CN101393150A - 基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置。本发明将杠杆加载装置2与压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6，低温试样14自上而下依次连接，由定位块预先承受压力，螺纹传动轴20经高温试样支撑杆17将高温试样15推出加热炉，接触并顶起低温试样14，使压力转移到接触面。加热炉控温热电偶13与程控表相连，程控表输出端并联后经RS232转换器与工控机26相连，测温热电偶16与前置多路选通放大器23、A/D转换板25依次连接，对测点温度信号进行实时采集处理，应用反传热算法编写FORTRAN计算模块。本发明的效果是测量温度高，采集速度快，测量原理切合实际，适用于固态热加工研究领域。

Description

基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量方法和装置

技术领域

本发明属于固态热加工研究领域。主要用于测量金属固体瞬间接触过程中界面的接触换热系数。

背景技术

在金属材料热加工过程中，模具与工件间的热量交换直接影响了温度场的分布，进而影响模具寿命和工件成形精度，因此，人们很早就开始了对金属固体界面间的接触换热系数进行研究，随着现代工业的发展，这项研究越来越受到科研人员和精密成形企业的关注，同时，固态热加工过程数值模拟技术对接触换热系数方面的数据需求较大。目前，国内外学者从理论模型、实验测量等方面对固体界面接触换热系数开展了一系列研究，获得了一定数据，普遍的实验方法是，等通过两直接接触试样的热流基本稳定时，再对试样轴线上不同位置点的温度进行采集，计算时采用外推法获得接触面处温度，即稳态法，由于实际加工过程是先将模具和工件加热，然后接触加压，热量交换在短时间内完成，现有的实验方法与实际情况偏离较大，从相关文献了解到，基于瞬态法的测量技术难度大，实验成本高，大多数测量的温度较低，数据采集处理的方法不完善。

参考文献：

[1].M.Rosochowska，K.Chodnikiewicz，R.Balendra，A new method of measuringthermal contact conductance，Journal of Materials Processing Technology145(2004)207-214.

[2].C.Fieberg，R.Kneer，Determination of thermal contact resistance fromtransient temperature measurements，International Journal of Heat and MassTransfer 51(2008)1017-1023.

现有的实验装置多用稳态法测量，实验数据不能充分满足实际生产和科学研究的需求，试样接触面处温度低，针对固态热加工过程的研究较少，温度采集和数据处理方法不够完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量固体界面间接触换热系数的方法和装置，该方法和装置不仅测量温度范围宽，而且能够实现两不同温度试样的动态接触，并对接触后热流交换引起的温度变化进行实时采集、直观显示，最终利用计算程序实现对接触换热系数的计算。

本发明的技术解决方案是：基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，由上支撑板1、杠杆加载装置2、直线轴承3、压力变向节4、定滑轮机构5、低温试样连接杆6、低温加热炉7、高温加热炉8、滑轮带定位销9、传动轴套筒10、定心圆球11、卡环12、控温热电偶13、测温热电偶16、高温试样支撑杆17、下支撑板18、螺纹轴套19、螺纹传动轴20、低温程控表21、高温程控表22、前置多路选通放大器23、DB-37电缆线24、A/D转换板25、工控机26、滑杆27、加热炉托28和定位块29组成，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1∶5，低温试样14和高温试样15直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样14和高温试样15为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶16分别置于低温试样14的四个孔和高温试样15的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶16的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样15置于高温支撑杆17端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆17置于螺纹传动轴20端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒10内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置2与压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6、低温试样14依次连接，低温试样14置于低温试样连接杆6端面的凹槽内，定心圆球11位于其另一端面与压力变向节4端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承3约束，低温加热炉7和高温加热炉8上电阻丝的接线柱分别与低温程控表21和高温程控表22负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉7可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶16补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器23的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线24把前置多路选通放大器23与工控机26内插的A/D转换板25各自的37针脚接口相连，控温热电偶13插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机26的串口上，测温热电偶16、带温度补偿电路的前置多路选通放大器23与A/D转换板25依次连接；该装置的核心部分是使螺纹传动轴20、高温试样支撑杆17、高温加热炉8、高温试样15、低温加热炉7、低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球11、压力变向节4各部分的轴线位于同一条中心线上，以保持试样接触时的准确性和稳定性。

