CN102192922A - 高温材料导热系数测量装置 - Google Patents

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王旌
王永洪
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Abstract

公开一种高温材料导热系数测量装置包括加热腔体、检测腔体和测控电器3部分，在加热腔体内内部填充高温保温材料，当加热体加热时加热腔体与环境没有热交换，热量仅仅向下单方向传递；在检测腔体内装置主量热器、护量热器、主流量计、护流量计、热量平衡板和9组温度传感器；测控电器包括具有抗强电磁干扰能力多功能可编程测控模块和计算机组成，计算机使用高级语言VB程序进行可视化管理，用人性化界面与可编程测控模块结合十分准确的测量与控制高温材料导热系数测量装置，精确控制全过程，以数字显示和曲线方式显示试验的全过程，自动存储试验过程数据和曲线。可以用多种液体循环，循环液体最低温度可以达到-30℃，可以测量低于1400℃高温材料的导热系数。

Description

高温材料导热系数测量装置
技术领域
本发明“高温材料导热系数测量装置”是高温材料精确测定装置。涉及到航天、航空、冶金等重大国防与国民经济领域。
背景技术
物质的热传递有三种形式：传导、对流和辐射。热传导和热阻是物质的重要热特性，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各个研究领域的课题。在高温环境中，物质的导热特性同样取决于其微观结构。热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子和粒子的迁移。因此，物质的导热与微观结构、温度、压力及杂质含量有密切关系。随着国民经济的飞速发展，高温材料越来越得到广泛的应用与重视，特别是航天、航空、冶金高端技术领域不断出现符合高要求、耐高温的新型材料，其热特性精确测量技术越来越显得突出。陶瓷纤维、高铝纤维、石棉、碳化硅、陶瓷、耐火砖等高温材料是航天、航空工业、冶金工业和各种高温领域不可缺少的材科，对于高温材料的热特性的精确检测是合理使用的有效前提，是这些领域安全、可靠、有效运行的根本保征。本发明涉及高温材料导热系数或热阻的测定装置。高温材料导热系数检测的准确性涉及到国防和冶金等工业领域的质量问题。如果检测不准确，在使用高温温度下材料出现任何软化和熔化现象，肯定造成严重的事故，造成人员伤亡和财产的重大损失，特别是航天、航空、冶炼、高温炉等领域。本发明“高温材料导热系数测量装置”为高温材料的准确测量提供重要依据，是高温材料量化的精确检测装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量数据准确全自动化的在高温环境中材料导热系数的单平板多试件测定装置(图1)。包括高温加热腔体(图2)、检测腔体(图3)和测控电器(图4)三部分。后面有合页，前面有提手，可以提起掀开。
高温加热腔体(图2)由多根加热器1-3、固定加热器的高温瓷板1-1和固定架构成，周围填充高温保温材料1-2，下面为空腔。热量从上向下单方向传递。高温加热腔体内的加热器1-3由多根硅碳棒组合而成，通过固定栓1-7固定在高温瓷板1-1上，高温瓷板1-1通过4根固定支柱1-5由固定螺栓1-4固定在高温加热腔的顶部。加热器电极通过导线由加热电极1-6引出到测控电器的加热电源，加热电源由计算机和可编程测控模块检测与控制。
检测腔体(图2b)的主体由主量热器2-5和护量热器2-6组成。主量热器2-5是圆柱体，高度H＝20mm，外径D＝76mm，壁厚P＝2mm，内部有水槽，下面焊接主进水管和主出水管，与水槽2-9相连通，在进水管的入口处有主传感器1，用来检测进水口液体温度，在出水口处有主传感器2，用来检测主量热器的出水口液体温度，主量热器的上表面的平行度优于0.01mm。护量热器的内部为直径78mm圆形，外部为230mm 的正方形(图2a)，高度20mm，下部焊接有护进水管和护出水管，在护出水管的出水处，有护传感器，用来测量护量热器的出水口液体温度，护量热器的上表面平行度优于0.01mm。护量热器2-6的内径比主量热器2-5外径大2mm，，缝隙1mm(图3a)，两者的底部装置在固定平板2-8(图3b)上，两者的上表面保证在同一平面上，平行度误差＜＝0.02mm。检测腔体的热量平衡器是吸收加热器的热能，使得温度均匀，同时为试件提供温度稳定的热源。
