热物性瞬态测量方法及装置[发明专利]

*CN1021834A*

(10)申请公布号 CN 1021834 A(43)申请公布日 2011.09.14

(12)发明专利申请

(21)申请号 201010590586.3(22)申请日 2010.12.10

(71)申请人陈昭栋

地址621002 四川省绵阳市青龙大道中段

59号(西南科技大学理学院)(72)发明人陈昭栋

(74)专利代理机构成都蓉信三星专利事务所

51106

代理人刘克勤(51)Int.Cl.

G01N 25/20(2006.01)G01N 9/02(2006.01)

权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 1 页

()发明名称

热物性瞬态测量方法及装置(57)摘要

本发明公开一种热物性瞬态测量方法及装置，用于自动测量材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度，分析室温附近材料热物性随温度变化的规律。该方法基于在均匀、无限大介质中，放置一根圆柱状热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维圆柱面传热模型；该测量装置包括直流稳流电源、热针、温度信号采集模块、信号处理器、存储器、显示器，所述热针的柱体用碳纤维制成，由芯柱和套管组合构成，所述电加热元件用双头锰铜漆包线绕在芯柱上，该双头锰铜漆包线是用一根锰铜漆包线沿中点对折绕制而成；所述温差电偶用温差电偶级的铜线和康铜线各一根焊接而成。CN 1021834 ACN 1021834 ACN 1021838 A

权 利 要 求 书

1/2页

1.一种热物性瞬态测量方法基于在均匀、无限大介质中，放置一根圆柱状热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维圆柱面传热模型，该传热模型由下式表征：

(1)

式中：

表示待测材料中，距热针中轴线的距离为r处，

τ＝t-t0时间内的温度变化；

t0(s)为加热测量的起始时刻；T(r，t)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，t时刻的温度；T(r，t0)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，加热测量起始时刻的温度；

为待测材料的热扩散系数；为待测材料的密度；

m(kg)表示一定待测材料的质量；V(m3)表示该一定待测材料的体积；

cp J/(kg·k)表示待测材料的定压比热；λW/(m·k)表示待测材料的热导率；

表示热针单位长度发出的热功率，或称发热强度；

l(m)表示热针的有效加热长度；

w＝I2R(W)表示热针的加热功率；

I(A)通过热针的加热电流的电流强度；R(Ω)热针发热体的电阻；上述定解问题的脉冲解为

当用恒定热流持续加热，即从τ＝0到τ的时间内，试件内r处，τ时间内的温升，可用上述脉冲解的一次积分得到；这个积分，可以近似地表达为一直线方程

式中：斜率截距

2

CN 1021834 ACN 1021838 A

权 利 要 求 书

2/2页

这里，C*＝1.78115，为积分常数；

计算材料的热导率和热扩散系数：用测量加热时间内，获得的温度-时间对数数列T(r0，t)～lnt，用最小二法则作线性拟合，计算出第1个样本的k，D，则有

热导率热扩散系数和相应的平均温度

从i＝1开始，选取相继的j个样本；重复上述计算，构建数据库[λj，aj，Tj]；然后，用最小二法则做二次曲线拟合，得出计算热导率和热扩散系数的经验公式

λ(T)＝η0+η1T+η2T2 [T1，T2] (8)a(T)＝ζ0+ζ1T+ζ2T2 [T1，T2] (9)计算拟合中值温度对应的热导率和热扩散系数λ，a；计算密度和定压比热

密度定压比热

2.基于权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括直流稳流电源、热针、温度信号采集模块、信号处理器、存储器、显示器，所述热针为圆柱状，用绝缘材料制成，柱内含有温差电偶和电加热元件；所述存储器预存有热物性参数的计算模型，所述直流稳流电源向温度采集模块供电；温差电偶输出温度信号，温度信号采集模块将该温度信号转换成数字信号，送入信号处理器，信号处理器按照热物性参数的计算模型进行处理，处理结果由显示器显示。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述热针的柱体用碳纤维制成，由芯柱和套管组合构成，所述电加热元件用双头锰铜漆包线绕在芯柱上，该双头锰铜漆包线是用一根锰铜漆包线沿中点对折绕制而成；所述温差电偶用温差电偶级的铜线和康铜线各一根焊接而成。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述直流稳流电源输出直流电流在0.01-1.000A之间精密可调；在热测量的时间内，加热电流的波动幅度：ΔI≤±0.001A。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述温度采集模块的温度分辩率：ΔT≤0.1k；采样频率：0.5-1Hz之间连续可调。

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说 明 书

热物性瞬态测量方法及装置

1/7页

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种热物性瞬态测量方法及装置，用于自动测量材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度；分析室温附近材料热物性随温度变化的规律。

[0001]

