CN101251502B - 纺织品导热、热扩散系数和体积热容的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纺织品导热系数、热扩散系数和体积热容的测量装置和方法，装置包括试样加热装置、数据采集系统和计算机系统；所述的方法，其步骤为，笫1步，将纺织品按热源大小裁剪成小试片；笫2步，把试样片层叠形成三个试样块；笫3步，在试样顶部施加均匀压力；笫4步，接通加热片的电源，开始记录温度传感器的读数；笫5步，关闭加热片和温度传感器，将采集的数据记录送后处理；笫6步，选择合适的参数拟合时间窗口长度，以及相邻时间窗口的起始点间隔；笫7步，对温度数据逐段进行参数拟合；笫8步，绘制出体积热容的变化曲线，找出其中的稳定区域，在该区域中取各拟合参数的均值，得到最终的试验结果；笫9步，测试结束。

Description

纺织品导热、热扩散系数和体积热容的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及纺织品导热系数、热扩散系数和体积热容的测量装置和方法，属于纺织品测量技术领域。

背景技术

纺织品热物性参数测试目的是获取材料的各种热传递参数，这些参数中最为常用的是热传导性能参数，包含了导热率、热扩散系数和体积热容三个物理指标。

国内外广泛使用的纺织品热传导性能测试方法均为稳态方法。稳态方法的原理是，首先在被测纺织品的两个表面上形成一定的温差，平衡一段时间后，试样将在厚度方向上形成稳定的一维热传递状态，然后测量此时单位时间上流过织物的热流量，并计算出织物的导热系数。

稳态测试方法的主要缺点在于，1)为使试样内部形成稳定的一维热流，需要一个较长的热传导平衡时间，因此测试速度慢；2)仅能测量试样的导热系数，无法测试热扩散系数和体积热容；3)为了减少试样外边缘上的热散失，需要通过保护热板的方式在试样的边缘形成绝热，导致测试机构复杂。

由于上述的缺点，造成稳态方法的应用面有限，对于需要快速测量的试样，如含湿纺织品的测量，就无法利用稳态方法完成。

非稳态测试方法具有快速、多参数同时测量的特点。在固体材料测试方面，如金属、高分子材料、混凝土材料等，非稳态方法已经取得了飞速的发展。然而在纺织品的测试上，却缺乏相应的测试设备。虽然已经有研究人员对纺织品的非稳态测试方法做过研究，但依然存在很多测试精度上和测试重现度上的问题。究其原因，一是测量方式选择不当，使得试验的实施上较为困难，人为的引入很多影响因素；二是在测试中并未考虑如何控制测试过程中纺织品内部的热传递方式，往往是热传导、热对流、热辐射三者共同作用，而测试理论中却仅考虑了热传导一项，因此影响了测量的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非稳态条件下利用平面热源同时测量织物的导热系数、热扩散系数、体积热容的方法，该方法采用加热装置、数据采集系统和计算机处理系统测量装置，仅用数分钟即可完成试验。

为达到上述目的，本发明的技术方案：该方法采用的试验装置，包括试样加热装置、数据采集系统和计算机处理系统三个环节。

1)试样加热装置包括加热片、试样和加压机构三部分。加热片要求厚度较小，表面发热均匀，电路电阻在试验温度范围内恒定。织物作为被测试样，需要裁成与加热片面积同样大小或稍大的布片若干块，整齐的叠合在一起。织物表面平整、干净，使层与层间接触良好。

织物层叠成如图1所示的a、b、c三部分。热源与温度检测器之间b部分的厚度应小于热源边长的0.4倍。

两侧a、c部分的厚度应大于中间b部分的1.4倍。

试样的形状和厚度可以根据所使用的热源适当变化。加压机构位于试样的顶端，对试样施加一定的压力。

2)数据采集系统包括温度传感器、A/D转换模块。温度传感器放置在试样a、b间的中心位置(见图1)，将该位置上的温度信号转换为模拟电流信号，再由A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，通过RS232串口与计算机连接，测得温度传感器所在处时间—温度曲线。

3)计算机处理系统，该系统负责两项工作：(1)在数据采集系统中对A/D转换模块进行控制，并记录由A/D转换模块传回的数据，A/D转换模块本身并不具备控制单元；(2)对温度数据进行后处理。总之，负责将所接收到的时间—温度数据进行处理，获取导热系数、热扩散系数和体积热容的测试值。

