CN104792817B - 材料蓄热系数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料蓄热系数测量系统，包括计算机、数据采集器、可控电源、温度和热流传感器及电加热板，所述可控电源由所述计算机通过所述数据采集器输出的信号控制，所述温度和热流传感器设置于所述电加热板的上层且其使用计量面积小于其总面积，测试对象在所述温度和热流传感器计量面积处附近符合一维传热方式，所述数据采集器采集所述温度和热流传感器输出的信号并将所述信号输入所述计算机，经算法处理后得到实验热阻尼与所述计算机建立的理论热阻尼模型比较优化后得到蓄热系数。本发明很大程度缩短了测试时间与测试程序，在实验和工程上有极大应用价值。

Description

材料蓄热系数测量系统

技术领域

本发明涉及材料热性能测量系统，尤其涉及一种材料蓄热系数测量系统。

背景技术

材料蓄热系数定义和建筑热工设计中的热特性指标

1.材料蓄热系数定义

(1)简谐热作用

如附图1所示最简单、基本的周期性热作用是简谐热作用，即温度随时间呈正弦或余弦函数规律变化。

式中：t_τ——在τ时刻的介质温度，℃；

——在一个周期内介质的平均温度，℃；

A_θ——温度波的振幅，即介质的最高温度与平均温度之差，℃；

T——温度波的周期，h；

τ——以某一指定时刻(例如昼夜时间内的零点)起算的计算时间，h；

——温度波的初相位(若坐标原点取温度最大值处，则)，deg。

作用在围护结构的周期热，并不都是简谐热。可用傅立叶级数展开方法，通过谐量分析，把周期热变换成若干阶谐量的组合。

(2)半无限厚平壁在简谐热作用下的传热特征

半无限厚平壁是指一侧由一个平面所限制，另一侧延伸到无限远处的壁体。其传热的特征是：从平壁外介质到壁面、到壁体内部温度波动，周期T相同；振幅衰减：A_e＞A_f＞A_x(A_e为平壁外部介质温度振幅，A_f为壁面温度振幅，A_x为壁体内部温度振幅)；相位延迟：(为平壁外部介质温度相位，为壁面温度相位，为壁体内部温度相位)。

(3)材料蓄热系数定义

材料蓄热系数S是指半无限厚平壁壁面热流波动振幅A_q与温度波动振幅A_θ的比值。

式中：S——材料的蓄热系数，W/(m²·K)；

λ——材料的导热系数，W/(m·K)；

c——材料的比热容，kJ/(kg·K)；

ρ——材料的密度，kg/m³；

T——温度波动周期，h。

蓄热系数物理意义：半无限厚平壁表面对简谐热作用的敏感程度，它的数值越大，壁体表面温度波动越小。

在选择房屋围护结构的材料时，可通过材料蓄热系数的大小来调节温度波动的幅度，使围护结构具有良好的热工性能。

2.建筑热工设计中的热特性指标

《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)(附录四建筑材料热物理性能计算参数)中，蓄热系数S计算参数按温度波动周期为一天即24h计算所得，即[W/m².K](因T＝24×3600s，c的单位kJ/(kg·K)＝1000J/(kg·K)，转换后与S单位相对应。)

从上述公式看出材料的蓄热系数不仅与谐波周期有关，而且是材料的几个基本物理指标的复合参数。

测定材料的蓄热系数需要测定材料密度，特别是需要测定材料多个表面上的热流和温度以测定材料密度、导热系数及比热容，这使得测试方法复杂，测试时间较长，不利于工程现场检测；由于材料的含水率、渗透性能、损伤程度随着材料蓄热系数的变化而变化，因此如何快速测定材料的蓄热系数成了热工实验与检测的值得考虑的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种测试时间短，测试方法简单的材料蓄热系数测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：材料蓄热系数测量系统，包括计算机、数据采集器、可控电源、温度和热流传感器及电加热板，所述可控电源由所述计算机通过所述数据采集器输出的信号控制，所述温度和热流传感器设置于所述电加热板的上层且其使用计量面积小于其总面积，测试对象在所述温度和热流传感器计量面积处附近符合一维传热方式，所述数据采集器采集所述温度和热流传感器输出的信号并将所述信号输入所述计算机；所述计算机建立有理论热阻尼模型，所述理论热阻尼模型是通过傅立叶导热定律、热扩散方程和简谐热一维传热方程理论推算出的一个以复数形式表示的与材料蓄热系数和简谐热的频率相关的数学模型；所述计算机通过采集测试数据建立实验热阻尼，所述实验热阻尼是通过给予测试系统表面的随机热信号在频域内按线性离散系统关系式表示，并在给定频率段内再使用最小二乘法计算得到的，所述给定频率段为理论热阻尼关于一个参数的灵敏度、试件厚度、理论热阻尼和实验热阻尼关于频率函数的两曲线趋势一致性得到的；所述理论热阻尼模型和所述实验热阻尼采用列文伯格-马夸尔特法进行优化得到蓄热系数。当控制电信号从计算机输出相应信号到可控电源时，这些控制电信号可以经过数据采集器到可控电源，或者直接从计算机输出到可控电源，再从可控电源到电加热板，从而在加热板上产生热信号，该热信号进一步到达测试对象表面。先由数据采集器从测试对象通过温度和热流传感器获得温度和热流信号(模拟信号)，然后计算机从数据采集器获得温度和热流离散信号。

