CN102778474A - 上下恒温参数辨识法测导热系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上下恒温参数辨识法测导热系数的方法，在美国国家标准ASTME1225基础上提出了一种采用上下对称恒温温度修正测试导热系数的方法，采用高精度温度传感器进行上下恒定温度参数辨识消去各温度传感器的不一致性误差，结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，来达到高精度测试试件的导热系数的目的。

Description

上下恒温参数辨识法测导热系数的方法

技术领域

本发明属于测定导热系数领域，具体涉及一种测定导热系数的方法，特别是涉及一种上下恒温参数辨识法测导热系数的方法。

背景技术

导热系数的测定大致可分为稳态法和非稳态法。所谓稳态法，就是对待测物质一个恒定的温度差，然后再测量在给定温差下形成的热流，通过傅里叶导热定律即可求得物质的导热系数；所谓非稳态法，一般采用一个瞬态的热源进行加热，然后测量待定物质的动态温度响应，通过分析温度变化速率与导热系数之间的关系从而求得该物质的导热系数。通常所用到的热线法和一维热传导反问题参数辨识法属于非稳态法，水平平板法和长杆法属于稳态法。

对于固态物质的非稳态测定方法，热线法一般用于对液态物质导热系数的测定，一维热传导反问题参数辨识法通常只能在非常简单的边界条件下才能获得解析解，所以通常需采用离散化的数值方法求解，而对于一维温度差的测量，需要保证对温度的测量准确度和响应时间以及材料的物性等参数的测量要求较高，难以保证对物质的导热系数测量准确度。通常稳态法测定导热系数为了形成一个恒定可测量的温度差，需要加热较长的时间，且不能较高精度地的测量，对于这一问题稳态法和非稳态法都没有很好的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种上下恒温参数辨识法测导热系数的方法。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种上下恒温参数辨识法测导热系数的方法，包括以下具体步骤：

第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取：

加工出试样，将试样竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，所述的试样上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集系统连接，用于测试试样的轴向温度；

试样上测试点之间的位置满足如下关系：以试样纵向长度方向上的中心截面位置为对称面，每个试样上从下端到上端面之间设置n个测试点，相邻两个测试点之间的轴向距离相等，相邻测试点之间的距离为dx；

第二步，采集测试点温度：

对试样的其中的一端加热，另一端冷却，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的测量温度T_i=1，······n，n为试样上测试点数目；

第三步，测试点测量温度的修正：

在做好充分的绝热条件下，对试样的两端同时设定同一个恒定温度，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的测量温度

n为试样上测试点数目；

对步骤二中所采集的n个测试点的温度测量范围根据精度需要进行上述的多恒定温度点重复进行试样上n个测试点的测量温度采集，并把试样上各个测试点的测量温度与所设定的恒定温度进行参数辨识分析，进行线性拟合或多元拟合成相关函数；

第四步，导热系数k的计算：

把第三步的相关函数对步骤二中采集的各个测试点的测量温度进行求解得到一修正温度

n为试样上测试点数目；

进而在忽略热流损失的情况下，可计算得到试样的导热系数k。

为较高精度的计算得到热流量，也可在测试试样两端或任意一端轴向加设标准热流量计。

所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PT100或PT25。

同现有技术相比，本发明所述的一种上下恒温参数变数法测导热系数采用上下双向热流的对称测试结构进行上下恒定温度基本消除热损失和温度传感器的不一致性误差，且可在保证较高的精度前提下且能快速的测定导热系数。

为了便于深入了解本发明的结构内容以及所能达成有益效果，下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明一种测定导热系数的装置的结构示意图。

图2为本发明的系统测试原理图。

图3为本发明中测试试件的主视图。

图4为采用本发明方法的上下恒定温度后的温度偏差同恒定温度的关系图。

图5为采用本发明方法的上下恒定温度后的拟合函数的相关参数。

图6为本发明上下恒温参数辨识法修正后的温度和距离的关系图。

具体实施方式

因此，为解决上述问题，本发明在美国国家标准ASTM E1225基础上提出了一种采用上下对称恒温温度修正测试导热系数的方法，采用高精度温度传感器进行上下恒定温度参数辨识消去各温度传感器的不一致性误差，结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，来达到高精度测试试件的导热系数的目的。