当该装置为立式结构时，螺纹传动轴20置于下支撑板18带有内螺纹的中心处，并通过螺纹轴套19进行固定，带凸块的高温试样支撑杆17放置在螺纹传动轴20上端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒10的轴向凹槽对齐，防止高温试样支撑杆17发生转动，高温试样15的下端置于高温试样支撑杆17的凹槽内，整体位于高温加热炉8的中心。低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球11、压力变向节4自下而上顺序连接，低温试样14的上端面置于低温试样连接杆6下端面的凹槽内，整体位于低温加热炉7的中心，通过凹槽外侧面沿杆径向均匀分布的三个螺杆保持低温试样14的悬挂状态，低温试样连接杆6上端部直径相对杆体较大，位于上支撑板1的中心通孔内，由卡环12保持其悬挂状态，定心圆球11置于低温试样连接杆6上端面与压力变向节4下端面的球形凹槽之间，外侧由直线轴承3固定，压力变向节4与杠杆加载装置2连接，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1∶5，实验前添加一定数量砝码，利用杠杆加载装置2的定位块承受压力，使杠杆保持平衡，测量时，通过旋转使螺纹传动轴20向上运动，借助高温试样支撑杆17将高温试样15向上推出高温加热炉8，与低温试样14接触后进一步推动，经过低温试样连接杆6、定心圆球11和压力变向节4将杠杆顶起，压力迅速由杠杆加载装置2的定位块上转移到试样接触表面，压力范围为0～100KN。

定滑轮机构5固定在上支撑板1的底面上，包括滑轮轴、滑轮带和加热炉托盘三部分。低温加热炉7置于加热炉托盘中心，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚度相同的长方孔，端部设置卡头，使滑轮带不能自下而上通过长方孔，从而将低温加热炉7吊起，向下拉动滑轮带卡头，挂在滑轮带定位销9上，低温加热炉7向上运动，露出低温试样14，实现与高温试样15的接触，装置的侧立柱穿过加热炉托盘两侧的圆通孔，保证炉体仅做垂直向上运动。

当该装置为卧式结构时，螺纹传动轴20、高温试样支撑杆17、高温试样15、低温试样14、低温试样连接杆6、定心圆球11、压力变向节4各部分轴线位于通过高温加热炉8和低温加热炉7中心的同一条水平线上，低温试样14置于低温试样连接杆6的端面凹槽内，高温试样15置于高温试样支撑杆17的端面凹槽内，利用螺纹结构固定两试样的位置，试样应位于加热炉的中心部位，定心圆球11位于压力变向节4和低温试样连接杆6连接处的球面凹槽处，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1∶5，实验前预先在砝码盘上添加一定数量的砝码，并使定位块29预先承受压力，使杠杆加载装置2保持平衡，测量时，旋转螺纹传动轴20，推动高温试样支撑杆17向右运动，将高温试样15推出高温加热炉8，与低温试样14接触后继续运动，经低温试样连接杆6、定心圆球11和压力变向节4向右顶杠杆加载装置2，压力将迅速由定位块29转移到试样接触面，压范围为0～100KN。

两根水平滑杆27保持一定距离平行放置，由侧面的立支架固定，加热炉托28开两个与滑杆27直径相同的通孔，两根滑杆27分别通过加热炉托28的通孔，加热炉托28上端面开与加热炉直径相同的柱面凹槽，低温加热炉7和高温加热炉8分别立放在柱面凹槽上，并固定，加热炉托28能够在水平方向滑动，从而带动加热炉运动，实验时向右推动低温加热炉，露出低温试样14与高温试样15接触。

安装试样时将低温加热炉7向上拉起或沿滑杆27向一侧滑动，用螺纹传动轴20将高温试样支撑杆17推出高温加热炉8，使操作方便。实验材料可以为各类金属固体。低温试样14和高温试样15的直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，高温试样支撑杆17的凹槽深4.8mm～5.2mm，低温试样连接杆6的凹槽深9.8mm～10.2mm，测温热电偶16在试样上的固定方式为：在每个试样的外侧圆柱面上沿轴线方向用电火花打四个孔，深度为试样直径的一半，孔间距为9.5mm～10.5mm，孔的直径为φ1.0mm～φ1.2mm，低温试样14和高温试样15靠接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，将八根测温热电偶16分别置于低温试样14和高温试样15的四个孔后，将试样侧面用耐热石棉布缠住或涂刷隔热涂料，减少侧面热辐射，测温热电偶16的直径为φ1.0±0.003mm。

低温加热炉7和高温加热炉8的两支控温热电偶13分别插入各自炉膛中间对加热炉内部温度进行测量和控制，两支控温热电偶13的补偿导线分别与低温程控表21和高温程控表22输入端的正负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22负载输出端分别与低温加热炉7和高温加热炉8的电阻丝两端连接，信号输出端的正负极并联后连接在RS232转换器的正负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口相连。对A/D转换板25的开关和跳线按要求设置后插入工控机26机箱内主板的ISA插槽内，再对前置多路选通放大器23的开关和跳线按要求设置，然后将八支测温热电偶16的补偿导线正负极分别接入前置多路选通放大器23相应输入通道的高低位螺丝接线端子上，最后用DB-37电缆线24将前置多路选通放大器23和A/D转换板25两板卡的37针脚接口连接起来。