作为优选，对被测材料样品进行测试得到其含水率与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料含水率。

作为优选，对被测材料样品进行测试得到其渗透性能与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料渗透性能。

作为优选，对被测材料样品进行测试得到其损伤程度与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料损伤程度。

本发明的有益效果在于：用上述系统测定材料某个表面的蓄热系数，只需测定该表面上的热流和温度的变化关系，无需测定其他面上的热流和温度，无需测定材料密度、导热系数和比热容而计算出材料某个表面的蓄热系数，从测得的蓄热系数又可以简单地得到材料的含水率、渗透性能、损伤程度，使得整个测试时间短，测试简单，可用于室内实验，也可用于工程的现场检测。

附图说明

图1为温度随时间呈正弦或余弦函数规律变化图；

图2为半无限厚平壁在简谐热作用下的传热某瞬间平壁内部温度θ和热流φ波幅变化；

图3为采集测试数据装置原理图；

图4为蓄热系数测定流程图；

图5为判定材料含水率的流程图；

图6为判定材料渗透性能的流程图；

图7为判定材料损伤程度的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一、热阻尼定义和理论热阻尼计算模型

热阻尼无损检测技术是建立在热传导和信号处理理论基础上的一门技术。

1.热阻尼定义

把被测对象看作一个系统，系统一个面上的热阻尼Z(f)是该面上的在频域f内温度θ(f)和热流φ(f)比值：

2.理论热阻尼计算模型

如图2所示，图中θ是以平均温度为基准的相对温度，φ是以平均热流为基准的相对热流。

根据蓄热系数的定义，无限厚平壁壁面蓄热系数为

式中：λ——材料的导热系数，W/(m·K)；

c——材料的比热容，J/(kg·K)；

ρ——材料的密度，kg/m³；

T——计算蓄热系数时简谐热的周期，s。

从一维热传导基本理论，在均质材料中，简谐热作用，可用复数表示。因此有半无限厚平壁壁面的热阻尼与蓄热系数的关系式：

式中：T——计算蓄热系数时简谐热的周期，s；

f——计算热阻尼时对应于实际测试时激励简谐热某阶谐量的频率，Hz。如按《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)(附录四建筑材料热物理性能计算参数)中，则蓄热系数S计算参数按温度波动周期为一天即T＝8.64×10⁴s计算。

上述热阻尼计算式只与S和f有关。

上式如按《民用建筑热工设计规范》(GB50176-93)(附录四建筑材料热物理性能计算参数)中叙述，蓄热系数S计算参数按温度波动周期为一天即T＝8.64×10⁴s计算，则

上式只与S₂₄和f有关。

某瞬间τ在半无限厚平壁内部温度变化：

式中：a——材料的导温系数(热扩散系数)，m²/s。

——τ在表面处(即x＝0)的相位，rad；

在工程实践中，绝大多数是有限厚度的单层或多层构成。建筑热工学中的近似计算法是假设简谐温度波通过壁体某材料时，温度谐波振幅衰减到原来的一半，亦即在该材料层内振幅衰减度等于2时，则波动仅与该层材料的热物理性能有关，可忽略该边界条件的影响；如果达不到这一要求，该层边界条件的影响不能忽略。根据这一假设，明显的标志是该材料层的热惰性D≥1.0。

当温度谐波振幅衰减到原来自然对数底e＝2.7的倒数的倍数。作为一个例子，对于一种a＝7×10^-7m²/s混凝土，按温度波动周期为一天即24h计算，即频率f＝1/(24×3600)＝1.15×10^-5Hz时，混凝土的厚度

