CN103713011B - 可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置及方法。该测量装置包括可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在所述底座上的温度探针和加热探针，其特征在于，所述温度探针和加热探针的长度/内径都大于25，在所述温度探针内沿所述温度探针轴线方向设置有两个测温元件，所述两个测温元件和加热探针分别与外接设备连接。本发明中提供的测量装置和测量方法通过采用两个测温元件，减少了在实际应用中由于探针弯曲变形而产生的比热测量误差。此外，该装置结构简单，造价低廉，使用方便、测量快速准确。

Description

可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，主要涉及一种可实地自我校正弯曲变形的探针间距的双针热脉冲热特性测量装置及测量方法。

背景技术

目前，测量土壤、岩石、食物、可燃冰等材料热特性的方法主要是单针热脉冲方法和双针热脉冲方法。单针热脉冲方法只能测定物质的热导率，无法直接得到待测物质的比热和热扩散率。双针热脉冲方法可同时测定热导率、热扩散率及比热，目前在实际测定和应用中使用更多的是双针热脉冲方法。

双针热脉冲方法的测量装置包括间距为r的两个平行不锈钢探针，其中一个是装有加热丝的加热探针，另一个是装有测温元件的温度探针，加热探针与温度探针之间的初始间距用热特性已知的物质标定。将探针插入待测物质中，通电后加热探针放出的热量传导到温度探针，由温度探针感应出并记录下温度随时间的变化。温度探针所测得的温度随时间变化的曲线可以由以下方程表示(de Vries,1952;Kluitenberg et al.,1993)：

$\mathrm{\&Delta;T}(r,t)=\left\{\begin{array}{c}\frac{-q^{\&prime;}}{4\mathrm{\&pi;\&alpha;\&rho;c}}\mathrm{Ei}\left[\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\&alpha;t}}\right],t<t_0\\ \frac{q^{\&prime;}}{4\mathrm{\&pi;\&alpha;\&rho;c}}\left\{\mathrm{Ei}\right[\frac{-r^2}{4\mathrm{\&alpha;}(t-t_0)}]-\mathrm{Ei}[\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\&alpha;t}}\left]\right\},t>t_0\end{array}\right.---\left[1\right]$

其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q’是加热强度；ρ是密度，满足ρc=λ/α。

Bristow et al.(1994)根据公式[1]对温度t求偏导数并使结果等于零，得到热扩散率α和比热c，具体表达式如下：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{r^2}{4}\left\{\frac{1/(t_m-t_0)-1/t_m}{1n[t_m/(t_m-t_0)]}\right\}---\left[2\right]$

$c=\frac{q^{\&prime;}}{4\mathrm{\&pi;\&rho;\&alpha;\&Delta;}{T}_m}\left\{\mathrm{Ei}\right[\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\&alpha;}(t_m-t_0)}]-\mathrm{Ei}\left(\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\&alpha;}{t}_m}\right)\}---\left[3\right]$

其中，t₀是加热时间，ΔT_m是温度上升的最大值，t_m是温度上升到最大值ΔT_m时所对应的时间。热导率λ可以根据热扩散率α和比热c求出，即λ=ρc·α。

然而，在实际应用中，尤其是应用于野外时，由于所测物质涨缩，冻融交替，及其它物质的阻碍等应力作用，很容易导致插入待测物质中的探针发生弯曲，例如冻土在冬季很容易发生胀缩；土壤中存在石块，根系等杂物，易导致探针弯曲变形。探针在发生弯曲后，探针间距发生改变，最终导致测出的热特性存在很大的误差。研究表明，探针间距2%的偏差就会导致测量待测物质的比热有4%的误差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种减小测量误差的，可实地自我校正探针间距的，双针热脉冲热特性测量装置及其测量方法。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在所述底座上的温度探针和加热探针，其特征在于，所述温度探针和加热探针的长度/内径都大于25，在所述温度探针内沿所述温度探针轴线方向设置有两个测温元件，所述两个测温元件和加热探针分别与外接设备连接。

优选地，所述两个测温元件之间的距离大于等于5mm，靠近所述温度探针顶端的第一测温元件到所述温度探针顶端的距离大于或等于10mm，靠近所述底座的第二测温元件距离所述底座的距离大于或等于10mm。

