CN103293184A - 一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，涉及建筑材料热物性参数的测试技术领域。解决了现有的热物性参数实验装置存在不能够同时承载准稳态法、常功率法、热脉冲法三种方测量过程的问题；一次测试时间较长、测量最大相对误差较大的问题。低电势电位差计的正负极对应地与油浸琴键转换开关的开关控制接口连接，热电偶输出的热电动势信号分别接入油浸琴键转换开关的热电动势信号输入端；热电偶的冷端分别插入用于容装冰水混合物的冰瓶内；热电偶的测量端分别与待测试件接触；加热电阻用于给待测试件加热。通过理论误差分析和实测都证实了本发明测量最大相对误差分别为：导热系数≤5.1％，导温系数≤9.2％，比热≤7.7％，满足工程上对精度的要求。

Description

一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置

技术领域

本发明涉及一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，涉及建筑材料热物性参数的测试技术领域。

背景技术

导热系数、导温系数、比热是材料的重要热物性参数。现有技术中提供的实验装置不能够同时承载准稳态法、常功率法、热脉冲法三种方测量过程(常功率法和热脉冲法统称为非稳态法)，不利于测量结果的对比校验。现有的实验装置还存在一次测试时间较长以及还存在测量最大相对误差较大，无法满足工程上对精度的要求。因此，如何准确、简便迅速地利用一台实验装置测得以上热物性参数是现有技术需要解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决现有的热物性参数实验装置存在不能够同时承载准稳态法、常功率法、热脉冲法三种方测量过程的问题；以及存在一次测试时间较长、测量最大相对误差较大等问题，进而提供了一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，所述实验装置包括交流稳压电源、晶体管直流稳压电源、标准电阻、至少一个加热电阻、低电势电位差计、油浸琴键转换开关、用于容装冰水混合物的冰瓶、第一热电偶(温度感应元件)、第二热电偶；交流稳压电源和晶体管直流稳压电源采用双极稳压的方式连接，晶体管直流稳压电源的正负极与至少一个加热电阻的电连接端连接，晶体管直流稳压电源的正极与至少一个加热电阻的电流输入端之间连接有标准电阻；低电势电位差计的正负极对应地与油浸琴键转换开关的开关控制接口连接，第一热电偶、第二热电偶输出的热电动势信号分别接入油浸琴键转换开关的热电动势信号输入端；第一热电偶的冷端以及第二热电偶的冷端分别插入用于容装冰水混合物的冰瓶内；第一热电偶的测量端以及第二热电偶的测量端分别与待测试件接触；所述至少一个加热电阻作为加热器用于给待测试件加热。

本发明的有益效果是：

相比现有测试装置，本装置具有三方面技术优势。首先，本装置能够同时承载准稳态法、常功率法、热脉冲法三种方法的测量过程，应用本装置可以测得上述三个热物性参数。能够突破稳态法测量技术瓶颈，实现对寒湿材料或材料低温状态下的导热系数测量。其次，本装置一次测试时间不超过30分钟，相比同类装置动则数小时的测量时间具有明显优势，且本测试装置所需试件更易于加工，缩短了测试准备时间。最后，通过理论误差分析和实测都证实了本装置测量最大相对误差分别为：导热系数≤5.1％，导温系数≤9.2％，比热≤7.7％，能够满足工程上对精度的要求，相比同类装置更加精确，而且由于本装置可以承载三组测试方法，因而更利于测量结果的对比校验，进一步减少了可能的测量误差。

附图说明

图1为试样平板图，图2为平面热流方向示意图，图3为准稳态阶段平板内温度分布示意图，图4为适于准稳态法测试的实验装置(准稳态法测试部分结构及仪表接线原理图)，图5为热电偶制作示意图(图5中：1-透明胶带纸、2-铜丝、3-塑料套管、4-康铜丝)，图6为适于非准稳态法测试的实验装置(常功率法和热脉冲法统称为非稳态法；常功率，热脉冲法测试部分结构及仪表接线原理图)。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置包括交流稳压电源1、晶体管直流稳压电源2、标准电阻3、至少一个加热电阻4、低电势电位差计5、油浸琴键转换开关6、用于容装冰水混合物的冰瓶7、第一热电偶8(温度感应元件)、第二热电偶9；交流稳压电源1和晶体管直流稳压电源2采用两极串联的方式连接，晶体管直流稳压电源2的正负极与至少一个加热电阻4的电连接端连接，晶体管直流稳压电源2的正极与至少一个加热电阻4的电流输入端之间连接有标准电阻3；低电势电位差计5的正负极对应地与油浸琴键转换开关6的开关控制接口连接，第一热电偶8、第二热电偶9输出的热电动势信号分别接入油浸琴键转换开关6的热电动势信号输入端；第一热电偶8的冷端以及第二热电偶9的冷端分别插入用于容装冰水混合物的冰瓶7内；第一热电偶8的测量端以及第二热电偶9的测量端分别与待测试件接触；所述至少一个加热电阻4作为加热器用于给待测试件加热。