使用基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置进行基于瞬态法的固体界面接触换热系数的测量方法，测量固体接触面的接触换热系数时，低温试样14和高温试样15的接触面应具有相同的表面状态，所谓相同的表面状态，是指通过不同牌号的砂纸打磨预接触面，使表面的粗糙度近似相同，或者在预接触面添加利于导热或不利于导热的中间介质等物质。安装好低温试样14、高温试样15和插好测温热点偶16以后，使测温热电偶16折弯并紧靠试样外表面，在试样外侧缠上石棉布或刷一层隔热涂料，减少试样侧表面与空气的对流换热及热辐射，调整杠杆加载装置2的砝码盘上砝码重量使其产生的压力满足实验条件，确认控温热电偶13与温度程控表的连线、测温热点偶16与前置多路选通放大器23输入端的连线、所有数据通讯线与工控机26的连线正确，通过定滑轮机构5或滑杆27、螺纹传动轴20分别进行调整，使试样位于加热炉的中心位置，打开低温程控表21和高温程控表22的开关，进入工控机26中的接触换热过程温度采集系统，接触换热过程温度采集系统包括采集板卡设置、控温曲线设置、数据采集显示、数据计算四个部分，首先进入采集板卡设置部分，根据硬件板卡上的开关和跳线设置调整A/D转换板25和前置多路选通放大器23的物理参数，包括输入电压、放大增益、采样速率等，然后进入控温曲线设置部分，对低温加热炉7和高温加热炉8的内部温度进行控制，即实现炉内的温度升高到预定的值，并保持一段时间，如从室温升高到500℃，升温时间为30分钟，500℃下保温30分钟，使炉膛内温度分布均匀，该操作通过制定两段温度-时间程序，经工控机26的串口写入到低温程控表21和高温程控表22中，程控表利用控温热电偶13实现与加热炉的信息反馈，使加热炉温度的升高完全按照预先制定的工艺曲线进行，单击开始加热按钮，退出控温曲线设置部分，并开始对加热炉升温，到达设定保温时间后，炉膛内试样温度达到预定值，低温加热炉7内温度为T_L，高温加热炉8内温度为T_H，此时试样的温度也达到预定值，控温曲线中温度的制定是根据所需测量的接触面温度而定，升温时间是根据加热炉的特性来制定的；操纵定滑轮机构5使低温加热炉7升起，露出低温试样14，随即旋转螺纹传动轴20将高温试样16向上推出高温加热炉8，与低温试样14的下表面接触后继续运动，将杠杆加载装置2顶起，砝码压力将逐渐由杠杆加载装置2的定位块转移到试样接触表面，这个过程需在极短时间内完成，热流在两试样间实现迅速交换，改变了两试样内部的温度场分布，在两试样接触的同时，启动开始采集按钮，利用八根测温热电偶16对试样轴线方向各点的温度进行采集，并以温度-时间曲线的形式直观显示，采集过程也需在极短时间内完成，实验时，改变初始砝码的重量可以改变试样接触时接触面上的压力大小，改变控温曲线的设置可以改变加热炉内温度，从而实现不同温度试样的接触过程，采集过程中，程序自动将采集到的电压信号根据热电偶分度表转换成温度值显示，然后将采集的原始数据保存起来，包括电压值和温度值，形成原始数据库，再利用软件的数字滤波功能，对温度数据进行处理，去掉采集过程中外界噪声的干扰，本系统主要提供了三种数字滤波方法，包括二阶惯性滤波、递推平均滤波和限幅滤波，二阶惯性滤波适用于随机的尖峰干扰，尖峰的宽度不大，通常只有几个点的范围，对非周期随机干扰的抑制能力也较高，递推平均滤波是把各测量数据看做一个队列，队列的固定长度为N，每进行一次新的测量，把测量结果放在队尾，而去掉原来队首的一个数据，使队列始终保持N个最新数据，把队列中的N个数据中的最大值和最小值去掉，然后对N-2个数据进行算术平均滤波，得到新的滤波值，限幅滤波是用来测量信号中的尖脉冲干扰，比较相邻两个取样值y_n和y_n-1，如果差值超出最大变化范围，则认为有干扰产生，获得准确的温度数据后，保存到处理结果数据库，此时，显示曲线将变得更加平滑，最后进入数据计算部分，整个计算模块由FORTRAN语言编制，采用动态反传热计算方法，具体过程分析如下：

基于瞬态法的接触换热系数计算的关键是获得各个时刻通过低温试样14下表面与高温试样15上表面接触部分的热流密度和接触表面之间的温度差，当两根等截面的圆柱试样在一定压力下互相接触并传递热量时，如果试样周围绝热，那么可以认为热流在试样中是沿一维轴向传递的，因为试样侧面采用的隔热、防辐射措施，所以可根据一维传热计算，根据接触换热系数的计算公式：

