水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及物性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種建筑領(lǐng)域的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn) 態(tài)測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的持續(xù)增長，能源問題成為全人類共同面臨的重大社 會(huì)問題。目前，建筑與工業(yè)、交通運(yùn)輸并列為中國三大高能耗行業(yè)。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用的大 多是多孔材料，如混凝土、頁巖磚、木材等。在熱濕氣候中，多孔圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在著很強(qiáng)的濕 迀移過程，其熱濕迀移及濕積累對(duì)建筑熱工性能、建筑能耗及室內(nèi)環(huán)境有著重要影響。例 如，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的24倍左右，多孔建筑材料含濕量微小的變化都將對(duì)其傳熱 性能產(chǎn)生巨大影響；同時(shí)，墻體高含濕量會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣含濕量升高，引發(fā)霉菌等微生物滋 長，惡化室內(nèi)環(huán)境。故研宄多孔建筑材料的濕迀移有著十分重要的意義。
[0003] 多孔建筑材料的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)是表征水蒸氣在建筑材料中迀移性能的重要物 性參數(shù)，是定量求解濕迀移問題所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞研宄 的重要內(nèi)容。
[0004] 多孔建材的水蒸氣擴(kuò)散性能通常由穩(wěn)態(tài)干濕杯實(shí)驗(yàn)表征，該方法在許多國家或地 區(qū)已標(biāo)準(zhǔn)化。然而，等溫條件下多孔建材的水蒸氣擴(kuò)散性能取決于其內(nèi)部的相對(duì)濕度，在典 型建筑環(huán)境相對(duì)濕度范圍（40-95%)內(nèi)，水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)的最大值和最小值之間相差約一 個(gè)數(shù)量級(jí)。由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型日益復(fù)雜，對(duì)輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要 求日益提高，水蒸氣擴(kuò)散性能在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上需在更廣的濕度范圍中表征。但是由于 水蒸氣在多孔建材內(nèi)傳遞緩慢，一次穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)需耗時(shí)數(shù)周，且一次穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)只能測(cè)得一個(gè) 水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，完整表征多孔建材的水蒸氣傳遞性能可能需耗時(shí)數(shù)月，所以發(fā)展高效、可 靠的非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法有對(duì)于科學(xué)研宄與工程應(yīng)用都有著十分重要的意義。
[0005] Arfvidsson 等人在《Building and Environment》2000 年 3 期（A transient technique for determining diffusion coefficients in hygroscopic materials， 2000, 35 (3) :239-249)中搭建了在環(huán)境相對(duì)濕度階梯式變化時(shí)多孔建材質(zhì)量測(cè)試實(shí)驗(yàn) 臺(tái)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了 一種以Kirchhoff勢(shì)為驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)的方 法，計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，但該方法需通過穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)求得材料的吸濕曲線，仍耗 時(shí)較長。Pavlik 等人在《Journal of Building Physics》2012 年 3 期中（A Boltzmann transformation method for investigation of water vapor transport in building materials，2012, 35 (3) :213-223)利用時(shí)域反射儀搭建了多孔建材水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn) 態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，然而作者用穩(wěn)態(tài)"干杯"法測(cè)得水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)在非穩(wěn)態(tài)法測(cè)得的擴(kuò)散系數(shù) 曲線上對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度約為64%，與"干杯"法相對(duì)濕度條件為0/50%不符，可靠性不高， 且時(shí)域反射儀價(jià)格昂貴。
