温度传感器在测定不良导体导热系数实验中的应用

温度传感器在测定不良导体导热系数实验中的应用
姜芸;贾亚民;郭永利
【摘要】将单片计算机与温度传感器结合用于导热系数测定仪中测量温度,改进后的导热系数测定仪结构紧凑,操作简单、读数方便.
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2011(031)005
【总页数】4页(P26-28,32)
【关键词】导热系数;温度传感器;不良导热体
【作者】姜芸;贾亚民;郭永利
【作者单位】西安交通大学,理学院,陕西,西安,710049;西安交通大学,理学院,陕西,西安,710049;西安交通大学,理学院,陕西,西安,710049
【正文语种】中文
【中图分类】O414.1
1 引言
传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一,它与计算机技术、通讯技术共同构成本世纪信息产业的三大支柱产业.随着测量领域中各种技术的突飞猛进,尤其是传感器技术的发展,人们对于物理实验中测量的实时性、准确性和精密度等提出了更高的要求,常借助新开发的技术对传统的测量方法进行不断地改进.由于原来使用的导热系数测定仪在操作调整、测量数据精度等方面存在不足,所以通过采用温度
传感技术对“FDTC-B型导热系数测定仪”进行了改进,使该仪器结构更为紧凑,测控更加简便,从而提高了测量数据的准确度,有效地降低了实验误差.
2 实验装置
改进后的 FD-TC-B型导热系数测定仪结构如图1所示,主要由电加热器、铜质加热盘C和散热盘A、橡胶样品盘B、支架及调节螺钉、温度传感器及控温与测温器组成.
固定于底座的3个绝热螺钉支撑着散热盘A,散热盘A可以借助底座内的风扇,达到稳定有效地散热.散热盘上放置面积相同的样品圆盘B,样品B上是加热盘C,其面积与样品B的面积相同,加热盘C与单片机控制的自适应加热器相连,可以根据需要设定加热温度.
图1 FD-TC-B型导热系数测定仪装置图
2.1 温度传感器介绍
在改进后的导热系数测定仪中,采用Dallas半导体公司的DS1820单线数字化温度传感器来检测温度,向控制电路提供反馈信号,这种传感器是支持单线总线接口的传感器,以其独特而经济的特点,可用于组建多用复杂而可靠的传感器网络.它具有如下特点:
1)测温范围为-55～+125℃;
2)测温分辨率为0.062 5℃;
3)引脚排列如图2所示;
图2 DS1820温度传感器结构图
4)封装形式为 T0-92;
5)显示工作温度范围为0.1～100℃;
6)恒温控制温度为室温～80℃;
7)控制恒温显示分辨率为0.1℃.
2.2 温度传感器测温原理
DS1820通过单线接口发送或接收信息,在中央微处理器和DS1820之间仅需1条
连接线(加上地线).用于读写和温度转换的电源可从数据线本身获得,无需外加电源,
见图3,在单线接口条件下,必须先建立ROM操作协议,才能进行存储器和控制操作.1条控制操作命令指示DS1820完成1次温度测量.测量结果放在DS1820的暂存器里,用1条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出.
图3 传感器与单片机接口图
DS1820通过片上温度测量技术来测量温度.图4所示为DS1820传感器测温原理图.其测温原理是:用高温度系数的振荡器确定门周期,内部计数器在该门周期内对低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值.计数器被预置到对应于-55℃的1个值.如果计数器在门周期结束前到达 0,则温度寄存器(同样被预置到-55℃)的值增加,表明所测温度大于-55℃.同时,计数器被复位到1个值,这个值由斜坡式累加器电路确定,斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性.然后计数器又开始计
数直到0,如果门周期仍未结束,将重复这一过程.斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性,以期在测温时获得比较高的分辨力.这是通过改变计数器对温度每增加1℃所需计数的值来实现的.因此,要想获得所需的分辨力,必须同时知道在给定温度下计数器的值和每1℃的计数值.DS1820内部对此计算的结果可提供0.5℃的分辨力.温度以16 bit带符号位扩展的二进制补码形式读出,数据通过单线接口以串行方式传输.DS1820测温范围-55～+125℃,以0.5℃递增.