具体实施方式二：如图4所示，本实施方式所述实验装置中加热电阻4的数量为两个，两个加热电阻4并联在晶体管直流稳压电源2上且二者上下平行设置，所述实验装置还包括多个试件10以及两个绝热层11，多个试件10由厚度相同的从上至下设置的第一试件A1、第二试件A2、第三试件A3和第四试件A4组成，第二试件A2、第三试件A3位于两个加热电阻4之间，第一试件A1置于位于上方的加热电阻4之上，第四试件A1置于位于下方的加热电阻4之下，由下至下设置的第一试件A1、第二试件A2、第三试件A3和第四试件A4置于两个绝热层11之间；第一热电偶8的测量端以及第二热电偶9的测量端分别位于第二试件A2的上下两侧。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图6所示，本实施方式所述实验装置中加热电阻4的数量为一个，所述实验装置还包括多个试件10，多个试件10由从上至下设置的第二试件II、第一试件I、第三试件III组成，第一试件I位于加热电阻4的上方，第一热电偶8的测量端以及第二热电偶9的测量端分别位于第一试件I的上下两侧，第二试件II和第三试件III的厚度均大于第一试件I的厚度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式所述交流稳压电源1的功率为1KW，晶体管直流稳压电源2的型号为SH1724，标准电阻3的阻值R＝0.01Ω，加热电阻4的阻值为100～500Ω，低电势电位差计5的型号为UJ33a；第一热电偶8、第二热电偶9的线径为0.1mm，采用铜康铜材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述冰瓶7内可容装冰水混合物容量5磅。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图4所示，本实施方式所述绝热层11采用聚乙烯硬泡沫塑料或聚苯乙烯泡沫塑料制成，且其厚度为100mm。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式七：如图4和图6所示，本实施方式所述第一热电偶8(温度感应元件)、第二热电偶9均由直径为0.1mm铜-鏮铜丝制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

利用如图4所示的实验装置进行准稳态法测试的描述：

测试装置的示意图如图4所示。正方形断面的四块相同厚度的试块，在试块2，3的两面有恒定功率的加热器。为了保证上下温度分布对称，这两个加热器电阻必须相等。本设计采用的是一种高电阻箔式加热器。箔厚仅20μm加上保护箔的绝缘薄膜，总共只有70μm，电阻值可达100～200欧，并且很稳定，阻值在0～150℃范围内几乎不变，这对测试精度的提高和测量设备的简化起到了很好的作用。其加热器的构造见设计图纸。在四块试样的底部和顶部，要设置热绝缘层进行绝热。本设计选用的绝热层采用聚乙烯硬泡沫塑料(或聚苯乙烯泡沫塑料)，其厚度为100mm。顶部加热压板靠加压螺帽压紧以减少接触热阻影响。电源采用二级稳压、交流稳压电源可采用一般自动可调式稳压电源即可。支流电源使用任意可调的晶体管支流稳压电源(YJ-43型)。交流稳压电源和直流稳压电源采用两极串联稳压。加热器电功率的测量，使用0.01Ω标准电阻再加J33a电位差计(或数字电压表分辨率为1μV)，测量电流(I＝U/R_s，U是电位差计读书；R_s是标准电阻数值)。也可采用精度较高的直流电流表直接测量电流。功率是用电流表测出的电流数值和预先测得的加热器的电阻值(加热器电阻用告警度电桥测得)来计算电功率。

