用熱線法測定氣體熱導(dǎo)率的儀器改進

盧錦杰，竺江峰，李雪梅

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山　316000)

*通訊聯(lián)系人

用熱線法測定氣體熱導(dǎo)率的儀器改進

盧錦杰，竺江峰*，李雪梅

(浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山316000)

摘 要：實驗用室內(nèi)溫度作為測量室外壁溫度t2，經(jīng)過經(jīng)驗系數(shù)修正得到數(shù)據(jù)來測定空氣的熱導(dǎo)率誤差比較大，現(xiàn)采用在測量室管壁上加裝一個溫度傳感器，以數(shù)顯溫度作為實驗中t2的方法來計算氣體的熱導(dǎo)率。兩種方法加以比對，探究相同環(huán)境下的兩者誤差，最后提出實驗改進方案。

關(guān)鍵詞：氣體熱導(dǎo)率；熱線法；外推法；測量室的外壁溫度

氣體的熱導(dǎo)率是氣體熱學(xué)物性的重要參數(shù)[1]。在氣相色譜分析中，氣體的熱導(dǎo)率這一熱學(xué)性質(zhì)常被用來鑒別不同的氣體。本實驗的測量室可以看作是氣相色譜儀中熱導(dǎo)池的原型，它為掌握熱導(dǎo)檢測器提供了一種簡潔、直觀的實驗裝置。測量氣體熱導(dǎo)率的基本方法是“熱線法”和“線性外推法”[2]，依據(jù)大學(xué)物理實驗教程[3]，本實驗采用室溫作為t2，現(xiàn)采用測量室外壁溫度作為t2，使得實驗的結(jié)果精度更高。

1實驗原理

“熱線法”測量氣體熱導(dǎo)率的原理：

將待測氣體置于沿軸線方向張有一根鎢絲的圓柱形容器內(nèi)(如圖1)，并給鎢絲提供一定的電流使其溫度為T1，設(shè)容器內(nèi)壁的溫度近似為測量室外壁T2。由于T1>T2，容器中的待測氣體必然形成一個沿徑向分布的溫度梯度，由于待測氣體的熱傳導(dǎo)，將迫使鎢絲溫度下降，因而無法維持測量室中溫度梯度的穩(wěn)定狀態(tài)。只有設(shè)法維持鎢絲的溫度恒為T1，容器內(nèi)待測氣體的溫度分布才能保持為穩(wěn)定的徑向分布的溫度場。

實驗就是用熱線恒溫自動控制系統(tǒng)來維持鎢絲溫度恒為T1。這樣，由于每秒鐘氣體

熱傳導(dǎo)所耗散的熱量就等于維持鎢絲的溫度恒為T1時所消耗的電功率。由于不同氣體的導(dǎo)熱性能(即熱導(dǎo)率)不同，所以維持鎢絲溫度恒為T1所需要消耗的電功率也不同，故可以通過測量鎢絲消耗的電功率來求算待測氣體熱導(dǎo)率。

圖1　測量室與氣體溫度梯度分布圖

由下面公式求出它的溫度t1，再轉(zhuǎn)換為

T1=273.15+t1：

圖2　FB8018型氣體熱導(dǎo)率測定儀儀器原理圖

t2為測量室的外壁溫度，再轉(zhuǎn)換為

T2=273.15+t2

代入實驗測量公式求得氣體熱導(dǎo)率。

[實驗儀器]

圖3　儀器面板圖

2實驗步驟

2.1選擇合適的熱線溫度：

(1)接好儀器電源，三通(放氣閥)旋轉(zhuǎn)到“通大氣”并閉合儀器電源總開關(guān)，檢查電子真空計有否校準，數(shù)字顯示為正確大氣壓為止[3]。

(2)調(diào)節(jié)熱線的恒溫溫度T1。“輸出”“關(guān)閉”開關(guān)打在“輸出”的位置，緩緩調(diào)節(jié)鎢絲的溫度選擇旋鈕，從電壓表及電流表讀出鎢絲的電壓U及電流I，并估算鎢絲的電阻值R=U/I，使它的電阻值達到90～100Ω左右

2．2測量鎢絲熱輻射與電極棒傳熱耗散的電功率W0

(1)預(yù)抽真空

三通(放氣閥)旋至4(旋鈕尖端指向“關(guān)閉”位置)，開動真空泵，單向真空閥通(高真空電磁閥工作燈亮)，抽氣約10分鐘，從數(shù)字式電壓表觀察，直至電壓降到5.00 V以下。

