防护热板法高温导热系数测定仪关键技术研究

摘要

导热系数是衡量隔热材料热物性的重要参数之一，隔热材料导热系数的准确获取与航空航天、建筑节能等领域的研究和发展紧密相关。防护热板法是测量隔热材料导热系数最精确的方法，目前国内基于此方法的导热系数测定仪测量温度范围在常温附近，高温需求明显，因此实验室相继研制了第一代和第二代高温导热系数测定仪。第一代高温导热系数测定仪实现了测量功能，第二代高温导热系数测定仪在第一代的基础上对机械结构的一些不足进行了改善，提出了基于不同厚度的标定方法，但对测试栈体的温度分布和各构件的相互影响认识不足，温度控制精度有待提高、测量效率仍然较低。对这些问题涉及的关键技术进行研究具有重要的意义。
　　本课题在第二代高温导热系数测定仪的基础上，通过有限元ANSYS软件对测试栈体的温度分布和构件布局对温度的影响进行仿真分析，从而优化机械结构;设计温度采集模块和多热电偶校准炉，实现温度的准确控制和校准;提出了基于动态周期识别的系统稳定状态判断方法，实现测量效率的提高。
　　本文完成的主要工作有:
　　1.介绍导热系数基本概念和主要测试方法，然后阐述了防护热板法导热仪的国内外发展现状和趋势，指出了基于防护热板高温导热系数测定仪的关键技术和实验室第二代样机的优缺点，最后说明了本课题的研究目的和内容。
　　2.介绍傅里叶一维传热定律和导热系数计算公式，然后介绍防护热板法测量原理，最后是机械结构的设计，并对测试栈体整体温度分布、外护板对热场的影响进行了仿真分析和机械优化。
　　3.设计了仪器的温度采集模块，包括方案选型、冷端补偿、模拟前端设计、AD采样电路、通信接口和软件设计，以及温度采集实验。
　　4.多热电偶校准炉设计，包括对多热电偶插孔均温块、加热丝和钣金的机械设计，E5CC温控和加热电路设计，热电偶标定实验。
　　5.仪器快速测量方法研究，介绍卡尔曼滤波理论和算法，以及基于卡尔曼滤波的PID温度控制;描述了基于动态周期识别的系统稳态判断方法，最后是人机交互软件设计和测量实验。
　　6.结论与展望，对论文的主要结论进行总结，并指出尚存问题，以明确后期努力方向。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 防护热板法高温导热系数测定仪的现状

1．3 课题研究目的和内容

第二章 仪器工作原理和机械结构设计与仿真优化

2．1 仪器工作原理

2．1．1 导热基本定律

2．1．2 一维稳态传热分析

2．1．3 防护热板法导热系数测量原理

2．2 机械结构设计与仿真优化

2．2．1 仪器机械结构设计

2．2．2 测试栈体整体温度分布

2．2．3 外护板对热场的影响

第三章 温度采集模块设计

3．1 温度采集设计方案探讨

3．1．1 整体方案选择

3．1．2 基于微控制器的方案选择

3．2 冷端补偿

3．2．1 补偿器件

3．2．2 补偿电路

3．3 模拟前端

3．3．1 信号输入

3．3．2 滤波电路

3．3．3 放大电路

3．4 AD采样电路

3．5 通信接口

3．6 程序设计

3．7 温度采集模块实验

第四章 多热电偶校准炉设计

4．1 热电偶校准炉现状

4．2 机械设计

4．3 温控和加热电路设计

4．4 热电偶标定实验

第五章 仪器快速测量方法研究

5．1 卡尔曼滤波理论

5．1．1 卡尔曼滤波算法

5．1．2 标量卡尔曼滤波算法

5．2 基于卡尔曼滤波的PID温度控制

5．2．1 PID算法

5．2．2 基于卡尔曼滤波器的PID控制算法

5．2．3 基于卡尔曼滤波器的PID温度控制实验

5．3 系统稳态判断方法的提出

5．4 基于动态周期识别的系统稳态判断方法

5．5 人机交互软件设计

5．5．1 主程序

5．5．2 工况测量子程序

5．6 不同系统稳态判断方法测量实验

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