HWX-II（定電力平面熱源法）インテリジェント熱物理パラメータ試験器

本装置は定電力平面熱源法を用いて熱物理パラメータを試験するインテリジェント化方法を提供した。このシステムは測定精度が高く、自動化度が高く、操作が便利であるなどの特徴がある。試験の結果、熱伝導率と温度伝導率の試験誤差はいずれも±4%未満であった。
1：概要
物質熱物理パラメータは物質のマクロ物理量の1つであり、各種科学研究と工学設計の重要な基礎パラメータである。それは熱伝導率、温度伝導率、比熱、熱膨張係数と熱放射率などを含み、その中の熱伝導率と温度伝導係数は物質の熱物理パラメータの主要な指標である。
現在、国内で生産されている固体材料の熱物理パラメータを測定する機器の多くは電位差計と電流計を用いてヒータの熱容量と熱電対電位と関連パラメータを測定し、人工的に熱伝導率と温度伝導率を計算している。その欠点は自動化の程度が低く、汎用性が悪く、調節過程が複雑で、テスト結果は人為的な要素の影響が大きいことである。海外で生産された熱伝導率測定器は、構造が複雑で、価格が高く、普及に不便である。そのため、自動化の程度が高く、操作が便利で、実験速度が速く、精度が高く、汎用性の高い物質の熱物理パラメータを測定する自動化機器の開発が切実に求められている。
物質の熱伝導率と温度伝導率の測定には、多くの試験方法と相応の試験機器があり、本機器の『インテリジェント熱物理パラメータ試験システム』が採用した試験方法――恒電力平面熱源法の試験原理、試験方法の実現と試験結果。
2：試験原理
定電力平面熱源法による熱物理パラメータ試験システムの試料固定及び加熱部
試材1、試材2、試材3は、一緒に締結された厚さの異なる同じ材料である。ここで、試材1の厚さはδであり、試材2の厚さはx 1であり、試材3の厚さはδ+x 1である。試材1と試材2、試材2と試材3の間にはそれぞれ1対の熱電対が配置され、試材2の上、下の2つの面の温度上昇を測定するために使用され、試材2と試材3の間には1つの定電力平面ヒータが配置される。試材2の長さと幅がそれぞれその厚さの8〜10倍であれば、ヒータの電力は一定であり、ヒータ熱容量はゼロである。これらの条件下で、試料2は無限大平壁とみなすことができ、試料は内部熱源を持たない。ヒータ電源を投入し、ヒータは対称的に上、下の2つの面にそれぞれ熱を供給し、各側はq 0キロカロリー/m 2である。平面ヒータの通電の瞬間、3試材の初期温度は至る所でTに一致し、時間τが増加するにつれて、試材は昇温し、熱流はヒータから離れた2辺に徐々に伝達され、この過程でその温度変化は平面ヒータに垂直な方向にのみ発生する。

図1試材の加熱固定部概略図
上記条件下で、試材の熱伝導率λ、温度伝導率αは次の式で計算できる［1］：
おんどでんどうりつ
ねつでんどうりつ
式中のξ2 x 1−測定した量に基づいて表から直接検出
θ（0，τ0）−τ0時点で試料2と平面ヒータとの接触面における中心領域の温度が上昇する。