图4 DS1820传感器测温原理图
3 实验原理
在稳态时,设样品的上下平面温度分别为θ1和θ2,根据傅里叶热传导方程,在Δt时
间内通过样品的热量ΔQ满足[1]
式中λ为样品的导热系数,h B为样品的厚度,S为样品的平面面积,d B为样品的直径.
当传热达到稳定状态时,样品上下表面的温度θ1和θ2不变,这时可以认为加热盘C 通过样品传递的热流量与散热盘A向周围环境散热量相等.因此可以通过散热盘A 在稳定温度θ2时的散热速率求出热流量
实验时,当测得稳态时的样品上下表面温度θ1和θ2后,将样品B抽去,让加热盘C 与散热盘A接触,当散热盘的温度上升到高于稳态时的θ2值20℃或者20℃以上后,移开加热盘,让散热盘在电扇作用下冷却,记录散热盘温度θ随时间t的下降情况,求出散热盘在θ2时的冷却速率,则散热盘A在θ2时的散热速率为
其中m为散热盘A的质量,c为其比热容.
在达到稳态的过程中,A盘的上表面并未暴露在空气中,而物体的冷却速率与它的散热表面积成正比,为此,稳态时铜盘A的散热速率的表达式应作面积修正:
其中R A为散热盘A的半径,h A为其厚度.由(1)式和(3)式可得:
所以样品的导热系数λ为
4 实验数据与结果
室温为20℃,样品为橡胶圆盘,散热盘比热容(紫铜):c=385 J/(kg·K),m A=891.42 g.散热盘A的各量测量如表1所示.
表1 散热铜盘A和样品B各量的测量值n 2R A/mm h A/mm 2R B/mm h
B/mm 1 130.14 7.86 129.92 8.082 130.18 7.76 129.84 7.96 3 130.16 7.84 8.08 4 130.20 7.80 8.04 5 130.12 7.90 7.98平均值 130.16 7.83 129.78 8.03
稳态时(10 min内温度基本保持不变),样品上表面的温度示值θ1=80.2℃,样品下表面温度示值θ2=45.0℃.
散热盘A加热后自然冷却,每隔10 s对其测温,数据如表2所示,冷却曲线如图5所示.
表2 散热铜盘A自然冷却时,每隔10 s温度记录t/s θ/℃ t/s θ/℃10 48.0 80
44.6 20 47.5 90 44.1 30 46.9 100 43.6 40 46.4 110 43.3 50 45.8 120 42.8 60
45.4 130 42.5 70 45.0 140 42.1
作冷却曲线,取临近θ2温度的测量数据求出冷却速率将以上数据代入
式(5)计算得到:
图5 散热盘A的冷却曲线
查阅相关资料知,橡胶在室温为20℃条件下,测定的导热系数为0.13～0.23
W/(m·K)
5 结束语
不良导体导热系数测定实验中采用了DS1820传感器,可使改进后的测定仪具有3方面的优点:1)仪器结构紧凑.原系统中,采用温差电偶测量温度,而温差电偶导线较细,易于折断,出现测量故障,改进后用较粗的传感器连线,控制和测量温度时,接触性能较好,不易脱落.2)测控方便.原系统中,加热盘和散热盘的温度可控性较差,改用单片机自适应控制测温传感器,可根据需要自动控制加热盘和散热盘温度.3)实验精度高,误差小.用传感器测温,精度可达0.1℃.
参考文献:
【相关文献】
[1] 王红理,黄丽清.大学物理实验[M].西安:陕西科学技术出版社,2009:100-105.
[2] 贾玉润,王公治,凌佩玲.大学物理实验[M].上海:复旦大学出版社,1986:171-173.
[3] 王槿,钱钧.EDA和传感器技术在空气比热容比测定装置中的运用[J].物理实验,2009,29(4):41-43.
[4] 贾振国.DS1820及其高精度温度测量的实现[J].电子技术应用,2000(1):58-59.。