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

背景技術(shù)：

瞬態(tài)平面熱源法是一種基于無限大介質(zhì)脈沖加熱圓盤形成熱源產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度響應(yīng)，然后通過記錄并擬合溫升與探頭響應(yīng)時(shí)間關(guān)系，進(jìn)而通過公式計(jì)算求出材料熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)法，可用于解決熱工程中的材料熱力學(xué)性質(zhì)分析。瞬態(tài)平面熱源法由熱線法和熱帶法發(fā)展而來，并且融合了熱線法和熱帶法的優(yōu)點(diǎn)，將熱線改變成雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)都可以測量，逐步成為熱力學(xué)性能測試中備受青睞的測試方法。

熱導(dǎo)率系數(shù)是巖土工程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它是確定淺層巖土體熱力學(xué)性能的基礎(chǔ)。表層巖土體熱導(dǎo)率的大小不僅決定著淺層地下溫度場的展布形態(tài)，也決定著熱泵計(jì)算功率的核心，是影響地源熱泵工程投資和能耗的關(guān)鍵因素。目前實(shí)驗(yàn)室用于測試巖體熱力學(xué)性質(zhì)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(jié)果不夠靈敏和精確。

本發(fā)明將瞬態(tài)平面熱源法應(yīng)用于巖體熱力學(xué)性質(zhì)測試中，提出一種可測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器及其測試裝置，為巖土工程中相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供快捷有效的室內(nèi)試驗(yàn)測定方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是針對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有室內(nèi)巖體熱力學(xué)性質(zhì)測試儀器缺陷，提出一種利用瞬態(tài)平面熱源法測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器及其測試裝置。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種利用瞬態(tài)平面熱源法測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器，所述傳感器的探頭包括刻蝕成雙螺旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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(yàn)臺(tái)、巖樣放置臺(tái)、調(diào)校螺絲、固定板、固定螺絲和傳感器；所述圓形試驗(yàn)臺(tái)中心安裝有巖樣放置臺(tái)，放置臺(tái)與圓形試驗(yàn)臺(tái)之間通過調(diào)校螺絲連接，巖樣放置臺(tái)上放置有圓形巖樣，所述固定板剛性連接在圓形試驗(yàn)臺(tái)的上方，固定板中心安裝有固定螺絲，固定螺絲的下端部設(shè)在圓形巖樣上，并將其固定；所述圓形巖樣由兩個(gè)子樣組成，所述傳感器設(shè)在兩個(gè)子樣之間，傳感器通過數(shù)據(jù)線與電腦相連。

本發(fā)明傳感器必須記錄發(fā)出熱脈沖后，利用電腦記錄傳感器的電信號(hào)變化，對(duì)電信號(hào)處理后得到巖樣熱響應(yīng)曲線進(jìn)而推導(dǎo)出巖樣熱導(dǎo)率。

作為優(yōu)選，所述的圓形試驗(yàn)臺(tái)直徑為80mm，所述巖樣放置臺(tái)直徑為50mm。

穩(wěn)定的試驗(yàn)臺(tái)保證試驗(yàn)過程中巖樣的穩(wěn)定，使用遠(yuǎn)薄于巖樣厚度的傳感器保證了測試不會(huì)受到尺寸效應(yīng)的應(yīng)用，基于瞬態(tài)平面熱源法的測試方法保證了測試結(jié)果的靈敏度和精確度。

瞬態(tài)平面熱源鎳箔傳感器中，其電阻和溫度的關(guān)系表達(dá)如下：

式中，r0為傳感器被加熱前的電阻，α是電阻溫度系數(shù)(tcr)；δti為傳感器絕緣薄層的溫度差分。δtave(τ)為樣品表面絕緣層另一面與面對(duì)傳感器一面的溫度升高。

有益效果：熱導(dǎo)率系數(shù)是巖土工程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它是確定淺層巖土體熱力學(xué)性能的基礎(chǔ)。表層巖土體熱導(dǎo)率的大小不僅決定著淺層地溫場的展布形態(tài)，也決定著熱泵計(jì)算功率的核心，是影響地源熱泵工程投資和能耗的關(guān)鍵因素。目前實(shí)驗(yàn)室用于測試巖體熱力學(xué)性質(zhì)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(jié)果不夠靈敏和精確。本發(fā)明將瞬態(tài)平面熱源法應(yīng)用于巖體熱力學(xué)性質(zhì)測試中，提出一種可測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器及其測試裝置，為巖土工程中相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定提供快捷有效的室內(nèi)試驗(yàn)測定方法。

