[發明專利]一種利用瞬態平面熱源法測試巖體熱導率的傳感器及其測試裝置

在審

• 申請號: 201710047390.1
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN107192734A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 蔡國軍;張文偉;劉松玉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 徐激波

技術領域

本發明涉及一種利用瞬態平面熱源法測試巖體熱導率的傳感器及其測試裝置，屬于巖土工程領域中能夠有效精確的獲得土體的室內試驗測試元件及裝置。

背景技術

瞬態平面熱源法是一種基于無限大介質脈沖加熱圓盤形成熱源產生的瞬態溫度響應，然后通過記錄并擬合溫升與探頭響應時間關系，進而通過公式計算求出材料熱導率的實驗法，可用于解決熱工程中的材料熱力學性質分析。瞬態平面熱源法由熱線法和熱帶法發展而來，并且融合了熱線法和熱帶法的優點，將熱線改變成雙螺旋結構的平面熱源，使試樣與探頭接觸面積成倍增加，減少接觸了熱阻，進而使測試值的靈敏度和精確度得到了很大的提高。且其適用范圍廣泛，膠體、液體等熱物性參數都可以測量，逐步成為熱力學性能測試中備受青睞的測試方法。

熱導率系數是巖土工程中一個非常重要的參數，它是確定淺層巖土體熱力學性能的基礎。表層巖土體熱導率的大小不僅決定著淺層地下溫度場的展布形態，也決定著熱泵計算功率的核心，是影響地源熱泵工程投資和能耗的關鍵因素。目前實驗室用于測試巖體熱力學性質的方法主要是熱線法和熱帶法，由于其接觸面積小，熱阻大，使得測試結果不夠靈敏和精確。

本發明將瞬態平面熱源法應用于巖體熱力學性質測試中，提出一種可測試巖體熱導率的傳感器及其測試裝置，為巖土工程中相關設計參數的確定提供快捷有效的室內試驗測定方法。

發明內容

本發明目的是針對國內現有室內巖體熱力學性質測試儀器缺陷，提出一種利用瞬態平面熱源法測試巖體熱導率的傳感器及其測試裝置。

本發明采用的技術方案為：一種利用瞬態平面熱源法測試巖體熱導率的傳感器，所述傳感器的探頭包括刻蝕成雙螺旋結構的導電鎳箔，半徑在6-7mm之間，傳感器使用聚亞酰胺薄膜，傳感器厚度在60μm和25μm之間。

一種使用上述傳感器的測試裝置，包括圓形試驗臺、巖樣放置臺、調校螺絲、固定板、固定螺絲和傳感器；所述圓形試驗臺中心安裝有巖樣放置臺，放置臺與圓形試驗臺之間通過調校螺絲連接，巖樣放置臺上放置有圓形巖樣，所述固定板剛性連接在圓形試驗臺的上方，固定板中心安裝有固定螺絲，固定螺絲的下端部設在圓形巖樣上，并將其固定；所述圓形巖樣由兩個子樣組成，所述傳感器設在兩個子樣之間，傳感器通過數據線與電腦相連。

本發明傳感器必須記錄發出熱脈沖后，利用電腦記錄傳感器的電信號變化，對電信號處理后得到巖樣熱響應曲線進而推導出巖樣熱導率。

作為優選，所述的圓形試驗臺直徑為80mm，所述巖樣放置臺直徑為50mm。

穩定的試驗臺保證試驗過程中巖樣的穩定，使用遠薄于巖樣厚度的傳感器保證了測試不會受到尺寸效應的應用，基于瞬態平面熱源法的測試方法保證了測試結果的靈敏度和精確度。

瞬態平面熱源鎳箔傳感器中，其電阻和溫度的關系表達如下：

式中，R₀為傳感器被加熱前的電阻，α是電阻溫度系數(TCR)；ΔT_i為傳感器絕緣薄層的溫度差分。ΔT_ave(τ)為樣品表面絕緣層另一面與面對傳感器一面的溫度升高。

有益效果：熱導率系數是巖土工程中一個非常重要的參數，它是確定淺層巖土體熱力學性能的基礎。表層巖土體熱導率的大小不僅決定著淺層地溫場的展布形態，也決定著熱泵計算功率的核心，是影響地源熱泵工程投資和能耗的關鍵因素。目前實驗室用于測試巖體熱力學性質的方法主要是熱線法和熱帶法，由于其接觸面積小，熱阻大，使得測試結果不夠靈敏和精確。本發明將瞬態平面熱源法應用于巖體熱力學性質測試中，提出一種可測試巖體熱導率的傳感器及其測試裝置，為巖土工程中相關設計參數的確定提供快捷有效的室內試驗測定方法。

附圖說明

圖1為瞬態平面熱源傳感器；

圖2為巖體熱導率系數測試裝置示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種利用瞬態平面熱源法測試巖體熱導率的傳感器，所述傳感器的探頭包括刻蝕成雙螺旋結構的導電鎳箔，半徑在6-7mm之間，傳感器使用聚亞酰胺薄膜，傳感器厚度在60μm和25μm之間。