$h_{c,M}=\frac{q_M}{{\mathrm{\ΔT}}_M}$

其中，h_c，M是界面在M时刻的接触换热系数，q_M是界面在M时刻的热流密度，ΔT_M是界面在M时刻的温度差，设低温试样14下表面的温度为T_l,高温试样15上表面的温度为T_h，可以得到ΔT_M＝T_h-T_l.采集系统的计算部分，预先输入试样材料的热物性参数，主要是从手册或其他资料上获得的材料不同温度下的导热系数，然后根据经验任意给定一个热流密度值q^*，作为反传热算法的热流密度迭代初始值，试样初始温度分别为T_l，init和T_h，init，八个测温热点偶16采集到t_M时刻对应的八个温度值，分别为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，低温试样14的四个温度点为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，高温试样15的四个温度点为Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，多点测温可以减少测量和计算的误差，以低温试样14为例应用动态反传热算法，温度场控制方程与敏感系数场控制方程具有相同形式的偏微分方程，可用有限差分方法计算，所谓的敏感系数是指对试样内点温度测量的敏感程度，一般可定义为温度关于热流密度的一阶微商，表示为：

$X(x,t)=\∂T(x,t)/\∂q$

其中，X(x，t)是指敏感系数场，T(x，t)是指试样内部的温度场，q是指热流密度，根据温度场的数值计算可以获得试样接触面的温度值T_l和_h，热流密度的迭代计算采用如下公式：

$q_M=q^{*}+\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k(Y_{k,M}-T_{k,M})/\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k^2$

其中，J是指温度采集点的个数，X_k是指第k个测温点处的敏感系数，Y_k，M是指M时刻第k个测温点实际测得的温度值，T_k，M是指M时刻第k个测温点处由温度场控制偏微分方程计算得到的温度值，令δ＝q_M-q^*，当该差值δ小于某个设定的小量ε时，可以认为得到的q_M就是我们所需要的热流密度值，在计算过程中，需要不断计算并调用不同温度时材料的热物性参数，然后根据公式得到各个时刻的接触换热系数值，为了进一步分析，将各个时刻的热流密度、接触面温度、接触换热系数保存起来，最后退出温度采集系统。本发明应用动态反传热算法，计算接触面温差和热流密度，结合FORTRAN程序实现对全过程的自动计算，包括温度文件读入、材料热物性参数提取。适用于计算不同的接触状况，包括界面含中间介质、接触面的粗糙度不同、接触面有复合材料层。

本实用新型所达到的有益效果是，实验装置的测量方法接近固态热加工过程的基本原理，实现了试样的动态接触，实验数据切合实际；低温加热炉7和高温加热炉8的温度范围为20～1200℃，提高了试样本身的加热温度；由于采用常用测温热电偶16进行测温，灵敏度达到0.01S，满足基本需要，同时降低了设备的整体成本；采用杠杆加载装置2以及试样接触面状况可变，因此能够进行不同温度、不同压力、不同接触面状况等条件下的接触换热系数，应用范围宽；前置多路选通放大器23具有自动温度补偿功能，方便了测温热电偶16的应用，A/D转换板25的采用速率达到100KHz，能够适应短时间内温度的快速变化，前置多路选通放大器23、A/D转换板25及温度采集软件的联用，实现了数据从模拟量到数字量的迅速转换。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的立式结构示意图。

图2是本发明的卧式结构示意图。

图3是本发明自动调整压力方向部分的剖面结构示意图。

图4是本发明的加热炉膛内部试样接触前后位置示意图。

图5是本发明传动机构的剖面结构示意图。

图6是本发明的数据采集与数据处理流程图。

图中，1.上支撑板，2.杠杆加载装置，3.直线轴承，4.压力变向节，5.定滑轮机构，6.低温试样连接杆，7.低温加热炉，8.高温加热炉，9.滑轮带定位销，10.传动轴套筒，11.定心圆球，12.卡环，13.控温热电偶，14.低温试样，15.高温试样，16.测温热电偶，17.高温试样支撑杆，18.下支撑板，19.螺纹轴套，20.螺纹传动轴，21.低温程控表，22.高温程控表，23.前置多路选通放大器，24.DB-37电缆线，25.A/D转换板，26.工控机，27.滑杆，28.加热炉托，29.定位块

