CN103149233A - 测试材料热物性参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测试材料热物性参数的装置及方法。该装置采用液压驱动活塞调节胶囊样品密度及超声系统调整样品均匀度，金属线探测器直接埋入一定密度待测胶囊样品中，克服了由于自重堆积下带来的垂直方向“下重上轻”的问题，保证实现微/纳相变胶囊材料热物性参数随密度依赖关系的精确测量。

Description

测试材料热物性参数的装置及方法

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，尤其涉及一种基于交流加热、频域下斜率-比较探测原理测试材料热物性参数的装置及方法。

背景技术

相变储能材料及技术是材料科学与能源科学的交叉学科，是解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，用于满足人们在工程和产品的技术经济要求而又提高能源利用率的有效手段。近年来研究表明：把固体或液体材料包覆在成膜材料中，形成微小粒子的技术，可将相变材料进行胶囊化，形成相变微/纳胶囊材料，使得相变胶囊芯材与外界环境分隔开来，免受外界湿度、氧气等因素的影响，从而改善传统相变材料的稳定性，同时可解决固-液相变材料相变后液相的挥发、流动、腐蚀及泄漏问题。

目前微/纳相变胶囊材料主要在两个方向进行应用：一是将相变微胶囊与传热流体混合，利用其相变时的潜热，提高传热流体的热容，用于余热回收、热量传输、冷却剂等；二是根据其相变温控特性，将其应用于电力系统调峰、可再生能源储存、空调采暖、航空航天、纺织品、制冷、建筑物等，提高能源使用效率及控温性能。

在对相变微/纳胶囊材料开展上述应用之前，必须知晓其在使用温度范围内的传热特性参数(热导率、热扩散率和热容等)。在现有热物性测量方法中，基于交流加热的谐波探测技术在微/纳结构材料/器件热物性表征方面被认为是一种十分有效、广泛的手段。并且，由于使用时胶囊材料往往呈现为与空气(或流体)随机堆积的形式，其传热特性明显依赖于堆积密度的大小。因此，开发一种能确保精确测量传热特性各参数随材料密度依赖关系的测试方法及对应装置对于微/纳相变胶囊材料的应用具有重要意义。

图1为现有技术采用谐波探测技术测试热物性参数装置的示意图。请参照图1，该装置测量粉体时是直接将面形探测器垂直埋入样品中的，这一操作特点无法实现样品密度的调节，因此也就不能用于分析粉末样品的热物性参数随密度变化的关系，若测试时胶囊材料以自重进行堆积，则在垂直方向密度不均匀，形成“下重上轻”的结构，这必将影响测量的精度。

此外，目前尚无基于交流加热的谐波探测技术是否适用于微/纳相变胶囊材料传热特性的测试。并且，如图1所示的装置只能用于蓄热系数(定义为热导率λ和热容ρc_p乘积的平方根，

)的测量，无法分别区分出热导率、热扩散率(α＝λ/ρc_p)和热容三个参数。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种测试材料热物性参数的装置及方法，以实现对材料热物性参数对密度依赖性的测试。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种测试材料热物性参数的装置。该装置包括：样品密度调节容器，包括：容器壳，其左右两侧开口，用于填充待测样品；两运动型活塞，可滑动的密封于所述容器壳的两侧；两液压驱动部件，分别抵接于所述两运动型活塞上，用于驱动两运动型活塞沿容器壳内壁滑动，从而改变容器壳内样品的密度；温度传感器，贯穿所述样品密度调节容器，用于采用加热电流对待测样品进行加热，并探测样品温度升高而产生的基波电压和三次谐波电压；谐波测量单元，与所述温度传感器的相应端连接，用于产生加热电流，测量并记录多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值；以及数据处理单元，用于利用多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值，计算待测样品的热物性参数。

