CN103175862A - 基于瞬态双热线法测量液体导热系数的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于瞬态双热线法测量液体导热系数的新装置。该装置测量所需的时间短，能成功避免自然对流对测试结果的影响。装置中热线既作为加热元件又作为测温元件，免去了试验装置的复杂结构，同时赋予热导池稳定的水浴温度环境，装置即具有较高的测试精度。本发明自行设计了导热池保温桶装置、玻璃试管及热丝的加载装置。主要通过由低温恒温槽作为温度控制器，提供恒定的水浴环境，直流电流校准仪作为测试电源，惠斯通电桥测量温度变化与电阻的关系，数据采集控制单元作为惠斯通电桥不平衡电压的数据采集仪器这一系列过程获得不平衡电压随时间的变化率，进而求出液体导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及液体导热系数测量的技术领域，特指一种基于瞬态双热线法测量液体导热系数的装置。
背景技术
导热系数是液体的一个重要输运性质，是反映介质换热能力的主要参数，在传热设计中是不可缺少的。目前，导热系数的理论研究尚未进入实用阶段，而现有的经验关联式又不能广泛适应现场需要， 所以液体的导热系数主要通过实验测得。
由于测量导热系数的实验多以金属铜棒为样品，再加上液体的导热系数较小，基本属于不良导热体，其导热系数很难测量。更重要的是，液体具有流体的性质，在加热时流体内因温差而形成的对流将使导热系数的正确测量很难进行。
当今液体导热系数的测试方法主要分为稳态法和瞬态法，其中瞬态法又分为瞬态单热线法和瞬态双热线法。稳态法（CN200710076295）由于测试时间长，无法很好地避免对流换热对热交换带来的影响，测试精度不高。瞬态单热线法在测试过程中会不可避免的产生热线端部散热，对结果的准确性影响很大。瞬态双热线法可以成功避免上述两种方法带来的影响，提供相对精确的一维导热环境，实现对液体导热系数的准确测量。
此外，根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热扩散率等多个热参数的装置（CN200710064386）也有研究，但其装置复杂性高，而且同样存在测定时间较长，无法避免对流换热影响测试结果的缺点。
瞬态双热线法是目前测量液体导热系数最为普遍的方法。但是，以此原理为基础的装置（CN200920199015）由于不能保证热线在热导池中处于中心位置及铂丝处于紧绷状态，这将影响热导池中温度场的分布，进而使测试结果产生偏差。同时，此类装置无法精确保证导热池的恒温环境，且将导热池直接放置在恒温水槽中，使得测试结果精确度较差，影响了装置的可使用范围。
发明内容
为了克服上述现有装置的不足，本发明提供了一种采用瞬态双热线液体导热系数测试装置。
本发明所采用的技术方案是：（1）采用瞬态法测量，通过数据采集控制单元，每250毫秒采集一次试验数据，每个温度点测试时间不超过3秒钟，消除了自然对流对测试结果的影响；（2）利用两根长度分别为10厘米和5厘米，直径为50微米的铂丝作为双热线，通过双热线装置减少单热线装置中产生的端部散热对测试结果的影响；（3）由定心装置等设计保证热线在热导池中处于中心位置及铂丝处于紧绷状态，进而保障热导池中温度场的分布；（4）采用保温桶以及直接与恒温槽相连，精确实现了导热池的恒温环境。
附图说明
图1为：试验台整体测试装置示意图
图2为：保温桶上端起密闭作用的压紧轴示意
图3为：玻璃管内固定热线位置的定心滑块示意图
具体实施方式
通过下列实施例可以进一步说明本发明，实施例是为了说明而非限制本发明的。本领域的任何普通技术人员都能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可以对其做出适当的修改和参数变换而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。