具体实施方式

低温试样14材料为K403铸造高温合金，高温试样15材料为TC11钛合金，试样预接触面用400^#砂纸打磨，使其表面粗糙度基本相同，当装置为立式结构时，由于压力变向节4与杠杆加载装置2连接，压力变向节4的支点和杠杆加载装置2中砝码重力方向的力臂比为1∶5，因此，杠杆加载装置2的砝码盘上加5个10Kg砝码后，可使试样接触面的最大压力达到2450N，杠杆加载装置2的定位块部分预先承受压力，使杠杆保持平衡，此时压力变向节4产生的向下压力为零。定滑轮机构5固定于上支撑板1的下表面，包括滑轮轴、滑轮带和加热炉托盘三部分，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端穿过加热炉托盘上的长方形孔，通过端部的卡头锁定加热炉托盘位置，低温加热炉7置于加热炉托盘中心，依靠穿过加热炉托盘两侧圆通孔的侧立柱约束低温加热炉7仅做直线运动，低温试样14的上端面置于低温试样连接杆6下端面的凹槽内，用凹槽侧面径向均匀分布的三个螺杆固定，利用卡环12将低温试样连接杆6上端部直径较大部位卡住，定心圆球11位于低温试样连接杆6和压力变向节4上下端面之间的球面形凹槽内，压力为零时，压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6和低温试样14保持垂直悬挂状态，高温试样15与高温试样支撑杆17、螺纹传动轴20通过端面凹槽依次向下连接，利用传动轴套筒10约束螺纹传动轴20与高温试样支撑杆17的连接部位，高温试样支撑杆17侧面的凸块卡在传动轴套筒10内壁面上的轴向凹槽内，防止高温支撑杆17在运动过程中发生转动，下支撑板18底面上的螺纹轴套19对螺纹传动轴20的运动起到约束作用，装置装配过程中，需要预先进行垂线校准，需要使压力变向节4、定心圆球11、低温试样连接杆6、低温试样14、低温加热炉7、高温加热炉8、高温试样15、高温试样支撑杆17和螺纹传动轴20各自的轴线共线并与水平面垂直。实验前，用定滑轮机构5将低温加热炉7向上拉起，露出低温试样连接杆6的下端部，用螺纹传动轴20将高温试样支撑杆17的上端部推出高温加热炉8的炉膛口，然后进行试样安装，低温试样14和高温试样15的直径为φ20mm，高度为50mm，在每个试样外侧圆柱面的同一直线上用电火花打孔，孔深度为10mm，孔间距为10mm，孔外径为φ1.2mm，低温试样14和高温试样15中靠近接触面的孔与接触面的距离为3mm，即孔距接触面的距离依次为3mm，13mm，23mm，33mm，测温热电偶16的类型为镍铬—镍硅型，直径为φ1.0mm，反应灵敏度为0.01S，将八根测温热电偶16按顺序自上而下分别插入低温试样14和高温试样15的孔内，然后在试样外侧缠上石棉布，并将测温热电偶包裹在内，测温热电偶补偿导线的正负极分别接入前置多路选通放大器23相应输入通道的高低位螺丝接线端子上，再用DB-37电缆线24将前置多路选通放大器23和工控机26内的A/D转换板25两块板卡的37针脚接口连接起来，两支控温热电偶13分别插入低温加热炉7和高温加热炉8的炉膛中间进行温度控制，其补偿导线分别与低温程控表21和高温程控表22输入端的正负极相连，然后将低温程控表21和高温程控表22输出端的正负极并联后连接在RS232转换器的正负接口上，再将RS232转换器和工控机26上的串口相连，最后利用定滑轮机构5将低温加热炉7落回原位，使低温试样14置于炉膛中心，利用螺纹传动轴20将高温试样15退回到高温加热炉8的炉膛中心，根据需要，可以在低温加热炉7与高温加热炉8之间的空隙放置隔热材料，减少热辐射对接触过程的影响。

检查杠杆加载装置2的砝码盘上砝码重量产生的压力是否满足实验条件，确认控温热电偶13与温度程控表的连线、测温热点偶16与前置多路选通放大器23输入端的连线、所有数据通讯线与工控机26的连线正确，打开低温程控表21和高温程控表22的开关，进入工控机26中的接触换热过程温度采集系统，接触换热过程温度采集系统包括采集板卡设置、控温曲线设置、数据采集显示、数据计算四个部分，首先进入采集板卡设置部分，根据硬件板卡上的开关和跳线设置调整A/D转换板25和前置多路选通放大器23的物理参数，包括输入电压范围为±10V，A/D转换板25放大增益为4，前置多路选通放大器23放大增益为100，采样速率为100KHz，输入通道选择差分输入，检测板卡是否正常，检测正常后进入控温曲线设置部分，低温试样14和高温试样15的预设初始温度分别400℃和800℃，写入低温程控表21的程序段为：从室温20℃开始，升温时间20分钟，达到400℃，保温时间为50分钟，写入高温程控表22的程序段为：从室温20℃开始，升温时间40分钟，达到800℃，保温时间为30分钟，写表完成后，点击开始加热按钮，70分钟以后，试样达到预设温度值，停止加热，操纵定滑轮机构5使低温加热炉7升起，露出低温试样14，随即旋转螺纹传动轴20将高温试样16向上推出高温加热炉8，与低温试样14的下表面接触后继续运动，将杠杆加载装置2顶起，砝码压力将逐渐由杠杆加载装置2的定位块转移到试样接触表面，这个过程需在极短时间内完成，热流在两试样间实现迅速交换，改变了两试样内部的温度场分布，在两试样接触的同时，启动开始采集按钮，利用八根测温热电偶16对试样轴线方向各点的温度信号进行采集，并以温度-时间曲线的形式直观显示，数据采集也需在极短时间内完成，采集过程中，程序自动将采集到的模拟电压信号根据镍铬—镍硅型热电偶分度表转换成温度值显示出来，然后将采集的原始数据保存起来，包括电压值和温度值，形成原始数据库，再利用软件的数字滤波功能，对温度数据进行处理，去掉采集过程中外界噪声的干扰，得到测温热点偶16采集到t_M时刻对应的八个温度值，分别为Y_l，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，低温试样14自上而下的四个温度点为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，高温试样15自上而下的四个温度点为Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，将滤波后的一组温度