根据本发明的一个方面，还提供了一种利用上述装置进行材料热物性参数测试的方法，包括：采用上述装置对标准样品进行测量，获得标准样品的基波电压(V_1ω)_b和三次谐波电压(V_3ω)_b；采用上述装置对被测样品进行测量，获得被测样品的基波电压(V_1ω)_y和三次谐波电压(V_3ω)_y；采用所述标准样品的基波电压(V_1ω)_b和三次谐波电压(V_3ω)_b；及被测样品的基波电压(V_1ω)_y和三次谐波电压(V_3ω)_y计算被测样品的热物性参数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明测试材料热物性参数的装置及方法具有以下有益效果：

(1)采用液压驱动活塞调节胶囊样品密度及超声系统调整样品均匀度，金属线探测器直接埋入一定密度待测胶囊样品中，克服了由于自重堆积下带来的垂直方向“下重上轻”的问题，保证实现微/纳相变胶囊材料热物性参数随密度依赖关系的精确测量；

(2)结合基于交流加热、频域下斜率-比较探测原理，一方面简化了求解过程，减少了计算量；另一方面消除了求解计算时线探测器自身参数引入的误差。只要分别测得同一线探测器在标准样品及待测胶囊样品中的β，R_T，V_1ω，以及选定频率段内不同频率下的V_3ω，即可同时计算出待测胶囊样品的热物性参数值，保证了胶囊材料热导率及热扩散率的同时精确测量。

附图说明

图1为现有技术采用谐波探测技术测试热物性参数装置的示意图；

图2是根据本发明实施例测试胶囊材料热物性参数装置的示意图；

图3是图2所示测试胶囊材料热物性参数装置沿A-A方向的剖视图；

图4是图2所示测试胶囊材料热物性参数装置中谐波测量单元的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-腔体；                   2-样品密度调节容器；

3-待测胶囊样品；           4-超声系统；

5-温度传感器；             6-谐波测量单元；

7-数据处理单元；

21-容器壳；                22-进/出料口密封盖；

23a、23b-运动型活塞；      24a、24b-液压驱动部件；

51-固定塞；                52-线探测器；

531、532-引线件；          53a、53b-引线端；

61-函数发生器；            62-电桥模块电路；

63-前置放大器；            64-锁相放大器；

65-微机控制与数据采集系统；R9-可调电阻；

6a-第一电流引线端；        6d-第二电流引线端；

6b-第一电压引线端；        6c-第二电压引线端；

621-第一差动放大器；       622-第二差动放大器；

623-转换器；

R1-第一低温漂电阻；        R2-第二低温漂电阻；

R3-第三低温漂电阻；        R4-第四低温漂电阻；

R5-第五低温漂电阻；        R6-第六低温漂电阻；

R7-第七低温漂电阻；        R8-第八低温漂电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明将针对微/纳相变胶囊材料自身的特点，通过分析、改进现有谐波探测技术的测量理论模型，提供一种频域下斜率-比较探测原理及实施装置，由此简化测量过程并得到热导率和热扩散率随密度的依赖关系，将该方法成功应用于微/纳相变胶囊材料传热特性的评价。

首先，本发明提供了一种测试胶囊材料热物性参数装置。图2为根据本发明实施例测试胶囊材料热物性参数装置的示意图。图3为图2所示测试胶囊材料热物性参数装置沿A-A方向的剖视图。请参照图2和图3，该装置包括：腔体1、样品密度调节容器2、待测胶囊样品3、超声系统4、温度传感器5和谐波测量单元6。以下分别对各个部分进行详细说明。

腔体1

腔体1为长方形开口容器，材质可以是透明玻璃或塑料，用于隔离超声媒介及样品密度调节容器2。

样品密度调节容器2

样品密度调节容器2置于腔体1底部，且与底部平行放置。样品密度调节容器2包括：一带刻度的容器壳21、一进/出料口密封盖22、两运动型活塞23a、23b和两液压驱动部件24a、24b。

