CN104614399A - 一种液体热物性瞬态热线法测温探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液体热物性瞬态热线法测温探头，包括：用于固定热丝的支架；所述热丝连接于第一导线组与第二导线组之间；所述第一导线组穿通于所述支架；所述第一导线组与所述第二导线组中的各导线选择性地通电以采用不同的热线法进行测温。根据本发明，能够在同一探头上以不同的热线法实现热导率和热扩散率的测量。

Description

一种液体热物性瞬态热线法测温探头

技术领域

本发明涉及液体热物性测量的技术领域，尤其是涉及一种液体热物性瞬态热线法测温探头。

背景技术

液体的导热系数和热扩散系数是重要的物性参数，在化工生产、能源和科学研究领域具有重要的意义。例如：新型载热质和工质的应用，太阳能和海洋热能的利用，新型储热和储能技术的应用，生物热物理研究，液体导热机理研究，强化传热机理研究等都需要准确的热传导和热扩散系数数据。

对于气体和固体物质，其导热规律和机理经过一个多世纪的研究已经较为清晰，有比较成熟可靠的预测公式和经验公式供实际生产和科研使用。然而，介于固态和气态之间的液态物质，其导热规律和导热机理目前尚不清晰，这不仅需要凝聚态物理学家在理论方面作深入研究，也需要精确可靠的测量装置对其物性参数进行测量。

我国在工质热物性的研究水平，新的材料制备工艺水平，新能源的利用效率，精密测量仪器的设计制造水平等方面与国外先进水平都还有相当的差距，原因在于我国在先进设备的制造工艺和基础材料的制备上还落后于国外先进水平；而先进设备的制造工艺和基础材料的制备又需要精密可靠的仪器来实现，二者需要同步协调地发展，因此需要同时在材料的制备和新仪器的设计上加强研究。

经过多年的研究和发展，热线法已经成为目前国际上公认的测量液体导热系数的标准方法。国内外的研究人员在上世纪70、80年代即开始研究和搭建热线法测量仪器，测量原理主要可分为单线法、双线法、短线法和平行双热线法。据报道，日本、美国和欧洲的一些实验室搭建的测量设备可以测量1000度以上的高温液体，最高测量温度可达1500摄氏度，但是相关文献数量较少，且测量的数据有限，无法相互验证。

现有的商业热线法测量仪器，国内外有1到2家厂商生产，但是其使用范围限制在室温附近，最高的测量温度只能到达300摄氏度，可测的物质种类十分有限。根据现有的热线法测量仪器的相关文献记录显示，样品池和热丝的支撑框架多为玻璃或不锈钢，耐高温和耐腐蚀性不够好，强度也不能保证。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够在同一探头上以不同的热线法实现热导率和热扩散率的测量的液体热物性瞬态热线法测温探头。

本发明的液体热物性瞬态热线法测温探头，包括：用于固定热丝的支架；所述热丝连接于第一导线组与第二导线组之间；所述第一导线组穿通于所述支架；所述第一导线组与所述第二导线组中的各导线选择性地通电以采用不同的热线法进行测温。

根据本发明的液体热物性瞬态热线法测温探头，通过在外部测试电路中接入不同的通电导线，可分别依据单热线法、双热线法和平行双热线法实施测温，即可依据3种热线法的测试原理，在同一探头上实现热导率和热扩散率的测量。

又，在本发明中，也可以是，所述第一导线组的梢端从所述支架的一端延伸出，所述第一导线组的末端从所述支架的另一端延伸出以连接于所述热丝的一端或两端之间的位置处，所述热丝的另一端与所述第二导线组的末端相连。

根据本发明，可有效地在包括单热线法、双热线法和平行双热线法的3种热线法之间进行选择。

又，在本发明中，也可以是，所述第一导线组和第二导线组的末端为薄片状、叉状、勾状或槽状的形状。

根据本发明，导线组的末端形成为薄片状、叉状、勾状或槽状的形状，可有利于与热丝进行连接。

又，在本发明中，也可以是，所述热丝为直径10～100微米的铂丝或钽丝。

根据本发明，热丝为直径10～100微米的铂丝或钽丝，以具有一定的抗拉强度。

又，在本发明中，也可以是，所述第一导线组和第二导线组的末端通过焊接与所述热丝相连。例如，导线组的末端可具有标记焊点和固定热丝的功能。

根据本发明，通过焊接可以有效地将导线组与热丝进行连接。

又，在本发明中，也可以是，所述热丝的表面以膜材料进行镀膜，所述膜材料包括无机非金属材料。

根据本发明，热丝的表面可以膜材料进行镀膜，所述膜材料包括无机非金属材料，例如可选择磁控溅射、电化学或喷涂等方法镀氮化铝膜以适应高温腐蚀性液体的测量。

又，在本发明中，也可以是，所述支架由陶瓷材料制成，所述陶瓷材料包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷。