时间数据保存，形成处理结果数据库，此时，显示曲线将变得更加平滑，然后进入计算部分，由于低温试样14材料为K403铸造高温合金，高温试样15材料为TC11钛合金，因此，从材料手册上可以查到两种材料的热物性参数，K403铸造高温合金在300℃、400℃、500℃、600℃的热导率分别为17.12W/(m·℃)、18.25W/(m·℃)、19.72W/(m·℃)、20.43W/(m·℃)，TC11钛合金在603℃、709℃、797℃、890℃的热导率分别为13.0W/(m·℃)、14.2W/(m·℃)、15.5W/(m·℃)、17.2W/(m·℃)，由于试样侧面用石棉布缠住，减少了热对流和热辐射，所以可按一维热传导进行计算，计算模块采用动态反传热算法，用FORTRAN语言编写，供采集系统调用，温度场控制方程为瞬态热传导偏微分方程，应用隐式有限差分方法，计算试样内部温度场分布，得到八个测温热电偶16测温点处在时刻t_M的计算温度值，分别为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，低温试样14自上而下的四个温度点为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，高温试样15自上而下的四个温度点为T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，同时可得低温试样14下表面的温度为T_l,高温试样15上表面的温度为T_h，界面在M时刻的温度差ΔT_M＝T_h-T_l,然后根据经验任意给定一个热流密度值q^*，作为反传热算法的热流密度迭代初始值，试样初始温度分别为400℃和800℃，由于测温点存在测量误差，因此引入敏感系数的计算及多点测量的方法，所谓的敏感系数是指对试样内点温度测量的敏感程度，一般可定义为温度关于热流密度的一阶微商，表示为：

$X(x,t)=\∂T(x,t)/\∂q$

其中，X(x，t)是指敏感系数场，T(x，t)是指试样内部的温度场，q是指热流密度，根据温度场的数值计算可以获得试样接触面的温度值T₁和T_h,热流密度的迭代计算采用如下公式：

$q_M=q^{*}+\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k(Y_{k,M}-T_{k,M})/\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k^2$

其中，q_M是界面在M时刻的热流密度，J是指温度采集点的个数，X_k是指第k个测温点处的敏感系数，Y_k，M是指M时刻第k个测温点实际测得的温度值，T_k，M是指M时刻第k个测温点处由温度场控制偏微分方程计算得到的温度值，令δ＝q_M-q^*，当该差值δ小于某个设定的小量ε时，可以认为得到的q_M就是我们所需要的热流密度值，在计算过程中，需要不断计算并调用不同温度时材料的热物性参数，该算法的两个关键数据已经得到，即，各个时刻通过低温试样14下表面与高温试样15上表面接触部分的热流密度q_M和接触表面之间的温度差ΔT_M，用h_c，M代表界面在M时刻的接触换热系数，根据计算公式：

$h_{c,M}=\frac{q_M}{\mathrm{\Δ}{T}_M}$

得到两试样接触面处不同时刻的接触换热系数，以及接触换热系数随时间、温度的变化关系，保存结果，便于进一步分析总结，退出采集系统.

Claims (8)