容器壳21为方形截面，其上方标有刻度尺。容器壳21与位于其左右两端的运动型活塞23a、23b围成封闭空间，用于填充满待测胶囊样品3。当然，如果没有刻度的话，也可以每次采用刻度尺去测量，则会给测量造成不便。

容器壳21的正面正中有一圆形进/出料口，相应配有进/出料口密封盖22，两者通过螺纹联接。

两运动型活塞23a、23b，可在液压驱动部件24a、24b作用下可沿样品密度调节容器2长度方向(标有刻度)运动。运动型活塞23a、23b前端面停留的位置对应容器壳21上方刻度差，乘以容器壳横截面积，可计算出胶囊样品3的体积，从而得出密度值。

超声系统4

超声系统4内外壳体和降音盖采用不锈钢，内槽尺寸：300×240×150mm，工作时额定功率为300W，工作频率为40KHz，时间在1-600min内可调。

在进行实际测量时，腔体1放入超声系统4内。由超声系统4对封闭空间内的待测胶囊样品3进行均匀化。

温度传感器5

温度传感器5包括：固定塞51、线探测器52、两引线件531和532，及两引线端53a和53b。

固定塞51通过摩擦阻力固定于样品密度调节容器2上方的圆孔中。固定塞51为高弹性高分子材料，如橡胶或热塑性硫化弹性体。固定塞51为圆台形，上底面直径在20～60mm范围内，下底面直径在30～70mm范围内，高度在20～50mm范围内。

线探测器52埋于待测胶囊样品3中，线长方向垂直于样品密度调节容器2的活塞轴线方向。线探测器52由导电金属丝焊接固定在两引线件531～532的下端形成一维(直径尺寸远小于长度尺寸)丝结构。优选地，线探测器52为铂、金或银，引线件531～532为铂或银。线传感器52长度在10～50mm范围内，直径在10～20μm范围内。

两引线件531～532贯穿固定塞51，且垂直于圆台形固定塞51的顶面和底面。两引线件531～532的一端分别与线探测器52的两端相连接，另一端有两个引线端53a～53b。引线件531～532长度在50～150mm范围内，两引线件531～532平行布置、贯穿固定塞51，间距接近线探测器52长度。线探测器52距离引线件531～532下端点2～10mm范围内。

需要说明的是，两个引线件531～532贯穿引线端固定塞51经开孔器打孔的两个直通孔道内，其表面经绝缘处理。下端固定线探测器52处通过外力凿平，用于焊料的承接点，承接点作为线探测器52支撑物，实现线探测器52悬空置于待测胶囊样品3中；两个引线件531～532的外表面通过物理或化学气相沉积工艺附着有薄绝缘层。

引线端53a与谐波测量单元6的第一电流引线端6a、第一探测电压引线端6b电连接。引线端53b与谐波测量单元6的第二电流引线端6d、第二探测电压引线端6c电连接。两电流引线端6a、6d周期对线探测器52施加微弱周期正弦电流，以电加热待测胶囊样品3，两电压引线端6b、6c构成电压回路接入谐波测量单元6。

谐波测量单元6

谐波测量单元6设于控制主机，用于频域下斜率-比较探测原理测量并记录预设频率下温度传感器5下端线探测器52两端的三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～ln、各频率下基波电压平均值V_1ω。

请参见图4，其给出本发明谐波测量单元6的电路图，谐波测量单元6包括：函数发生器61、电桥模块电路62、前置放大器63、锁相放大器64、微机控制与数据采集系统65、可调电阻R9、第一电流引线端6a、第二电流引线端6d、第一电压引线端6b和第二电压引线端6c；其中，电桥模块62含有：第一差动放大器621、第二差动放大器622、转换器623、第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8。总体上来说，该谐波测量单元包括加热电流提供电路和信号测量电路。