在图1中，本发明公开了一种高精度热界面材料的测试装置，该装置为上下正反双向热流测试的对称结构，包括控制系统、支架3、第一滚珠套筒4-1、第二滚珠套筒4-2、滑动螺杆5、定向钢球和压力传感器6、辅助加热器7、真空罩9、试件测试区10、应力加载装置、真空抽放气口13、进出水口14、数据采集系统、密封底盘16，支撑板17，水平调节杆20和加热丝21；其特征在于：应力加载装置由液压缸11和压力动力源12组成，液压缸11位于压力动力源12的上方；数据采集系统由温度传感器、密封数据接头15组成，温度传感器通过导线与密封数据接头15相连；控制系统由可控温防辐射屏2、加热制冷套1和控制防辐射屏加热丝R2组成；试样测试区10包括测试试件，其中定向钢球和压力传感器6、支架3、支撑板17和加热制冷套1上下对称，定向钢球和压力传感器6固定在支撑板17中心位置，应力加载装置通过支架3定位并和定向钢球以及压力传感器6接触，为试样加载应力，第一滚珠套筒4-1设置在滑动螺杆5的上下两端与支撑板17固定，第二滚珠套筒4-2设置在滑动螺杆5的底部并与支架3固定，辅助加热器7位于支撑板17和加热制冷套1之间，试样测试区10位于上下对称的两个加热制冷套1之间，两个可控温防辐射屏2位于试样测试区10的外部，真空罩9位于整个装置的外部固定于密封底盘16上，滑动螺杆5固定于密封底盘16的上部，真空抽放气口13、进出水口14和密封数据接头15均设置在密封底盘16上，液压缸11贯穿密封底盘16的中心，密封底盘上设置有四组水平调节杆20。

图2为本发明的测试原理示意图，在进行测试过程中，根据试件上的温度传感器测量温度由控制系统调控防辐射屏上的加热装置和试件近似的温度梯度以此来减小热量损失。在上下制冷加热套的位置也相应布置有辅助加热器来调控和加热源近似的温度来减小热损失。

在图3中，本发明中插装有温度传感器的测试试件的主视图，在该试件上插装有对位置上下对称度有严格要求的3组温度传感器。试件可加工成圆柱形或者长方体形，温度传感器的插装孔有严格的位置精度和形状精度要求并保证有足够的上下对称度，在插装温度传感器前对加工试件进行丙酮、异丙酮和超声波清洗。温度传感器为对称等距排列，温度传感器的探头是通过焊接或导热膏粘结插装孔里。

本发明公开了一种上下恒温参数辨识法测定一种铜合金材料导热系数的方法，其测试步骤如下：

第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取：

按待测物质的大致导热系数范围加工一铜合金测试试件，并如图3所示按温度传感器尺寸在试件上等距的加工出温度传感器的探头安装孔，所述的温度传感器的探头安装孔≤0.5mm,探头安装孔里通过焊接或导热膏粘结≤0.5mm的温度传感器探头，温度传感器通过真空腔壁的连接器与数据采集系统连接，本发明的温度传感器采用热电偶。

第二步，采集测试点温度：

如图1和图2所示将布置有3组温度传感器的试件竖直夹装在上下两端对称设有热流量计、制冷加热套、辅助加热装置的真空腔内，为较小热损失在保温层外层加设一内嵌有加热装置的可控温防辐射屏，在抽真空后进行顶端加热底端制冷的热流测试，此时可控温防辐射屏模拟出近似试件的温度梯度，达到稳态时进行温度数据采集。本实施例采用布置上下双热流量计的方法来换算热流量。在热流量为3W时，测得(T.x)₁=25.053、(T.x)₂=24.658、(T.x)₃=24.257。