背景技术

材料的热物性，指材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度。所谓瞬态自动测

量，是在加热升温的过程中，快速完成自动测量、记录、处理数据等工作。[0003] 在国内、外，上世纪七、八十年代，关于热物性瞬态测量技术的研究，曾一度出现过一个高潮。国内、外众多知名学者作了大量工作，取得了很大成绩。当时，研究了脉冲法、恒流法、热线法等测量方法。其中，脉冲法和恒流法这两种瞬态测量方法，由于受到当时技术水平的限止，以及诸多条件的影响，国内、外学者都未能如愿做出实际可以应用的测量仪器。因而，曾经颁布的相应部颁标准，目前也已经弃置。较长时间内，这个问题实际上没有得到解决。直到本世纪初，基于一维半无限大传热模型的脉冲法、恒流法的瞬态测量仪器才获得成功，被定名为SHT-20热物性瞬态自动测量仪。相比之下，热线法虽有国家标准和仪器供应市场。但热线法仍未能突破稳态测量的范畴，它还不是真正意义上的瞬态测量方法，需要改进和提高。

[0002]

发明内容

[0004] 本发明的目的，是提供一种全新的热物性瞬态自动测量方法及装置(针式热物性瞬态测量方法及装置)，快速测量材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度；分析室温附近材料热物性随温度变化的规律。[0005] 本发明的技术方案是：[0006] 一种热物性瞬态测量方法，基于在均匀、无限大介质中，放置一根圆柱状热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维圆柱面传热模型，该传热模型由下式表征：

[0007]

[0008] [0009]

(1)

[0010]

[0011] 式中：

4

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说 明 书

2/7页

表示待测材料中，距热针中轴线的距离为r处，τ＝

t-t0时间内的温度变化；

t0(s)为加热测量的起始时刻。[0014] T(r，t)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，t时刻的温度；[0015] T(r，t0)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，加热测量起始时刻的温度；

[0013] [0016] [0017] [0018]

为待测材料的热扩散系数；为待测材料的密度；

m(kg)表示一定待测材料的质量；

3

[0019] V(m)表示该一定待测材料的体积；

[0020] cp J/(kg·k)表示待测材料的定压比热；[0021] λW/(m·k)表示待测材料的热导率；

[0022] [0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028]

表示热针单位长度发出的热功率，或称发热强度；

l(m)表示热针的有效加热长度；

w＝I2R(W)表示热针的加热功率；

I(A)通过热针的加热电流的电流强度；R(Ω)热针发热体的电阻；上述定解问题的脉冲解为

[0029] [0030]

当用恒定热流持续加热，即从τ＝0到τ的时间内，试件内r处，τ时间内的温

升，可用上述脉冲解的一次积分得到。这个积分，可以近似地表达为一直线方程

[0031] [0032] [0033]

式中：斜率截距

这里，C*＝1.78115，为积分常数。[0034] 计算材料的热导率和热扩散系数：[0035] 用测量加热时间内，获得温度-时间对数数列T(r0，t)～lnt，用最小二法则作线性拟合，计算出第1个样本的k，D，则有

[0036] [0037]

热导率热扩散系数

5

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说 明 书

3/7页

和相应的平均温度

从i＝1开始，选取相继的j个样本。重复上述计算，构建数据库[λj，aj，Tj]。然后，用最小二法则做二次曲线拟合，得出计算热导率和热扩散系数的经验公式

2

[0040] λ(T)＝η0+η1T+η2T [T1，T2] (8)

2

[0041] a(T)＝ζ0+ζ1T+ζ2T [T1，T2] (9)[0042] 计算拟合中值温度对应的热导率和热扩散系数λ，a；[0043] 计算密度和定压比热

[0044] [0045] [0046]

密度定压比热

基于上述热物性瞬态测量方法的装置，包括直流稳流电源、热针、温度信号采集模

块、信号处理器、存储器、显示器，所述热针为圆柱状，用绝缘材料制成，柱内含有温差电偶和电加热元件；所述存储器预存有热物性参数的计算模型，所述直流稳流电源向温度采集模块供电。温差电偶输出温度信号，温度采集模块将该温度信号转换成数字信号，送入信号处理器，信号处理器按照热物性参数的计算模型进行处理，处理结果由显示器显示。[0047] 所述热针的柱体用碳纤维制成，由芯柱和套管组合构成，所述电加热元件用双头锰铜漆包线绕在芯柱上，该双头锰铜漆包线是用一根锰铜漆包线沿中点对折绕制而成。所述温差电偶用温差电偶级的铜线和康铜线各一根焊接而成。[0048] 所述热针的有效发热长度大于等于四十倍热针外直径，即l≥40d。[0049] 所述直流稳流电源输出直流电流在0.01-1.0004之间精密可调；在热测量的时间内，加热电流的波动幅度：ΔI≤±0.001A。[0050] 所述温度采集模块的温度分辩率：ΔT≤0.1k；采样频率：0.5-1Hz之间连续可调。