测控电器(图4)由可编程测控模块、计算机、电源组成。传感器1、2、3、4、5、测控传感器、主传感器1、主传感器2和护传感器通过电缆线1，将温度信号传输给可编程测控模块，加热电源与安全保护器通过电缆线2将状态信号传输给可编程测控模块，可编程测控模块通过数据总线将全部信号传输给计算机，计算机与可编程测控模块和终端进行数据交换和数据处理，根据终端状况进行PLC、PID精确控制和安全保护。可编程测控模块是集成在一起的具有PLC和PID高精度数字频率，具有抗强电磁干扰能力能力。测量与控制精度高，准确。计算机使用VB和VB.net高级语言编制程序进行控制，界面具有人机对话功能，易于操作。
本发明的实施具有以下效果：由于采用单平板，简化了结构；大功率的加热功率不参与计算，解决了功率控制不准确和不稳定问题；具有极强抗干扰能力的可编程测控模块和计算机的联合使用，使得计算机与终端数据交换与控制简单易行，避免了电子电路受干扰与不稳定的缺陷，简化了测控系统结构。因此，本发明的使用使得高温材料导热系数测量实现高度自动化和智能化，实现了测量时间短、测量数据准确，可以存储、打印实时数据、历史数据。具有噪声低、节能等优点，可以广泛用于航空、航天、冶金等生产与科学研究领域。
附图说明
图1整体结构图。是本发明的整体结构剖面图。
图2加热腔体结构图。是本发明加热腔体的三位立体图，表述了加热腔体的内部构造。
图3a量热器上表面图。是本发明主量热器和护量热器上表面的形状图。
图3b检测腔体图。是本发明检测腔体部件的详细图。
图4测控电器图。是本发明测控与自动化的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施进一步说明本发明。
导热系数是指单位时间内在单位温度梯度下沿热流方向通过材料单位面积传递的热量。
测量导热系数分为两大类：稳态法和瞬态法，本仪器采用的是稳态液体流量平板法。根据傅立叶一维平板稳定导热过程的基本原理，在稳态状态时，单位时间一维温度场中热流纵向通过试样热面流至冷面后被流经主量热器的液体吸收的热量。该热量同试样的导热系数，冷热面温差，中心量热器吸热面面积成正比，同试样的厚度成反比。
λ = Qδ AΔT
式中：
λ-导热系数，单位为瓦每米开尔文(W/(m″K))；
Q-单位时间内水流吸收的热量，单位为瓦(W)；
δ-试样厚度，单位为米(m)；
A-试样面积，单位为平方米(m2)；
ΔT-冷、热面温差，单位为开尔文(K)。
液体吸收的热量与液体的比热、质量和液体温升高成止比。
Q＝C·w·Δt
式中：
Q-单位时间内液体吸收的热量，单位为瓦(W)；
C-液体比热，单位为焦每克开尔文(J/(g″K))；
w-液体流量，单位为克每秒(g/s)；
Δt-液体温度升高量，单位为开尔文(K)。
经过试验最终所得到的数据，对于单试件导热系数的计算方程为：
λ = m ( t 2 - t 1 ) CL A ( T 2 - T 1 )
式中：
m-通过主量热器液体的平均流量(kg/s)
t1-进水口液体温度(℃)；
t2-出水口液体温度(℃)；
T1-试样的冷面温度(℃)；
T2-相应试样的热面温度(℃)；
L-测量T1和T2所用测量温度传感器的距离，相当于试件实时测量厚度(m)；
C-量热器进口与出水口液体平均温度时液体的比热(J/(kg.K)。
从计算方程可见，计算导热系数方程中，没有加热功率参与计算，表明在功率测量数据没有直接影响导热系数值，而是通过热量平衡板对试件进行热交换，热量平衡板起着热能稳定和热交换的作用。主流量器的出口液体温度是功率的平均效应，稳定性好，测量准确，测量精度高。
对于多试件，单独计算每一层试件的导热系数，取平均值：
λ＝(λ1+λ2+…λn)/n
式中n是试件数量，λn是每个单独试件的导热系数，本装置最多4个试件。
本发明提供的全自动化的在高温环境中材料导热系数的单平板多试件测定装置(图1)。包括高温加热腔体(图2)、检测腔体(图3)和测控电器(图4)三部分。