如是厚度为3倍与上述厚度即42cm，那么温度谐波振幅衰减到原来20分子之1。

在测试中，为限制测试材料的厚度，可以采取提高测试激励简谐热的频率f，以使离测试面不远处的温度谐波振幅衰减到足够小，这样把有限厚度的测试件看作半无限厚平壁在简谐热作用。

综上所述，只要在测试时提高测试激励简谐热的频率f，能够把有限厚度的测试件看作半无限厚平壁来测试材料的蓄热系数。

二、实验热阻尼测定

1.实验热阻尼模型的建立

实验热阻尼是建立在信号处理理论基础上通过测试信号采集与数据处理得出。

测试的对象可视作一个线性系统，测得的温度离散信号和热流离散信号关系在时域内通过傅里叶变换、拉普拉斯变换或z变换计算，并经过优化关系式中的系数，得出频域内的实验热阻尼。测试表面的实验热阻尼可由线性离散系统的传递函数来表示：

式中：T_e为信号测试步长，s。

u和v一般可取15左右或更大值。

在测试时，如给予被测试系统表面给予一个随机热信号，则可以在某一频率段内用最小二乘法计算得到实验热阻尼。

2.测试数据采集

如图3所示作为一个可选方案的测试装置原理图，以此说明测试过程。图中测试装置有计算机、数据采集器、可控电源、平面电阻加热板(电加热板)、温度传感器和传感器等组成。可控电源由计算机通过采集器内输出信号来控制。

整个测试系统还包括测试件(如混凝土材料)，平面电阻加热板下的隔热板(使加热板的热量更多地流向测试件)。

热流传感器(热流计)的计量面积通常使用计量面积小于热流计总面积并且计量范围设置在热流计中心位置的热流计，使测试件中心计量面积处为半无限厚平壁一维传热。为更好地表现为一维传热，在测试件沿着测试面垂直方向的周围安置隔热板。

在试验中将选择合适的激励电信号以便得到合适的加热激励信号类型、幅值和频率。

三、基于热阻尼理论的蓄热系数计算

在某一频率段内，对以上得到的理论热阻尼和实验热阻尼进行采用Levenberg-Marquardt算法进行优化，可得到测试件的蓄热系数。如图4所示在测试时，传感器测得的温度和热流不一定正好处于测试面，而且测试面不一定较平整，这样在进行优化前，须对理论热阻尼模型修正，如热流传感器的热容量、温度、传感器与测试件之间的热阻等参数。

频率段可从以下原则来选取。选取时需考虑理论热阻尼关于一个参数的灵敏度，试件厚度，理论热阻尼和实验热阻尼关于频率函数的两曲线趋势一致性等。

理论热阻尼模型可用下式来表示：

式中：p₁,p₂,...,p_i,p_n为热阻尼相关的参数，如蓄热系数。

理论热阻尼关于一个参数p_i的灵敏度可用下式来表示：

式中：Z为热阻尼复数函数的模，除了p_i外，其他的参数用其数值范围内大致处于平均值相近的非精确的数值代入。

对一个参数p_i的优化计算时，选取的频率应是理论热阻尼对该参数的灵敏度最大一段内。但频率的下限应在上述“理论热阻尼计算模型”中叙述的能把试件厚度视作半无限厚平壁时的最小频率。频率的上限可按试件厚度的十分之一的厚度计算的频率。即频率的上限可取频率的下限的一百倍。(从上述“理论热阻尼计算模型”中提到的公式得出)

蓄热系数是通过理论热阻尼和实验热阻尼关于频率函数的两曲线对比优化得到，在对比优化是应排除实验热阻尼曲线趋势不符合理论热阻尼曲线趋势，也就是频率的选取应在两曲线的趋势一致的这一段内。(曲线的趋势是指曲线图上的走向，比如在某一频率段内一条曲线向上翘，另一条曲线向下翘，则该段频率排除，选用大于该段频率或者小于该段频率的频率。)

