用了基本PID控制与模糊控制相结合的控制算法，达到了较高的控制精度和速度，而且对于类似问题的解决具有借鉴意义。

全文目录

第一章绪论  8-12
  1.1 引言  8
  1.2 保护热板法测量材料导热系数的现状  8-10
  1.3 本课题的研究意义和本论文的主要内容  10-12
第二章导热系数测量的理论基础和仪器总体设计  12-20
  2.1 傅里叶导热定律(导热热流速率方程)  12-13
  2.2 一维稳态导热分析  13-14
  2.3 材料导热系数的影响因素分析  14-16
  2.4 本课题基于的测量原理  16
  2.5 仪器总体设计  16-20
    2.5.1 炉体部分  16-17
    2.5.2 智能测控部分  17-19
    2.5.3 电源的选择  19-20
第三章通用微处理器模块设计  20-33
  3.1 高集成度混合信号芯片MSC  20-22
  3.2 人机接口  22-29
    3.2.1 脉宽编码式按键接口电路  22-27
    3.2.2 液晶接口电路  27-28
    3.2.3 打印机接口电路  28
    3.2.4 报警器接口电路  28-29
  3.3 带有实时时钟的外部数据存储器接口  29-30
  3.4 与计算机的串行通信接口  30-32
  3.5 MSC1212的时钟电路和复位电路  32-33
第四章测控模块的设计  33-55
  4.1 温度信号的测量  33-45
    4.1.1 热电偶的应用技术  33-39
    4.1.2 MSC1212中的Δ－ΣADC  39-43
    4.1.3 本系统中的测温电路  43-45
  4.2 功率信号的测量  45-46
  4.3 控制电路  46-48
    4.3.1 加热器及其供电电源  46-47
    4.3.2 制冷器及其供电电源  47-48
    4.3.3 用DAC控制开关电源  48
  4.4 控制算法及其应用  48-53
    4.4.1 比例积分微分(PID)控制  49-51
    4.4.2 模糊(FUZZY)控制  51-52
    4.4.3 FUZZY－PID复合控制  52-53
    4.4.4 控制算法在本系统中的应用  53
  4.5 测控模块的程序设计  53-55
第五章系统评估实验  55-62
  5.1 实验方法  55-56
  5.2 实验结果  56-60
  5.3 讨论  60-62
第六章总结与展望  62-63
参考文献  63-65
硕士期间发表论文和参加科研情况  65-66
致谢  66

双平板式导热系数测定仪的研制

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