[0006] 盡管已有研宄者開展了多孔建筑材料水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)的研宄，但 這些方法仍存在耗時(shí)長、準(zhǔn)確性不高、價(jià)格昂貴等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了測(cè)量出多孔建筑材料材料的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，提供一種多孔 建筑材料的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量精度高并且能夠通過 一次實(shí)驗(yàn)確定水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)與相對(duì)濕度的關(guān)系。
[0008] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置包括恒溫恒濕箱、有機(jī)玻璃箱、強(qiáng)制對(duì)流器、 電容式相對(duì)濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)；裝置的布局如下：
[0010] 埋設(shè)電容式相對(duì)濕度傳感器的待測(cè)樣品的一部分固定于有機(jī)玻璃箱內(nèi)，有機(jī)玻璃 箱置于恒溫恒濕箱中，恒溫恒濕箱和有機(jī)玻璃箱中各放置一個(gè)強(qiáng)制對(duì)流器，電容式相對(duì)濕 度傳感器通過恒溫恒濕箱側(cè)面開孔連接到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連接計(jì)算機(jī)。
[0011] 所述裝置的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法是：
[0012] 用環(huán)氧樹脂密封長方體待測(cè)樣品的前、后、上、下四個(gè)表面，在涂覆環(huán)氧樹脂的某 一面向內(nèi)鉆數(shù)個(gè)預(yù)留孔，烘干待測(cè)樣品后冷卻；在預(yù)留孔內(nèi)埋入電容式相對(duì)濕度傳感器并 用工業(yè)橡皮泥進(jìn)行固定和密封；使用玻璃膠將待測(cè)樣品固定于內(nèi)部盛放有無水氯化鈣的有 機(jī)玻璃箱，待測(cè)樣品未涂覆環(huán)氧樹脂的某一面（左端面或右端面）暴露于密封的有機(jī)玻璃 箱內(nèi)，另一未涂覆環(huán)氧樹脂的表面暴露于有機(jī)玻璃箱外；將固定有待測(cè)樣品的有機(jī)玻璃箱 放置于恒溫恒濕箱中停放一天，恒溫恒濕箱設(shè)定溫度為25°c、相對(duì)濕度為0%，以確保待測(cè) 樣品內(nèi)部溫度均勻且與環(huán)境溫度一致；實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)定恒溫恒濕箱溫度為25°C、相對(duì)濕度 為90%，從而使水蒸氣在待測(cè)樣品中一維傳遞；整個(gè)操作過程中，強(qiáng)制對(duì)流器持續(xù)工作以 均勻兩個(gè)箱體內(nèi)的相對(duì)濕度；數(shù)枚電容式相對(duì)濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè) 和記錄待測(cè)樣品內(nèi)部及恒溫恒濕箱、有機(jī)玻璃箱內(nèi)的相對(duì)濕度；結(jié)合表示水蒸氣非穩(wěn)態(tài)擴(kuò) 散的Fick第二定律與樣品內(nèi)部相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間，利用Boltzmann變換反問題計(jì) 算得到待測(cè)樣品不同相對(duì)濕度下水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置及方法利用高精度且 價(jià)格低廉的電容式相對(duì)濕度傳感器測(cè)量水蒸氣在多孔建筑材料中一維非穩(wěn)態(tài)傳遞時(shí)的相 對(duì)濕度分布，基于反問題原理精確反算出水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。因此，克服了傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法 及其他非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法耗時(shí)長、準(zhǔn)確性不高、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，有利于高效可靠地表征多孔 建筑材料水蒸氣傳遞性能，進(jìn)而促進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕耦合傳遞模型在工程中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明電容式相對(duì)濕度傳感器埋設(shè)示意圖；
[0016] 圖3為本發(fā)明待測(cè)樣品裝配圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0018] 首先參考圖1，該圖給出了本發(fā)明水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置示意圖。
