CN101266220B

CN101266220B - 谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法及装置

Info

Publication number: CN101266220B
Application number: CN2007100643862A
Authority: CN
Inventors: 唐大伟; 王照亮; 郑兴华
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: CN101266220A

Abstract

本发明谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法及装置，涉及利用信号频域特性进行热物性测量的技术。该方法在待测液体内部布置一定尺度和形状带有绝缘层的微型加热丝，采用具有直流偏移分量的周期微弱电流加热，作为加热器和温度传感器，然后根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热扩散率等多个热参数。因焦耳效应产生的热量将以1ω和2ω的频率对金属丝和液体加热，产生频率不同的温度波。增加的金属丝电阻与周期电流共同作用产生频率不同的电压谐波。不同频率谐波包含丰富的热参数信息。微型加热器表面沉积有厚度小于1微米的特殊绝缘高导热膜。

Description

谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种利用交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法及装置，特别是应用于纳米流体、液态金属等导电和非导电液体热物性参数测试的方法及装置。

背景技术：

纳米颗粒功能流体(纳米悬浮液)和液态金属等作为一种强化换热工质在微型加热、冷却设备和微型反应器中逐渐得到应用。上述特殊流体的热参数的准确测量和描述对于上述设备的热设计及热控制具有重要作用。目前一般采用瞬态热线法(THW)，准稳态法，稳态法和短热线法等测量液体的导热系数，一般采用直流电加热，利用信号的时域特性测量。由于热线自身的热容以及可能引起液体的自然对流作用，可能使实际的测试系统偏离理论模型。并且在采用直流电加热情况下，如果测试时间大于3s-6s，热线和液体之间的温差可能引起液体的自然对流，因此必须控制测量时间。2005年Vadasz比较了热线法和瞬态热带法，认为采用瞬态热线法(THW)测试的纳米流体导热系数偏高可能是热波对流造成的。基于谐波探测的3ω测量技术虽然已经提出了十几年，但目前未见利用该方法测量纳米流体、液态金属等液体导热系数的研究报导。分析该测量方法特点发现，该方法可实现液体内部的热量传递，微型加热膜(线)通过微弱交流信号加热介质，由加热线的1ω、2ω和3ω谐波得到温度波动信号。利用交流锁相放大技术可以克服瞬态热线法(THW)很难得到高精度快速信号响应的问题。采用很小的时间常数就可以快速探测到稳定的三次谐波，包含与流体热参数有关的丰富信息。在频域内，通过增大加热频率可以减小热作用深度，进而减弱对流产生的干扰。

发明内容：

本发明解决现有液体导热系数测试方法在时域内测量易引起液体自然对流以及允许的测试短和绝缘困难等的技术缺陷，提供一种基于谐波探测技术的测量方法及其装置。此方法允许测试时间长、能有效减弱液体自然对流影响、易于绝缘，可用于纳米流体、液态金属等导电和非导电液体导热系数和热扩散率等多个热参数同时测量。

本发明的技术方案是：

一种谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其步骤依次为：①把微型金属加热丝两端采用压焊工艺分别固定在两金属支架上；②在加热丝和金属支架表面沉积绝缘层，然后固定在储液容器内部；③把储液容器放置于恒温真空腔内，在储液容器内部充灌测试液体并启动TEC加热系统加热到要求温度；④开启真空泵，恒温真空腔的真空度满足要求后关闭真空泵；⑤把加热丝与采用模块化设计的谐波探测系统接通，测试不同频率下加热丝两端的谐波；⑥根据测试原理拟合液体的导热系数和热扩散系数。

所述的交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其所述微型金属加热丝采用含有直流分量的周期交流加热。

所述的交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其所述微型加热丝的直径在5～50μm范围内，加热丝的总长度在2～100mm范围内；表面绝缘层11的厚度在0.1～10μm范围内，绝缘层11的导热系数与加热丝的导热系数接近，大于60Wm^-1K^-1；加热丝两端固定的金属支架直径在0.5～5mm范围内。