高斯误差补函数的一次积分表

因加热过程中温升很小(小于10℃)，并且鏮铜箔的电阻温度系数也很少(10^-3数量级)，因此加热而引起的电阻变化可以忽略不计。

温度感应元件——热电偶有直径为0.1mm左右的铜-鏮铜丝组合而成，其结点可用锡焊或用电焊焊接，接头宜小。为了防止铜丝与鏮铜丝碰接，将其伸在试件中的一段(约10cm长)，用两张薄的透明胶纸粘贴固定(见图5)，在试件外面部分的铜丝和鏮铜丝分别套在两根塑料套管中。为使热电偶的铜丝很好地连接在测温仪表上去，从试件中引出的细铜丝焊接在直径为0.5mm的包有塑料皮的铜导线上，而热电偶的冷结点的鏮铜丝可直接焊接在直径为0.5mm的铜导线上。

热电偶的冷结点放置在盛冰水混合物的保温瓶中(也可放在盛有水的保温瓶中，因为在温度比较稳定的实验室里，保温瓶中水的温度在试验的较短时间内不会发生变化)。此保温瓶中的水宜采用蒸馏水，且制得的冰块也采用蒸馏水，将冰块砸碎后放入保温瓶中，经过一段时间的稳定，保温瓶中的温度为0℃。

为了将测得的热电偶“冷”“热”结点之间产生的温差电势转换成温度，必须预先校正热电偶的温差电势与温度的换算关系，将结果制成温差电势有温度的换算表或公式。热电偶的校正见第四章误差分析。

对于温度测定，铜-鏮铜热电偶的“冷”“热”结点温暖度为1℃，所产生的温差电势约为40μV。要使温度读书的精度为0.1℃以上，就要求电位差计或其他数字电压表达最小读数小于1μV，即可测得0.025℃温差。我国电工仪表厂生产的JT33a型携带式直流电位差计即可基本满足要求。如果要使温度读数小于0.4μV，指零检流计的电流常数小于10^-8安培/格，内阻小于50欧姆。我国上海电表厂生产的UJ31型、UJ26型的低电阻电位差计和AC15/5型的光电检流计均可满足要求。

利用如图6所示的实验装置进行常功率表面热源法测试的描述：

根据常功率的基本原理，其测试装置如图6可分为三个主要部分。

第一部分为试件及试件夹具。为了便于放置加热器及测量温度用的热电偶，试材分为三块，中间一块试材比较厚。试件和试件之间夹以热电偶和加热器。

第二部分分为温度测量系统。其感应元件和二次仪表均同前一节稳态法测试部分。

第三部分为加热系统，除了将准稳态中二个加热器拿掉一个外，其他均同准稳态测试部分。

此外，为了记录试件需要秒表两块。

利用如图6所示的实验装置进行热脉冲法测试源法测试的描述：

根据热脉冲放的基本原理，其试验装置如图6所示，也分为三个主要部分。与常功率装置完全一样。

第一部分为试件及试件夹具。为了便于防止加热器及量测温度用的热电偶，试件分为三块，中间一块试件较薄，两边的试件比较厚。试件和试件之间夹以热电偶和康铜箔加热器。

第二部分为温度测量系统。温度的感应元件用两对0.1mm左右的铜-康铜热电偶。测定热电偶温差电势的仪表采用UJ33A或低电阻电位差计和指零用的检流计。

第三部分为加热系统。为了在试验过程中保持电压恒定，热电流首先经过交流稳压器，然后经过连续可调支流稳压电源调至所需的电压，加热电路中串联接入0.01Ω标准电阻，以测得通过加热器的电流，用于功率的计算。

此外，为了记录时间需要秒表两块。

工作原理

1、基于本发明装置的准稳态法测试原理与步骤

1.1准稳态法测试原理

根据导热方程在无限大的物体中平面热流解的准稳态阶段，对厚度为2δ，截面为a×b的拟无限大的平板(图1)，在整个平面上一恒定功率作为平面热源加热时，其温度改变只发生在x方向上，如图2所示。

根据一维导热微分方程式：

$\frac{\∂t(x,\mathrm{\τ})}{\∂\mathrm{\τ}}=a\frac{{\∂}^{2}t(x,\mathrm{\τ})}{{\∂x}^2}---(2-1)$