根据本发明，支架材料为热膨胀率低、耐化学腐蚀性好、耐高温的陶瓷，可应用于高温测量。

又，在本发明中，也可以是，所述支架为分段成型或一体成型的方形柱或圆柱。

根据本发明，支架为分段成型或一体成型的方形柱或圆柱，且若支架分段制作，则各段制作完成后可用高温无机胶连接固定。

又，在本发明中，也可以是，所述第一导线组穿通于所述支架的内部的孔道中或设于所述支架的外表面上的沟槽中。

根据本发明，孔道和沟槽可有效地使第一导线组穿通于支架。

又，在本发明中，也可以是，所述第一导线组包括至少三根导线。

根据本发明， 该导线组的设置可有效地满足3种热线法测量原理的实际接线要求。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1示出了根据本发明的一实施形态的液体热物性瞬态热线法测温探头的结构示意图；

图2示出了图1所示的液体热物性瞬态热线法测温探头的线路系统示意图；

图3示出了根据本发明的另一实施形态的液体热物性瞬态热线法测温探头的线路系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

为解决目前测量设备适用范围窄，可测温度低等缺陷，本发明的目的在于提供一种液体热物性瞬态热线法测温探头，包括：用于固定热丝的支架；所述热丝连接于第一导线组与第二导线组之间；所述第一导线组穿通于所述支架；选择性地对所述第一导线组与所述第二导线组中的各导线通电以采用不同的热线法进行测温。

根据本发明的液体热物性瞬态热线法测温探头，通过在外部测试电路中接入不同的通电导线，可分别依据单热线法、双热线法和平行双热线法实施测温，即可依据3种热线法的测试原理，在同一探头上测量热导率和热扩散率。

图1示出了根据本发明的一实施形态的液体热物性瞬态热线法测温探头的结构示意图，且图2示出了图1所示的液体热物性瞬态热线法测温探头的线路系统示意图。

如图1和图2所示，本实施形态的液体热物性瞬态热线法测温探头包括用于固定热丝12的支架11。参见图2，该热丝12连接于第一导线组3～5与第二导线组1～2之间，且第一导线组3～5穿通于支架11。可选择性地对第一导线组3～5与第二导线组1～2中的各导线通电以采用不同的热线法进行测温。

具体地，如图1和图2所示，第一导线组3～5的梢端从支架11的一端延伸出，第一导线组3～5的末端从支架11的另一端15、16延伸出以连接于热丝12的一端或两端之间的位置A处（具体参见与图2所示的第一热丝6和第二热丝7的线路连接示意图），热丝12的另一端与第二导线组1～2的末端相连。

又，该第一导线组3～5与第二导线组1～2中的导线（即图1所示的导线10）的末端形成为薄片状、叉状、勾状或槽状的形状，可有利于与热丝进行连接。且该第一导线组3～5与第二导线组1～2的末端通过焊接与热丝相连。例如，各导线组的末端可具有标记焊点和固定热丝的功能。且，在本实施形态中，热丝可为直径10～100微米的铂丝或钽丝。此外，热丝的表面也可以膜材料进行镀膜，所述膜材料可为绝缘性好，耐腐蚀且具有高热导率的无机非金属薄膜，如氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅等。例如可选择磁控溅射、电化学或喷涂等方法镀氮化铝膜以适应高温腐蚀性液体的测量。

又，在本实施形态中，支架11由陶瓷材料制成，陶瓷材料包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷。支架材料为热膨胀率低、耐化学腐蚀性好、耐高温的陶瓷，可应用于高温测量。且支架11可为分段成型或一体成型的方形柱或圆柱。若支架分段制作，则各段制作完成后可用高温无机胶连接固定。此外，第一导线组3～5穿通于所述支架11的内部的孔道中或设于所述支架的外表面上的沟槽中。在本实施形态中，为了有效地满足3种测量原理的实际接线要求，第一导线组至少包括三根导线。图3示出了根据本发明的另一实施形态的液体热物性瞬态热线法测温探头的线路系统示意图，其中示出了第一导线组包括4根导线时的布置。