一种根据权利要求1所述的方法使用的装置，其包括

一微型交流加热/温度探测器，所述微型交流加热/温度探测器表面整体沉积一层导热绝缘膜，形成耐腐蚀的绝缘层；

一储液容器，一真空腔，储液容器置于真空腔内，储液容器侧及下外表面由保温层包覆，储液容器与保温层之间有间距，保温层底部由大金属支架支撑；

微型交流加热/温度探测器位于储液容器内；

TEC连续加热和冷却模块位于储液容器与保温层之间的间距内，布于储液容器外侧面，使储液容器内待测液体的温度从-10℃到200℃之间变化；

一谐波分离电路模块和一谐波探测电路模块，通过电压引线与微型交流加热/温度探测器一端连接，所述谐波分离电路将特定的1ω、2ω和3ω谐波相互分离，使锁相放大器能够探测到不同谐波的幅值和相位。

所述的装置，其所述微型交流加热/温度探测器，包括微型加热丝、金属支架、导热绝缘膜，其中，加热丝两端分别固定在两金属支架上，两金属支架的自由端，接有电源引线和电压引线，其电压引线接谐波探测系统，加热丝和两金属支架表面覆有导热绝缘层，加热丝中间设有两个谐波测量点；微型加热丝的直径在5～50μm范围内，表面绝缘层的厚度在0.1～10μm范围内，加热丝的总长度在2～100mm范围内；两个谐波测量点间距在2～80mm范围内，加热丝两端固定的金属支架直径在0.5～5mm范围内，两个金属支架之间的距离在2～80mm范围内。

所述的测量装置，其所述储液容器与保温层之间的间距，在1～100mm范围内；TEC模块为-10℃～200℃范围内连续变温；在谐波分离电路模块中，谐波分离采用电桥电路，运算放大器采用AD或AMP系列元件，电路中所有匹配电阻的电阻温度系数小于5PPM。

所述的测量装置，其所述加热丝采用竖直或水平放置。

所述的测量装置，其所述谐波分离电路模块和谐波探测电路模块采用前置放大器提高谐波的强度和稳定性。

所述的测量装置，其在电桥电路中采用阻值小于5Ω的电阻补偿加热丝引线的接触电阻。

所述的测量装置，其用于测量纳米流体、液态金属、导电和非导电微量液体的导热系数和热扩散率参数。

本发明能在很大程度上解决目前液体导热系数测量方法遇到的液体自然对流和允许的测试时间短以及难于测量液态金属等导电液体的问题，可以在比较大的温度范围内(-10℃～200℃)快速而准确探测所需的各次谐波，保证液体热参数测量的准确性。

加热丝的直径在5～50μm范围内，表面绝缘层11的厚度在0.1～10μm范围内，可以在低频下直接测量液体的导热系数，而不必考虑加热丝自身热容的影响。

绝缘层11的导热系数大于60Wm^-1K^-1，厚度小于10μm，可以忽略绝缘层11自身的温度变化。

加热丝中间两个谐波测量点间距在2～80mm范围内可以有效消除加热丝端部散热的影响。

与瞬态热线法相比，测试时间长、并利用锁相放大技术快速而准确的测试交流加热作用产生的三次谐波；利用该方法在真空中测量液体的热参数可有效减弱对流产生的影响。由于热作用深度随交流信号频率的增大而减小，利用该实验系统可以测量纳米流体、液态金属等导电和非导电微量液体的热参数。

附图说明：

图1是本发明的带有特殊绝缘层11的微型加热/测温器结构示意图；

图2是本发明谐波法液体容器结构示意图；

图3是本发明谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的装置系统图。

具体实施方式：

见图1，2和3为组成谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的装置；其中图2和3中的加热丝放大结构见图1；加热丝的具体位置见图2；图2中的谐波探测引线2接图3加热丝对应位置。其中，电流引线接点1、谐波探测引线2、热电偶3、金属支架4、TEC加热/冷却器5、储液容器6、保温层7、恒温真空腔8、大金属支架9、加热丝10(其放大结构见图1)。