(2)測量W0值

當(dāng)電壓降到5.00 V以下，同時按“置零”按鈕，將“測量室氣壓”歸零時記錄鎢絲的電壓U及電流I0值記錄表一。那么：W0=U0·I0即為非氣體導(dǎo)熱所消耗的熱功率。

2.3測量空氣的熱導(dǎo)率

鑒于測量時空氣的氣壓為0.10 KPa至1.00 KPa，實驗的過程是測出不同氣壓P值時，鎢絲兩端的電壓UP及流經(jīng)鎢絲的電流IP值記錄表1。

圖4　儀器連接圖

(2)再采用改進方法：在測量不同氣壓P值時，鎢絲兩端的電壓UP及流經(jīng)鎢絲的電流IP，

并同時記錄測量室外壁溫度t2，如(圖4)及表1。以測量室外壁溫度作為t2方法處理實驗數(shù)據(jù)。

3測量及數(shù)據(jù)計算

鎢絲耗散的總功率，除氣體傳導(dǎo)的熱量之外，尚有鎢絲熱輻射以及聯(lián)接鎢絲兩端的電極棒的傳熱損失[7]。倘若將測量室抽成真空(在鎢絲兩端電壓小于5.00 V時)，此時為保持鎢絲的溫度仍為T1所消耗的電功率，將主要用于鎢絲的熱輻射與電極棒的傳熱損失，它等于[3-6]：

W0=U0·I0

式中：W0,U0,I0分別是真空時消耗的電功率、熱絲二端的電壓和通過熱絲的電流值。

并計算后用Excel作圖[5]得圖5。

圖5　實驗數(shù)據(jù)圖

并計算后用Excel作圖[5]得圖6。

實驗室基本參數(shù)記錄：

熱線長度L29.300×10-2m熱線直徑D215.000×10-2m熱線電阻R055.100Ω室內(nèi)溫度t2'23.0℃熱線直徑D10.020×10-2m溫度系數(shù)α5.1×10-3℃-1

表1

圖6　實驗數(shù)據(jù)圖

表2　 教材實驗計算結(jié)果

表3　 改進之后計算結(jié)果

表4　數(shù)據(jù)比對

4結(jié)論

參考文獻：

[1]Berman R.Thermal Conduction in Solid[M].London：Oxford University Press,1976.

[2]劉順華，耿兆祥，李長茂.熱線法的應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù),2002(2)：98-101.

[3]竺江峰.大學(xué)物理實驗教程[M].北京：中國水利水電出版社,2014:49-52.

[4]劉培姣.物理實驗數(shù)據(jù)處理的常用方法[J].大學(xué)物理實驗，2007(2):92-94.

[5]龍臥云，李晶.巧用Excel處理大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)[J].大學(xué)物理實驗，2012(3)：107-109.

[6]鄧建中.外推法及其應(yīng)用[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1984:14-17.

[7]劉長江，蘇為寧.氣體熱導(dǎo)率實驗中的傳熱機制[J].大學(xué)物理,2006(10):45-48.

[8]董鳳鳴，周萍.EXCEL在一元線性回歸分析中的應(yīng)用[J].科技信息(科學(xué)教研),2007(12).

[9]何曉曉，邵鵬，錢廣銳，等.對測量氣體熱導(dǎo)率實驗中壓強影響的分析[J].大學(xué)物理,2005(9):72-80.

[10] 邢宇，李雪梅.Matlob軟件在熱線法測定氣體熱導(dǎo)率實驗中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2014(5)：79-82.

Hot Line Method is Used to Test the Gas Thermal Conductivity Instrument Improvement

LU Jin-jie，ZHU Jiang-feng，LI Xue-mei

(Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316000)

Abstract：Because the experiment measured with indoor temperature as outdoor wall temperature t2,empirical coefficient correction to obtain data to determine the thermal conductivity of air error is large,we use on the measuring chamber wall with a temperature sensor,temperature display as experiment t2 method to calculate the thermal conductivity of the gas.To compare two methods,explore the error under the same environment,and finally put forward the improvement project of the experiment.

Key words：the gas thermal conductivity；hotline method；extrapolation；measuring the outer wall temperature of the room

收稿日期：2015-11-27

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金資助(LQ16A050001)

文章編號：1007-2934(2016)02-0062-05

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.017