CN103575427A

CN103575427A - 一种采用导热标定热流计的方法

Info

Publication number: CN103575427A
Application number: CN201310438267.4A
Authority: CN
Inventors: 李龙; 王新竹; 李英; 范学军
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-09-24
Also published as: CN103575427B

Abstract

本发明公开一种采用导热标定热流计的方法，包括：将热流计与一导热性好的高温物体紧密贴合，并将高温物体除与所述热流计接触面外的其余各面保持绝热；测量热流计的输出电压E、内部温度T_sb与高温物体的温度T，计算热流计的标定系数α。本发明的导热标定方法不要求稳态的导热过程，可以进行短时间、高效率的热流计标定。

Description

一种采用导热标定热流计的方法

技术领域

本发明涉及热流领域，特别涉及一种采用导热标定热流计的方法。

背景技术

目前针对热流计的标定方法主要有辐射、对流传热与导热三种热传导方法。通常的导热标定方法需要严格在稳态条件下进行，需要控制某一个参数达到稳定状态，比如加热炉的温度或者加热功率等，通常控制加热功率，经过一段时间的加热，使得加热炉的温度稳定在一个固定点附近，然后将热流计放入加热炉，这样就能够得到加热热流与热流计的输出电压，将这两个值相比就是热流计的标定系数。这样传统的稳态标定方法的缺点是由于需要不断的进行控制修正，达到稳定状态的时间非常久，标定效率较低。并且严格意义上的稳定状态（物理量不随时间变化）不容易达到，所以会由于少量的不稳定因素造成一定的标定误差，对标定精度有影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服现有技术的缺陷，提出一种采用导热标定热流计的方法，不需要在稳态情况下就可以进行热流计的导热标定。

为了解决上述问题，本发明提供一种采用导热标定热流计的方法，包括：

将热流计与一导热性好的高温物体紧密贴合，并将高温物体除与所述热流计接触面外的其余各面保持绝热；

测量热流计的输出电压E、内部温度T_sb与高温物体的温度T；

通过下面公式计算热流计的标定系数α：

α = \frac{E}{- (T - T_{sb}) m_{c} C_{c}}

其中，m_c和C_c已知，分别为所述高温物体的质量和比热。

优选地，所述导热性好的高温物体是指：导热系数大于200W/m.K，温度高于300℃的物体。

本发明的导热标定方法不要求稳态的导热过程，可以进行短时间、高效率的热流计标定。

附图说明

图1为本发明实施例的导热标定热流计的实验装置图；

图2为本发明实施例的热流与电压变化曲线结果图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如错误！未找到引用源。所示，为导热标定热流计的实验装置图。将一个高温物体（温度高于300℃）的四周设置绝热层，做绝热处理，将一个热流计与高温物体紧密贴合，这样就可以假设热流计的表面温度与高温物体的表面温度始终相等。

假设该高温物体的导热性能非常好（导热系数大于200W/m.K的金属或者非金属物质），那么其内部温度变化速率远高于高温物体向热流计的热流速率，可以认为高温物体内部的温度始终保持均匀变化。假设高温物体的体积为V_c，密度为ρ_c，其质量为

m_c=ρ_cV_c (1)

高温物体的比热C_c，导热系数λ_c。热流计与高温物体紧密接触，二者温差很小，可以近似认为热流计表面温度T_s与高温物体的温度T_c相等，均为T，即

T_s=T_c=T (2)

对于热流计，通常是由于其表面温度T_s与内部温度T_sb之间形成一个温度差，而该温度差与热流Q_s成正比。并且热流计由于内部有冷却或者内部热沉特别大，可以认为热流计的内部温度始终保持在一个恒定值，即

T_sb≡const (3)

热流计通常输出电压信号，那么热流计的输出电压E与热流成正比，也与温度差成正比，即

E=αQ_s∝T_s-T_sb (4)

假设热流计的内部热阻为R_s，热流计基体温度为T_sb，那么根据傅里叶导热定律，此时流经热流计的热流为

{\overset{\cdot}{Q}}_{s} = \frac{T - T_{sb}}{R_{s}} - - - (5)

对于高温物体，取温度为绝对零度时的热量为0，根据固体的热容量表达式，则温度T下的热量Q_c为

Q_c=m_cC_cT (6)

热流计与高温物体紧密贴合，且高温物体四周绝热，那么高温物体的热量仅流量热流计，在一段时间t₁到t₂内，高温物体的热量损失等于热流计得到的热流，即

Δ Q_{c} = Q_{c 1} - Q_{c 2} = {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} {\overset{\cdot}{Q}}_{s} dt - - - (7)

根据前面的表述，上式可以具体写为

m_{c} C_{c} (T_{1} - T_{2}) = {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} \frac{T - T_{sb}}{R_{s}} dt - - - (8)

对于高温物体，其质量m_c恒定，且比热随温度的变化基本可以忽略，即比热C_c也保持恒定。对于热流计，如前面描述，其内部温度T_sb恒定，热阻是导热中的一个物性参数，随温度变化很小，通常也是恒定值，那么上述的积分方程可以求解为

m_{c} C_{c} (T_{1} - T_{2}) = \frac{T_{2} - T_{1}}{R_{s}} - - - (9)

经过简化，有

m_cC_cR_s=-1 (10)

因此，根据公式(5)，热流计的表面热流密度可以写为

{\overset{\cdot}{Q}}_{s} = - (T - T_{sb}) m_{c} C_{c} - - - (11)

上式中，T_sb通常保持室温恒定，比较容易测量得到，而高温物体的m_c与C_c也能够根据材料性质得到，所以通过测量高温物体的温度T就能够得到热流计的热流Q_s。再测量热流计的输出电压E，根据公式(4)，这样就能够得到热流计的热流与输出电压的关系，及热流计的标定系数

α = \frac{E}{Q_{s}} = \frac{E}{- (T - T_{sb}) m_{c} C_{c}} - - - (12)

因此，这种采用导热标定热流计的方法的操作过程为：对于一个质量m_c和比热C_c已知的高温物体，如果其导热性较好，内部温度始终保持均匀。将热流计与高温物体紧密贴合，且使高温物其余周围保持绝热。那么通过测量热流计的输出电压E、内部温度T_sb与高温物体的温度T就能够得到热流计的标定系数。这个标定系数的获得并不严格要求导热过程是稳态的，因此可以短时间、高效的对热流计进行标定，这就是这种导热标定方法的优点。

选取紫铜块作为典型的高温物体，进行实验验证，验证结果如错误！未找到引用源。所示。从图中可以看到，热流计的热流与输出电压成一条直线，即二者呈现出了良好的线性关系，这说明了该该导热的标定方法的正确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用导热标定热流计的方法，其特征在于，包括：

测量热流计的输出电压E、内部温度T_sb与高温物体的温度T；

通过下面公式计算热流计的标定系数α：

α = \frac{E}{- (T - T_{sb}) m_{c} C_{c}}

其中，m_c和C_c已知，分别为所述高温物体的质量和比热。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述导热性好的高温物体是指：导热系数大于200W/m.K，温度高于300℃的物体。