專利名稱：諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用交流加熱和諧波探測技術測量液體導熱系 數(shù)和熱擴散率的裝置，特別是應用于納米流體、液態(tài)金屬等導電和非導電 液體熱物性參數(shù)測試的裝置。
背景技術：
納米顆粒功能流體(納米懸浮液)和液態(tài)金屬等作為一種強化換熱工 質(zhì)在微型加熱、冷卻設備和微型反應器中逐漸得到應用。上述特殊流體的 熱參數(shù)的準確測量和描述對于上述設備的熱設計及熱控制具有重要作用。 目前一般采用瞬態(tài)熱線法(THW)，準穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法和短熱線法等測量 液體的導熱系數(shù)， 一般采用直流電加熱，利用信號的時域特性測量。由于 熱線自身的熱容以及可能引起液體的自然對流作用，可能使實際的測試系 統(tǒng)偏離理論模型。并且在采用直流電加熱情況下，如果測試時間大于3s -6s，熱線和液體之間的溫差可能引起液體的自然對流，因此必須控制測量 時間。2005年Vadasz比較了熱線法和瞬態(tài)熱帶法，認為采用瞬態(tài)熱線法 (THW)測試的納米流體導熱系數(shù)偏高可能是熱波對流造成的?；谥C波 探測的3G)測量技術雖然已經(jīng)提出了十幾年，但目前未見利用該方法測量 納米流體、液態(tài)金屬等液體導熱系數(shù)的研究報導。分析該測量方法特點發(fā) 現(xiàn)，該方法可實現(xiàn)液體內(nèi)部的熱量傳遞，微型加熱膜(線)通過微弱交流信號加熱介質(zhì)，由加熱線的lco、 2co和3co諧波得到溫度波動信號。利用 交流鎖相放大技術可以克服瞬態(tài)熱線法(THW)很難得到高精度快速信號 響應的問題。釆用很小的時間常數(shù)就可以快速探測到穩(wěn)定的三次諧波，包 含與流體熱參數(shù)有關的豐富信息。在頻域內(nèi)，通過增大加熱頻率可以減小 熱作用深度，進而減弱對流產(chǎn)生的干擾。發(fā)明內(nèi)容本實用新型解決現(xiàn)有液體導熱系數(shù)測試方法在時域內(nèi)測量易引起液 體自然對流以及允許的測試短和絕緣困難等的技術缺陷，提供一種諧波探 測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置。此裝置允許測試時間長、能 有效減弱液體自然對流影響、易于絕緣，可用于納米流體、液態(tài)金屬等導 電和非導電液體導熱系數(shù)和熱擴散率等多個熱參數(shù)同時測量。本實用新型的技術方案是一種諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置，其包括 一微型交流加熱/溫度探測器，所述微型交流加熱/溫度探測器表面整體沉積一層導熱絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層；一儲液容器， 一真空腔，儲液容器置于真空腔內(nèi)，儲液容器側(cè)及下外表面由保溫層包覆，儲液容器與保溫層之間有間距，保溫層底部由大金屬支架支撐；微型交流加熱/溫度探測器位于儲液容器內(nèi)；
TEC連續(xù)加熱和冷卻模塊位于儲液容器與保溫層之間的間距內(nèi)，布于 儲液容器外側(cè)面，使儲液容器內(nèi)待測液體的溫度從-l(TC到200。C之間變 化；一諧波分離電路模塊和一諧波探測電路模塊，通過電壓引線與微型交 流加熱/溫度探測器一端連接，所述諧波分離電路將特定的lco、 2co和3co 諧波相互分離，使鎖相放大器能夠探測到不同諧波的幅值和相位。所述的裝置，其所述微型交流加熱/溫度探測器，包括微型加熱絲、金 屬支架、導熱絕緣膜，其中，加熱絲兩端分別固定在兩金屬支架上，兩金 屬支架的自由端，接有電源引線和電壓引線，其電壓引線接諧波探測系統(tǒng)， 加熱絲和兩金屬支架表面覆有導熱絕緣層，加熱絲中間設有兩個諧波測量 點；微型加熱絲的直徑在5 5(Him范圍內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1~10^im 范圍內(nèi)，加熱絲的總長度在2 100mm范圍內(nèi)；兩個諧波測量點間距在 2 80mm范圍內(nèi)，加熱絲兩端固定的金屬支架直徑在0.5~5mm范圍內(nèi)，兩 個金屬支架之間的距離在2~80mm范圍內(nèi)。