在给定的边值条件下，可以求解沿x方向内在任何瞬时的温度分布。

在上述热源条件下的边值条件为：

τ＝0时，t(x，0)＝t₀＝常数；          (2-2)

x＝δ处， $q_c=-\mathrm{\λ}\frac{\∂t(\mathrm{\δ},\mathrm{\τ})}{\∂x};---(2-3)$

x＝0处， $\frac{\∂t}{\∂x}=0.---(2-4)$

式中：

τ——时间；

t(x，0)——试样平板在x位置上，时间τ＝0时的温度；

q_c——恒定功率加热热流，在实验条件下等于常数。

通过对微分方程式(2-1)在给定边界条件下求解，求得任一瞬间在x方向温度分布的通解为：

$t(x,t)-t0=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[F_0-\frac{1}{6}+\frac{x^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{2}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n}{n^2}{e}^{{-n}^2\mathrm{m\τ}}\cos \frac{\mathrm{n\πx}}{\mathrm{\δ}}]---(2-5)$

式中：

δ——平板试样厚度(图1)；

a——试样的导温系数，

F₀——傅立叶准则， $F_0=\frac{\mathrm{a\τ}}{{\mathrm{\δ}}^2},$ $m=\frac{{\mathrm{\π}}^{2}a}{{\mathrm{\δ}}^2}.$

由式(2-2)得

在x＝0处，t(0，τ)随时间的变化为：

$t(0,\mathrm{\τ})=t_0=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[F_0-\frac{1}{6}+\frac{2}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n}{n^2}{e}^{-n^2\mathrm{m\τ}}]---(2-6)$

式(2-3)中对于不同的F₀值，当F₀≥0.5时，可以略去式(2-3)中的总和项。这时准稳态阶段，平板的温度分布的抛物线顶点在x＝0处(图3)，且平板的任意点的温度是时间的线性函数。任意两点的温差与时间无关的定数，即：

$\mathrm{\θ}=t(x,\mathrm{\τ})-t_0=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[F_0+\frac{x^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}-\frac{1}{6}]---(2-7)$

根据式(2-4)，准稳态阶段在中心点的过余温度为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\δ}}=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[F_0+\frac{1}{3}]---(2-8)$

则中心点与边界加热面上之间的温差为：

$\mathrm{\Δt}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\δ}}-{\mathrm{\θ}}_0=t_{\mathrm{\δ}}-t_0=\frac{q_2\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\λ}}---(2-9)$

$\mathrm{\λ}=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{2\mathrm{\Δt}}---(2-10)$

从式(2-7)可知：测得在准稳态阶段的平板表面和中心面的温差、平板表面(加热面)上的恒定热流和试样厚度等三个数据之后，就可计算出导热系数。

将

和

代入式(2-4)中可得：

$t(x,\mathrm{\τ})-t_0=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[\frac{\mathrm{a\τ}}{{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{x^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}-\frac{1}{6}]$

$=\frac{q_c\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}[\frac{\mathrm{\λ\τ}}{\mathrm{cr}{\mathrm{\δ}}^2}+\frac{x^2}{2{\mathrm{\δ}}^2}-\frac{1}{6}]---(2-11)$

$=\frac{q_c\mathrm{\τ}}{\mathrm{cr\δ}}+\frac{q_c{x}^2}{2\mathrm{\λ\δ}}-\frac{q_c\mathrm{\δ}}{6\mathrm{\λ}}$

将(2-8)式对时间求导数，则有

$\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{q_c}{\mathrm{cr\δ}}$ 即

$C=\frac{q_c}{\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}\mathrm{r\δ}}\stackrel{\·}{=}\frac{q_c}{\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ\τ}}\mathrm{r\δ}}---(2-12)$

以上为比热的计算式。

式中：

C——材料的比热；

r——材料的容重；

——温升速率。在准稳态阶段，平板中任何点的温升速率都相同，因此可以用中心面某一时间间隔的温升来求得。

由导温系数公式可得

$a=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{cr}}$

公式中符号意义同前。

1.2准稳态法测试过程

1.将四块试样及两个平面加热器按(图4)所示位置对齐迭放。

2.在试样2和试样3的接触面及试样2(3)与平面加热器的接触面内各放置一个测温热电偶，热电偶如(图4)所示接线，即可测得温差。热电偶的热接点放在接触面中心处，而后将整体加以固定。