施例1：
用玻璃管上端胶帽吸取5%的丙酮稀溶液，用来清洗焊接铂丝及操作过程中留在铂丝表面及玻璃管内壁附着的污迹。相同方法吸入、压出蒸馏水，同样重复约20次，用来清洗上一步中残留在热丝及玻璃管内壁面的丙酮溶液。将玻璃管放进保温桶中，调节水温90℃，用来蒸发热丝及玻璃管内壁面的蒸馏水。控制水浴温度至所需测试温度，稳定5分钟。用橡皮小球在两支玻璃试管中吸入醋酸，待温度与水浴温度平衡。通过虚拟负载电路电阻调整直流电流校准仪供给电流为1毫安左右。接通12伏直流电，使1毫安电流从虚拟负载电路转向测试电路。调节惠斯通电桥桥臂平衡，用台式万用表电流档调节电桥平衡。连接直流电源控制器和数据采集单元（连接数据采集模块的相应通道），采集数据，设定一秒钟采集4次。采样测试时间大约3秒钟，试验用数据仅需要0.25—3秒钟的试验数据，测试结束后调整直流电流为2毫安，并调节好惠斯通电桥桥臂平衡，待下一次使用。测得醋酸导热系数值为0.1589，文献值为0.1571，相对误差为1.15%。
施例2：
用玻璃管上端胶帽吸取5%的丙酮稀溶液，用来清洗焊接铂丝及操作过程中留在铂丝表面及玻璃管内壁附着的污迹。相同方法吸入、压出蒸馏水，同样重复约20次，用来清洗上一步中残留在热丝及玻璃管内壁面的丙酮溶液。将玻璃管放进保温桶中，调节水温90℃，用来蒸发热丝及玻璃管内壁面的蒸馏水。控制水浴温度至所需测试温度，稳定5分钟。用橡皮小球在两支玻璃试管中吸入乙醇，待温度与水浴温度平衡。通过虚拟负载电路电阻调整直流电流校准仪供给电流为1毫安左右。接通12伏直流电，使1毫安电流从虚拟负载电路转向测试电路。调节惠斯通电桥桥臂平衡，用台式万用表电流档调节电桥平衡。连接直流电源控制器和数据采集单元（连接数据采集模块的相应通道），采集数据，设定一秒钟采集4次。采样测试时间大约3秒钟，试验用数据仅需要0.25—3秒钟的试验数据，测试结束后调整直流电流为2毫安，并调节好惠斯通电桥桥臂平衡，待下一次使用。测得乙醇导热系数值为0.1674，文献值为0.1656，相对误差为1.09%。
施例3：
用玻璃管上端胶帽吸取5%的丙酮稀溶液，用来清洗焊接铂丝及操作过程中留在铂丝表面及玻璃管内壁附着的污迹。相同方法吸入、压出蒸馏水，同样重复约20次，用来清洗上一步中残留在热丝及玻璃管内壁面的丙酮溶液。将玻璃管放进保温桶中，调节水温90℃，用来蒸发热丝及玻璃管内壁面的蒸馏水。控制水浴温度至所需测试温度，稳定5分钟。用橡皮小球在两支玻璃试管中吸入甲苯，待温度与水浴温度平衡。通过虚拟负载电路电阻调整直流电流校准仪供给电流为1毫安左右。接通12伏直流电，使1毫安电流从虚拟负载电路转向测试电路。调节惠斯通电桥桥臂平衡，用台式万用表电流档调节电桥平衡。连接直流电源控制器和数据采集单元（连接数据采集模块的相应通道），采集数据，设定一秒钟采集4次。采样测试时间大约3秒钟，试验用数据仅需要0.25—3秒钟的试验数据，测试结束后调整直流电流为2毫安，并调节好惠斯通电桥桥臂平衡，待下一次使用。测得甲苯导热系数值为0.1287，文献值为0.1295，相对误差为-0.62%。
施例4：
用玻璃管上端胶帽吸取5%的丙酮稀溶液，用来清洗焊接铂丝及操作过程中留在铂丝表面及玻璃管内壁附着的污迹。相同方法吸入、压出蒸馏水，同样重复约20次，用来清洗上一步中残留在热丝及玻璃管内壁面的丙酮溶液。将玻璃管放进保温桶中，调节水温90℃，用来蒸发热丝及玻璃管内壁面的蒸馏水。控制水浴温度至所需测试温度，稳定5分钟。用橡皮小球在两支玻璃试管中吸入丙酮，待温度与水浴温度平衡。通过虚拟负载电路电阻调整直流电流校准仪供给电流为1毫安左右。接通12伏直流电，使1毫安电流从虚拟负载电路转向测试电路。调节惠斯通电桥桥臂平衡，用台式万用表电流档调节电桥平衡。连接直流电源控制器和数据采集单元（连接数据采集模块的相应通道），采集数据，设定一秒钟采集4次。采样测试时间大约3秒钟，试验用数据仅需要0.25—3秒钟的试验数据，测试结束后调整直流电流为2毫安，并调节好惠斯通电桥桥臂平衡，待下一次使用。测得丙酮导热系数值为0.1605，文献值为0.1594，相对误差为0.69%。