在待测液体内部布置一定尺度和形状的带有绝缘层11的微型加热丝10，采用具有直流偏移分量的周期微弱电流加热，同时作为温度传感器，然后根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热扩散率等多个热参数。因焦耳效应产生的热量将以1ω和2ω的频率对金属丝和液体加热，产生频率不同的温度波。增加的金属丝电阻与周期电流共同作用产生频率不同的电压谐波。不同频率谐波包含丰富的热参数信息。利用本发明提出的理论模型和数据处理方法可以同时测量纳米流体、液态金属等导电和非导电液体导热系数、热扩散率等多个热参数。

本发明的一种实现上述方法的专用谐波探测液体导热系数系统装置——包括一微型交流加热/温度探测器，所述微型交流加热/温度探测器表面整体沉积一层高导热系数绝缘膜，形成耐腐蚀的绝缘层11；连续对液体的冷却和加热的TEC模块，可以连续使液体从-10℃变化到200℃；谐波分离和探测电路模块，所述谐波分离电路可以将特定的1ω、2ω和3ω谐波相互分离，以使锁相放大器能够探测到不同谐波的幅值和相位。

上述微型交流加热/温度探测器中的微型加热丝10的直径在5～50μm范围内，表面绝缘层11的厚度在0.1～10μm范围内，加热丝10的总长度在2～100mm范围内。绝缘层11的导热系数与加热丝10的导热系数接近，大于60Wm^-1K^-1。

加热丝10中间两个谐波测量点12、13的间距在2～80mm范围内，加热丝10两端固定的金属支架4直径在0.5～5mm范围内。

加热丝10与金属支架4之间采用压焊连接。

加热丝10竖直或水平放置。

两个金属支架4之间的距离在2～80mm范围内，液体下部的金属支架9距离液体容器底部距离在1～100mm范围内。

TEC模块实现变温范围为-10℃～200℃，精度为0.5～1℃。

谐波分离采用电桥电路，运算放大器采用AD或AMP系列元件。

谐波探测精度小于0.1μV。

电路中所有匹配电阻的电阻温度系数小于5PPM。

本发明通过带有直流偏移分量的周期微弱电流加热微细加热丝10，加热丝10同时用做加热器和温度测量元件，由于加热丝10内部电流的有效值很小，产生的加热功率只有几个毫瓦，在加热周围液体的过程中加热丝10的温升必须小于3～5K，同时采用的周期电流的频率范围比较大，从几Hz变化到几KHz，在上述条件下液体的温升和加热作用深度很小，同时锁相放大器采用比较小的时间常数，可以有效减弱液体内部的自然对流作用，也可以使得液体容器比较容易满足半无限大边界的假设条件，进而可以使得测量所需的液体体积很小。容器内壁采用防静电涂层，可以有效避免液体中纳米颗粒的吸附和团聚。整个液体容器置于一个真空度接近0.15Pa的真空腔8内，谐波探测系统可以比较准确的测量各次谐波的幅值和相位。由于加热丝10表面的绝缘涂层厚度小，导热系数比较大，同时具备比较好的抗腐蚀能力，可以忽略绝缘层11的温度改变的影响，可以测量的液体的导热系数的范围比较宽，液体导热系数在0.02～25Wm^-1K^-1之间，导热系数的测量不确定度小于1.5％，液体导热系数在25～65Wm^-1K^-1之间，导热系数的测量不确定度小于3.5％，热扩散系数的测量不确定度小于6％。

