用热线法测定气体热导率的仪器改进

卢锦杰，竺江峰，李雪梅

(浙江海洋学院，浙江 舟山　316000)

*通讯联系人

用热线法测定气体热导率的仪器改进

卢锦杰，竺江峰*，李雪梅

(浙江海洋学院，浙江 舟山316000)

摘 要：实验用室内温度作为测量室外壁温度t2，经过经验系数修正得到数据来测定空气的热导率误差比较大，现采用在测量室管壁上加装一个温度传感器，以数显温度作为实验中t2的方法来计算气体的热导率。两种方法加以比对，探究相同环境下的两者误差，最后提出实验改进方案。

关键词：气体热导率；热线法；外推法；测量室的外壁温度

气体的热导率是气体热学物性的重要参数[1]。在气相色谱分析中，气体的热导率这一热学性质常被用来鉴别不同的气体。本实验的测量室可以看作是气相色谱仪中热导池的原型，它为掌握热导检测器提供了一种简洁、直观的实验装置。测量气体热导率的基本方法是“热线法”和“线性外推法”[2]，依据大学物理实验教程[3]，本实验采用室温作为t2，现采用测量室外壁温度作为t2，使得实验的结果精度更高。

1实验原理

“热线法”测量气体热导率的原理：

将待测气体置于沿轴线方向张有一根钨丝的圆柱形容器内(如图1)，并给钨丝提供一定的电流使其温度为T1，设容器内壁的温度近似为测量室外壁T2。由于T1>T2，容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度，由于待测气体的热传导，将迫使钨丝温度下降，因而无法维持测量室中温度梯度的稳定状态。只有设法维持钨丝的温度恒为T1，容器内待测气体的温度分布才能保持为稳定的径向分布的温度场。

实验就是用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T1。这样，由于每秒钟气体

热传导所耗散的热量就等于维持钨丝的温度恒为T1时所消耗的电功率。由于不同气体的导热性能(即热导率)不同，所以维持钨丝温度恒为T1所需要消耗的电功率也不同，故可以通过测量钨丝消耗的电功率来求算待测气体热导率。

图1　测量室与气体温度梯度分布图

由下面公式求出它的温度t1，再转换为

T1=273.15+t1：

图2　FB8018型气体热导率测定仪仪器原理图

t2为测量室的外壁温度，再转换为

T2=273.15+t2

代入实验测量公式求得气体热导率。

[实验仪器]

图3　仪器面板图

2实验步骤

2.1选择合适的热线温度：

(1)接好仪器电源，三通(放气阀)旋转到“通大气”并闭合仪器电源总开关，检查电子真空计有否校准，数字显示为正确大气压为止[3]。

(2)调节热线的恒温温度T1。“输出”“关闭”开关打在“输出”的位置，缓缓调节钨丝的温度选择旋钮，从电压表及电流表读出钨丝的电压U及电流I，并估算钨丝的电阻值R=U/I，使它的电阻值达到90～100Ω左右

2．2测量钨丝热辐射与电极棒传热耗散的电功率W0

(1)预抽真空

三通(放气阀)旋至4(旋钮尖端指向“关闭”位置)，开动真空泵，单向真空阀通(高真空电磁阀工作灯亮)，抽气约10分钟，从数字式电压表观察，直至电压降到5.00 V以下。

(2)测量W0值

当电压降到5.00 V以下，同时按“置零”按钮，将“测量室气压”归零时记录钨丝的电压U及电流I0值记录表一。那么：W0=U0·I0即为非气体导热所消耗的热功率。

2.3测量空气的热导率

鉴于测量时空气的气压为0.10 KPa至1.00 KPa，实验的过程是测出不同气压P值时，钨丝两端的电压UP及流经钨丝的电流IP值记录表1。

图4　仪器连接图

(2)再采用改进方法：在测量不同气压P值时，钨丝两端的电压UP及流经钨丝的电流IP，

并同时记录测量室外壁温度t2，如(图4)及表1。以测量室外壁温度作为t2方法处理实验数据。

3测量及数据计算

钨丝耗散的总功率，除气体传导的热量之外，尚有钨丝热辐射以及联接钨丝两端的电极棒的传热损失[7]。倘若将测量室抽成真空(在钨丝两端电压小于5.00 V时)，此时为保持钨丝的温度仍为T1所消耗的电功率，将主要用于钨丝的热辐射与电极棒的传热损失，它等于[3-6]：

W0=U0·I0

式中：W0,U0,I0分别是真空时消耗的电功率、热丝二端的电压和通过热丝的电流值。

并计算后用Excel作图[5]得图5。

图5　实验数据图

并计算后用Excel作图[5]得图6。

实验室基本参数记录：

热线长度L29.300×10-2m热线直径D215.000×10-2m热线电阻R055.100Ω室内温度t2'23.0℃热线直径D10.020×10-2m温度系数α5.1×10-3℃-1

表1

图6　实验数据图

表2　 教材实验计算结果

表3　 改进之后计算结果

表4　数据比对

4结论

参考文献：

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

[2]刘顺华，耿兆祥，李长茂.热线法的应用[J].计量与测试技术,2002(2)：98-101.

[3]竺江峰.大学物理实验教程[M].北京：中国水利水电出版社,2014:49-52.

[4]刘培姣.物理实验数据处理的常用方法[J].大学物理实验，2007(2):92-94.

[5]龙卧云，李晶.巧用Excel处理大学物理实验数据[J].大学物理实验，2012(3)：107-109.

[6]邓建中.外推法及其应用[M].上海：上海科学技术出版社,1984:14-17.

[7]刘长江，苏为宁.气体热导率实验中的传热机制[J].大学物理,2006(10):45-48.

[8]董凤鸣，周萍.EXCEL在一元线性回归分析中的应用[J].科技信息(科学教研),2007(12).

[9]何晓晓，邵鹏，钱广锐，等.对测量气体热导率实验中压强影响的分析[J].大学物理,2005(9):72-80.

[10] 邢宇，李雪梅.Matlob软件在热线法测定气体热导率实验中的应用[J].大学物理实验，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

基金项目：浙江省自然科学基金资助(LQ16A050001)

文章编号：1007-2934(2016)02-0062-05

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.017