[0019] 如圖1所示，本發(fā)明水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置包括恒溫恒濕箱1、有機(jī)玻璃 箱2、強(qiáng)制對(duì)流器3、電容式相對(duì)濕度傳感器4、數(shù)據(jù)采集器5、計(jì)算機(jī)6。所述的強(qiáng)制對(duì)流器 可以選用任何能起到強(qiáng)制對(duì)流的作用的器件，如選用風(fēng)扇。恒溫恒濕箱1用于提供高相對(duì) 濕度環(huán)境，有機(jī)玻璃箱2內(nèi)盛放無水氯化鈣用于提供低相對(duì)濕度，強(qiáng)制對(duì)流器3用于使箱體 內(nèi)部相對(duì)濕度均勻，電容式相對(duì)濕度傳感器4用于測(cè)定待測(cè)樣品內(nèi)部及環(huán)境相對(duì)濕度，數(shù) 據(jù)采集器5用于采集相對(duì)濕度傳感器測(cè)定的相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間，以及計(jì)算機(jī)6用 于結(jié)合表示水蒸氣非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的Fick第二定律與樣品內(nèi)部相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間， 利用Boltzmann變換反問題處理得到待測(cè)樣品不同相對(duì)濕度下水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。
[0020] 待測(cè)的多孔建筑材料要求長方體切割，在縱向的四周用環(huán)氧樹脂密封絕濕，確保 水蒸氣的一維傳遞。待測(cè)樣品需干燥，且內(nèi)部初始溫度與環(huán)境一致且均勻。
[0021] 假設(shè)多孔建筑材料試樣均勻，水蒸氣擴(kuò)散引起的試樣溫度改變忽略不計(jì)，則等溫 環(huán)境中水蒸氣在多孔建材內(nèi)的傳遞可用Fick第二定律表示：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量裝置，特征在于：包括恒溫恒濕箱（1)、有機(jī)玻璃箱 (2)、強(qiáng)制對(duì)流器（3)、電容式相對(duì)濕度傳感器（4)、數(shù)據(jù)采集器（5)、計(jì)算機(jī)（6);裝置的布局 如下： 埋設(shè)電容式相對(duì)濕度傳感器（4)的待測(cè)樣品的一部分固定于有機(jī)玻璃箱（2)內(nèi)，有機(jī) 玻璃箱（2 )置于恒溫恒濕箱（1)中，恒溫恒濕箱（1)和有機(jī)玻璃箱（2 )中各放置一個(gè)強(qiáng)制對(duì) 流器（3 )，電容式相對(duì)濕度傳感器（4 )通過恒溫恒濕箱（1)側(cè)面開孔連接到數(shù)據(jù)采集器（5 )， 數(shù)據(jù)采集器（5 )連接計(jì)算機(jī)（6 )。
2. -種使用如權(quán)利要求1所述裝置的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法，其特征在于： 用環(huán)氧樹脂密封長方體待測(cè)樣品的前、后、上、下四個(gè)表面，在涂覆環(huán)氧樹脂的某一面 向內(nèi)鉆數(shù)個(gè)預(yù)留孔，烘干待測(cè)樣品后冷卻；在預(yù)留孔內(nèi)埋入電容式相對(duì)濕度傳感器（4)并 用工業(yè)橡皮泥進(jìn)行固定和密封；使用玻璃膠將待測(cè)樣品固定于內(nèi)部盛放有無水氯化鈣的有 機(jī)玻璃箱（2)，待測(cè)樣品未涂覆環(huán)氧樹脂的某一面暴露于密封的有機(jī)玻璃箱（2)內(nèi)，另一未 涂覆環(huán)氧樹脂的表面暴露于有機(jī)玻璃箱（2)外；將固定有待測(cè)樣品的有機(jī)玻璃箱（2)放置 于恒溫恒濕箱（1)中停放一天，恒溫恒濕箱設(shè)定溫度為25°C、相對(duì)濕度為0%，以確保待測(cè)樣 品內(nèi)部溫度均勻且與環(huán)境溫度一致；實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)定恒溫恒濕箱（1)溫度為25°C、相對(duì)濕 度為90%，從而使水蒸氣在待測(cè)樣品中一維傳遞；整個(gè)操作過程中，強(qiáng)制對(duì)流器（3)持續(xù)工 作以均勻兩個(gè)箱體內(nèi)的相對(duì)濕度；數(shù)枚電容式相對(duì)濕度傳感器（4)、數(shù)據(jù)采集器（5)和計(jì)算 機(jī)（6)持續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄待測(cè)樣品內(nèi)部及恒溫恒濕箱（1)、有機(jī)玻璃箱（2)內(nèi)的相對(duì)濕度；結(jié) 合表示水蒸氣非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的Fick第二定律與樣品內(nèi)部相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間，利用 Boltzmann變換反問題計(jì)算得到待測(cè)樣品不同相對(duì)濕度下水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)非穩(wěn)態(tài)測(cè)量的裝置及其方法。該裝置包括：恒溫恒濕箱，用于提供高相對(duì)濕度環(huán)境；有機(jī)玻璃箱，內(nèi)盛放無水氯化鈣，用于提供低相對(duì)濕度；強(qiáng)制對(duì)流器，用于使箱體內(nèi)部相對(duì)濕度均勻；電容式相對(duì)濕度傳感器，用于測(cè)定待測(cè)樣品內(nèi)部及環(huán)境相對(duì)濕度；數(shù)據(jù)采集器，用于采集相對(duì)濕度傳感器測(cè)定的相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間；以及計(jì)算機(jī)，用于結(jié)合表示水蒸氣非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的Fick第二定律與樣品內(nèi)部相對(duì)濕度及對(duì)應(yīng)的測(cè)定時(shí)間，利用Boltzmann變換反問題處理得到待測(cè)樣品不同相對(duì)濕度下水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量精度高以及測(cè)試時(shí)間短的特點(diǎn)。
【IPC分類】G01N27-22, G01N13-00
【公開號(hào)】CN104849178
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510268158
【發(fā)明人】俞自濤, 易思陽, 范利武, 徐旭, 金虹慶
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月23日