[發(fā)明專利]一種材料導熱系數(shù)的測量裝置以及測量方法

無效

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• 申請日: 2010-03-25
• 公開（公告）號: CN101788513A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發(fā)明（設計）人: 張敏;楊樂;鐘志友;陳健華;車貞花;盧佳華;張雷杰
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 上海天翔知識產權代理有限公司 31224
• 代理人: 呂伴

技術領域：

本發(fā)明涉及測定材料導熱系數(shù)領域，具體涉及一種測量材料導熱系統(tǒng)的裝置，同時還涉及一種基于該裝置進行測量導熱系統(tǒng)的測量方法。

背景技術：

導熱系數(shù)反映了物質傳導熱量的能力，與傳熱過程密切相關，是物質非常重要的熱物理性能參數(shù)，也是進行絕熱設計和分析計算不可或缺的關鍵參數(shù)；在能源、化工、制冷、生物、食品等行業(yè)有著廣泛的應用。

導熱系數(shù)的測量方法一般可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，穩(wěn)態(tài)法指的是在試樣達到熱穩(wěn)定后，通過測量流過試樣的熱量、溫度梯度等由傅立葉定律確定試樣材料的導熱系數(shù)，其分析的出發(fā)點是穩(wěn)態(tài)的導熱微分方程，其特點是實驗公式簡單，實驗時間長，測試中需要大尺寸的試樣，需要測量導熱量(直接或間接)和若干點的溫度。

非穩(wěn)態(tài)法指的是實驗測量過程中試樣溫度隨時間變化，其分析的出發(fā)點是不穩(wěn)態(tài)導熱微分方程。測量原理是對處于熱平衡狀態(tài)的試樣施加某種熱干擾，同時測量試樣對熱干擾的響應(溫度隨時間的變化)，然后根據(jù)響應曲線確定試樣材料導熱系數(shù)的數(shù)值。對于非穩(wěn)態(tài)測定方法，熱線法應用較為廣泛，但是在實際應用中，由于熱絲的直徑極小，很難直接插入有一定硬度的樣品材料內，限制了熱絲法的應用。

中國專利CN?101320007A公開了一種基于線熱源原理的探針法材料導熱系數(shù)測量裝置，該裝置包括探針、微機處理系統(tǒng)和穩(wěn)壓電源，其中探針包括電加熱絲、探針管和熱電偶，熱電偶和加熱絲置于探針管的內部，插入被測材料測量材料的探針將溫度電勢信號送入微機處理系統(tǒng)內，進行處理、變換和顯示；穩(wěn)壓電源給電加熱絲提供恒定電壓使加熱功率恒定，其電壓范圍值由微機處理系統(tǒng)控制。該技術方案是通過測量隨時間變化的探針溫升和加熱功率來得到所測材料的導熱系數(shù)。測試中，要求使用熱電偶進行測溫，熱電偶的測溫點布置在探針管中間的小孔內，增加了制作難度，且使用中容易出現(xiàn)接觸不良等故障，不利于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。

發(fā)明內容：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于非穩(wěn)態(tài)法的測量材料導熱系數(shù)的裝置，用于解決現(xiàn)有測量裝置樣品需要量大、測試范圍小以及測試精度低等問題。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種測量材料導熱系數(shù)的方法，該測量方法基于上述測量裝置實施，用于解決現(xiàn)有測量方法測試時間長以及操作步驟復雜等問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術方案：

一種材料導熱系數(shù)的測量裝置，該裝置包括探針、穩(wěn)壓電源、計算機處理系統(tǒng)；所述測量裝置還包括惠斯登電橋和數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)，所述探針用于加熱和測溫，插入待測材料樣品中，所述穩(wěn)壓電源通過惠斯登電橋對熱探針施以穩(wěn)壓電源，所述數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)采集惠斯登電橋的輸出電壓差，并經(jīng)放大轉換后傳輸至計算機處理系統(tǒng)，所述計算機處理系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)值信號計算得到待測材料樣品的導熱系數(shù)。

所述探針包括漆包銅絲和探針管，所述漆包銅絲涂有絕緣層，并均勻布滿于探針管內部，中間填充絕緣的導熱硅脂，所述探針管的管頭和管尾用環(huán)氧樹脂膠密封。

所述惠斯登電橋包括三個可調電阻箱。

一種材料導熱系統(tǒng)的測量方法，該測量方法基于上測量裝置實施，其包括如下步驟：

(1)在恒溫箱中放入已知導熱系數(shù)的物質，將探針插入，并恒溫到所需測試的溫度；

(2)調節(jié)穩(wěn)壓電源的輸出電壓和惠斯登電橋中電阻箱的阻值，控制電路輸出電壓信號到預定值；

(3)閉合電路，對探針進行加熱一段時間后斷開電路，采集惠斯登電橋的輸出電壓差與加熱時間的變化量，對采集的輸出電位差與時間的對數(shù)進行線性時段擬合處理，按相關度最大的原則，得到輸出電壓差隨時間自然對數(shù)的線性變化關系；

(4)根據(jù)步驟(3)得到的輸出電壓差隨時間自然對數(shù)的線性變化關系計算得到探針的儀器常數(shù)；

(5)將待測物質按照步驟(1)至步驟(3)進行測試，得到相應的輸出電壓差隨時間自然對數(shù)的線性變化關系，再根據(jù)步驟(4)得到的儀器常數(shù)值，求得待測物質的導熱系數(shù)。

所述步驟(2)中穩(wěn)壓電源的輸出電壓為2-8V，所述電路輸出電壓信號＜10^-5V。

所述步驟(3)中對探針進行加熱時間為20-40S，并以0.5秒每點的速度采集惠斯登電橋的輸出電壓差與加熱時間的變化量。

為了進一步提高測量方法的精度，所述步驟(4)可進行多次測量，得到多組數(shù)值，并以多組數(shù)值的均值為探針的儀器常數(shù)。再進行多次測量時，每次測量的時間間隔為5min以上。