其中，加热电流提供电路，其第一电流引线端6a和第二电流引线端6d分别与温度传感器5的两引线端(53a，53b)电连接，用于为线探测器52提供微弱周期正弦信号，包括：函数发生器61、转换器623和可调电阻R9，其中，温度传感器5的引线端53a与可调电阻R9通过第一电流引线端6a连接，温度传感器5的引线端53b通过第二电流引线端6d连接至地。函数发生器61的第一输出端输出角频率为ω的交流电压信号；该交流电压信号经电桥模块62内置的转换器623转换为电流信号，该电流信号依次驱动可调电阻R9和温度传感器5的线探测器52。

信号测量电路，其第一探测电压引线端6b和第二探测电压引线端6c亦分别与温度传感器5的两引线端(53a，53b)电连接，用于测量线探测器52的基波电压及三次谐波电压，包括：第一差动放大器621、第二差动放大器622、低温漂电阻R1～R8、前置放大器63、锁相放大器64及微机控制与数据采集系统65，其中：

第一差动放大器621，其第一输入端和第二输入端分别连接至可调电阻R9的两端，用于将可调电阻R9两端的电压信号转换为第一差动信号；

第二差动放大器622，其第一输入端和第二输入端分别连接至线探测器52的两端，用于将线探测器52两端的电压信号转换为第二差动信号；

前置放大器63，其两端分别连接至第一差动放大器621和第二差动放大器623的输出端，用于分时输出以下两个信号：第一差动信号、第一差动信号和第二差动信号的差；

锁相放大器64，其第二输入端连接至前置放大器63的输出端，用于：计算基波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值；计算三次谐波电压，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；

微机控制与数据采集系统65，其输入端连接至锁相放大器64的输出端，用于对锁相放大器64输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集。

由于实际测得的是金属线探测器52的微弱温升(由基波和三次谐波直接计算得到)，因此电路里必须用低温漂电阻，确保温度测量的准确性。如图3所示，第一差动放大器631的第一输入端和第二输入端分别通过第一低温漂电阻R1和第二低温漂电阻R2连接至可调电阻R9的两端，且第一输入端通过第三低温漂电阻R3连接至地，第二输入端通过第四低温漂R4连接至其输出端。第二差动放大器632的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻R5和第六低温漂电阻R6连接至金属线探测器52的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻R7连接至地，第二输入端通过第八低温漂R8连接至其输出端。

第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8均为阻值温度系数仅为2ppm/℃类型的低温漂电阻。

其中，可调电阻R9的阻值接近金属线探测器52的阻值，其中，R9＝α×R_m，其中R_m为线探测器52的阻值，α＝0.95～1.05。本实施例中，采用精度为0.001Ω的金属绕线可调电阻R9代替程控电阻。

此外，锁相放大器64的第一输入端连接至函数发生器61的第二输出端，用于通过差动输入监测，使得由测量部分各元件组成的电桥平衡。

将温度传感器5的线探测器52直接接触待测胶囊样品3，函数发生器61输出角频率为ω的交流电压信号经电桥模块电路62中的转换器623转换为电流信号，该电流信号用于同时驱动可调电阻R9和温度传感器5下端固定的线传感器52，由于焦耳效应，线探测器52产生两倍频的热波信号，该热波在待测胶囊样品3中的穿透深度与频率成减函数关系，可调电阻R9和线传感器52的电压信号分别经电桥模块电路62中的第一差动放大器621和第二差动放大器622转变为差动信号，再经前置放大器63放大后输入锁相放大器64。通过锁相放大器64采集线探测器52反馈的基波V_1ω及三次谐波信号V_3ω来间接获得线探测器52的温度波动，进而可获得待测胶囊样品3的热物性参数。一般情况下，锁相放大器64探测到的三次谐波电压分量V_3ω是其基波电压V_1ω的1/5000～1/1000左右，受到锁相放大器64自身有限动态存储的限制，为了准确测量三次谐波分量V_3ω，必须采取电桥模块电路62消除线探测器52与可调电阻R9上的基波电压信号V_1ω。另外，3ω法实验对仪器的精度要求较高，要求锁相放大器64的谐波测试精度要达到10^-7伏。传统的3ω法测试线路中，设计了一个三倍频器给锁相放大器提供参考信号，测试频率较大时三倍频器的倍频效果较差。同时传统的3ω法在实验中采用的乘法运算器在高频时会引入干扰信号，采用的锁相放大器64自带内置倍频器，可精确测量32次谐波信号。微机控制与数据采集系统65控制函数发生器61、锁相放大器64及可调电阻R9。第一电流引线端6a和第一探测电压引线端6b与温度传感器5的引线端53a电连接，第二探测电压引线端6c和第二电流引线端6d与温度传感器5的引线端53b电连接。