[0051] 本发明的技术效果：

[0052] 本发明建立的一维圆柱面传热模型，真实、精确地描述出介质热传导的客观规律，实现了由稳态测量向瞬态测量过渡，是真正意义的瞬态测量；测量装置瞬态测量需时极短，不足200秒，受环境干扰小，影响测量的因素容易修正，测量准确性高，相对误差在1％左右。并可测量热扩散系数、热导率、定压比热、密度。附图说明

[0053] 图1是本测量装置的结构框图；

[00] 图2是本测量装置的热针外管结构示意图；[0055] 图3是本测量装置的热针内管结构示意图。

具体实施方式

[0056] 本发明的基本原理，是基于在均匀、无限大介质中，放置一根热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维园柱面传热模型，该传热模型由下式表征：

6

CN 1021834 ACN 1021838 A[0057]

说 明 书

4/7页

[0058] [0059]

(1)

[0060]

[0061] [0062]

式中：

表示待测材料中，距热针中轴线的距离为r处，τ

＝t-t0时间内的温度变化；

[0063] t0(s)为加热测量的起始时刻。[00] T(r，t)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，t时刻的温度；[0065] T(r，t0)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，加热测量起始时刻的温度；

[0066] [0067] [0068]

为待测材料的热扩散系数；为待测材料的密度；

m(kg)表示一定待测材料的质量；

3

[0069] V(m)表示该一定待测材料的体积；

[0070] cp J/(kg·k)表示待测材料的定压比热；[0071] λW/(m·k)表示待测材料的热导率；

[0072] [0073] [0074] [0075] [0076] [0077] [0078]

表示热针单位长度发出的热功率，或称发热强度；

l(m)表示热针的有效加热长度；

w＝I2R(W)表示热针的加热功率；

I(A)通过热针的加热电流的电流强度；R(Ω)热针发热体的电阻；上述定解问题的脉冲解为

[0079] [0080]

当用恒定热流持续加热，即从τ＝0到τ的时间内，试件内r处，τ时间内的温

升，可用上述脉冲解的一次积分得到。这个积分，可以近似地表达为一直线方程

[0081] 式中：斜率

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CN 1021834 ACN 1021838 A[0082] [0083]

说 明 书

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截距

这里，C*＝1.78115，为积分常数。[0084] 计算材料的热导率和热扩散系数：[0085] 用测量加热时间内，获得温度-时间对数数列T(r0，t)～lnt，用最小二法则作线性拟合，计算出第i个样本的k，D，则有

[0086]

热导率

[0087] 热扩散系数和相应的平均温度

[0088] [00]

从i＝1开始，选取相继的j个样本。重复上述计算，构建数据库[λj，aj，Tj]。然后，用最小二法则做二次曲线拟合，得出计算热导率和热扩散系数的经验公式

2

[0090] λ(T)＝η0+η1T+η2T [T1，T2] (8)

2

[0091] a(T)＝ζ0+ζ1T+ζ2T [T1，T2] (9)

[0092] 计算拟合中值温度对应的热导率和热扩散系数λ，a；[0093] 计算密度和定压比热

[0094] [0095] [0096]

密度定压比热

参见图1：本装置由直流稳流电源A、热针B、温度信号采集模块C、信号处理器D、

存储器F、显示器E组成。其中：[0097] 直流稳流电源A：输入：220V，50Hz市电；输出：直流电流，在0.01-1.000A之间精密可调；在热测量的时间内，加热电流的波动幅度：ΔI≤±0.001A。[0098] 温度信号采集模块C：温度分辩率：ΔT≤0.1k；采样频率：0.5-1Hz之间连续可调。

[0099] 设计制造热针B，该热针B既是加热元件，又是测温元件。[0100] 对热针B的基本要求：坚固；耐磨擦；除端头外，在长度方向上温度分布均匀；温度升高时，发热元件的电阻变化极小；材质导热性好等。结构可以考虑用同轴套管结构。内管上绕足够长的发热丝，外管均匀温度；外管外表面装置测温元件，测量热针与待测材料热接触面的温度变化。控制长径比，让热针的有效发热长度大于等于四十倍热针外直径，即l≥40d，一般能满足一维圆柱面传热模型。若用温差电偶测量温度，测温点应布置在热针有效发热长度的中点上；制作温差电偶用的金属丝，直径选用0.05mm。[0101] 经实验研究，该热针采用导热良好、轻质的碳纤维管作基质材料，锰铜丝作发热材料，专用铜-康铜温差电偶，用于测量距离热针中轴线r远处t时刻的温度变化。并按结构式

[0102] 内管：Φ2.5(1)×211(4+180+27)+Φ0.12×930[884+2×23]mm；该内管也可用

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说 明 书

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φ25mm的碳纤维棒；外管：[Φ4(0.5)×186(180+6)+Φcu0.05×135+cusn0.05×135]mm复合组成。