3.电源与稳压器接通后，按所测材料导热性的大小，调整加热器两端的电压，要求在准稳定阶段加热的表面与中心面的温差保持5℃左右。等候约30分钟以后，使稳压器工作状态趋向稳定。此外，还应用电位差计或开动温度自动平衡记录仪检查试块初始温差，看加热面和中心面的热电偶的电势是否一样，如果相同或相差在4μV(0.1℃)以内时，试验即可进行。

4.接通加热器以前，先要用电位差计记录初始时加热器表面与中心面的温差，然后，接通加热器，记下通过0.01Ω标准电阻上的电压降，换算成电流值。0.4＜F₀＜0.6时(一般在10～30分钟)，当测定绝热性能好的试件时，F₀宜取小些，仅之F0宜取大些)。已达到稳定阶段，读取在此时的加热器表面与中心面的温差，即可算得导热系数，此时的温差将不随试件变化，此后再测出中心面的温度变化率Δt/Δτ，即可据此算得比热。

5.整个测试过程和在室内自然条件下进行，则应选择室内温度变化较小的朝北房间。在进行高温(＜150℃)，低温和深冷条件下的测试时，可放在恒温箱内或在杜瓦瓶内充入液氮测试，也可以得到满意的结果。

2、基于本发明装置的常功率表面热源法测试原理与步骤

2.1测试原理

常功率平面热源法是根据半无限大物体常热流通量作用下的分析解和它在工程实际中的应用。

所谓半无限大物体，是指以无限大的y-z平面为界面，在正x方向上伸展至无穷远的物体，如大地可看作半无限大的物体。但在实际工程中，为一个有限厚度的物体，当一个界面上有热源作用，而在我们所考虑的时间范围内，其影响所及的厚度比物体本身厚度小得多时，也可把该物体当作半无限大物体。半无限大均质物体，在常热流通量的作用下，不稳态导热过程的导热微分方程单值性条件可表示如下：

$\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂\mathrm{\τ}}=a\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂x}^2}---(2-13)$

τ＝0，θ＝0           (2-14)

x＝0， $q=-\mathrm{\λ}\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}{|}_{x=0}=\mathrm{Const}---(2-15)$

式中：

θ——过余温度θ＝t(x，τ)-t₀；

t₀——半无限大物体的初始温度。

在初始温度t_i分布均匀的半无限大的物体内部，从τ＝0起，半无限大物体表面，受均匀分布的平面热源q₀[W/m2]的作用，在常物性条件先，离表面x处的温升θ_x，τ＝(t_x，τ-t_i)为：

${\mathrm{\θ}}_{x,\mathrm{\τ}}=\frac{2q_0}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\mathrm{a\τ}}\mathrm{ierfc}\left(\frac{x}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}}\right)---(2-16)$

式中：

ierfc(y)——代表变量y的“高斯误差补函数的一次积分”，其值可以从数学函数表或有关书籍中查到。本文将在附录中列出此表。

τ＞0，但x＝0时，

由式(2-13)可知：

${\mathrm{\θ}}_{0,\mathrm{\τ}}=\frac{2q_0}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\mathrm{a\τ}}\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}---(2-17)$

这样，如果用两个热电偶分别测定τ₀时刻，图6中试件I与加热器接触面上的中心区温升θ_0，τ＝(t_0，τ-t_i)，以及τ_x1时刻、试件I与试件II接触面上的中心区温升

则根据式(2-13)和式(2-14)。

$\frac{{\mathrm{\θ}}_{x_1,{\mathrm{\τ}}_1}}{{\mathrm{\θ}}_{0,{\mathrm{\τ}}_0}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_{x1}}}=\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{ierfc}\left(\frac{x_1}{2\sqrt{a{\mathrm{\τ}}_{x1}}}\right)---(2-18)$

于是，由已测定量 $\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{x_1,{\mathrm{\τ}}_1}}{{\mathrm{\θ}}_{0,{\mathrm{\τ}}_0}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_0}{{\mathrm{\τ}}_{x1}}},$ 可求出 $\mathrm{ierfc}\left(\frac{x_1}{2\sqrt{a{\mathrm{\τ}}_{x1}}}\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}\mathrm{\φ}$ 的值，从函数表确定