施例5：
用玻璃管上端胶帽吸取5%的丙酮稀溶液，用来清洗焊接铂丝及操作过程中留在铂丝表面及玻璃管内壁附着的污迹。相同方法吸入、压出蒸馏水，同样重复约20次，用来清洗上一步中残留在热丝及玻璃管内壁面的丙酮溶液。将玻璃管放进保温桶中，调节水温90℃，用来蒸发热丝及玻璃管内壁面的蒸馏水。控制水浴温度至所需测试温度，稳定5分钟。用橡皮小球在两支玻璃试管中吸入正己烷，待温度与水浴温度平衡。通过虚拟负载电路电阻调整直流电流校准仪供给电流为1毫安左右。接通12伏直流电，使1毫安电流从虚拟负载电路转向测试电路。调节惠斯通电桥桥臂平衡，用台式万用表电流档调节电桥平衡。连接直流电源控制器和数据采集单元（连接数据采集模块的相应通道），采集数据，设定一秒钟采集4次。采样测试时间大约3秒钟，试验用数据仅需要0.25—3秒钟的试验数据，测试结束后调整直流电流为2毫安，并调节好惠斯通电桥桥臂平衡，待下一次使用。测得正己烷导热系数值为0.1167，文献值为0.1151，相对误差为1.39%。
Claims (9)
1.一种采用瞬态双热线法测量液体导热系数的装置，其特征在于：所述装置由测量部分和数据采集部分组成；
测量部分：由两根铂丝双热线装置、铂丝加载装置、玻璃管和低温恒温槽组成；
数据采集部分：由数据采集控制模块、直流电流校准仪、计算机组成；热导池包括长短铂丝各一根，焊接在铜丝弯制的弹簧（5）上，并由定心装置（4）固定，玻璃管上端由橡胶塞（3）和吸耳球（1）密封。
2.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线法测量液体导热系数的装置，其特征在于：将不容易测量的温差信号，通过数据采集控制模块间接测量的方式转变成容易测量的电流和电压信号进行测量。
3.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线法测量液体导热系数的装置，其特征在于：热导池采用双铂丝作为热线，在距离玻璃管底端开小孔，通过将铂丝焊接在直径小于小孔孔径的铜丝上，待铂丝装载进玻璃管中后，剪短中间的铜丝，并将铂丝两侧的铜丝弯成弹簧状，以拉紧铂丝。
4.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：定心装置（4）用来保证所加载的铂丝处于玻璃管中心位置。
5.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：用保温桶为热导池提供稳定的水浴环境，密封机构（2）防止保温桶上侧溢水。
6.根据权利要求1及5所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：测试装置中，保温桶由奥氏体不锈钢制成，内外侧之间通过底端小孔填充保温材料，上端盖在同一轴线圆心两侧开两孔，用来装载测试用玻璃管。
7.根据权利要求1、5及6所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：用外敷保温材料的塑料软管，分别将保温桶下侧孔与接恒温槽出水孔相接，保温桶上侧孔与恒温槽进水孔相接。
8.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：在玻璃管上端设置橡胶塞配合吸耳球使用，保证待测液体可以由玻璃管底端小孔吸入玻璃管内。
9.根据权利要求1所述的采用瞬态双热线测量液体导热系数的装置，其特征在于：保温桶上侧端盖的密封采用加设密封机构（2）的方法，轴与保温桶上端面及橡胶塞的接触处均覆盖橡胶防漏材料。
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