所述的測量裝置，其所述儲液容器與保溫層之間的間距，在l-100mm范圍內(nèi)；TEc模塊為-icrc 2ocrc范圍內(nèi)連續(xù)變溫；諧波分離模塊中，諧波分離采用電橋電路，運算放大器采用AD或AMP系列元件，電路中所有匹配電阻的電阻溫度系數(shù)小于5PPM。所述的測量裝置，其所述加熱絲采用豎直或水平放置。 所述的測量裝置，其所述諧波分離電路模塊和諧波探測電路模塊采用前置放大器提高諧波的強度和穩(wěn)定性。所述的測量裝置，其在電橋電路中采用阻值小于5Q的電阻補償加熱
絲引線的接觸電阻。所述的測量裝置，其所述加熱絲，在選擇合理的基波電壓時，加熱絲外膜兩端的三次諧波接近基波的1/500-1/1000。所述的測量裝置，其用于測量納米流體、液態(tài)金屬、導電和非導電微 量液體的導熱系數(shù)和熱擴散率參數(shù)。本實用新型能在很大程度上解決目前液體導熱系數(shù)測量方法遇到的 液體自然對流和允許的測試時間短以及難于測量液態(tài)金屬等導電液體的 問題，可以在比較大的溫度范圍內(nèi)(-10°C~200°C)快速而準確探測所需 的各次諧波，保證液體熱參數(shù)測量的準確性。加熱絲的直徑在5~5(Him范圍內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1~10,范 圍內(nèi)，可以在低頻下直接測量液體的導熱系數(shù)，而不必考慮加熱絲自身熱 容的影響。絕緣層的導熱系數(shù)大于60Wm"K'1，厚度小于10,，可以忽略絕緣 層自身的溫度變化。加熱絲中間兩個諧波測量點間距在2~80mm范圍內(nèi)可以有效消除加熱絲端部散熱的影響。與瞬態(tài)熱線法相比，測試時間長、并利用鎖相放大技術快速而準確的 測試交流加熱作用產(chǎn)生的三次諧波；利用該方法在真空中測量液體的熱參 數(shù)可有效減弱對流產(chǎn)生的影響。由于熱作用深度隨交流信號頻率的增大而 減小，利用該實驗系統(tǒng)可以測量納米流體、液態(tài)金屬等導電和非導電微量 液體的熱參數(shù)。

圖1是本實用新型的帶有特殊絕緣層的微型加熱/測溫器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型諧波法液體容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置系 統(tǒng)圖。
具體實施方式
-見圖1, 2和3為組成諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的 裝置；其中圖2和3中的加熱絲放大結(jié)構(gòu)見圖1;加熱絲的具體位置見圖 2;圖2中的諧波探測引線接圖3加熱絲對應位置。其中，電流引線接點l、 諧波探測引線2、熱電偶3、金屬支架4、 TEC加熱/冷卻器5、儲液容器6、 保溫層7、恒溫真空腔8、大金屬支架9、加熱絲10 (其放大結(jié)構(gòu)見圖1)。在待測液體內(nèi)部布置一定尺度和形狀的帶有絕緣層的微型加熱絲10， 采用具有直流偏移分量的周期微弱電流加熱，同時作為溫度傳感器，然后 根據(jù)熱波振動頻率與溫度變化的關系同時確定液體的導熱系數(shù)和熱擴散 率等多個熱參數(shù)。因焦耳效應產(chǎn)生的熱量將以lco和2co的頻率對金屬絲和 液體加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波。增加的金屬絲電阻與周期電流共同作 用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。不同頻率諧波包含豐富的熱參數(shù)信息。利用 本實用新型提出的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以同時測量納米流體、液態(tài) 金屬等導電和非導電液體導熱系數(shù)、熱擴散率等多個熱參數(shù)。