本发明的技术方案的方法为：其步骤有三大环节，试验前准备、温度数据测量、数据后处理。具体步骤为：笫1步，将纺织品按热源大小裁剪成若干小试片，并在20±2C温度，65±5％湿度下平衡24小时；笫2步，把试样片层叠，形成图1中a、b、c三个试样块，然后与加热片、温度传感器组合，并安放在试验装置固定架(图1中未标出)中；笫3步，在试样的顶部施加均匀压力；笫4步，静置5分钟后，待试样厚度稳定，接通加热片的电源，并同时开始记录温度传感器的读数；笫5步，关闭加热片和温度传感器，将已采集到的数据记录送后处理程序；笫6步，选择合适的参数拟合时间窗口长度，以及相邻时间窗口的起始点间隔；笫7步，对温度数据逐段进行参数拟合，获得一系列拟合参数值；笫8步，绘制出体积热容的变化曲线，找出其中的稳定区域(或统计上众数所在区域)，在该区域中取各拟合参数的均值，得到最终的试验结果；笫9步，测试结束。本发明的有益效果：由于采用本发明的测量方法，测试中考虑如何控制测试过程中纺织品内部的热传递方式，往往是热传导、热对流、热辐射三者共同作用，因此测量的精度提高了，是适合于纺织品的热传导测试方法。

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作比较详细地说明。

附图说明

图1为本发明方法的测量装置构成示意图；

图2为本发明方法的步骤流程图；

图3为用热电阻测得的时间—温度曲线；

图4为本发明的各时间窗口上得到的体积热容ρC数值。

具体实施方式

参照图1，这是本发明纺织品导热系数、热扩散系数和体积热容的测量装置的示意图。

如图所示，其测试装置包括试样加热装置、数据采集系统和计算机处理系统三个环节。

所用的加热片是一种三明治结构的金属柔性电加热膜，厚度极薄，能够均匀加热，工作时通入恒定的电流。

图中a、b、c是由被测织物多块叠加形成，织物块的面积与热源面积相等或稍大。a、b、c的厚度有一定限制，要求热源与热电阻之间b部分的厚度小于0.4倍的热源边长。两侧a、c、部分的厚度应大于中间b部分厚度的1.4倍。选用PT100铂电阻测温传感器，放置在试样的中心轴上。

a的上表面施加一定的压力。热电阻的输出信号通过数据采集系统经串口输入计算机，至此，便搭建了本方法的测试装置。

试验开始后，热源接通恒流电源，开始输出热量，温度采集卡将来自热电阻的模拟电信号通过A/D转换，以数字信号输入计算机，同时数字式电流仪记录流过热源的电流。采样频率在4Hz左右，达到一定的采样点数(如1500点)之后停止采样记录，并关闭热源。至此，连接有计算机的测试装置完成测试点上的时间—温度的采集工作。

参照图2，运是本发明方法的步骤流程图。在发明内容中已有记述，不再重复。

参照图3，这是本发明用热电阻测得的时间—温度曲线。

试样块a和b组成的整体和试样块c对称地放置在热源的两面上，由于是相同材料的试样块，热源产生的热量被平分到上下两个试样块上。试样块的初始状态为实验室环境温度，试验开始后，一个表面受到热源的恒定热流加热，而另一个表面在一段时间之内会维持室温状态，试样内的一维热传导过程可以由下式表示：

$T(h,\mathrm{\τ})=\frac{q_0}{\mathrm{\λ}}\{{\left(\frac{\mathrm{a\τ}}{\mathrm{\π}}\right)}^{1/2}\exp (-\frac{h^2}{4\mathrm{a\τ}})-\frac{h}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{h}{\sqrt{4\mathrm{a\τ}}}\right)\}\left(1\right)$

T——传感器所在位置上的温度

λ——试样导热系数。

q——热源单位面积输出的热量，等于R²I。

R——热源单位面积电阻。

h——热源与温度传感器之间的距离。

a——试样的热扩散率。

τ——时间。

理论上，排除测试的随机误差，测量得的温度传感器所在位置上，不同时间的温度变化值应服从公式(1)，根据测得的时间—温度数据，通过相应的数据处理方法就可以拟合得到待测量λ、a，进一步可得体积热容ρC＝λ/a。但是，在部分时间区段上由于热源的热惯性、织物外边缘散热影响，实测数据和公式(1)两者是有较大差别的。

实验的初始阶段，由于热源的热惯性以及与织物之间的接触热阻，导致温度测试值变化趋势偏离公式(1)理论趋势，随着温度的升高，织物周围散热加剧，实验后期的测试值变化趋势也会偏离理论趋势。因此，需要确定有效数据拟合的时间段，在这一时间段内，上述干扰可以忽略，使得数据处理得到的导热系数和热扩散系数更为接近真实值。

在时间-温度曲线的时间轴上选择一系列的时间窗口，时间窗口的大小相同，相邻时间窗口的起始位置的间隔一定，在各时间窗口内根据最小二乘的原理，将测试得到的时间-温度数据，通过公式(1)进行参数拟合，得到相应的λ、a值，使在该段时间窗口内拟合出的温度理论值和实验值的误差平方和最小，得到一系列对应的λ、a值。根据测量理论中热物性不变的假设，在所得到的结果中，找出一个时间区段，在此时间区段内的各时间窗口上体积热容ρC变化率最小，这就是有效数据拟合的时间段。将该时间区段上各时间窗口相应的λ、a值取平均，即可得到最终的测量值。