优选地，所述温度探针和所述加热探针由可固化的密封材料灌装在所述底座上。

优选地，所述密封材料为环氧树脂。

本发明还提供了利用上述技术方案所提供的双针热脉冲热特性测量装置测量热特性的方法，其包括以下步骤：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的两个测温元件和加热探针之间的初始间距；

S2：将所述温度探针和所述加热探针插入待测物质中测量得出温度-时间响应曲线；

S3：由所述两个测温元件的温度变化差异判断探针是内倾还是外倾；

S4：求出理论倾斜角度，并计算出探针倾斜后所述两个测温元件到所述加热探针之间的实际间距；

S5：根据实际间距通过非线性参数拟合计算出待测物质的热特性参数。

（三）有益效果

上述技术方案所提供可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在底座上的温度探针和加热探针，该温度探针和加热探针的长度/内径>25，在温度探针内通过设置两个测温元件来准确地得出探针在测量时的实际间距，以减少双针热脉冲方法在实际应用中由于探针弯曲而产生的测量误差，该装置不仅提高了双针热脉冲方法在野外应用测量物质热特性的精确度，而且推动了双针热脉冲方法的发展。此外，该装置结构简单、测量快速准确、造价低。

附图说明

图1是本发明可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2是图1中可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量装置的探针外倾示意图；

图3是图1中可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量装置的探针内倾示意图。

其中：1-温度探针；2-加热探针；3-底座；4-第一测温元件；5-第二测温元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1所示为本发明可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量装置的一个优选实施例。根据该实施例，该热特性测量装置包括固定在底座3上的温度探针1和加热探针2，温度探针1和加热探针2均采用不锈钢的空心针管制成。加热探针2内设置有镍铬合金的加热丝。其中温度探针1和加热探针2需满足长度/内径>25，在温度探针1内设置有两个测温元件：第一测温元件4和第二测温元件5，加热探针1和两个测温元件分别与外部设备（例如数采仪和加热装置）连接。需要说明的是，该测温元件可以是热敏电阻或热电偶，当然也可以是其它适合的测温元件。该热特性测量装置通过在温度探针1中设置两个测温元件，以两个测温元件到加热探针的相对几何关系，能够准确得出在实地应用中探针发生弯曲之后的实际间距，并通过非线性参数拟合准确地计算出土壤的热特性。

为了增加信噪比，第一测温元件4和第二测温元件5在温度探针1的方向上的距离要足够远。两个测温元件在温度探针的轴线方向上放置的位置满足如下条件：测温元件距离探针顶端以及底座的距离都应大于或等于10mm，即靠近所述温度探针顶端的第一测温元件4距离温度探针1顶端的距离大于或等于10mm，靠近底座3的第二测温元件距离底座3的距离大于或等于10mm。此外，两个测温元件之间间距至少大于5mm，从而导致从探针的底端或者顶端开始放置的测温元件所测温度与探针中间位置所测得温度的相对偏差要达到小于1%。如此放置即可以增加信噪比又能准确测量。

进一步地，温度探针1和加热探针2用热导率较高和电绝缘性较好的可固化的密封材料灌装固定在底座3上，以确保加热丝和测温元件固定在准确位置并与周围环境绝缘，优选该密封材料为环氧树脂。

本发明还提供了利用上述双针热脉冲热特性测量装置测量热特性的方法，其包括以下步骤：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针1内的两个测温元件（即第一测温元件4和第二测温元件5）到加热探针2之间的初始间距。用已知热导率和比热的材料进行两个测温元件与加热探针2之间的初始间距标定，得出初始间距r₁₀和r₂₀；

S2：将温度探针1和加热探针2插入待测物质中测量得出温度-时间响应曲线ΔT-t。将探针插入待测物质中，通电后由加热探针2放出的热量传导到温度探针1，由温度探针1内的两个测温元件分别感应出并记录下温度随时间的变化。

具体地，首先定义δ₁和δ₂，由公式[2]可以得出δ₁和δ₂:

$\frac{\frac{1}{(t_{m1}-t_0)}-\frac{1}{t_{m1}}}{\ln \left[\frac{t_{m1}}{(t_{m2}-t_0)}\right]}={\mathrm{\&delta;}}_1;\frac{\frac{1}{(t_{m2}-t_0)}-\frac{1}{t_{m2}}}{\ln \left[\frac{t_{m2}}{(t_{m2}-t_0)}\right]}={\mathrm{\&delta;}}_2---\left[4\right]$

假如所测物质是均质的，温度探针1中的两个测温元件测得的热扩散率α₁和α₂应该是相同的，由此可以得到δ₁和δ₂的关系式，定义ξ：

$\frac{r_1}{r_2}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&delta;}}_2}{{\mathrm{\&delta;}}_1}}=\mathrm{\&xi;}---\left[5\right]$

S3：由两个测温元件的温度变化差异判断探针是内倾还是外倾。如果第一测温元件4所测温度上升到最大值时所对应的时间t_m1比第二测温元件5所测温度上升到最大值对应的时间t_m2大，则为外倾，反之则为内倾。

S4：求出理论倾斜角度θ，并计算出探针倾斜后两个测温元件到加热探针2之间的实际间距r₁和r₂。

在野外条件下，探针受到应力作用而发生弧线形的弯曲，当探针弯曲夹角θ<10°时，弧线状弯曲可以近似为直线弯曲。理论倾斜角度θ的计算分为以下几种情况。

（1）探针外倾

如图2所示，假定温度探针1和加热探针2在同一平面内都外倾，其中，温度探针1倾角为θ₁，加热探针2倾角为θ₂，通常情况下，θ₁<5°，θ₂<5°，其中两个探针倾斜的角度均为正值。第一测温元件4和第二测温元件5倾斜的距离（如图2所示）：

Δr₁₁=l₁sinθ₁ Δr₁₂=l₁cosθ₁tanθ₂

Δr₂₁=l₂sinθ₁ Δr₂₂=l₂cosθ₁tanθ₂

所以

r₁=r₁₀+Δr₁₁+Δr₁₂=r₁₀+l₁sinθ₁+l₁cosθ₁tanθ₂

r₂=r₂₀+Δr₂₁+Δr₂₂=r₂₀+l₂sinθ₁+l₂cosθ₁tanθ₂

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}=\frac{r_{10}+l_1\sin {\mathrm{\&theta;}}_1+l_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\tan {\mathrm{\&theta;}}_2}{r_{20}+l_2\sin {\mathrm{\&theta;}}_1+l_2\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\tan {\mathrm{\&theta;}}_2}$

因为θ₁<5°，θ₂<5°

所以cosθ₁≈1，cosθ₂≈1

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}\&ap;\frac{r_{10}+l_1\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}{r_{20}+l_2\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}$

从而求得探针的理论倾斜角度θ：

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2={\sin }^{-1}\left((-1)\frac{r_{10}-\mathrm{\&xi;}\&times;r_{20}}{l_1-l_2\&times;\mathrm{\&xi;}}\right)---\left[6\right]$

探针倾斜后第一测温元件4和第二测温元件5到加热探针2的实际间距为：

r₁=r₁₀+l₁sinθ； r₂=r₂₀+l₂sinθ [7]

对于双针不共面外倾，且倾角小于5°的情况，均可近似简化为探针共面外倾的情况进行计算。

（2）探针内倾

如图3所示，假定温度探针1和加热探针2在同一平面内都内倾，其中，温度探针倾角为θ₁，加热探针倾角为θ₂，同样，θ₁<5°，θ₁<5°，第一测温元件4和第二测温元件5倾斜的距离（如图3所示）：

Δr₁₁=l₁sinθ₁ Δr₁₂=l₁cosθ₁tanθ₂

Δr₂₁=l₂sinθ₁Δr₂₂=l₂cosθ₁tanθ₂

所以

r₁=r₁₀-Δr₁₁-Δr₁₂=r₁₀-l₁sinθ₁-l₁cosθ₁tanθ₂

r₂=r₂₀-Δr₂₁-Δr₂₂=r₂₀-l₂sinθ₁-l₂cosθ₁tanθ₂

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}=\frac{r_{10}-l_1\sin {\mathrm{\&theta;}}_1-l_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\tan {\mathrm{\&theta;}}_2}{r_{20}-l_2\sin {\mathrm{\&theta;}}_1-l_2\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\tan {\mathrm{\&theta;}}_2}$