高温加热腔体(图2)由多根加热器1-3、固定加热器的高温瓷板1-1和固定架构成，周围填充高温保温材料1-2，下面为空腔。热量从上向下单方向传递。高温加热腔体内的加热器1-3由多根硅碳棒组合而成，通过固定栓1-7固定在高温瓷板1-1上，高温瓷板1-1通过4根固定支柱1-5由固定螺栓1-4固定在高温加热腔的顶部。加热器电极通过导线由加热电极1-6引出到测控电器的加热电源，加热电源由计算机和可编程测控模块检测与控制。在加热腔体的加热器用高温硅碳棒制作温度可以达到1400℃，加热腔体内，高温瓷板的上方和前后左右填充高温保温材料，在加热器下面是腔体，腔体平面尺寸与热量平衡板相同，使得热量单向从上向下传递。
检测腔体(图2b)的主体由主量热器2-5和护量热器2-6组成。主量热器2-5是圆柱体，高度H＝20mm，外径D＝76mm，壁厚P＝2mm，内部有水槽，下面焊接主进水管和主出水管，与水槽2-9相连通，在进水管的入口处有主传感器1，用来检测进水口液体温度，在出水口处有主传感器2，用来检测主量热器的出水口液体温度，主量热器的上表面的平行度优于0.01mm。护量热器的内部为直径78mm圆形，外部为230mm的正方形(图2a)，高度20mm，下部焊接有护进水管和护出水管，在护出水管的出水处，有护传感器，用来测量护量热器的出水口液体温度，护量热器的上表面平行度优于0.01mm。护量热器2-6的内径比主量热器2-5外径大2mm，，缝隙1mm(图3a)，两者的底部装置在固定平板2-8(图3b)上，两者的上表面保证在同一平面上，平行度误差＜＝0.02mm。检测腔体的热量平衡器是吸收加热器的热能，使得温度均匀，同时为试件提供温度稳定的热源。
传感器出来测量温度，高温传感器可以使用B型铂铑30-铂铑6热电偶(温度1800℃)、S型铂铑10-铂热电偶(温度1700℃)、K型镍铬-镍硅热电偶(1300℃)、J型铁-铜镍热电偶(1200℃)和E型镍铬-镍铜(1000℃)热电偶，本发明使用其他热电偶可以测量低于1000℃的材料。底层温度传感器、第1层、第2层、第3层、第4层和测控传感器使用高温传感器；主传感器1、主传感器2和护传感器可以使用Pt100、T型铜-铜镍热电偶。
在量热器的上面可以放置试件组2-4，试件组的数量可以是1-4块(以4块为例操作)(图3b)，传感器1作为底层传感器放在主量热器的中心，第1块试件放在传感器1的上面，试件的边缘与护量热器的边缘对齐(试件与护量热器的外尺寸相同)，用与试件相同尺寸木板将试件压实，使得试件与量热器紧密接触，在第1块试件的中心放置传感器2，在传感器2的上方放置第2块试件，压紧，使得第1块试件的上表面与第2块试件的下表面密切接触，依次用同样方法放置传感器3和第3块试件，传感器4和第4块试件，在第4块试件的上方中心放置传感器5，在传感器5的上方放置碳化硅板，将试件压实。在碳化硅板的上方距离边角10mm处分别放置4个平衡器支柱，在支柱的上方放置热量平衡板，将测控传感器固定在热量平衡板的中央。四周填充满保温材料高铝纤维棉。
对于软试件使用试件支柱-5、2-6、2-7、2-8分别进行支撑，对于硬试件，制作试件时，在试件中心和径向刻槽，用以放置传感器和引线。试件安装完毕后，在检测腔体的上部边缘铺盖一层高铝纤维棉，内部空腔尺寸与量热器相同，盖好加热腔，系统处于封闭状态。
液体流量调节：流量计的调节范围为30-200mL/Min，开始时主流量计和护流量计调节到100mL/Min。升温5小时后，分别调节两个流量计，使得护流量计与主流量计的出口液体温度一致。用变压器油做循环液体时温度低于200℃；用水做循环液体时，温度低于75℃；用冷冻液时温度低于30℃；用酒精时温度低于-10℃。每1小时调节一次流量计，保持护流量计的液体出口温度与主流量计的液体出口温度一致，其误差＜＝0.2℃。