数据处理单元7

数据处理单元7同样设于控制主机，利用以下公式由已知的标准样品的热导率、热扩散率分别结合基波电压、三次谐波电压，计算待测胶囊样品3的热导率及热扩散率：

${\mathrm{\λ}}_y={\mathrm{\λ}}_b\×{\left(\frac{{\mathrm{\βV}}_{1\mathrm{\ω}}^3}{R_T}{k}^{\′\′}\right)}_y/{\left(\frac{{\mathrm{\βV}}_{1\mathrm{\ω}}^3}{R_T}{k}^{\′\′}\right)}_b---\left(1a\right)$

${\mathrm{\α}}_y={\mathrm{\α}}_b\×\exp ({\left(k^{\′\′}{V}_{3\mathrm{\ω}}\right)}_b-{\left(k^{\′\′}{V}_{3\mathrm{\ω}}\right)}_y)---\left(1b\right)$

式中，λ_y-待测胶囊材料的热导率(W·m^-1·K^-1)；

λ_b-标准样品的热导率(W·m^-1·K^-1)；

中，β为线探测器的电阻温度系数(K^-1)；V_1ω为基波电压(V)；R_T-线探测器电阻(Ω)，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，以上参数均为在对待测胶囊材料进行测试时的参数；

中，β为线探测器的电阻温度系数(K^-1)；V_1ω为基波电压(V)；R_T-线探测器电阻(Ω)，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，以上参数均为在对标准样品进行测试时的参数；

α_y-待测胶囊材料的热扩散率(m²·s^-1)；

α_b-标准样品的热扩散率(m²·s^-1)；

(k″V_3ω)_b中，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，V_3ω为三次谐波信号电压(V)，以上参数均为在对待测胶囊材料进行测试时的参数；

(k″V_3ω)_y中，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，V_3ω为三次谐波信号电压(V)，以上参数均为在对标准样品进行测试时的参数。

基于上述测量胶囊材料热物性参数的装置，本发明还提供了一种胶囊材料热物性参数的测量方法，涉及用一线探测器直接埋入待测胶囊样品的方式、基于频域下斜率-比较探测原理代替传统谐波法原理(需考虑探测器自身参数)的技术方案，实现了对待测胶囊样品热导率及热扩散率随密度依赖性的精确测试。在本发明的一个实施例中，该方法包括：

