CN101871900A - 一类用于导热系数测量的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一类用于瞬态热线法固体导热系数测量的传感器探头，所述传感器探头是利用金属箔加工处理并在上下表面贴覆保护膜制作而成；同时采用了双叉和单叉形式的引出线，该传感器结构稳定可靠，不易断裂。采用本发明制作的传感器探头，能够在很短的时间内准确测量导热系数的范围为0.001～500W/(m·K)内各种不同材料的导热系数，且所测量导热系数的不确定度可达到±1％以内。
Description
技术领域
本发明涉及热物性测试技术领域，尤其涉及固体和液体导热系数实验测量领域，具体为一类热线(带)法的固体和液体导热系数测量的传感器。
背景技术
导热系数是表征物质导热性能优劣的重要物理参数，是许多工业流程、产品设计、研发和质量控制中必不可少的基础数据。导热系数的准确测量，对航空航天、微电子技术、能源有效利用、核能技术、新材料开发等高新技术领域以及石油化工、钢铁冶金、建筑节能、制冷空调、食品储运加工等工业领域都具有明显的科学意义和重要的工程应用价值。
通常，材料的导热系数都是通过实验测定的，按实验的导热过程宏观特性来区分，测量方法主要可分为两类：稳态法和非稳态法。稳态法是指当试样上的温度分布达到稳定后，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来确定试样的导热系数的方法。非稳态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点的温度变化情况以及其他相关参数，从而确定试样导热系数的方法。
本发明的传感器可以用于固体和液体的导热系数测量，主要针对固体导热系数测量。目前测定固体材料导热系数的方法很多，主要有保护热板法、保护热流计法、闪光法、热线法和热带法等。保护平板法和保护热流计法都属于稳态法，适合于测量低导热系数的材料，原理清晰，模型简单，但是在准备实验所需的热工况和进行实验所需时间较长，而且对测量系统的绝热条件，温度控制以及样品的形状尺寸要求较为苛刻。为了保证一维导热的实现，实验装置的电气控制和调节线路较为复杂，为了得到准确的热流，需要附设补偿加热器并增加保温措施；为了得到准确的温度，需要布置多根热电偶。闪光法和热线法属于非稳态法。闪光法是直接测量材料的热扩散性能的，在已知材料比热与密度的情况下，计算得到材料的导热系数。闪光法的测量范围很宽，但是在测定热态的导热系数时，不仅要测定热态下的比热，还需要用膨胀仪测定试样的膨胀系数，计算出材料在热态下的密度后，才能得到导热系数，实际操作较为麻烦。由于测量范围过宽、影响因素较多，准确度尚待商榷。
对于绝热材料的高温导热系数测量，有采用热线法的国际标准(ISO8894)。ISO8894标准采用的方法是在试样中插入一根热丝，测试时在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。温升测量则采用交叉线法和平行线法两种。其中，交叉线法是用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升；平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升；交叉线法和平行线法在还需要布置热电偶等测温元件，实验过程相对复杂一些，精度也稍差。本发明采用的是热阻法，温升是通过电阻的变化来直接确定的，测量更加便捷，而且也可以用于测量绝热材料以外的其他固体材料和液体的导热系数。
瞬态热带法与瞬态热线法的测量原理非常类似，在两块待测样品间夹入一条很薄的金属带，即称为热带，在热带上施加恒定的加热功率，通过测量热带的电阻随时间的变化，就可以获得导热系数。
本发明就是利用热线(带)直接测温的方法，开发出几种能够应用于固体导热系数测量的传感器探头，同时本发明的传感器也可以用于液体导热系数的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一类用于热线(带)法的导热系数传感器探头，主要针对固体导热系数的测量，将热线(带)法用于简单、快速、精确的固体导热系数测量中，为实验室研究、工厂质量控制以及生产控制提供方便。
为了达到上述目的，本发明公开了几种用于热线法的导热系数传感器探头，包括：
(1)本发明将热线法测量液体导热系数的结构拓展至固体导热系数测量。
(2)本传感器有单热(带)线和双热线(带)两种设计结构。
(3)采用金属箔片加工而成。其中可以使用的金属材料为钽、铂、铜、镍等。
(4)传感器如采用热带的形式，则宽度的范围为0.1μm～20mm，厚度0.1μm～1mm，长度0.1mm～20cm；若为热线，则直径的范围为0.1μm～1mm，长度范围0.1mm～20cm。