测试开始前，调节串联的可调电阻14接近或略微大于测量过程中加热器可能达到的最大电阻。为了防止金属加热丝10有比较明显的温升，调节信号发生器或锁相放大器的输出电压，使得可调电阻14两端的电压接近10mV，微调可调电阻14，通过锁相放大器的差动输入监测，使得电桥平衡，可调电阻14的阻值就等于加热器的冷态电阻。在频率30Hz附近，采用交流电压表或示波器测量两个单增益运算放大器的输出电压，以检查是否出现直流漂移。在测量给定温度和某一频率下加热丝10两端的三次谐波时，应适当选择合理的基波电压，使得加热丝10外膜两端的三次谐波接近基波的1/500～1/1000。

Claims

1.一种谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其特征在于，其步骤依次为：

①把微型金属加热丝两端采用压焊工艺分别固定在两金属支架上；

②在加热丝和金属支架表面沉积绝缘层，然后固定在储液容器内部；

③把储液容器放置于恒温真空腔内，在储液容器内部充灌测试液体并启动TEC加热系统加热到要求温度；

④开启真空泵，恒温真空腔的真空度满足要求后关闭真空泵；

⑤把加热丝与采用模块化设计的谐波探测系统接通，测试不同频率下加热丝两端的谐波；

⑥根据测试原理拟合液体的导热系数和热扩散系数。

2.根据权利要求1所述的谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其特征在于，所述微型金属加热丝采用含有直流分量的周期交流加热。

3.根据权利要求1所述的谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其特征在于，所述⑤步中测试开始前，调节串联的可调电阻接近或略微大于测量过程中加热器可能达到的最大电阻；为了防止金属加热丝有比较明显的温升，调节信号发生器或锁相放大器的输出电压，使得可调电阻两端的电压接近10mV，微调可调电阻，通过锁相放大器的差动输入监测，使得电桥平衡，可调电阻的阻值就等于加热器的冷态电阻；在频率30Hz附近，采用交流电压表或示波器测量两个单增益运算放大器的输出电压，以检查是否出现直流漂移；在测量给定温度和某一频率下加热丝两端的三次谐波时，选择合理的基波电压，使得加热丝外膜两端的三次谐波接近基波的1/500～1/1000。

4.一种根据权利要求1所述的方法使用的装置，其特征在于，包括

微型交流加热/温度探测器位于储液容器内；

一谐波分离电路模块和一谐波探测电路模块，通过电压引线与微型交流加热/温度探测器一端连接，所述谐波分离电路将特定的1ω、2ω和3ω谐波相互分离，使锁相放大器能够探测到不同谐波的幅值和相位；

所述储液容器与保温层之间的间距，在1～100mm范围内；TEC模块为-10℃～200℃范围内连续变温；谐波分离模块中，谐波分离采用电桥电路，运算放大器采用AD或AMP系列元件，电路中所有匹配电阻的电阻温度系数小于5PPM。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述微型交流加热/温度探测器，包括微型加热丝、金属支架、导热绝缘膜，其中，加热丝两端分别固定在两金属支架上，两金属支架的自由端，接有电源引线和电压引线，其电压引线接谐波探测系统，加热丝和两金属支架表面覆有导热绝缘层，加热丝中间设有两个谐波测量点；微型加热丝的直径在5～50μm范围内，表面绝缘层的厚度在0.1～10μm范围内，加热丝的总长度在2～100mm范围内；两个谐波测量点间距在2～80mm范围内，加热丝两端固定的金属支架直径在0.5～5mm范围内，两个金属支架之间的距离在2～80mm范围内。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述加热丝采用竖直或水平放置。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述谐波分离电路模块和谐波探测电路模块采用前置放大器提高谐波的强度和稳定性。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在电桥电路中采用阻值小于5Ω的电阻补偿加热丝引线的接触电阻。

9.根据权利要求4、5、6、7或8所述的装置，其特征在于，用于测量纳米流体、液态金属、导电和非导电微量液体的导热系数和热扩散率参数。