步骤A，采用上述装置对标准样品进行测量，获得标准样品的基波电压(V_1ω)_b和三次谐波电压(V_3ω)_b；

测试前要用标准样品(如国家二级标准物质乙二醇等)校准温度传感器。具体操作方法是：用直径17μm，长度1.2cm，纯度99.99％的Pt丝作为线探测器，蒸馏水与酒精作为被测样品，校准测量系统。取C_lim为0.01，由式(2)计算出对应的最大及最小频率范围为：乙二醇[0.017，1183]Hz，蒸馏水[0.026，2799]Hz，酒精[0.015，761]Hz。结果表明，根据3ω频域下斜率-比较探测原理计算的蒸馏水、酒精结果分别与参考值接近，而且在高温时的误差明显大于低温时的误差，这可能是由于高温空气对流加剧引起，但总的误差在3％以内，说明在选定的线探测器52及测量频率范围内，斜率-比较探测原理适用于空气等低热导率、小比热容的样品热物性测量，测量精度较高，且数据处理简便快捷。同时对于热扩散率较大的样品，该测量原理同样适用。综上所述，采用简化的斜率-比较探测原理测量样品的热物性时，其适用的频率与样品热导率及热扩散率密切相关。同一线探测器52条件下，待测胶囊样品3的热导率越大，其适用的最高测量频率越高，且测量频率范围越宽，反之，样品的热导率越小，适用的最高测量频率越低，且测量频率范围越窄。因此，对于低热导率的样品，可根据其三次谐波随频率的变化曲线，选择低频段不受线探测器52影响的测量信号，采用式(1a)、(1b)的斜率-比较探测原理进行热导率及热扩散率的计算。

该步骤具体可以包括：

子步骤A1，温度传感器5通过其固定塞51螺纹咬紧固定于样品密度调节容器2上方，此时位于温度传感器5下端的线探测器52悬空于样品密度调节容器2内，且线长方向与样品密度调节容器2的活塞轴线方向垂直；

子步骤A2，将一定质量的标准样品通过样品密度调节容器2侧面的进/出料口装载入样品密度调节容器2内，确保线探测器52埋于待测胶囊材料3中，进/出料口密封盖22螺纹咬紧固定于样品密度调节容器2侧面；

子步骤A3，两运动型活塞23a、23b在液压驱动部件24a、24b带动下运动至特定刻度处，由此构成容积一定的封闭空间，根据两运动活塞23a、23b位置处的刻度差记录下标准样品容积，换算成密度值；

子步骤A4，将内置样品密度调节容器2的腔体1置于超声系统4的容器腔内，开启超声系统4，约30分钟后关闭系统，此时认为填充于样品密度调节容器2中的标准样品密度已充分均匀；

子步骤A5，将温度传感器5的两个引线端53a、53b分别与谐波测量单元6的两个探测电压引线端6b、6c和两个电流引线端6a、6d电连接；

子步骤A6，由谐波测量单元6记录特定交流电流频率(根据式(2)确定)下线探测器52两端的基波电压及三次谐波电压，三次谐波电压接近1/5000~1/1000基波电压，记录三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω、各频率下基波电压平均值V_1ω；

$\frac{{900\mathrm{\α}}_y}{{4\mathrm{\πl}}^2}\≤f\≤C_{\lim }\frac{{\mathrm{\λ}}_y}{{\mathrm{\π}}^2{r}_0^2{\left({\mathrm{\ρc}}_p\right)}_w}---\left(2\right)$

式中：λ-热导率，W·m^-1·K^-1；α-热扩散率，m²·s^-1；

l-线探测器长度，m；f-频率，Hz；

r₀-线探测器直径，m；ρ-密度，kg·m^-3；

c_p-比热，J·kg^-1·K^-１；C_lim-可允许的测量误差；

下标y，w分别代表待测胶囊样品和线探测器。

步骤B，采用上述装置对被测样品进行测量，获得被测样品的基波电压(V_１ω)_y和三次谐波电压(V_3ω)_y；

该步骤具体可以包括：

子步骤B1，将标准样品从样品密度调节容器2中倒出，适当清洗掉线探测器52及样品密度调节容器2内壁面残余的样品后，开始下一个步骤；

子步骤B2，重复子步骤A1：将温度传感器5固定于样品密度调节容器2特定位置后，重复子步骤A2、A3、A4、A5：将一定质量的待测胶囊材料3装载入样品密度调节容器2内，并调节至一定密度值，经超声均匀化后，将温度传感器5的引线端53a与谐波测量单元6的第一电流引线端6a、第一电压引线端6b电连接，引线端53b与谐波测量单元6的第二电压引线端6c、第二电流引线端6d电连接，谐波测量单元6两电流引线端6a、6d以微弱周期正弦电流加热线探测器52。