本實用新型的一種實現(xiàn)上述方法的專用諧波探測液體導熱系數(shù)系統(tǒng) 裝置——包括一微型交流加熱/溫度探測器，所述微型交流加熱/溫度探測 器表面整體沉積一層高導熱系數(shù)絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層ll;連續(xù)對液體的冷卻和加熱的TEC模塊，可以連續(xù)使液體從-IO'C變化到200°C; 諧波分離和探測電路模塊，所述諧波分離電路可以將特定的lco、 2co和3co 諧波相互分離，以使鎖相放大器能夠探測到不同諧波的幅值和相位。上述微型交流加熱/溫度探測器中的微型加熱絲10的直徑在5~50pm 范圍內(nèi)，表面絕緣層11的厚度在0.1 10^m范圍內(nèi)，加熱絲10的總長度 在2 100mm范圍內(nèi)。絕緣層11的導熱系數(shù)與加熱絲10的導熱系數(shù)接近， 大于60Wm"K"。加熱絲10中間兩個諧波測量點12、 13的間距在2 80mm范圍內(nèi)，加 熱絲10兩端固定的金屬支架4直徑在0.5 5mrn范圍內(nèi)。 加熱絲io與金屬支架4之間采用壓焊連接。 加熱絲IO豎直或水平放置。兩個金屬支架4之間的距離在2~80mm范圍內(nèi)，液體下部的金屬支架 9距離液體容器底部距離在1 100mm范圍內(nèi)。TEC模塊實現(xiàn)變溫范圍為-10'C 20(TC，精度為0.5 rC。 諧波分離采用電橋電路，運算放大器采用AD或AMP系列元件。 諧波探測精度小于O.lKiV。電路中所有匹配電阻的電阻溫度系數(shù)小于5PPM。本實用新型通過帶有直流偏移分量的周期微弱電流加熱微細加熱絲 10，加熱絲10同時用做加熱器和溫度測量元件，由于加熱絲10內(nèi)部電流 的有效值很小，產(chǎn)生的加熱功率只有幾個毫瓦，在加熱周圍液體的過程中
加熱絲10的溫升必須小于3 5K，同時釆用的周期電流的頻率范圍比較大， 從幾Hz變化到幾KHz，在上述條件下液體的溫升和加熱作用深度很小， 同時鎖相放大器采用比較小的時間常數(shù)，可以有效減弱液體內(nèi)部的自然對 流作用，也可以使得液體容器比較容易滿足半無限大邊界的假設條件，進 而可以使得測量所需的液體體積很小。容器內(nèi)壁采用防靜電涂層，可以有 效避免液體中納米顆粒的吸附和團聚。整個液體容器置于一個真空度接近 0.15Pa的真空腔8內(nèi)，諧波探測系統(tǒng)可以比較準確的測量各次諧波的幅值 和相位。由于加熱絲10表面的絕緣涂層厚度小，導熱系數(shù)比較大，同時 具備比較好的抗腐蝕能力，可以忽略絕緣層11的溫度改變的影響，可以 測量的液體的導熱系數(shù)的范圍比較寬，液體導熱系數(shù)在0.02-25 Wm"K" 之間，導熱系數(shù)的測量不確定度小于1.5%，液體導熱系數(shù)在25 65 Wm'K'1 之間，導熱系數(shù)的測量不確定度小于3.5%，熱擴散系數(shù)的測量不確定度小 于6%。測試開始前，調(diào)節(jié)串聯(lián)的可調(diào)電阻14接近或略微大于測量過程中加 熱器可能達到的最大電阻。為了防止金屬加熱絲IO有比較明顯的溫升， 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器或鎖相放大器的輸出電壓，使得可調(diào)電阻14兩端的電壓 接近10mV，微調(diào)可調(diào)電阻14，通過鎖相放大器的差動輸入監(jiān)測，使得電 橋平衡，可調(diào)電阻14的阻值就等于加熱器的冷態(tài)電阻。在頻率30Hz附近， 采用交流電壓表或示波器測量兩個單增益運算放大器的輸出電壓，以檢查 是否出現(xiàn)直流漂移。在測量給定溫度和某一頻率下加熱絲10兩端的三次 諧波時，應適當選擇合理的基波電壓，使得加熱絲10外膜兩端的三次諧波接近基波的1/500~1/1000<