的值，从而计算出响应于该测试温度范围

的平均温度 $t=\frac{1}{2}(t_{0,{\mathrm{\τ}}_0}+t_{x_1,{\mathrm{\τ}}_{x1}})$ 时的导温系数为：

$\text{a=}\frac{{x_1}^2}{4{y_{x1}}^2{\mathrm{\τ}}_{x1}}[m^2/s]---(2-19)$

根据上式a值，代入式(2-14)，就可求得试件的导热系数为：

则试件的比热值可由下式求得：

常功率平面热源法测试部分仪器的装置简图及接线原理图见图6。试件I、II是仅仅厚度不同的相同试件。如果试件长l₁和宽l₂各为x1的8～10倍，试件I就可以看作是无限大平壁，在被康铜箔通电加热的条件下，试件I的两个表面中央地区都将在整个升温期间各保持为等温面。随着试件的延长，τ＞0，试件紧挨着加热器面的部分首先开始升温，逐步向远离加热面的两边延伸，知道τ＝τ_限时，试件的上表面和试件III的小表面也将开始升温，在0＜τ＜τ_限期间，试件I、II叠接在一起，以及试件III都将表现为事实上的半无限大物体，而且康铜箔热源也将均等地向两侧供热，每侧各为q₀(W/m²)，即：

$2q_0=q=\frac{\mathrm{\θ}}{F}[W/m^2]---(2-22)$

式中：

θ——康铜箔热源的热功率，(W)；

F——康铜箔热源的面积，F＝l₁l₂(m²)。

2.2测试步骤

1.按下列顺序安排装试件：

1)试件III放在最下面；

2)加热器；

3)热电偶；

4)试件I；

5)热电偶2；

6)试件II；

7)热电偶3(监督试件II上表面温度)；

8)压板夹紧。

2.拧紧压板上的四个压紧螺母，使加热器与试件充分接触，盖上有机玻璃罩。

3.接线路，(加热系统，测温系统)。如果线路以接好，则要检查一遍各线路的联结和指示系统，一定要保证线路的正确联结。

4.将仪表UJ33a调零；测试件I上，下表面的初温，即初始数t_0，0，和t_x1，0，如果|t_0，0-t_x1，0|＜0.05℃(热电偶相差＜2微伏)，即可以认为温度场均匀了。

5.开始加热，同时启动两块秒表。

加热10～20分钟之间，测得几组试件I上、下表面的终温，即t_0，0，和t_x1，0；测温的同时，记下相应的时间，既τ_x1，和τ₀。

6.测U的数值，因是常功率，测这项不受时间限制。

7.关掉电源，将驳试件取出，用游标卡尺测量其厚度。

3、基于本发明装置的热脉冲法测试原理与步骤

3.1测试原理

热脉冲法是以非稳定热流原理为基础，当试验材料中给以短时间的加热，使试验材料的湿度发生变化，根据其变化的特点，就可以计算出试验材料的导热系数导温系数和比热。

假设有一固体，其尺度较我们所要测定温度的那部分大得多，则此物体可看作无限大。另外，我们只考虑在x一个方向存在温度变化，而在y和z二方向温度没有改变

此时导热微分方程的形式有：

$\frac{\∂t(x,\mathrm{\τ})}{\∂\mathrm{\τ}}=a\frac{{\∂}^{2}t(x,\mathrm{\τ})}{{\∂x}^2}---(2-23)$

假设初始温度为

t(x，0)＝t＝Const           (2-24)

当在物体中间(x＝0)作用一个瞬时平面热源，则物体的温度升高为

${\mathrm{\θ}}_{x,\mathrm{\τ}}=\frac{q}{c_{r}2\sqrt{\mathrm{a\π\τ}}}{e}^{\frac{-x^2}{4\mathrm{a\τ}}}---(2-25)$

式中：

θ_x，τ＝t(x，τ)-t₀；

q——热流强度，W/m²；

τ——时间，s；

cr——物体热容量，J/m3℃；

a——物体的导温吸收，m2/s；

x——测定点与热源之间距离，m。

如果物体大家热的时间从0至τ₁，则在这一段加热时间内的任一时刻τ′的温度升高为：

${{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{(x,{\mathrm{\τ}}^{\′})}={\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^{\′}}\frac{q}{c_{r}2\sqrt{\mathrm{a\π\τ}}}\mathrm{d\τ}$ (2-26)