需要说明的是，针对不同传热性能样品，为确保测量准确性需对测试频率进行调整。由于本方法采用角频率为ω的周期微弱电流加热线探测器52，产生的加热功率只有几十个毫瓦，在加热待测胶囊样品3的过程中，线探测器52的温升必须小于1K，而所采用的周期电流频率范围针对不同材料根据式(1)进行选择，一般对于常见液体(如蒸馏水、乙二醇、酒精)从零点零几赫兹变化到成百上千赫兹，在上述条件下胶囊材料3的温升和加热作用深度较大，为胶囊样品3满足半无限大边界的假设条件所需胶囊样品3体积要大些。由于所选取的测量用频率范围保证了线探测器52自身热容影响可以忽略，因此避免了线探测器52自身难以精确测量直径及长度的影响，进一步提高了测量精度。

步骤C，采用以上获得的(V_1ω)_b，(V_1ω)_b，(V_1ω)_y及(V_1ω)_y，利用公式1a，1b计算被测样品的热导率及热扩散率。

至此，本实施例测量胶囊样品热物性参数介绍完毕。

采用本实施例方法，测试的胶囊材料热导率范围在0.01～1W·m^-1·K^-1之间，测量不确定度估计为3.5％。热扩散率范围在0.001～0.2mm²·s^-1之间，测量不确定度估计为5.6％。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。并且，虽然上述以胶囊样品进行说明，但本领域技术人员应当清楚，其同样适用于其他样品的热物性测量当中，此处不再详细描述。

综上所述，本发明提供一种基于交流加热、频域下斜率-比较探测原理，能精确、同时测量微/纳相变胶囊材料热导率和热扩散率随密度依赖关系，可用于衡量粉末状储能胶囊材料传热特性的测试方法及装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试材料热物性参数的装置，其特征在于，包括：

样品密度调节容器，包括：

容器壳，其左右两侧开口，用于填充待测样品；

两运动型活塞，可滑动的密封于所述容器壳的两侧；

两液压驱动部件，分别抵接于所述两运动型活塞上，用于驱动两运动型活塞沿容器壳内壁滑动，从而改变容器壳内样品的密度；

温度传感器，贯穿所述样品密度调节容器，用于采用加热电流对待测样品进行加热，并探测样品温度升高而产生的基波电压和三次谐波电压；

谐波测量单元，与所述温度传感器的相应端连接，用于产生加热电流，测量并记录多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值；以及

数据处理单元，用于利用多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值，计算待测样品的热物性参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

腔体，所述样品密度调节容器容置于该腔体内；

超声系统，所述腔体容置于该超声系统内，由该超声系统对容器壳内填充的待测样品进行超声以使其均匀化。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器包括：

固定塞，固定于所述容器壳的圆孔上，贯穿所述容器壳；

两引线件，贯穿所述固定塞，用于将加热电流传输至容器壳内的线探测器；

所述线探测器，埋设于容器壳内的待测样品中，线长的方向垂直于两运动型活塞的运动方向，其两端分别与所述两引线件伸入待测样品的一端相连接，用于利用加热电流对待测样品进行加热，同时将探测获取的基波电压和三次谐波电压通过两引线件传输至谐波测量单元。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器壳的顶面、底面或者侧面沿两运动型活塞的运动方向具有刻度。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述谐波测量单元包括：

加热电流提供电路，用于产生加热电流，包括：函数发生器、转换器和可调电阻，其中，函数发生器的第一输出端输出角频率为ω的交流电压信号；该交流电压信号经转换器转换为电流信号，该电流信号依次驱动可调电阻和温度传感器的线探测器；