權(quán)利要求1、一種諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置，其特征在于，包括一微型交流加熱/溫度探測器，所述微型交流加熱/溫度探測器表面整體沉積一層導熱絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層；一儲液容器，一真空腔，儲液容器置于真空腔內(nèi)，儲液容器側(cè)及下外表面由保溫層包覆，儲液容器與保溫層之間有間距，保溫層底部由大金屬支架支撐；微型交流加熱/溫度探測器位于儲液容器內(nèi)；TEC連續(xù)加熱和冷卻模塊位于儲液容器與保溫層之間的間距內(nèi)，布于儲液容器外側(cè)面，使儲液容器內(nèi)待測液體的溫度從-10℃到200℃之間變化；一諧波分離電路模塊和一諧波探測電路模塊，通過電壓引線與微型交流加熱/溫度探測器一端連接，所述諧波分離電路將特定的1ω、2ω和3ω諧波相互分離，使鎖相放大器能夠探測到不同諧波的幅值和相位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微型交流加熱/溫 度探測器，包括微型加熱絲、金屬支架、導熱絕緣膜，其中，加熱絲兩端 分別固定在兩金屬支架上，兩金屬支架的自由端，接有電源引線和電壓引 線，其電壓引線接諧波探測系統(tǒng)，加熱絲和兩金屬支架表面覆有導熱絕緣 層，加熱絲中間設有兩個諧波測量點；微型加熱絲的直徑在5 5(Him范圍 內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1 10pm范圍內(nèi)，加熱絲的總長度在2 100mm 范圍內(nèi)；兩個諧波測量點間距在2 80mm范圍內(nèi)，加熱絲兩端固定的金屬 支架直徑在0.5~5mm范圍內(nèi)，兩個金屬支架之間的距離在2~80mm范圍 內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述儲液容器與 保溫層之間的間距，在l 100mm范圍內(nèi)；TEC模塊為-10。C 200。C范圍 內(nèi)連續(xù)變溫；
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于，所述加熱絲采用 豎直或水平放置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述諧波分離電 路模塊和諧波探測電路模塊采用前置放大器提高諧波的強度和穩(wěn)定性。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量裝置，其特征在于，在電橋電路中采 用阻值小于5 Q的電阻補償加熱絲引線的接觸電阻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的測量裝置，其特征在于，所述加熱絲， 在選擇合理的基波電壓時，加熱絲外膜兩端的三次諧波接近基波的 1/500~1/1000。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的測量裝置，其特征在于， 用于測量納米流體、液態(tài)金屬、導電和非導電微量液體的導熱系數(shù)和熱擴 散率參數(shù)。
專利摘要本實用新型諧波探測技術測量液體導熱系數(shù)和熱擴散率的裝置，涉及利用信號頻域特性進行熱物性測量的技術。該裝置在待測液體內(nèi)部布置一定尺度和形狀帶有絕緣層的微型加熱絲，采用具有直流偏移分量的周期微弱電流加熱，作為加熱器和溫度傳感器，然后根據(jù)熱波振動頻率與溫度變化的關系同時確定液體的導熱系數(shù)和熱擴散率等多個熱參數(shù)。因焦耳效應產(chǎn)生的熱量將以1ω和2ω的頻率對金屬絲和液體加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波。增加的金屬絲電阻與周期電流共同作用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。不同頻率諧波包含豐富的熱參數(shù)信息。本實用新型的微型加熱器表面沉積有厚度小于1微米的特殊絕緣高導熱膜，在真空中的高精度諧波探測電路模塊以及諧波分離電路模塊是專用技術。
文檔編號G01N25/20GK201041558SQ20072010382
公開日2008年3月26日 申請日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者唐大偉, 王照亮, 鄭興華 申請人:中國科學院工程熱物理研究所