[發(fā)明專利]一種圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)及其測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610847217.5
• 申請日: 2016-09-23
• 公開（公告）號: CN106645284B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發(fā)明（設計）人: 何茂剛;辛楠;張詩;張穎;劉向陽
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/48
• 分類號: G01N25/48
• 代理公司: 61200 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 陸萬壽

1.一種圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)，包括加熱單元、保溫單元、測量單元和計算單元四個部分，其特征在于：

加熱單元包括自行設計的Hot Spring傳感器，絕熱夾具以及填充于待測圓管內的耐高溫絕熱棉，所述加熱單元直接包裹待測圓管材料，對其進行加熱，所述Hot Spring傳感器緊貼于待測圓管外表面，各加熱絲與待測圓管橫截面平行，所述絕熱夾具夾緊Hot Spring傳感器及待測圓管并由緊固螺栓固定；所述Hot Spring傳感器由鎳金屬薄片刻蝕而成，方波型，鎳金屬薄片厚度小于等于25μm，未刻蝕部分寬度小于等于0.2mm，形成多組平行加熱絲，且相鄰加熱絲之間的距離相等，所述平行加熱絲寬度相同，所述平行加熱絲長度相同且等于待測圓管外壁周長，彎轉成圓環(huán)狀，所述Hot Spring傳感器上下表面均附著聚酰亞胺薄膜做絕緣處理，聚酰亞胺薄膜厚度小于等于20μm；

保溫單元包括用于放置絕熱夾具及待測圓管的空氣浴恒溫箱以及相應的溫度傳感器和熱量控制器件；

測量單元包括數(shù)采設備、測量電路以及位于測量電路中的熱量控制器件和電勢測量器件，所述熱量控制器件與Hot Spring傳感器相連，用于設定對待測圓管的加熱量，所述電勢測量器件與Hot Spring傳感器相連，用于測量加熱過程中接入Hot Spring傳感器的熱電勢；

計算單元，根據(jù)加熱量和Hot Spring傳感器的熱電勢時間響應數(shù)據(jù)，基于預先設計好的計算模型和計算方法，計算得出待測圓管材料的導熱系數(shù)。

2.根據(jù)權利要求1所述圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述Hot Spring傳感器擁有兩組輸入端和輸出端電線接口，分別與測量單元的熱量控制器件和電勢測量器件相連。

3.根據(jù)權利要求1所述圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述加熱單元的絕熱夾具內側有半圓柱型凹槽，半徑等于待測圓管外徑加上聚酰亞胺薄膜厚度，絕熱夾具本體為氧化硅陶瓷，側翼設有螺栓孔。

4.根據(jù)權利要求1所述圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于：所述加熱單元的絕熱夾具內側半圓柱型凹槽附著聚酰亞胺薄膜，聚酰亞胺薄膜厚度大于等于0.2mm。

5.一種根據(jù)權利要求1所述圓管材料導熱系數(shù)測量系統(tǒng)中施行的導熱系數(shù)測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、用高溫導熱膠將所述Hot Spring傳感器貼于待測圓管表面，使傳感器各加熱線相互平行，形成相互平行的加熱圓環(huán)，且與待測圓管軸向垂直，再用兩個絕熱夾具夾緊待測圓管及貼好的Hot Spring傳感器，保證傳感器在夾具凹槽的中心位置，將所述加熱單元的絕熱夾具側翼的緊固螺栓上緊，使絕熱夾具和傳感器之間、傳感器和待測圓管之間沒有空隙，最后在待測圓管內部填充高溫保溫棉并壓緊；

步驟2、將所述測量單元的電勢測量器件連接Hot Spring傳感器的輸入端和輸出端，數(shù)采設備連接電勢測量器件，所述測量單元的熱量控制器件連接Hot Spring傳感器另一對輸入端和輸出端接口，將絕熱夾具、Hot Spring傳感器和待測圓管一同放入空氣浴恒溫箱，溫度調節(jié)為待測導熱系數(shù)所對應的環(huán)境溫度；

步驟3、將熱量控制器件設定加熱量，接通電路，使傳感器對待測圓管進行加熱，電勢測量器件測量Hot Spring傳感器的熱電勢，數(shù)采設備記錄所述Hot Spring傳感器的熱電勢與時間的響應，記錄數(shù)據(jù)點后，斷開電路，使Hot Spring傳感器和待測圓管的溫度冷卻至待測導熱系數(shù)所對應的環(huán)境溫度，重復上述操作，記錄多組數(shù)據(jù)，求出對應時間點的熱電勢平均值；

步驟4、加熱量恒定，根據(jù)熱電勢平均值即可求對應時間點Hot Spring傳感器的電阻值，由電阻值及相應的電阻溫度系數(shù)即可根據(jù)如下公式計算得出Hot Spring傳感器在對應時間點的平均溫度：

式中：R₀為Hot Spring傳感器初始時刻在環(huán)境溫度下的電阻值，R為實驗過程中測得的Hot Spring傳感器上的熱電勢，α為電阻溫度系數(shù)，進而根據(jù)如下計算模型推導得出待測圓管的導熱系數(shù)λ：

式中：P₀為Hot Spring傳感器的加熱功率，a為待測圓管材料的外徑，這里D(τ)是無量綱的時間函數(shù)，由下式給出：

式中：(2n+1)是加熱圓環(huán)的總數(shù)量，σ是引入的時間參數(shù)，σ²＝κ(t-t′)/a²，其中t′是初始的加熱時刻，t-t′即為總的加熱時長，κ是待測圓管材料的熱擴散率，h是每個加熱環(huán)之間的距離，τ是t′＝0時σ的特殊值，τ＝(κt)^0.5/a，I₀(x)是零階貝塞爾函數(shù)的第一類修正：

計算所得的λ即為對應溫度下的導熱系數(shù)。