因为θ₁<5°，θ₂<5°

所以cosθ₁≈1，cosθ₂≈1

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}\&ap;\frac{r_{10}-l_1\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}{r_{20}-l_2\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}$

从而求得探针的理论倾斜角度θ：

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{10}-\mathrm{\&xi;}\&times;r_{20}}{l_1-l_2\&times;\mathrm{\&xi;}}\right)---\left[8\right]$

探针倾斜后第一测温元件4和第二测温元件5到加热探针2的实际间距为：

r₁=r₁₀-l₁sinθ； r₂=r₂₀-l₂sinθ [9]

对于双针不共面内倾，且倾角小于5°的情况，均可近似简化为探针共面内倾的情况进行计算。

S5：根据实际间距通过非线性参数拟合计算出土壤的热特性参数，例如，比热和热导率。

通过测量土壤热特性的实验表明，当探针外倾3.2°<θ<3.5°时，双针热脉冲法测量土壤的比热c的误差在22.9%～38.8%范围内，通过实地标定探针间距后，误差减小到-3.8%～7.8%。实验结果证明，实地标定探针间距的技术可以减少双针热脉冲方法测量土壤、岩石等多孔介质热特性时所产生的误差。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围情况下，还可以做出其他的改变，但所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在所述底座上的温度探针和加热探针，其特征在于，所述温度探针的长度和内径之比大于25，所述加热探针的长度和内径之比大于25，在所述温度探针内沿所述温度探针轴线方向设置有两个测温元件，所述两个测温元件和加热探针分别与外接设备连接；

由所述两个测温元件的温度变化差异判断探针是外倾还是内倾；

如果第一测温元件所测温度上升到最大值时所对应的时间比第二测温元件所测温度上升到最大值对应的时间大，则为外倾，反之则为内倾；

当探针外倾时，探针的理论倾斜角度θ的计算公式为

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2={\sin }^{-1}\left(\right(-1\left)\frac{r_{10}-\mathrm{\&xi;}\&times;r_{20}}{l_1-l_2\&times;\mathrm{\&xi;}}\right)$

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}\&ap;\frac{r_{10}+l_{1}sin({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}{r_{20}+l_{2}sin({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}$

当探针内倾时，探针的理论倾斜角度θ的计算公式为

$\mathrm{\&theta;}={\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{10}-\mathrm{\&xi;}\&times;r_{20}}{l_1-l_2\&times;\mathrm{\&xi;}}\right)$

$\mathrm{\&xi;}=\frac{r_1}{r_2}\&ap;\frac{r_{10}-l_{1}sin({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}{r_{20}-l_{2}sin({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)}$

其中，θ₁为所述温度探针的倾角，θ₂为所述加热探针的倾角，r₁₀和r₂₀为两个测温元件与加热探针之间的初始间距，r₁和r₂为探针倾斜后两个测温元件与加热探针之间的实际间距，l₁和l₂为两个测温元件距离底座的距离。

2.根据权利要求1所述的热特性测量装置，其特征在于，所述两个测温元件之间的距离大于等于5mm，靠近所述温度探针顶端的第一测温元件到所述温度探针顶端的距离大于或等于10mm，靠近所述底座的第二测温元件距离所述底座的距离大于或等于10mm。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的热特性测量装置，其特征在于，所述温度探针和所述加热探针由可固化的密封材料灌装在所述底座上。

4.根据权利要求3所述的热特性测量装置，其特征在于，所述密封材料为环氧树脂。

5.利用权利要求1-4中任一项所述的双针热脉冲热特性测量装置测量热特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的两个测温元件和加热探针之间的初始间距；

S2：将所述温度探针和所述加热探针插入待测物质中测量得出温度-时间响应曲线；

S3：由所述两个测温元件的温度变化差异判断探针是内倾还是外倾；

S4：求出理论倾斜角度，并计算出探针倾斜后所述两个测温元件到所述加热探针之间的实际间距；

S5：根据实际间距通过非线性参数拟合计算出待测物质的热特性参数。