加热与测量：由测控电器系统精密控制加热腔体的升温速率，一般初始升温速率为5-10℃/Min，温度升至低于试验温度250℃时升温速率2-4℃/Min，最后50℃升温速率1-2℃/Min。用精密可编程测控模块和计算机进行测量与控制时精度很高，误差很小，升温速率优于2％，温度恒定后控制精度可以达到5℃/h。系统保温10小时后，精度达到3℃/h。热量平衡板温度的稳定性达到0.5℃。12小时后达到完全平衡。温度平衡后分别调节主流量计和护流量计的液体流量，使得主量热器的出口液体温度与护流量计的出口液体温度一致，每1小时调节一次，直到温度误差＜＝0.1℃/h为止，一般调节2-3次即可达到目的。第15小时开始测量，每5分钟采集1组数据，共采集10组，采集数据采集完毕，自动关闭加热电源，根据10组数据计算机自动计算导热系数平均值，在界面上给出结果，并将作为历史数据长期存储。当放置多组试件，按多组试件的方程计算平均值。如果需要打印报告和结果，可以连接打印机进行。

Claims (7)

1.一种高温材料导热系数测量装置包括加热腔体、检测腔体和测控电器3部分，在加热腔体内装置加热器、高温瓷板固定装置，内部填充高温保温材料，加热腔体与环境没有热量交换，热量向下单方向传递：在检测腔体内装置主量热器、护量热器、主流量计、护流量计、热量平衡板和9组测量温度的传感器；测控电器包括具有抗强电磁干扰能力多功能可编程测控模块和计算机组成，计算机使用高级语言VB程序进行可视化管理。
2.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，加热腔体的加热器由硅碳棒制作，根据尺寸，其数量为3-10根，加热温度可以达到1400℃；
3.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，加热腔体的特征是在高温瓷板的上方和前后左右填充高温保温材料，在加热体下面是腔体，腔体平面尺寸与热量平衡板相同，使得热量单向从上向下传递：
4.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，检测腔体的热量平衡板采用具有热容量较大的材料制作，不锈钢板、碳化硅板和充填沙石的耐高温的金属容器，其平面尺寸与护量热器外尺寸一致：
5.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，测量温度的传感器用来测量温度，高温传感器使用B型铂铑30-铂铑6热电偶、S型铂铑10-铂热电偶、K型镍铬-镍硅热电偶、J型铁-铜镍热电偶和E型镍铬-镍铜热电偶。底层温度传感器、第1层、第2层、第3层、第4层和测控传感器使用上述高温热电偶传感器；主传感器1、主传感器2和护传感器可以使用Pt100、T型铜-铜镍热电偶
6.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，主量热器和护量热器都用导热良好的紫铜、黄铜和优良的合金铝制作，两者内部部有水槽，可以流通液体，下面分别有进水口和出水口，主量热器水槽的进水口与主量热器的主进水口密封连接，在主进水口处安装主传感器1，测量进水口液体温度，主量热器水槽的出水口与主量热器的主进水口密封连接，在出水口处安装主传感器2，测量出水口液体温度；护量热器水槽的进水口与护量热器的护进水口密封连接，护量热器水槽的出水口与护出水口密封连接，护出水口安装护传感器，测量护量热器的出口液体温度；主量热器的平面形状可以采用圆形利正方形，厚度一般12-20mm；当主量热器平面尺寸为圆形时，护量热器的内部形状也是圆形，一般护量热器的内尺寸比主量热器大2-4mm，缝隙在1-2mm之间；当主量热器的外尺寸是正方形时，护量热器的内部形状也是正方形，两者的缝隙为1-2mm；护量热器的外尺寸一般是主量热器的3倍，例如，主量热器外径为76mm时，护量热器的内径为78，缝隙1mm，外尺寸是正方形，尺寸为230mmX230mm；
7.根据权利要求1所述的一种高温材料导热系数测量装置，可编程测控模块具有抗强电磁干扰能力，具有进行PID精密调节与控制功能，具有精密测量功能，具有多路输入功能；计算机用VB高级语言编程，用人性化界面与可编程测控模块结合十分准确的测量与控制高温材料导热系数测量装置，精确控制全过程，可以数字显示和曲线方式显示试验的全过程，自动存储试验过程数据和曲线，打印数据，实验完毕后自动关机。
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