参照图4，为各时间窗口上得到的体积热容ρC数值，横坐标为时间窗口中点时刻。从图中可以看到，大约在81-132秒区间中，体积热容近似是常数，而在该区间外，则有强烈的波动。于是将81-132秒定为有效数据拟合的时间区段，对该时间区段内的λ、a值取平均，得到了λ、a值最终结果，进一步得到ρC数值。

实施例：

下面以测量丙纶非织造布和平纹织物的导热系数、热扩散系数和体积热容为例。

本实验采用某公司生产的125型薄膜电加热器作为平板热源，尺寸80mm*80mm*0.2mm，电阻17.2欧姆。织物裁成多片80mm*80mm的布样，层叠在一起，以达到测量需要的厚度。其中，b部分热源与热电阻间试样厚度为3.39mm。两侧a、c部分试样厚度各为40mm，a的上表面施加792Pa的压力。选用PT100铂电阻作为测温传感器，测定温度的范围为-100度到100度，放置在试样的中心轴上。热源单位面积上的热功率为13.19W/m²。测试采用ICP公司的7033数据采集卡，输出的数字信号采用RS-485接口通讯，由于个人计算机采用RS-232接口串行通讯标准，因此，采用ICP公司的7520R转换器实现两者的转换，使温度采集卡的数字信号输入计算机。参见图3，有效数据拟合的时间区段选择。为各时间窗口上得到的体积热容ρC数值，横坐标为时间窗口中点时刻。从图中可以看到，大约在81-132秒区间中，体积热容近似是常数，而在该区间外，则有强烈的波动。于是将81-132秒定为有效数据拟合的时间区段，对该时间区段内的λ、a值取平均，得到了λ、a值最终结果，进一步得到ρC数值。

丙纶非织造布(平方米克重4.852g/m²)和平纹织物(平方米克重117.8g/m²)的导热系数如表1、2所示。为验证该装置的稳定性，在同样的实验参数下，重复测量5次。由表1、2列出的实验结果可以看出，本装置测量结果具有很好的重现性。

表1丙纶非非织造布的实验测量结果

表2平纹织物的实验测量结果

Claims (2)

1.纺织品导热系数、热扩散系数和体积热容的测量装置包括数据采集系统和计算机处理系统，其特征在于：还包括试样加热装置，试样加热装置包括加热片、试样和加压机构三部分，加热片厚度较小，表面发热均匀，电路电阻在试验温度范围内恒定；试样是由被测试样裁剪成与加热片面积相同大小或稍大的布片若干块，整齐叠合成a、b、c三个试样块，b试样块的厚度小于加热片边长的0.4倍，a试样块、c试样块的厚度大于b试样块的1.4倍；数据采集系统的温度传感器放置于a试样块及b试样块间的中心位置，加压机构位于试样的顶端，对试样施加一定的压力。

2.纺织品导热系数、热扩散系数和体积热容的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的测量方法，其步骤有三大环节，试验前准备、温度数据测量、数据后处理；具体步骤为：笫1步，将纺织品按热源大小裁剪成若干小试片，试样的面积与热源面积相等或稍大，并在20±2℃温度，65±5％湿度下平衡24小时；笫2步，把试样片层叠，形成a、b、c三个试样块，a、b、c的厚度有一定限制，要求热源与热电阻之间b部分的厚度小于0.4倍的热源边长，两侧a、c部分的厚度应大于中间b部分厚度的1.4倍，然后与加热片、温度传感器组合，并安放在试验装置固定架中；笫3步，在试样的顶部施加均匀压力；笫4步，静置5分钟后，待试样厚度稳定，接通加热片的电源，并同时开始记录温度传感器的读数；笫5步，关闭加热片和温度传感器，将已采集到的数据记录送后处理程序；第6步，在时间-温度曲线的时间轴上选择一系列的时间窗口，时间窗口的大小相同，相邻时间窗口的起始位置的间隔一定；第7步，在各时间窗口内根据最小二乘的原理，将测试得到的时间-温度数据，通过公式

进行参数拟合得到相应的λ、a值，使在该段时间窗口内拟合出的温度理论值和实验值的误差平方和最小，得到一系列对应的λ、a值，其中，T——传感器所在位置上的温度，λ——试样导热系数，q₀——热源单位面积输出的热量，等于R²I，I——热源单位面积电流，h——热源与温度传感器之间的距离，a——试样的热扩散率，τ——时间；笫8步，绘制出体积热容的变化曲线，找出其中的稳定区域，在该区域中取各拟合参数的均值，得到最终的试验结果；笫9步，测试结束。

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