以下，根据具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，支架11可为L形，由耐高温陶瓷制成，因为支架中要穿通电导线且导线需要弯折，在陶瓷支架烧结好后在选定位置打孔，孔径根据所选导线的规格，加工为导线直径的1.2～1.5倍。

陶瓷支架可分段制作，亦可一体成型制作成所设计的结构，分段制作完成的支架部件由高温无机胶粘接固定。

支架中所穿导线选用直径为热丝直径10倍以上的铂丝或者铜丝，导线末端通过机械加工使其形成薄片状、叉状或者沟槽，若薄片状和叉状则需标记焊接点。

导线穿好后由高温无机胶粘接固定并封住小孔，通过点焊将所选热丝焊接在导线末端薄片上的焊接点上，为保证焊接后的热丝为绷紧状态，需要在焊接时拉紧热丝，因此所选热丝需要有一定的抗拉强度。

根据测试需求，可对热丝实施磁控溅射镀膜处理，可选的镀膜靶材为氧化铝、氧化锆、氮化铝、氮化硅等热导率好、耐高温和耐腐蚀性能好的无机非金属材料。

如图1，固定支架11的陶瓷盖14上做与支架截面形状对应的孔，孔的间距与L形支架下端的宽度相对应，以保证支架和另一陶瓷柱13上的孔上下位置对应。陶瓷盖14的形状可根据盛装样品的容器设计为不同的形状和样式。

导线的穿线方式和焊接点如图2所示，在导线1、5两端通电则为单热丝法；在导线2、4两端通电，并将导线2、3和4端分别连入电压测量仪器或电桥电路则为双热丝法；将导线1、2端或导线3、4端相连，使两根热丝同时通电，则为平行双热丝法。

利用一个本发明的测温探头实例，结合自建的测试电路、恒流源和万用表搭建的热线法液体热物性测试仪，经初步试验可得到较好的测量结果，下述表1示出了热导率测试结果与标准值的对比。且该测试步骤如下：

1.将待测样品装入样品容器；2.将测温探头置于样品中并静置一段时间；3.开启恒流源和万用表预热30分钟左右；4.打开测试程序，设置仪表与计算机的通信通道；5.设置测试电压、电流、测试时间、数据采集量和数据保存路径；6.点击计算机上的虚拟按钮即开始测试。

表                                                为热导率测试结果与标准值的对比：

本发明的测温探头结构坚固可靠，耐高温耐腐蚀性好；测温热丝适用样品范围广，测量温度区间大（结合与探头同材质制造的样品容器，样品加热炉如管式炉或感应炉可实现1000度以上的测量要求）；支架内部的通电线路综合了多种测试原理，适用于多种热物性参数的测量。探头具有如下优点：结构牢固，适用性广，测温区间大，具有测试多种物性参数的能力。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，包括：

用于固定热丝的支架；

所述热丝连接于第一导线组与第二导线组之间；

所述第一导线组穿通于所述支架；

所述第一导线组与所述第二导线组中的各导线选择性地通电以采用不同的热线法进行测温。

2.根据权利要求1所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述第一导线组的梢端从所述支架的一端延伸出，所述第一导线组的末端从所述支架的另一端延伸出以连接于所述热丝的一端或两端之间的位置处，所述热丝的另一端与所述第二导线组的末端相连。

3.根据权利要求2所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述第一导线组和第二导线组的末端为薄片状、叉状、勾状或槽状的形状。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述热丝为直径10～100微米的铂丝或钽丝。

5.根据权利要求2或3所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述第一导线组和第二导线组的末端通过焊接与所述热丝相连。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述热丝的表面以膜材料进行镀膜，所述膜材料包括无机非金属材料。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述支架由陶瓷材料制成，所述陶瓷材料包括氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述支架为分段成型或一体成型的方形柱或圆柱。

9.根据权利要求2所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述第一导线组穿通于所述支架的内部的孔道中或设于所述支架的外表面上的沟槽中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的液体热物性瞬态热线法测温探头，其特征在于，所述第一导线组包括三根以上的导线。