1、基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，由上支撑板(1)、杠杆加载装置(2)、直线轴承(3)、压力变向节(4)、定滑轮机构(5)、低温试样连接杆(6)、低温加热炉(7)、高温加热炉(8)、滑轮带定位销(9)、传动轴套筒(10)、定心圆球(11)、卡环(12)、控温热电偶(13)、测温热电偶(16)、高温试样支撑杆(17)、下支撑板(18)、螺纹轴套(19)、螺纹传动轴(20)、低温程控表(21)、高温程控表(22)、前置多路选通放大器(23)、DB-37电缆线(24)、A/D转换板(25)、工控机(26)、滑杆(27)、加热炉托(28)和定位块(29)组成，压力变向节(4)的支点和杠杆加载装置(2)中砝码重力方向的力臂比为1：5，低温试样(14)和高温试样(15)直径为φ10mm～φ25mm，高度为40mm～100mm，低温试样(14)和高温试样(15)为可选择的金属固体材料，将八根测温热电偶(16)分别置于低温试样(14)的四个孔和高温试样(15)的四个孔中，孔深度为试样直径的一半，测温热电偶(16)的直径为φ1.0±0.003mm，每个试样上的孔间距为9.5mm～10.5mm，靠近接触面的孔与接触面的距离为2.9mm～3.1mm，孔直径为φ1.0mm～1.2mm，高温试样(15)置于高温支撑杆(17)端面的凹槽内，带凸块的高温试样支撑杆(17)置于螺纹传动轴(20)端面的凹槽内，侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的凹槽对齐，杠杆加载装置(2)与压力变向节(4)、定心圆球(11)、低温试样连接杆(6)、低温试样(14)依次连接，低温试样(14)置于低温试样连接杆(6)端面的凹槽内，定心圆球(11)位于其另一端面与压力变向节(4)端面的球面凹槽处，外侧由直线轴承(3)约束，低温加热炉(7)和高温加热炉(8)上电阻丝的接线柱分别与低温程控表(21)和高温程控表(22)负载输出端相连，试样加热时置于炉膛中心处，低温加热炉(7)可以在一定距离内沿直线运动，将八根测温热电偶(16)补偿导线的正负极分别与前置多路选通放大器(23)的相应输入通道连接，通过DB-37电缆线(24)把前置多路选通放大器(23)与工控机(26)内插的A/D转换板(25)各自的37针脚接口相连，控温热电偶(13)插入加热炉内部，其补偿导线正负极分别与程控表输入端正负极相连，再将每个程控表的输出端并联后通过RS232转换器接到工控机(26)的串口上，测温热电偶(16)、带温度补偿电路的前置多路选通放大器(23)与A/D转换板(25)依次连接；螺纹传动轴(20)、高温试样支撑杆(17)、高温加热炉(8)、高温试样(15)、低温加热炉(7)、低温试样(14)、低温试样连接杆(6)、定心圆球(11)和压力变向节(4)的轴线位于同一条中心线上。

2、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用立式结构，其中，试样接触前低温试样(14)保持自由垂直悬挂状态，并且，低温试样(14)由低温试样连接杆(6)下端面凹槽外侧径向均匀分布的三个螺杆固定，低温试样连接杆(6)上端部直径较大部分由卡环(12)卡住。

3、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用卧式结构，其中，低温试样(14)与低温试样连接杆(6)、高温试样(15)与高温试样支撑杆(17)之间通过螺纹连接固定。

4、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，采用螺纹传动轴(20)实现高温试样(15)无旋转向上运动，高温试样支撑杆(17)的外侧面凸块与传动轴套筒(10)内侧的轴向凹槽互相配合。

5、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，立式结构中采用定滑轮机构(5)实现低温加热炉(7)的直线运动，滑轮轴部分位于上支撑板(1)的下表面，滑轮带一端固定在加热炉托盘上，另一端通过与滑轮带宽厚相同的长方孔，端头部分的卡头尺寸大于长方孔尺寸。

6、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，卧式结构中采用滑杆(27)与加热炉托(28)相配合的方式实现低温加热炉(7)水平方向的运动，两根滑杆(27)保持一定距离平行放置，并穿过加热炉托(28)上的两个等直径的通孔，加热炉托(28)上端面开与加热炉直径相同的柱面凹槽，放置加热炉。

7、根据权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置，其特征在于，试样初始温度不同，低温试样(14)与高温试样(15)的接触过程是动态的，试样接触后，螺纹传动轴(20)继续旋转，高温试样(15)将低温试样(14)一侧顶起，预加载压力由杠杆加载装置(2)的定位块转移到试样接触表面。

8、使用权利要求1所述的基于瞬态法的固体界面接触换热系数测量装置进行基于瞬态法的固体界面接触换热系数的测量方法，其特征在于，预先分别将低温试样(14)、高温试样(15)置于低温试样连接杆(6)和高温试样支撑杆(17)的端面凹槽内，试样依靠凹槽侧面螺杆或内侧螺纹结构固定，测温热电偶(16)插入试样侧面的测温孔内，弯折后用石棉布与试样缠在一起，减少试样外侧面的热对流和热辐射，加热时使试样置于加热炉的中心部位，调整杠杆加载装置2的砝码盘上砝码重量使其产生的压力满足实验条件，试样为所有可选的金属固体材料，试样安装就绪后，进入工控机(26)中的温度采集系统，该系统包括采集板卡设置、控温曲线设置、数据采集显示、数据计算四个部分，首先进入采集板卡设置部分，根据硬件板卡上的开关和跳线设置调整A/D转换板(25)和前置多路选通放大器(23)的物理参数，然后进入控温曲线设置部分，对低温加热炉(7)和高温加热炉(8)的内部温度进行控制，即实现炉内的温度升高到预定的值，并保持一段时间，加热炉温度范围为20～1200℃，从室温升高到500℃，升温时间为30分钟，500℃下保温30分钟，使炉膛内温度分布均匀，该操作通过制定两段温度-时间程序，经工控机(26)的串口写入到低温程控表(21)和高温程控表(22)中，程控表利用控温热电偶(13)实现与加热炉的信息反馈，使加热炉温度的升高完全按照预先制定的控温曲线进行，单击开始加热按钮，开始对加热炉升温，到达设定保温时间后，炉膛内试样温度也达到预定值，然后操纵定滑轮机构(5)使低温加热炉(7)升起，当装置为卧式结构时，推动加热炉托(28)沿滑杆(27)带动低温加热炉(7)滑动，露出低温试样(14)，随即旋转螺纹传动轴(20)将高温试样(15)向上推出高温加热炉(8)，与低温试样(14)的表面接触后继续运动，将杠杆加载装置(2)顶起，砝码压力将逐渐由杠杆加载装置(2)的定位块转移到试样接触表面，这个过程需在极短时间内完成，杠杆加载装置(2)的砝码是预先加载的，初始压力由该部分的定位块承受，此时压力变向节(4)处压力为零；