3試験方法の実現
試験原理に基づいて、試験装置は試験片及び試験片クランプ、加熱システム及びシングルチップデータ収集及び処理の3つの部分から構成される（図2）。

（新たに投入されたシングルチップ制御システムはコンピュータまたはノートパソコン制御に変更された）
図2熱物理参照測定装置の概略図
試験片は3つに分けられ、中間の1つの試験片は薄く、両側の試験片は厚い。試験片と試験片の間に熱電対を加え、治具で固定した。加熱システムは、安定した熱を発生するためのヒータ及び定電圧電源を含む。シングルチップシステムは、テスト原理によって提供されたアルゴリズムに基づいてデータ処理を行い、結果を表示して印刷する。
定電力平面熱源法による材料の熱物理パラメータの測定は、方法原理と実験技術の面でさらに検討する必要がある。材料の熱物理パラメータを正確に測定するには、温度と時間を正確に測定する以外に、以下の実験条件を満たさなければならない：（1）試験されたサンプルは均一で等方的で、その物性は定数である、（2）試料の幅と幅がそれぞれ厚さの8〜10倍である、すなわち試料は半無限大であり、しかも均一に一致する初期温度を有する、（3）定電力平面熱源、（4）ヒータ熱容量がゼロである。上記条件を満たさなければ、必然的に測定誤差をもたらすので、これらの誤差要素を分析し、修正し、実験条件を適切に制御し、実験装置を改善しなければ高い精度［2〜4］を得ることができない。
3.1システムハードウェア設計
定電力平面熱源法のインテリジェント熱物理パラメータ試験システムは8031モノリシックマシンを基礎とする次世代試験システムであり、モノリシックマシンを用いて測定データに対して各種計算を行い、干渉信号、アナログ回路と人為的要因による誤差を排除または減少させた。
システムハードウェアはセンサ、前置増幅回路、チャネル制御回路、アナログデジタル変換回路、キーボード表示及び制御回路、印刷駆動及び制御回路、モノリシックシステム、システム監視及び予備保護回路、システム及びヒータ給電電源、ヒータ、試料クランプなどの部分から構成される。システムハードウェア構成を図3に示す。

図3試験システムのハードウェア構成ブロック図
熱電対の温度−電圧特性曲線は指数形式になっており、本システムはシングルチップ計算法を用いてこれを線形補正する。また、熱電対分度表は熱電対冷端温度が0℃に等しいことをもって制定され、冷端温度が0℃に等しくなければ、熱電位は冷端温度に従って変化するので、熱電対温測定回路を校正しなければならない。本システムはAD 590集積温度センサを用いて熱電対冷端を補償する。熱電対接続法則と中間温度法則に基づく熱電対冷端補償器のハードウェア回路及び前置増幅回路の原理図を図4に示す。

図4熱電対冷端補償及び前置増幅回路の原理図
アナログデジタル変換回路はICL 7135デュアル積分A/D変換器を採用し、キーボードを通じて各種の動作状態を設定し、ディスプレイ上に異なる形式で表示し、印刷制御回路の主な機能はマイクロプリントヘッドの機械的動作を制御することであり、システム監視予備保護回路はシングルチップシステムの瞬間停電、電力網不足電圧とソフトウェアの「飛び」を防止するために設計された。
3.2ソフトウェア設計
システムソフトウェアはテストシステムの重要な構成部分であり、それはシステム管理モジュール、データ演算、プリンタ管理、パラメータ設定、データ収集フィルタリング、熱電対熱電位-温度変換、中断処理、クロック管理などのモジュールを含む。システム管理モジュールが一定の階層構造で有機的に結合することにより、各機能を完成することができる。システム管理ソフトウェアのフローチャートを図5に示す。

図5システム管理ソフトウェアフローチャート
4試験結果
インテリジェント熱物理パラメータ試験システムを用いてポリウレタンフォームの熱伝導率を試験し、伝統的な試験器具と比較した。測定材料の規格は：試材1：200×200×65 mm、試材2：200×200×22 mm、試材3：200×200×90 mmであった。試験結果は表1の通りであった。実験結果により、知能試験システムは熱伝導率測定値の再現率、平均二乗差と相対誤差が伝統的な試験器具より優れていることが明らかになった。試験精度に影響する要因を考慮した後、熱伝導率試験誤差は±4%未満であった。
表1ポリウレタンフォームの熱伝導率試験結果（W/m.℃）
平面熱源法計器タイプ
実験回数知能型熱物理パラメータ試験システムの従来の熱伝導率試験システム
1 0.027985 0.02824
2 0.027947 0.02737
3 0.027836 0.02840
4 0.027875 0.02861
5 0.027652 0.02785
平均値0.027859 0.02809
平均二乗差1.159776×10-4 4.39299×10-4
相対誤差3.18%4.04%