[發明專利]固體材料熱擴散系數隨溫度變化的測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201810006552.1
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108152326A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 豆瑞鋒;朱鋮;溫治;劉訓良
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種固體材料熱擴散系數隨溫度變化的測量裝置及方法，屬于材料熱物性測試技術領域。該裝置包括圓柱形測試材料、鎧裝微細測溫熱電偶、溫度記錄儀、恒溫管式爐、冷卻裝置和數據分析軟件，鎧裝微細測溫熱電偶置于圓柱形測試材料內部，圓柱形測試材料置于恒溫管式爐中，鎧裝微細測溫熱電偶與溫度記錄儀相連，溫度記錄儀連接數據分析軟件，冷卻裝置為圓柱形測試材料降溫。該方法通過測量圓柱形測試材料內沿半徑方向上兩個不同位置的溫度隨時間的變化規律，基于瞬態導熱的解析解，獲得關于熱擴散系數的非線性方程，進而得到熱擴散系數。該方法可以實現固體材料熱擴散系數的隨溫度變化的連續測量。

技術領域

本發明涉及材料熱物性測試技術領域，特別是指一種固體材料熱擴散系數隨溫度變化的測量裝置及方法。

背景技術

在工業應用中，固體材料的熱擴散系數是一個非常重要的熱物性參數。熱擴散系數的測量多采用瞬態法，如熱盤法、熱線法等，但都是針對某一固定溫度下進行測量，當熱擴散系數隨溫度變化時(絕大多數材料的熱擴散系數都隨溫度變化)，需要在不同的溫度水平上逐次測量，因此測量工作量很大。

本發明根據固體導熱的基本原理，結合計算機求解技術，針對圓柱形材料，在一次實驗測試中，測得熱擴散系數隨溫度的變化規律，能夠提高熱擴散系數的測量效率。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種固體材料熱擴散系數隨溫度變化的測量裝置及方法，該方法通過測量圓柱形固體材料內部兩個不同位置處的瞬態溫度，從而根據傳熱學原理計算材料的熱擴散系數。該方法可以在一次冷卻過程中測量得到隨溫度變化的熱擴散系數，實現寬溫度范圍內的熱擴散系數的快速測量。

該裝置包括圓柱形測試材料、鎧裝微細測溫熱電偶、溫度記錄儀、恒溫管式爐、冷卻裝置和數據分析軟件，鎧裝微細測溫熱電偶置于圓柱形測試材料內部，圓柱形測試材料置于恒溫管式爐內，冷卻裝置為圓柱形測試材料降溫，鎧裝微細測溫熱電偶與溫度記錄儀相連，溫度記錄儀將數據發送至數據分析軟件。

其中，圓柱形測試材料長度為直徑的5倍以上。

鎧裝微細測溫熱電偶有兩根，一根安裝在圓柱形測試材料中r＝0的位置，另一根安裝在r＝R/2處，其中R為圓柱形測試材料半徑。

冷卻裝置為自然冷卻、噴氣冷卻、噴霧冷卻中的一種或幾種。

采用該測量裝置進行測量的方法，包括步驟如下：

S1：將待測材料加工成圓柱形測試材料，在圓柱形測試材料中部安裝兩根鎧裝微細測溫熱電偶，一根安裝在軸心處，另一根安裝在二分之一半徑處；

S2：通過恒溫管式爐將圓柱形測試材料加熱至所需溫度，待兩根鎧裝微細測溫熱電偶溫度一致后，將圓柱形測試材料取出冷卻，通過測量冷卻過程中的溫度變化，測算熱擴散系數。

其中，S2中冷卻過程中連續記錄兩根鎧裝微細測溫熱電偶的溫度，溫度數據采集頻率在50Hz以上。

熱擴散系數α＝β^-1；

其中，T_c(t)和T(R/2,t)分別為兩根鎧裝微細測溫熱電偶的瞬態溫度，R為圓柱形測試材料半徑，α單位為m²·s^-1。

為提高熱擴散系數的測量穩定性和測量精度，對采集到的溫度數據進行數字濾波，濾波方法如下：

其中：i表示當前時刻；T表示濾波前的溫度，T_f表示濾波后的溫度。

本發明的上述技術方案的有益效果如下：

(1)快速測量材料的熱擴散系數；