CN101470088A - 一种流体低温热导率的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种流体低温热导率的测试方法，属于热导率测试领域。测试系统由低温恒温容器1、试样容器2、试样3、橡皮塞4；测温热电偶5；热丝加热器6；低温制冷剂7；冰点恒温器8；标准电阻器9；数据采集系统10；可调直流稳压电源11组成。采用已知热导率的标准液体，先后对流体试样和标准流体进行两次测试完成；本发明的优点是：采用已知热导率的标准液体作为参照物，通过在同一测试系统中，在相同条件下，先后分别对流体试样和标准流体进行测试，通过数据处理达到消除或减少系统误差；采用本测试法，把待测液体换成标准液体后，先后分别对该两种标准流体进行两次测试，可以对测试系统进行校对验证，保证了测试设备精度。

Description

一种流体低温热导率的测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试流体热导率的测试方法，特别是一种流体低温热导率的测试方法，属于热导率测试领域。

背景技术

早在上世纪80～90年代，中国科技大学研制出KDR—1热线法快速热导率测定仪，使用“瞬态热线法”对煤油、机油和原油等流体进行了常温热导率测试。中国空间技术研究院510研究所采用“瞬态热线法”在-50℃～+30℃对油脂进行过热导率的测试，并对热控中使用的液体制冷工质的低温热导率在-110℃～+100℃进行了测试研究，目前，采用瞬态热线法(简称热线法)测量流体材料热导率成为测试方法的主流。测试装置简图见附图1。测试方法的原理如下：将置于流体试样中心金属丝作为加热器。当施加一定电流时，金属丝和流体同时升温。被测流体试样的热导率与金属丝升温速率的关系见公式(1)。

$\mathrm{\λ}=\frac{I^{2}R}{4\mathrm{\πL}}\×\frac{d\left(\ln \mathrm{\τ}\right)}{\mathrm{dT}}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

式中：

λ—介质的热导率，单位为瓦每米开(W/(m·K))；

I—对金属丝施加的电流，单位为安(A)；

R—金属丝本身的电阻，单位为欧姆(Ω)；

τ—加热时间，单位为秒(s)；

L—金属丝长度，单位为米(m)；

T—金属丝温度，单位为开尔文(K)。

美国早在上世纪50年代就开始了采用瞬态热线法、稳态热线法测试流体的低温热导率。由于热线法具有低温下控温方便灵活，可以应用于各种流体，因而得到广泛应用。同样，热线法也存在如何减小测量误差的问题，许多学者采取各种方法如标准样品法(即先后测量标准样品和被测样品的数据，通过数据处理来消除系统误差)、电桥法等，热线法已经越来越多被采用。但是系统误差还是没有彻底解决。系统误差的造成，主要是由于流体试样中心金属丝不能完全看成为无限长加热源，测温热电偶的测温点不在正中心，盛试样的试样容器直径不能制成无限大等等。因此，测试的准确性受到限制。

本方法的特点是采用热线法分别测出已知热导率的标准试样和被测流体试样的温升，可以分别写出两个计算式，当加热电流、加热电压、加热时间、试样温度和试验状态完全相同情况下，两式相除，通过简化可以得出以下公式(2)，计算出流体试样的低温热导率：

${\mathrm{\λ}}_s={\mathrm{\λ}}_b\×\frac{\mathrm{\Δ}{T}_b}{\mathrm{\Δ}{T}_s}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

式中：

λs——试样热导率，单位为瓦每米开[W/(m·K)]；

λb——标准试样热导率，单位为瓦每米开[W/(m·K)]；

ΔTb——标准试样的温升，单位为开尔文(K)；

ΔTs——试样温升，单位为开尔文(K)。

采用已知热导率的标准液体，用同一测试装置，在相同条件下进行测试，通过数据处理计算出被测液体的热导率，达到消除或减少系统误差的目的。

发明内容

本发明目的是采用已知热导率的标准液体作为参照物，通过在同一测试系统中，在相同条件下，先后分别对流体试样和标准流体进行测试，通过数据处理达到消除或减少系统误差。

测试系统(见附图1)由低温恒温容器1、试样容器2、试样3、橡皮塞4；测温热电偶5；热丝加热器6；低温制冷剂7；冰点恒温器8；标准电阻器9；数据采集系统10；可调直流稳压电源11等组成。热丝加热器6与标准电阻器9串联后连接到可调直流稳压电源11上，同时热丝加热器6的两端再各引出两根测量线到数据采集系统10。标准电阻器9两端再各引出两根测量线到数据采集系统10，测温热电偶5的测温端固定在热丝加热器6的中间部位，热电偶测量引线连接的端点置于冰点恒温器8中，然后引出连接到数据采集系统10。

本发明的解决方案是：采用已知热导率的标准液体，先后对流体试样和标准流体进行两次测试，包括下列步骤：

(1)将测温热电偶5固定在热丝加热器6的中心，穿入直径大于20mm，长度大于150mm的试样容器2之中后，将标准试样无水乙醇加入到试样容器2后用橡皮塞4密封，放入到低温恒温容器1中。

(2)加入低温制冷剂7，设置好冰点恒温器8，使温度值达到需要测量的低温温度。温度稳定后，打开由标准电阻器9、数据采集系统10、可调直流稳压电源11等组成的加热系统，调整、选择合适的加热功率。一般加热电压为3V～6V左右，电流为0.5A～2A左右，加热时间约2s～4s，此时最大温升约2℃～5℃。记录下此时加热参数和温升。