$=\frac{q\sqrt{a{\mathrm{\τ}}^{\′}}}{\mathrm{\λ}\sqrt{\mathrm{\π}}}[e^{\frac{-x^2}{4\mathrm{a\τ}}}-\sqrt{\mathrm{\π}}\frac{x}{2\sqrt{a{\mathrm{\τ}}^{\′}}}\mathrm{erfc}\left(\frac{x}{2\sqrt{a{\mathrm{\τ}}^{\′}}}\right)]$

令：

式中：

$y=\frac{x}{2\sqrt{a{\mathrm{\τ}}^{\′}}}$

$\mathrm{erfc}\left(y\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_y^{\∞}{e}^{-y^2}\mathrm{dy}$ ——高斯误差补函数。

则式(2-25)可以写成如下形式：

式中：

λ＝ac_r——物体的导热系数，W/m℃

当加热停止后某一时刻τ₂，在热源面(x＝0处)上的温度升高为：

${\mathrm{\θ}}_{2(0,{\mathrm{\τ}}_2)}={\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}_2}\frac{q}{c_{r}2\sqrt{\mathrm{\πa\τ}}}\mathrm{d\τ}-{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1}\frac{q}{c_{r}2\sqrt{\mathrm{\πa\τ}}}\mathrm{d\τ}$ (2-28)

$=\frac{q\sqrt{a}(\sqrt{{\mathrm{\τ}}_2}-\sqrt{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1})}{\mathrm{\λ}\sqrt{\mathrm{\π}}}$

由式(2-27)和(2-28)经过整理得

τ′——在热源工作期内薄试件上表面开始升温时的时间(一般控制在升温2℃左右)；

τ₁——平面热源工作时间；

τ₂——热源停止工作以后，测量热源面上(x＝0处)的温升的时刻(时间起算应从热开始工作时开始)大约用τ₂比τ₁＞4～6分钟；

ierfc(y)——高斯误差补函数的一次积分，

$\mathrm{ierfc}\left(y\right)={\∫}_y^{\∞}\mathrm{erfc}\left(y\right)\mathrm{dy}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-y^2}-\mathrm{yerfc}\left(y\right);$

θ′_(x，τ′)——薄试件上表面(即厚度为x)在τ′时间内的温升；

——在τ₂时间内(热源已停止工作τ₂＞τ₁)热源面(x＝0处)的温升。

公式(2-29)中的温度θ′_(x，τ′)、

和时间τ′、τ₂、τ₁均能在试验中测量出来，因此，即可算出值，利用

值查附表的y²值。因为

$y^2=\frac{x^2}{4a{\mathrm{\τ}}^{\′}}---(2-31)$

所以

$a=\frac{x^2}{4{\mathrm{\τ}}^{\′}{y}^2}$

将式(2-28)整理可得：

$\mathrm{\λ}=\frac{q\sqrt{a}(\sqrt{{\mathrm{\τ}}_2}-\sqrt{{\mathrm{\τ}}_2-{\mathrm{\τ}}_1})}{{\mathrm{\θ}}_{2(0,{\mathrm{\τ}}_2)}\sqrt{\mathrm{\π}}}---(2-32)$

式中：

q——加热器发热面发出的热源强度，W/m²。

$q=\frac{I^{2}R}{F}---(2-33)$

式中：

R——加热器的电阻，(Ω)；

F——加热器的面积，(m²)；

I——通过加热器的电流；

而

R_标——串联在加热器线路中的标准电阻，(Ω)，R_标＝0.01Ω；

U_标——测量标准电阻两端的电压降，(V)；

式中：

r——材料的容重，kg/m³。

3.2测试步骤

1.在试验条件具备的情况下，试验前接好所有仪表、热电偶、加热器等线路。

2.将试件放在夹具内，并按图(2-6)所示放入热电偶及加热器。

3.试验必须在试件的初始温度稳定的情况下进行。因此，首先应量测上面和下面的热电偶热电势是否相同，如果相同或相差在4微伏以下时，试验即可进行。

4.将切换开关上表面的热电偶T₁，移动电位差计的度盘，使度盘刻度值比该热电偶的电势高出80微伏，相当于温度2℃左右，此时检流计由于微电流的不平衡引起指针的偏转。然后，接通加热器并同时启动仪表。随着加热器不断加热，试件温升，检流计的指针偏转逐渐减少，最后回到零点。这时，记下检流计的指针回到零点的时间为τ′，而此时电位差计的读书所表示的温度即为θ′_(x，τ′)。

