專利名稱：一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測定材料導(dǎo)熱系數(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量材料導(dǎo)熱系統(tǒng)的裝置。
技術(shù)背景導(dǎo)熱系數(shù)反映了物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力，與傳熱過程密切相關(guān)，是物質(zhì)非常重要的 熱物理性能參數(shù)，也是進(jìn)行絕熱設(shè)計(jì)和分析計(jì)算不可或缺的關(guān)鍵參數(shù)；在能源、化工、制冷、 生物、食品等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法一般可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，穩(wěn)態(tài)法指的是在試樣 達(dá)到熱穩(wěn)定后，通過測量流過試樣的熱量、溫度梯度等由傅立葉定律確定試樣材料的導(dǎo)熱 系數(shù)，其分析的出發(fā)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱微分方程，其特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)公式簡單，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，測試 中需要大尺寸的試樣，需要測量導(dǎo)熱量(直接或間接)和若干點(diǎn)的溫度。非穩(wěn)態(tài)法指的是實(shí)驗(yàn)測量過程中試樣溫度隨時(shí)間變化，其分析的出發(fā)點(diǎn)是不穩(wěn)態(tài) 導(dǎo)熱微分方程。測量原理是對處于熱平衡狀態(tài)的試樣施加某種熱干擾，同時(shí)測量試樣對熱 干擾的響應(yīng)(溫度隨時(shí)間的變化)，然后根據(jù)響應(yīng)曲線確定試樣材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值。對于 非穩(wěn)態(tài)測定方法，熱線法應(yīng)用較為廣泛，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于熱絲的直徑極小，很難直 接插入有一定硬度的樣品材料內(nèi)，限制了熱絲法的應(yīng)用。中國專利CN 101320007A公開了一種基于線熱源原理的探針法材料導(dǎo)熱系數(shù)測 量裝置，該裝置包括探針、微機(jī)處理系統(tǒng)和穩(wěn)壓電源，其中探針包括電加熱絲、探針管和熱 電偶，熱電偶和加熱絲置于探針管的內(nèi)部，插入被測材料的探針將溫度電勢信號送入微機(jī) 處理系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行處理、變換和顯示；穩(wěn)壓電源給電加熱絲提供恒定電壓使加熱功率恒定， 其電壓范圍值由微機(jī)處理系統(tǒng)控制。該技術(shù)方案是通過測量隨時(shí)間變化的探針溫升和加熱 功率來得到所測材料的導(dǎo)熱系數(shù)。測試中，要求使用熱電偶進(jìn)行測溫，熱電偶的測溫點(diǎn)布置 在探針管中間的小孔內(nèi)，增加了制作難度，且使用中容易出現(xiàn)接觸不良等故障，不利于數(shù)據(jù) 的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于非穩(wěn)態(tài)法的測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，用于 解決現(xiàn)有測量裝置樣品需要量大、測試范圍小以及測試精度低等問題。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，該裝置包括探針、穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；所 述測量裝置還包括惠斯登電橋和數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)，所述惠斯登電橋分別與穩(wěn)壓電源、探 針以及數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)相接，所述數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相接。所述探針包括漆包銅絲和探針管，所述漆包銅絲涂有絕緣層，并均勻布滿于探針 管內(nèi)部，中間填充絕緣的導(dǎo)熱硅脂，所述探針管的管頭和管尾用環(huán)氧樹脂膠密封。所述探針管采用醫(yī)用針頭，且長度和外徑的比值大于25。[0011 ]所述穩(wěn)壓電源為可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。所述惠斯登電橋包括三個(gè)可調(diào)電阻箱。本實(shí)用新型提供的測量裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)1、結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，操作方便；2、適用范圍廣，可用于準(zhǔn)確測定固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)包括自身能導(dǎo)電的物質(zhì)的導(dǎo) 熱系數(shù)；3、樣品用量少；4、可以在線測量；5、測量精度高。6、測試時(shí)間短，操作步驟簡單；7、測定過程樣品的溫升小，測量時(shí)環(huán)境的熱擾動影響?。?、對于生物材料，組織損傷小且受影響區(qū)域??；9、測量精度高。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。圖1為本實(shí)用新型中測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型中探針的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下 面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型?；诰€熱源瞬態(tài)模型，可建立無限大、各向同性介質(zhì)中的一維徑向瞬態(tài)傳熱微分 控制方程銅絲1丄苧(0<r<rw,t>0)(1)