附圖說明

圖1為瞬態(tài)平面熱源傳感器；

圖2為巖體熱導(dǎo)率系數(shù)測試裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種利用瞬態(tài)平面熱源法測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器，所述傳感器的探頭包括刻蝕成雙螺旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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。

如圖2所示，一種使用上述傳感器的測試裝置，包括圓形試驗(yàn)臺(tái)1、巖樣放置臺(tái)2、調(diào)校螺絲3、固定板4、固定螺絲5和傳感器6；所述圓形試驗(yàn)臺(tái)1中心安裝有巖樣放置臺(tái)2，放置臺(tái)2與圓形試驗(yàn)臺(tái)1之間通過調(diào)校螺絲3連接，巖樣放置臺(tái)2上放置有圓形巖樣8，所述固定板4剛性連接在圓形試驗(yàn)臺(tái)1的上方，固定板4中心安裝有固定螺絲5，固定螺絲5的下端部設(shè)在圓形巖樣8上，并將其固定；所述圓形巖樣8由兩個(gè)子樣組成，所述傳感器6設(shè)在兩個(gè)子樣之間，傳感器6通過數(shù)據(jù)線7與電腦相連。所述的圓形試驗(yàn)臺(tái)1直徑為80mm，所述巖樣放置臺(tái)2直徑為50mm。

本發(fā)明傳感器必須記錄發(fā)出熱脈沖后，利用電腦記錄傳感器的電信號(hào)變化，對(duì)電信號(hào)處理后得到巖樣熱響應(yīng)曲線進(jìn)而推導(dǎo)出巖樣熱導(dǎo)率。

將測試巖樣削出兩個(gè)子樣，并分別將子樣的一面拋光以便測試使用。通過調(diào)校螺絲使放置臺(tái)水平后，將傳感器夾在兩個(gè)子樣拋光面中形成三明治結(jié)構(gòu)并放置在放置臺(tái)上，通過固定板中心的固定螺絲固定巖樣，并稍微施加壓力使巖樣拋光面能夠與傳感器接觸緊密，隨后在傳感器接通電源，施加瞬態(tài)熱脈沖后，使用與傳感器相連的電腦記錄傳感器電信號(hào)。

通過軟件處理電信號(hào)與溫度的關(guān)系，并作出二者關(guān)系曲線，測得曲線斜率進(jìn)一步計(jì)算，所得結(jié)果即為材料熱導(dǎo)率，此試驗(yàn)方法計(jì)算所得的結(jié)果較其他方法更為精確。根據(jù)傳感器電阻與溫度變化之間的關(guān)系式：

式中，r0為傳感器被加熱前的電阻，α是電阻溫度系數(shù)(tcr)；δti為傳感器絕緣薄層的溫度差分。δtave(τ)為樣品表面絕緣層另一面與面對(duì)傳感器一面的溫度升高。通過運(yùn)算得到δtave(τ)隨d(τ)變化曲線為一條直線，其截距為δti，而斜率為其中，a是探頭半徑，λ是巖樣熱導(dǎo)率，d(τ)是無量綱時(shí)間函數(shù)。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種利用瞬態(tài)平面熱源法測試巖體熱導(dǎo)率的傳感器及其測試裝置，傳感器的探頭包括刻蝕成雙螺旋結(jié)構(gòu)的導(dǎo)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。測試裝置包括圓形試驗(yàn)臺(tái)、巖樣放置臺(tái)、調(diào)校螺絲、固定板、固定螺絲和傳感器；所述圓形試驗(yàn)臺(tái)中心安裝有巖樣放置臺(tái)，放置臺(tái)與圓形試驗(yàn)臺(tái)之間通過調(diào)校螺絲連接，巖樣放置臺(tái)上放置有圓形巖樣，圓形巖樣由兩個(gè)子樣組成，所述傳感器設(shè)在兩個(gè)子樣之間，傳感器通過數(shù)據(jù)線與電腦相連。該裝置能夠快速有效的測試巖鹽的熱導(dǎo)率，為巖體熱力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)測試提供了一種方便和精確的試驗(yàn)方法，對(duì)淺層熱流研究與能源樁工程實(shí)踐有著重要意義。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡國軍;張文偉;劉松玉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.01.22
技術(shù)公布日：2017.09.22