热流在两试样间实现迅速交换，改变了两试样内部的温度场分布，在两试样接触的同时，启动开始采集按钮，利用八根测温热电偶(16)对试样轴线方向各点的温度进行采集，并以温度-时间曲线的形式直观显示，采集过程也需要在极短时间内完成，采集过程中，程序自动将采集到的模拟电压信号根据热电偶分度表转换成温度值显示出来，并将采集的原始数据保存起来，包括电压值和温度值，形成原始数据库，再利用软件的数字滤波功能，对温度数据进行处理，去掉采集过程中外界噪声的干扰，得到测温热点偶(16)采集到t_M时刻对应的八个温度值，分别为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，低温试样(14)自上而下的四个温度点为Y_1，M，Y_2，M，Y_3，M，Y_4，M，高温试样(15)自上而下的四个温度点为Y_5，M，Y_6，M，Y_7，M，Y_8，M，将滤波后的一组温度—时间数据保存，形成处理结果数据库，此时，显示曲线将变得更加平滑，在计算部分预先输入试样材料的热物性参数，当两根等截面的圆柱试样在一定压力下互相接触并传递热量时，如果试样周围绝热，那么可以认为热流在试样中是沿一维轴向传递的，因为试样侧面采用的隔热、防辐射措施，所以可根据一维传热计算，计算模块采用动态反传热算法，用FORTRAN语言编写，供采集系统调用，温度场控制方程为瞬态热传导偏微分方程，应用隐式有限差分方法，计算试样内部温度场分布，得到八个测温热电偶(16)测温点处在时刻t_M的计算温度值，分别为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，低温试样(14)自上而下的四个温度点为T_1，M，T_2，M，T_3，M，T_4，M，高温试样(15)自上而下的四个温度点为T_5，M，T_6，M，T_7，M，T_8，M，同时可得低温试样(14)下表面的温度为T_l，高温试样(15)上表面的温度为T_h，界面在M时刻的温度差ΔT_M＝T_h-T_l，然后根据经验任意给定一个热流密度值q^*，作为反传热算法的热流密度迭代初始值，试样初始温度分别为T_l，init和T_h，init，由于测温点存在测量误差，因此引入敏感系数计算及多点测量的方法，所谓的敏感系数是指对试样内点温度测量的敏感程度，一般可定义为温度关于热流密度的一阶微商，表示为：

$X(x,t)=\∂T(x,t)/\∂q$

其中，X(x，t)是指敏感系数场，T(x，t)是指试样内部的温度场，q是指热流密度，根据温度场的数值计算可以获得试样接触面的温度值T_l和T_h，热流密度的迭代计算采用如下公式：

$q_M=q^{*}+\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k(Y_{k,M}-T_{k,M})/\underset{k=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k^2$

其中，q_M是界面在M时刻的热流密度，J是指温度采集点的个数，X_k是指第k个测温点处的敏感系数，Y_k，M是指M时刻第k个测温点实际测得的温度值，T_k，M是指M时刻第k个测温点处由温度场控制偏微分方程计算得到的温度值，令δ＝q_M-q^*，当该差值δ小于某个设定的小量ε时，可以认为得到的q_M就是我们所需要的热流密度值，在计算过程中，需要不断计算并调用不同温度时材料的热物性参数，该算法的两个关键数据已经得到，即，各个时刻通过低温试样(14)下表面与高温试样(15)上表面接触部分的热流密度q_M和接触表面之间的温度差ΔT_M，用h_c，M代表界面在M时刻的接触换热系数，根据计算公式：

$h_{c,M}=\frac{q_M}{\mathrm{\Δ}{T}_M}$

得到两试样接触面处不同时刻的接触换热系数，以及接触换热系数随时间、温度的变化关系，保存结果，便于进一步分析总结，退出温度采集系统。

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