[0103] 这样制成的热针，除可以修正的自身吸热引起的测量误差外，其余因素引起的测量误差小于0.2％。

[0104] 外管结构式的意义：用外径4毫米，壁厚0.5毫，长186毫米的碳纤维管作外管。在长度方向上，180长用于覆盖锰铜丝绕阻，6毫米用于固定热针；后面部分表示测温元件用直径0.05毫米，长135毫米的铜线和康铜线组成的温差电偶，并意味着测温点位于外管外表面的中点处。

[0105] 内管结构式的意义：用外径2.5毫米，壁厚1毫米，长211毫米的碳纤维管作内管。在长度方向上，前端4毫米，用于开定位沟；中间180毫米用于绕锰铜丝；另一端27毫米，固定连接。后面部分表示，用直径0.12毫米，长930毫米的锰铜丝，其中，884毫米绕180毫米长的区域，作为发热元件，其余46毫米作为接出引线。[0106] 具作方法如图2、图3所示：取外径2.5毫米，壁厚1毫米，长211毫米的碳纤维管一根。一端在直径方向开宽1毫米，深4毫米的沟，作为绕锰铜丝定位之用。然后，取直径0.12毫米，长930毫米的绝缘漆包锰铜线一根，对折，将中点放入定位沟内。按双螺旋型把442毫米长的双线均匀缭绕在180毫米的碳管上固定，做成加热元件B-1。余下的23毫米作为引出接线。取外径4毫米，壁厚0.5毫米，长186毫米碳管，将绕制好的内管从定位沟端旋入，直到定位沟刚好全部露出。此时，绕线刚好被全部覆盖。然后，取航空接插件的蕊子取出，将锰铜丝引出线接在引脚接线柱上。再取经标定为温差电偶级的直径0.05毫米，长135毫米的铜线和康铜线各一根，沿纵向布置在外管表面，一端引出外管接在接线柱上，另一端对齐，拉到外管发热部分的中点，将多余的除去，焊牢，粘在外管外表面，做成温差电偶B-2，表面涂上保护层，烘干。这样，便制成了一根热针。[0107] 测量步骤如下：

[0108] 依据上述传热模型编写好数据处理软件。[0109] 装备好瞬态自动测量装置，将数据处理软件存入存储器F；将热针B与温度信号采集模块C联接好。

[0110] 选取一定量的待测材料，测量其容积V，用物理天平称量出质量m。测量对象若为大堆材料，只要将热针B插入即可。若材料有限，需要准备一个桶状容器。容器的容积至少应为Φ200×184mm。将容器装满，热针B插入桶。若待测材料是大块材料，则在材料上打孔或开槽，将热针B插入孔或槽内。孔或槽的直径与热针直径相适应，使热针表面能贴在孔壁或槽壁。

设置加热电流对于不同的待测材料，加热电流的大小不同。一般说，密度小的，加

热电流宜小一些。例如，保温绝热材料，加热电流可以选择为0.1～0.3A之间；密度大的待测材料，电流宜大些。

[0112] 加热测量电流设定后，接通加热电流，进行测量。温度信号采集模块C将温度信号送入信号处理器D，信号处理器D按照预存在存储器F中的热物性参数的计算模型处理温度信号，处理结果由显示器E显示出来。[0113] 观察温度时间曲线的显示，测量数据列表的记数。加热测量开始后，至少有70组记数时，可以停止测量。

[0111]

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说 明 书

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以上是测量含湿材料热物性的方法。含湿率的变化对测量的影响较大。不同含湿率的同一材料，在相同温度下的测量值没有可比对性。只有绝干材料的热物性，在同一温度下的测量值，才是一致的。

[0115] 测量绝干材料的热物性，在测量之前，需要用电热干燥箱，将待测材料反复烘烤到恒重，储存在干燥器中。待泠却后，再进行测量。只有在绝干条件下，测量得到的热物性，才具有较为精确的可比对性。

[0116] 为了求得材料热物性随温度变化的规律，可以取j＝1，2，3，ΛΛN，计算出相继N个样本的[λ(Tj)，Tj]和[a(Tj)，Tj]。用最小二法则作多项式拟合，可以求在拟中温度范围内材料热物性随温度而变化的经验公式。[0117] 这样，用本装置，实现了一次测量，同时得到材料的多个热物理系数；而且还能研究在室温附近，材料热物理性质温度变化的规律。[0118] 本装置的测量误差：[0119] 测量的A类不确定度，用误差理论估算最后结果的不确定度。在相同状态下，重复测量的复现误差好于2.0％。[0120] 测量的B类不确定度，据理论分析：热针自身吸热对测量的影响是不可略去的，应该予以修正。其它因素的影响，总计不大于0.2％，可以略而不计。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

图3

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