5.切断加热器电路，并记录下加热时间τ₁。

6.将切换开关转回热电偶T₂。移动电位差计度盘，使度盘的刻度值比该热电偶实际电动势低某一个值，它相当于使τ₂比τ₁差4～6分钟。随着热源面上的温度下降，检流计的指针的偏转渐渐减小，最后回到零点。这时，记下指针回到零点的时间τ₂，而此时电位差计上读数所表示的温度即为

7.再次接通加热器，测量0.01Ω标准电阻上的压降U_标，记录下电位差计的读数U_标，而电流

试验结束。

根据量测的结果按公式(2-29)，(2-30)，(2-31)和(2-32)，便可计算导热系数、导温系数和比热。

本发明装置的验证：

通过实验证实：该综合实验台具有很好的测试复现性，适合测试大多数保温材料及建筑材料。本测试装置可同时测定导热系数、导温系数、比热，它们的重复性误差不大于4％。

Claims (7)

1.一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：所述实验装置包括交流稳压电源(1)、晶体管直流稳压电源(2)、标准电阻(3)、至少一个加热电阻(4)、低电势电位差计(5)、油浸琴键转换开关(6)、用于容装冰水混合物的冰瓶(7)、第一热电偶(8)、第二热电偶(9)；交流稳压电源(1)和晶体管直流稳压电源(2)采用双极稳压的方式连接，晶体管直流稳压电源(2)的正负极与至少一个加热电阻(4)的电连接端连接，晶体管直流稳压电源(2)的正极与至少一个加热电阻(4)的电流输入端之间连接有标准电阻(3)；低电势电位差计(5)的正负极对应地与油浸琴键转换开关(6)的开关控制接口连接，第一热电偶(8)、第二热电偶(9)输出的热电动势信号分别接入油浸琴键转换开关(6)的热电动势信号输入端；第一热电偶(8)的冷端以及第二热电偶(9)的冷端分别插入用于容装冰水混合物的冰瓶(7)内；第一热电偶(8)的测量端以及第二热电偶(9)的测量端分别与待测试件接触；所述至少一个加热电阻(4)作为加热器用于给待测试件加热。

2.根据权利要求1所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：所述实验装置中加热电阻(4)的数量为两个，两个加热电阻(4)并联在晶体管直流稳压电源(2)上且二者上下平行设置，所述实验装置还包括多个试件(10)以及两个绝热层(11)，多个试件(10)由厚度相同的从上至下设置的第一试件(A1)、第二试件(A2)、第三试件(A3)和第四试件(A4)组成，第二试件(A2)、第三试件(A3)位于两个加热电阻(4)之间，第一试件(A1)置于位于上方的加热电阻(4)之上，第四试件(A1)置于位于下方的加热电阻(4)之下，由下至下设置的第一试件(A1)、第二试件(A2)、第三试件(A3)和第四试件(A4)置于两个绝热层(11)之间；第一热电偶(8)的测量端以及第二热电偶(9)的测量端分别位于第二试件(A2)的上下两侧。

3.根据权利要求1所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：所述实验装置中加热电阻(4)的数量为一个，所述实验装置还包括多个试件(10)，多个试件(10)由从上至下设置的第二试件(II)、第一试件(I)、第三试件(III)组成，第一试件(I)位于加热电阻(4)的上方，第一热电偶(8)的测量端以及第二热电偶(9)的测量端分别位于第一试件(I)的上下两侧，第二试件(II)和第三试件(III)的厚度均大于第一试件(I)的厚度。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：交流稳压电源(1)的功率为1KW，晶体管直流稳压电源(2)的型号为SH1724，标准电阻(3)的阻值R＝0.01Ω，加热电阻(4)的阻值为100～500Ω，低电势电位差计(5)的型号为UJ33a；第一热电偶(8)、第二热电偶(9)的线径为0.1mm，采用铜康铜材料制成。

5.根据权利要求4所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：冰瓶(7)内可容装冰水混合物容量5磅。

6.根据权利要求2所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：所述绝热层(11)采用聚乙烯硬泡沫塑料或聚苯乙烯泡沫塑料制成，且其厚度为100mm。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种基于准、非稳态法测试建筑材料导热系数的实验装置，其特征在于：第一热电偶(8)、第二热电偶(9)均由直径为0.1mm铜-鏮铜丝制成。

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