(3)将标准试样无水乙醇倒出，用清洗剂清、烘干后，将被测液体试样加入到试样容器2后用橡皮塞4密封。

(4)按上述步骤重复，调整到相同低温温度和加热参数，记录下此时温升。

(5)由标准试样无水乙醇测试时的平均低温温度，查出对应的低温热导率数据(两间隔之间的标准数据缺乏时，可以采用间隔不大于15℃的两标准数据点，线性内插拟合出来)，根据标准试样无水乙醇和被测液体的温升，按公式(2)计算出被测液体的低温热导率。

所述步骤(1)中已知热导率的标准液体为无水乙醇和乙二醇。

所述步骤(2)中低温温度的范围为20K～373K。

所述步骤(5)中平均温度指开始测试初温与加热结束后升高的最高值的平均值。

本发明对测试数据偏差的影响：采用本发明的测试方法，测试数据误差应小于±3％

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)采用已知热导率的标准液体作为参照物，通过在同一测试系统中，在相同条件下，先后分别对流体试样和标准流体进行两次测试，通过数据处理达到消除或减少系统误差的目的。

(2)采用本测试法，把待测液体换成标准液体后，先后分别对该两种标准流体进行两次测试，可以对测试系统进行校对验证，保证了测试设备精度。

附图说明

图1是本发明用测试装置的示意图。

图中标号所对应的部件如下

低温恒温容器1、试样容器2、试样3、橡皮塞4；测温热电偶5；热丝加热器6；低温制冷剂7；冰点恒温器8；标准电阻器9；数据采集系统10；可调直流稳压电源11。

图2是本发明测试步骤示意图

具体实施方式

实施例1

(1)将测温热电偶5固定在热丝加热器6的中心，穿入直径约为20mm，长度约为150mm的试样容器2之中后，将标准试样无水乙醇加入到试样容器2后用橡皮塞4密封，放入到低温恒温容器1中。

(2)加入低温制冷剂7，设置好冰点恒温器8，使温度值达到需要测量的低温温度。温度稳定后，打开由标准电阻器9、数据采集系统10、可调直流稳压电源11等组成的加热系统，调整、选择合适的加热功率。一般加热电压为5V左右，电流为1A左右，加热时间约为3s，此时最大温升约3℃。记录下此时加热参数和温升。

(3)将标准试样无水乙醇倒出，用清洗剂清、烘干后，将被测液体试样加入到试样容器2后用橡皮塞4密封。

(4)按上述步骤重复，调整到相同低温温度和加热参数，记录下此时温升。

(5)由标准试样无水乙醇测试时的平均低温温度，查出对应的低温热导率数据(两间隔之间的标准数据缺乏时，可以采用间隔不大于15℃的两标准数据点，线性内插拟合出来)，根据标准试样无水乙醇和被测液体的温升，按公式(1)计算出被测液体的低温热导率。

实施例2

(1)按实施例1的(1)进行。

(2)将标准试样无水乙醇倒出，用清洗剂清、烘干后，将第二种标准液体乙二醇加入到试样容器2后用橡皮塞4密封，按上述步骤重复，调整到相同低温温度和加热参数，记录下此时温升。

(3)由标准试样无水乙醇测试时的平均低温温度，查出对应的低温热导率数据(两间隔之间的标准数据缺乏时，可以采用间隔不大于15℃的两标准数据点，线性内插拟合出来)，根据标准试样乙醇和标准试样乙二醇的温升，按公式(1)计算出乙二醇液体的低温热导率。

(4)根据测出的乙二醇液体的低温热导率与查出的标准乙二醇低温热导率数据比对，判定测试装置的准确度，达到检验装置的目的。

Claims (4)

1、一种流体低温热导率测试方法，测试系统包括低温恒温容器1、试样容器2、试样3、橡皮塞4；测温热电偶5；热丝加热器6；低温制冷剂7；冰点恒温器8；标准电阻器9；数据采集系统10；可调直流稳压电源11；其特征在于：采用已知热导率的标准液体，先后对流体试样和标准流体进行两次测试，包括下列步骤：

步骤1：将测温热电偶5固定在热丝加热器6的中心，穿入直径大于20mm，长度大于150mm的试样容器2之中后，将标准试样无水乙醇加入到试样容器2后用橡皮塞4密封，放入到低温恒温容器1中；

步骤2：加入低温制冷剂7，设置好冰点恒温器8，使温度值达到需要测量的低温温度；温度稳定后，打开由标准电阻器9、数据采集系统10、可调直流稳压电源11等组成的加热系统，调整、选择合适的加热功率；加热电压为3V～6V左右，电流为0.5A～2A左右，加热时间约2s～4s，此时最大温升2℃～5℃。记录下此时加热参数和温升；

步骤3：将标准试样无水乙醇倒出，用清洗剂清、烘干后，将被测液体试样加入到试样容器2后用橡皮塞4密封；

步骤4：按上述步骤重复，调整到相同低温温度和加热参数，记录下此时温升；

步骤5：由标准试样无水乙醇测试时的平均低温温度，查出对应的低温热导率数据，两间隔之间的标准数据缺乏时，可以采用间隔不大于15℃的两标准数据点，线性内插拟合出来；根据标准试样无水乙醇和被测液体的温升，按公式2计算出被测液体的低温热导率；

采用本发明的测试方法，测试数据误差小于±3％，为有效测试结果。

2、根据权利要求1所述的一种流体低温热导率测试方法，其特征在于：所述步骤1中已知热导率的标准液体为无水乙醇和乙二醇。

3、根据权利要求1所述的一种流体低温热导率测试方法，其特征在于：所述步骤2中低温温度的范围为20K～373K。

4、根据权利要求1所述的一种流体低温热导率测试方法，其特征在于：所述步骤5中平均温度指开始测试初温与加热结束后升高的最高值的平均值。

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