(5)热线的引出导线采用双叉结构或者双叉结构的简化形式单叉结构。
(6)传感器的上下表面覆盖有绝缘保护膜。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将热线(带)同时作为加热和测温元件，结构简单可靠。
(2)本发明的传感器探头是利用瞬态热线(带)法的测量原理通过金属箔加工而成的，将传感器探头夹在两个待测试样中间，通过测量传感器的电阻变化就能够得到准确的导热系数，测量方法和过程简单，易操作。
(3)加工好的热线(带)上下表面贴敷有绝缘保护膜，不但能够测量绝缘物质，还能测量半导体和金属等导电物质。
(4)传感器的厚度可以做的很薄，而且中间的热线很细，因此可以减小测量中的接触热阻和空气间隙，保证固体导热系数测量的准确性。
(5)采用本发明的制作的传感器探头能够在很短的时间内测量各种不同材料的导热系数，其测量的导热系数的范围为0.001～500W/(m·K)，且所测量导热系数的不确定度可达到±1.0％以内。
(6)热线(带)的加工和固定方式非常牢固，不易断裂。
附图说明
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1本发明中的第一种传感器的结构；
图2本发明中的第二种传感器的结构；
其中：1、引出线；2、热线(带)；3、绝缘保护膜；4、导线。
具体实施方式
单热线和双热线传感器均可以用于固体和液体导热系数测量。对于单热线传感器来说，是由两个双叉形的引出线和中间的热线组成(图1中的单热线结构)，或者双叉型结构的简化结构，单叉的引出线作为热线的导线(图2中的单热线结构)。而对于双热线来说，则多出一条引出线(图1、2中的双热线结构)。由于引出线相对于中间热线的电阻很小，因此可以忽略引出线随温度的变化造成导热系数的测量结果的影响。
同样该结构也适合于热带法的导热系数测量。
下面结合附图和实施例对本发明的传感器进一步说明。
实施例1
在本实施例是采用5±1mm的钽箔片直接加工成如图1中的单热线结构。图1中的核心部件的热线宽度为30±10μm，长度为30mm。引出线作为中间热线(带)的导线和支撑结构，宽度为5±0.1μm。然后在上下表面添加聚酰亚胺膜后，就可以通过导线直接与测量仪表连接。
利用本探头对不锈钢304L和硼硅玻璃Pyrex 7704进行了导热系数研究。在测量前，只需将连接到数据采集系统的探头直接夹在两个待测样品中间，采集传感器的电压变化，即可求出待测样品的导热系数。
表1和表2分别列出了采用本实施例的探头获得的不锈钢304L和硼硅玻璃Pyrex 7704的导热系数数据。表中Tr为实验参考温度，λexp为实验值，λcal为标准值，根据文献Thermal Conductivity of Reference Solid Materials(M.J.Assael，K.Gialou，K.Kakosimos，I.Metaxa.Int.J.Thermophys，2004，25(2)：397-408)提供的硼硅玻璃和不锈钢的导热系数关系式求出。通过实验证明发现采用本传感器进行固体导热系数测量具有非常高的实验精度。
表1不锈钢导热系数测量数据
表2硼硅玻璃导热系数测量数据
Claims (7)
1.几种用于导热系数测量的传感器，其特征在于，可以采用金属箔片加工而成，结构简单、牢固，不易断裂。可以采用的金属材料是铜、铂、镍、钽等。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器是采用热线(带)作为导热系数测量的核心元件。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，传感器如采用热带的形式，则宽度的范围为0.1μm～20mm，厚度0.1μm～1mm，长度0.1mm～20cm；若为热线，则直径的范围为0.1μm～1mm，长度范围0.1mm～20cm。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，该传感器有单热线(带)和双热线(带)两种结构。
5.根据权利要求1所述的传感器，其引出线结构为双叉形或者单叉形。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，加工而成的传感器探头的上下表面覆盖一层保护膜。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，该传感器既可以用于固体导热系数测量，也同样适用于液体导热系数。
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