[發(fā)明專利]一種基于虛擬熱源采用四參數(shù)匹配測定材料異質(zhì)含量的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710535358.8
• 申請日: 2017-07-04
• 公開（公告）號: CN107356627B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張騰飛;徐以恒;王樹剛;王繼紅
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種基于虛擬熱源采用四參數(shù)匹配測定材料異質(zhì)含量的方法，其特征在于，步驟如下：

(1)將待測材料置于遮陽環(huán)境中，避免外環(huán)境與待測材料表面存在強烈的熱輻射；在待測材料中布置長條形發(fā)熱體，其沿長度方向與待測材料散熱外邊界面平行且相距距離D，在距發(fā)熱體已知距離和已知方向的兩個以上位置處布置溫度傳感器；

(2)發(fā)熱體發(fā)熱前，待測材料初始溫度均勻分布，記為初始溫度；發(fā)熱源按照已知的發(fā)熱強度發(fā)熱后，采集傳感器的溫度數(shù)據(jù)，與初始溫度數(shù)據(jù)相減得到傳感器溫升數(shù)據(jù)；

(3)使用考慮了有限半徑、有限導熱系數(shù)的圓柱發(fā)熱體在無限大均勻介質(zhì)中作用有限長時間的溫升分析解，公式如下：

其中，φ(u)和ψ(u)表達式為：

其中，r為所關(guān)注位置點與實際發(fā)熱體的中心距離，單位m；ΔT_M,th(q,r)為在無限大介質(zhì)中，由于強度恒定為q的加熱源的作用，距發(fā)熱體距離為r處的溫度響應，單位℃；τ為時間，單位s；q為發(fā)熱體熱源強度，單位長度熱功率Wm^-1；k為介質(zhì)的導熱系數(shù)，單位Wm^-1K^-1；ρ為介質(zhì)密度，單位kgm^-3；c為介質(zhì)比熱容，單位Jkg^-1K^-1；ρc為介質(zhì)體積熱容，單位Jm^-3K^-1；r₀為發(fā)熱體半徑，單位m；k_E為發(fā)熱體導熱系數(shù)，單位Wm^-1K^-1；ρ_E為發(fā)熱體材料密度，單位kgm^-3；c_E為發(fā)熱體材料比熱容，單位Jkg^-1K^-1；J₀為第一類貝塞爾0階函數(shù)；Y₀為第二類貝塞爾0階函數(shù)；J₁為第一類貝塞爾1階函數(shù)；Y₁為第二類貝塞爾1階函數(shù)；

根據(jù)虛擬熱源原理計算溫升近似解，即認為發(fā)熱體發(fā)熱后，考慮待測材料某一外邊界面的環(huán)境散熱效應，待測材料內(nèi)部溫度場等價為兩個發(fā)熱體在無限大材料內(nèi)形成的溫度場的疊加；其中，一發(fā)熱體在實際發(fā)熱體位置，熱源強度q_real為實際發(fā)熱強度；另一發(fā)熱體為虛擬發(fā)熱體，位置在實際發(fā)熱體相對于散熱外邊界的鏡像處，虛擬熱源強度q_virtual＝nq_real，n為任意有理數(shù)，在-1到1之間取值；n等于-1和1時分別準確描述外邊界對流換熱系數(shù)無窮大和零時的溫度場；實際測試中，絕大部分邊界散熱具有有限大換熱系數(shù)，因此，n取在-1到1之間的數(shù)值近似描述邊界對流換熱系數(shù)為有限大時的溫度場；由此得到溫升近似解，公式如下：

ΔT_M＝ΔT_M,th(q_real,r_real)+ΔT_M,th(q_virtual,r_virtual) (4)

其中q_virtual的計算方法為：

q_virtual＝nq_real (5)

其中n為任意有理數(shù)，在-1到1之間取值；

r_virtual的計算方法與實際溫度傳感器的布置位置有關(guān)，是r_real和D的函數(shù)；

考慮溫度傳感器的位置，r_virtual的計算公式如下：

其中，ΔT_M為使用虛擬熱源法的溫升近似解計算所得溫度響應，單位℃；r_real為測溫點與實際發(fā)熱源的中心距離，單位m；r_virtual為測溫點與虛擬發(fā)熱源的中心距離，單位m；ΔT_M,th(q,r)為在無限大介質(zhì)中，由于強度恒定為q的加熱源的作用，距發(fā)熱體距離為r處的溫度響應，單位℃；q_real為實際發(fā)熱體熱源強度；q_virtual為虛擬發(fā)熱體熱源強度；單位長度熱功率Wm^-1；D為實際加熱源位置距散熱邊界垂直距離，單位m；n為虛擬熱源強度q_virtual與實際熱源強度q_real之比；

近似解計算溫升與測量傳感器溫升數(shù)據(jù)的平均偏差，公式如下：

其中，ΔT_M,i為通過溫升近似解計算得到的第i時刻的溫升，單位℃；ΔT_E,i為測量傳感器采樣得到的第i個時刻的溫升，單位℃；m為測量過程中采樣點的總個數(shù)；DEV為傳感器獲得的溫升數(shù)據(jù)與近似解計算溫升的平均偏差，單位℃；

(4)通過查找匹配的方法對比傳感器溫升數(shù)據(jù)與考慮待測材料外邊界散熱效應的溫升近似解，獲取四個最佳匹配參數(shù)的數(shù)值或數(shù)值范圍：待測材料的導熱系數(shù)k、體積熱容ρc、虛擬熱源強度與實際熱源強度之比n和實際熱源位置距散熱邊界垂直距離D，使傳感器溫度數(shù)據(jù)與上述溫升近似解匹配最佳或滿足預設(shè)的匹配誤差范圍；

(5)通過待測材料的體積熱容ρc與無異質(zhì)時材料體積熱容的差值，計算待測材料異質(zhì)含量的數(shù)值或數(shù)值范圍。