对于一个导温系数a在7×10^-7m²/s左右，蓄热系数S₂₄在17W/(m²·K)左右，厚度为6cm的混凝土试件，频率范围10^-4Hz<f<10^-2Hz。

四、基于热阻尼与蓄热系数变化关系的材料含水率测定法

如图5所示利用热阻尼测定材料某个表面的蓄热系数，只需测定该表面上的热流和温度的变化关系，无需测定其他面上的热流和温度，无需测定材料密度、导热系数和比热容而计算出材料某个表面的蓄热系数，测试时间短。在材料含水率变化情况下，材料的蓄热系数也随之变化。通过测定试件的蓄热系数变化，判断试件的含水率的变化。该方法测试简单，可用于室内实验，也可用于工程的现场检测，本测定方法即可采用对材料含水率的定性测试。如图5(a)所示，通过上述的实施例得到试件蓄热系数，然后将试件的原蓄热系数和测试得到的试件蓄热系数进行比较得出材料含水率的大致判断，当然如果要定量的得到材料含水率，则需要重复上述步骤如图5(b)所示，得到材料含水率与对应蓄热系数的变化曲线作为进行对比的参照曲线，日后只要测得材料的蓄热系数就可以通过查询参照曲线就能得到材料含水率的数值如图5(c)所示。

五、基于热阻尼与蓄热系数变化关系的材料渗透性能测定法

如图6所示用热阻尼测定材料某个表面的蓄热系数，只需测定该表面上的热流和温度的变化关系，无需测定其他面上的热流和温度，无需测定材料密度、导热系数和比热容而计算出材料某个表面的蓄热系数。在材料受水渗透后，材料的蓄热系数也随之变化。通过测定测试件的蓄热系数变化，判断测试件的抗渗能力或受水渗透程度。在测定时，在受水渗透面的相对应非受渗透水面测定例如混凝土块一面受水渗透，则在另一面进行测试。该方法测试简单，可用于室内实验，也可用于工程的现场检测，其具体操作步骤与材料含水率测定法相似。

通过不同渗透强度试件进行试验，并经过一系列处理后，可得到材料不同渗透强度情况下的蓄热系数。在材料受水渗透后，材料的蓄热系数也随之变化。如混凝土受水渗透后热阻尼变小。通过测定测试件的蓄热系数，判断测试件的抗渗能力或受水渗透程度。该方法测试简单，可用于室内实验，也可用于工程的现场检测。

六、基于热阻尼与蓄热系数变化关系的材料损伤程度测定法

如图7所示用热阻尼测定材料某个表面的蓄热系数，只需测定该表面上的热流和温度的变化关系，无需测定其他面上的热流和温度，无需测定材料密度、导热系数和比热容而计算出材料某个表面的蓄热系数。在材料(如混凝土)损伤情况下，材料的蓄热系数也随之变化。通过测定测试件的蓄热系数变化，判断测试件的损伤程度。该方法测试简单，可用于室内实验，也可用于工程的现场检测。在材料损伤情况下，材料的蓄热系数也随之变化。如当混凝土受力学损伤后，混凝土内部裂缝、孔隙增大，试样表面的热阻尼增大。通过测定测试件的蓄热系数，判断测试件的损伤程度，其具体操作步骤与材料含水率测定法相似。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种材料蓄热系数测量系统，其特征在于：包括计算机、数据采集器、可控电源、温度和热流传感器及电加热板，所述可控电源由所述计算机通过所述数据采集器输出的信号控制，所述温度和热流传感器设置于所述电加热板的上层且其使用计量面积小于其总面积，测试对象在所述温度和热流传感器计量面积处符合一维传热方式，所述数据采集器采集所述温度和热流传感器输出的信号并将所述信号输入所述计算机；所述计算机建立有理论热阻尼模型，所述理论热阻尼模型是通过傅立叶导热定律、热扩散方程和简谐热一维传热方程理论推算出的一个以复数形式表示的与材料蓄热系数和简谐热的频率相关的数学模型；所述计算机通过采集测试数据建立实验热阻尼，所述实验热阻尼是通过给予测试系统表面的随机热信号在频域内按线性离散系统关系式表示，并在给定频率段内再使用最小二乘法计算得到的，所述给定频率段为理论热阻尼关于一个参数的灵敏度、试件厚度、理论热阻尼和实验热阻尼关于频率函数的两曲线趋势一致性得到的；所述理论热阻尼模型和所述实验热阻尼采用列文伯格-马夸尔特法进行优化得到蓄热系数。

2.如权利要求1所述的材料蓄热系数测量系统，其特征在于：对被测材料样品进行测试得到其含水率与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料含水率。

3.如权利要求1所述的材料蓄热系数测量系统，其特征在于：对被测材料样品进行测试得到其渗透性能与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料渗透性能。

4.如权利要求1所述的材料蓄热系数测量系统，其特征在于：对被测材料样品进行测试得到其损伤程度与材料蓄热系数的变化关系，通过测试件的蓄热系数判定材料损伤程度。