rcr dr 7 ζ\ Ow dt金屬套管丄(rw<r<rp,t>0)(2) r or or an dt樣品1I^ r or1 d9m(r>rp,t>0)(3)dr am dt[0031]邊界條件[0032]ew(rw, t)==W)⑷[0033]λΛ Br )。.δθ =O(5)[0034]0P(rp,t)==K(rP, t)(6)[0035]λρ{ dr ) “(7)[0036]初始條件[0037]0w(r,O)=-Θρ(γ,0) = θm(r,0) = 0(8)[0038]式中θ 銅絲溫度與初始室溫的差值λ 導(dǎo)熱系數(shù)α 熱擴(kuò)散系數(shù)t:加熱時(shí)間r 徑向坐標(biāo)值q 單位長度銅絲的發(fā)熱功率下標(biāo)W、p、m分別代表銅絲、金屬套管、待測介質(zhì)。用拉普拉斯變換得到微分控制方程組的精確解，當(dāng)滿足條件amt/rp2足夠大，樣品 導(dǎo)熱系數(shù)可表示為 [。。46] 此式就是整個(gè)測量裝置所依據(jù)的測量關(guān)系式。上式中，α m為待測樣品的導(dǎo)溫系 數(shù)，單位是m2/s ;rp為探針的徑向半徑，單位是m ； λ m為待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，單位是W/ (m-K) ；U為穩(wěn)壓電源的電壓，單位是V;Rp為探針的初始電阻，單位是Ω ；AV為電路輸出 電壓差，單位是V ;t為加熱時(shí)間，單位是s ;A = 0. 005 α 0R0/L為儀器常數(shù)，L代表銅絲長度； R0代表0°C時(shí)的銅絲的電阻；C^代表0°C時(shí)的銅絲溫度系數(shù)?；谏鲜鲈砜芍?，只要能夠知道電路輸出電壓差隨時(shí)間自然對數(shù)的線性變化關(guān) 系(d(AV)/d(lnt))，根據(jù)公式(9)便可得到相應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)。為此，本實(shí)用新型提供了一種基于非穩(wěn)態(tài)法的測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，如圖1 所示，該裝置包括探針100、穩(wěn)壓電源200、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)500、惠斯登電橋300以及數(shù)據(jù)測 試采集系統(tǒng)400。參見圖2，探針100用于加熱和測溫，其在測試時(shí)插入待測材料樣品中，探針100主 要由漆包銅絲104和探針管105兩部分組成，其中漆包銅絲涂有絕緣層，均勻布滿于探針管 105內(nèi)部，并通過引線101連接電源。探針管105采用醫(yī)用針頭，且長度和外徑的比值大于25 ；探針管105的管頭設(shè)置 有絕緣封頭102，同時(shí)探針管中間填充絕緣的導(dǎo)熱硅脂103，并且在探針管105的管頭和管 尾用環(huán)氧樹脂膠106密封。本實(shí)用新型中的惠斯登電橋300主要由三個(gè)可調(diào)電阻箱301組成，其為整個(gè)裝置 的核心，通過調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，調(diào)節(jié)測量裝置中電路的輸出電壓信號?；菟沟请姌?00與 穩(wěn)壓電源200相接，并對探針100施加穩(wěn)壓源200提供的恒定功率，同時(shí)惠斯登電橋300還 與數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)400相接。數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)400將采集惠斯登電橋300的輸出電壓 差，并經(jīng)放大轉(zhuǎn)換后傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)500。為了實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)，本實(shí)用新型采用的穩(wěn)壓電源200為可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。根據(jù)上述技術(shù)方案得到的測量裝置，其在運(yùn)行過程如下將探針100插入放在可調(diào)恒溫箱600中的待測樣品700中，依據(jù)銅電阻與溫度之 間存在線性關(guān)系的特性，由穩(wěn)壓電源200通過惠斯登電橋300對探針100施以恒定功率，探 針100內(nèi)部的銅絲受熱升溫，同時(shí)探針管和待測樣品700也隨著升溫，引起銅絲的電阻發(fā)生 變化，從而使惠斯登電橋300的輸出電壓差隨之發(fā)生變化，數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)400將采集到 的輸出電壓差信號放大轉(zhuǎn)換后，輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)500處理，得到輸出電壓差隨時(shí)間自然對數(shù)的線性變化關(guān)系d( AVVd(Int),根據(jù)公式(9)即可得到所測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。