第三步，测试点测量温度的修正：

对步骤二中所采集的(T.x)₁、(T.x)₂和(T.x)₃3个测试点对上下对称布置的加热制冷套从22~28℃的进行7个恒定温度点的稳态采集数据。如图4所示，设定加热制冷套的恒定温度并记录(T.x)₁、(T.x)₂和(T.x)₃测试点与该恒定温度的偏差。本案例按进行y=A0×x³+A1×x²+A2×x+A3的多元方程函数对该温度偏差与恒定温度进行数据拟合，拟合的参数A0、A1、A2和A3如图5所示。

第四步，导热系数k的计算：

如图6所示，把(T.x)₁=25.053、(T.x)₂=24.658、(T.x)₃=24.257的温度值代入第三步的共3个测试点的拟合相关函数中得到温度偏差值，从而得到 ${(\tilde{T}.x)}_1=25.053-0.014343=25.03866,$ ${(\tilde{T}.x)}_2=24.658-0.033104=24.6249,$ ${(\tilde{T}.x)}_3=24.257-0.059143=24.19786.$

在热流量为3W时，同样的铜合金试件，分别按照(T.x)₁、(T.x)₂和(T.x)₃测试点对应的位置线性拟合求得的导热系数为398.54W/mK，而在本案例采用上下恒温忽略热流损失的情况下，可通过修正温度计算得到试样的导热系数k=377.3W/mK。

综上所述的一种上下恒温参数辨识法测导热系数，采用经过同时标定的高精度温度传感器进行上下恒定温度参数辨识法修正温度值，结合可控温热辐射防辐射屏来及辅助措施减小横向热流损失，来达到高精度测试试件的导热系数的目的。

以上所述为本发明的较佳实施例的详细说明与图附，并非用来限制本发明，本发明的所有范围应以专利权利书所要求保护的范围为准，凡与本发明的设计思想及其类似变化的实施例、近似结构，都应包含于本发明的专利保护范围之中。

Claims (3)

1.一种上下恒温参数辨识法测导热系数的方法，其特征在于所述方法包括以下具体步骤：

第一步，测试设备的准备和测试试样测试点的选取：

加工出试样，将试样竖直安装在两个上下对称设置的制冷加热套之间，所述的试样上设置有温度传感器，温度传感器与数据采集系统连接，用于测试试样的轴向温度；

试样上测试点之间的位置满足如下关系：以试样纵向长度方向上的中心截面位置为对称面，每个试样上从下端到上端面之间设置n个测试点，相邻两个测试点之间的轴向距离相等，相邻测试点之间的距离为dx；

第二步，采集测试点温度：

对试样的其中的一端加热，另一端冷却，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的测量温度T_i=1，······n，n为试样上测试点数目；

第三步，测试点测量温度的修正：

在做好充分的绝热条件下，对试样的两端同时设定同一个恒定温度，试样温度达到稳定后开始采集测试温度；所述的测试温度包括试样上n个测试点的测量温度

n为试样上测试点数目；

对步骤二中所采集的n个测试点的温度测量范围根据精度需要进行上述的多恒定温度点重复进行试样上n个测试点的测量温度采集，并把试样上各个测试点的测量温度与所设定的恒定温度进行参数辨识分析，进行线性拟合或多元拟合成相关函数；

第四步，导热系数k的计算：

把第三步的相关函数对步骤二中采集的各个测试点的测量温度进行求解得到一修正温度

n为试样上测试点数目；

进而在忽略热流损失的情况下，可计算得到试样的导热系数k。

2.根据权利要求1所述的上下恒温参数辨识法测导热系数的方法，其特征在于在测试试样两端或任意一端轴向加设标准热流量计。

3.根据权利要求1所述的上下恒温参数辨识法测导热系数的方法，其特征在于所述的温度传感器采用热电偶、热电阻、PT100或PT25。

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