信号测量电路，用于测量线探测器的基波电压及三次谐波电压，包括：

第一差动放大器，其第一输入端和第二输入端分别连接至可调电阻的两端，用于将可调电阻两端的电压信号转换为第一差动信号；

第二差动放大器，其第一输入端和第二输入端分别连接至线探测器的两端，用于将线探测器两端的电压信号转换为第二差动信号；

前置放大器，其两端分别连接至第一差动放大器和第二差动放大器的输出端，用于分时输出以下两个信号：第一差动信号、第一差动信号和第二差动信号的差；

锁相放大器，其第二输入端连接至前置放大器的输出端，用于：计算基波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值；计算三次谐波电压，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；

微机控制与数据采集系统，其输入端连接至锁相放大器的输出端，用于对锁相放大器输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述可调电阻的阻值：

R9＝α×R_m

其中，R_m为线探测器的阻值，α＝0.95～1.05。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

第一差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第一低温漂电阻和第二低温漂电阻连接至可调电阻的两端，且第一输入端通过第三低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第四低温漂连接至其输出端；

第二差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻和第六低温漂电阻连接至金属线探测器的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第八低温漂连接至其输出端。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元利用以下公式计算待测样品的热导率或热扩散率：

${\mathrm{\λ}}_y={\mathrm{\λ}}_b\×{\left(\frac{{\mathrm{\βV}}_{1\mathrm{\ω}}^3}{R_T}{k}^{\′\′}\right)}_y/{\left(\frac{{\mathrm{\βV}}_{1\mathrm{\ω}}^3}{R_T}{k}^{\′\′}\right)}_b$

α_y＝α_b×exp((k″V_3ω)_b-(k″V_3ω)_y)

式中，λ_y-待测胶囊材料的热导率；

λ_b-标准样品的热导率；

中，β为线探测器的电阻温度系数；V_1ω为基波电压；R_T-线探测器电阻，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，以上参数均为在对待测胶囊材料进行测试时的参数；

中，β为线探测器的电阻温度系数；V_1ω为基波电压；R_T-线探测器电阻，k″-V₃ω～lnω斜率的倒数，以上参数均为在对标准样品进行测试时的参数；

α_y-待测胶囊材料的热扩散率；

α_b-标准样品的热扩散率；

(k″V_3ω)_b中，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，V_3ω为三次谐波信号电压，以上参数均为在对待测胶囊材料进行测试时的参数；

(k″V_3ω)_y中，k″-V_3ω～lnω斜率的倒数，V_3ω为三次谐波信号电压，以上参数均为在对标准样品进行测试时的参数。

9.一种利用权利要求1至8中任一项装置进行材料热物性参数测试的方法，其特征在于，包括：

采用上述装置对标准样品进行测量，获得标准样品的基波电压(V_1ω)_b和标准样品的三次谐波电压(V_3ω)_b；

采用上述装置对被测样品进行测量，获得被测样品的基波电压(V_1ω)_y和被测样品的三次谐波电压(V_3ω)_y；

采用所述标准样品的基波电压(V_1ω)_b、所述标准样品的三次谐波电压(V_3ω)_b、所述被测样品的基波电压(V_1ω)_y和所述被测样品的三次谐波电压(V_3ω)_y，计算被测样品的热物性参数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对被测样品进行测量，获得被测样品的基波电压(V_1ω)_y和三次谐波电压(V_3ω)_y的步骤包括：

将温度传感器固定于样品密度调节容器特定位置；

将待测胶囊材料装载入样品密度调节容器的容器壳内，利用两液压驱动部件对容器壳两侧的两运动型活塞加压，调节样品至预设密度；

将温度传感器的引线端与谐波测量单元的相应引线端电连接；

谐波测量单元的相应引线端以微弱周期正弦电流加热温度传感器，同时测量并记录多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值；

利用多个频率下线探测器两端的三次谐波电压与自然对数频率数据及基波电压平均值，计算待测样品的热物性参数。

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