采用上述測量裝置進(jìn)行測量的具體實(shí)例如下首先，將純丙三醇倒入50ml的小燒杯中，放入可調(diào)恒溫箱中，并將探針插入，然后 調(diào)節(jié)恒溫箱恒溫到20°C的測試溫度；接著，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，使得電路輸入電壓為3. 05V，對探針加熱前調(diào)節(jié)惠斯登電橋 中電阻箱的阻值，使輸出電壓信號AVi接近0( —般小于I(T5V)；然后，閉合整個(gè)測試電路，對探針進(jìn)行加熱，并以0. 5秒每點(diǎn)的速度采集輸出電位 差與加熱時(shí)間的變化量，對采集的輸出電位差Δν與時(shí)間的對數(shù)Int用Excel圖表向?qū)нM(jìn) 行線性時(shí)段擬合處理，按相關(guān)度最大的原則，計(jì)算出d(AV)/d(lnt)；再者，由測量關(guān)系式，已知丙三醇的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算出探針的儀器常數(shù)，同一條 件下測試八次，兩次測量時(shí)間間隔為5min以上，以便探針與被測樣品恢復(fù)到初始平衡態(tài) (以下測試同樣)，然后求其平均值，得到探針最終的儀器常數(shù)；最后，選擇標(biāo)準(zhǔn)樣品純水(電阻率18. 4ΜΩ -cm)分析純乙二醇以及分析純乙醇溶 液，在室溫下進(jìn)行測試，根據(jù)前面步驟得到的儀器常數(shù)值求得各樣品導(dǎo)熱系數(shù)，并與文獻(xiàn)值 比較，具體結(jié)果如表1所示表1試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果 實(shí)際測量中，高精度純水的環(huán)境溫度為15°C;乙二醇的環(huán)境溫度為20°C;無水乙醇 的環(huán)境溫度為16°C。從表1中可以看出，高精度純水與乙二醇的導(dǎo)熱系數(shù)與文獻(xiàn)值偏差小 于1 %，測量無水乙醇的導(dǎo)熱系數(shù)與文獻(xiàn)值偏差小于2%，因此本實(shí)用新型可較準(zhǔn)確地用來 測試待測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述 的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還 會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型 要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，該裝置包括探針、穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；其特征在于，所述測量裝置還包括惠斯登電橋和數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)，所述惠斯登電橋分別與穩(wěn)壓電源、探針以及數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)相接，所述數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述探針包括 漆包銅絲和探針管，所述漆包銅絲涂有絕緣層，并均勻布滿于探針管內(nèi)部，中間填充絕緣的 導(dǎo)熱硅脂，所述探針管的管頭和管尾用環(huán)氧樹脂膠密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述探針管采 用醫(yī)用針頭，且長度和外徑的比值大于25。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述穩(wěn)壓電源 為可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，其特征在于，所述惠斯登電 橋包括三個(gè)可調(diào)電阻箱。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量裝置，該裝置包括探針、穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、惠斯登電橋和數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)，惠斯登電橋分別與探針、穩(wěn)壓電源以及數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)相接，而數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)連接計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。本實(shí)用新型具有測量快速、方便、精度高、可以在線測量、適用范圍廣泛等特點(diǎn)。
文檔編號G01N27/18GK201666888SQ20102014049
公開日2010年12月8日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者盧佳華, 張敏, 張雷杰, 楊樂, 車貞花, 鐘志友, 陳健華 申請人:上海海洋大學(xué)