CN105136845B - 固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置及方法。所述测量装置包括顶盖1、上盒体2、热带3、下盒体4、定热带夹5、动热带夹6、导轨7、弹簧8、热电偶9和测电压线10。本发明采用有张紧功能的热带固定结构，保证热带在不同温度下可以绷直；粉末盛装箱体分为上下两部分，利于粉末填装，保证热带与粉末充分接触；容器侧面开孔，利于热带上焊接线路排布和引出，增强线路抗震性；容器顶部加装网状顶盖，防止粉末飘出。将所示测量装置置于真空炉中，可实现不同温度、压力和气体氛围下固体粉末的导热系数的测量。
Description
技术领域
本发明属于固体粉末热物性测试技术领域，具体涉及一种固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置及方法。
背景技术
导热系数是材料最重要的热物性参数之一，是石油、化工、能源、材料、军工生产等过程传热设计中的必备参数，也是各种热过程温度场研究的基本数据。物质的导热系数测量方式可分为两种：稳态法(如平板法、纵向热流法、圆球法等)和非稳态法(如热线法、激光脉冲法等)。由于非稳态法测量时间短，热量损失少以及防止样品的化学性质和结构发生变化等优点而倍受青睐。
瞬态热带法(transient hot-strip method)，是一种非稳态热物性测量方法，其测量原理类似于瞬态热线法。
实验中，将一条很薄的金属带(热带)置于液体中或夹持在待测试样中间，从某时刻起以恒定电流加热金属带，测量并记录热带表面的温度响应曲线，据此可得到被测材料的导热系数。
被测样品的导热系数可表示为：k＝P0/(4π)/[dT(t)/dln(t)]，这里P0是加热功率，t是加热时间，dT(t)/dln(t)是加热数秒后温度对ln(t)的斜率。
与热线法相比，薄带状电加热体与被测固体材料有更好的接触状态，故热带法比热线法更适宜于测量固体材料的导热系数。热带法现已被广泛应用于液体、松散材料、多孔介质导热系数的测量。使用瞬态热带法测试固体粉末的导热系数时，容易出现粉末与热带接触不紧密、热带受热膨胀变松弛和粉末飘飞等问题。
发明内容
本发明针对在使用瞬态热带法对固体粉末进行导热系数测量时，存在的粉末与热带接触不紧密、热带张紧、焊接线路易断、漏电和粉末飘飞等问题，提供了一种固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置和方法。
本发明采用以下技术方案：
一种固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置，从上至下依次包括顶盖1、上盒体2、热带3、下盒体4；在所述热带3上连接热电偶9和测电压线10，该装置可用于不同温度、压力和气体氛围下导热系数测量。
进一步地，上盒体2和下盒体4通过螺栓连接，在上盒体2或下盒体4侧面连接处开有孔槽；热电偶9和测电压线10焊接于热带3上，外层套上陶瓷外壳，并从孔槽引出，布置整齐，提升了线路的抗冲击性。
进一步地，所述装置还包括定热带夹5和动热带夹6；所述定热带夹5通过螺丝连接下盒体4，所述动热带夹6通过弹簧8连接于下盒体4侧面设置的导轨7上；定热带夹5和动热带夹6通过螺栓连接并夹紧热带3，在热带夹夹紧热带3之后，弹簧可以提供一个张紧力，防止热带受热膨胀后松弛。定热带夹5和动热带夹6在接触热带3的部位均嵌有钼片。
进一步地，顶盖1的中心为网状结构。盒顶加装网状的顶盖1，在不影响外围气压调节的同时，有效抑制了由气压变化引起的粉末飘飞。
利用上述瞬态热带法测量装置测量固体粉末导热系数的方法，包括以下步骤：
a.将待测固体粉末样品填满下盒体4，与下盒体4上端面齐平并压实；
b.在热带3上连接热电偶9和测电压线10后，用定热带夹5和动热带夹6将热带3固定，将热电偶9和测电压线10外层套上陶瓷外壳，并从上盒体2或下盒体4侧面孔槽引出；定热带夹5和动热带夹6在接触热带3的部位均嵌有钼片；定热带夹5和动热带夹6通过螺栓将热带3夹紧，动热带夹6安装于下盒体4侧面导轨7上，夹紧热带3同时压紧弹簧；
c.将上盒体2安装在下盒体4上，通过螺栓拧紧，防止侧面漏粉，然后第二次填装待测粉末，填满压实，保证热带3与待测粉末充分接触；盖上顶盖1；
d.将上述瞬态热带法测量装置11接入测试电路之中，使用直流电源14对热带3进行加热，通过数据采集器12采集加热过程中的温度和电压数据，通过下式计算得到被测样品的热导率：k＝P0/(4π)/[dT(t)/dln(t)]，
其中P0是加热功率，t是加热时间，dT(t)/dln(t)是加热数秒后温度对ln(t)的斜率。
也可将上述瞬态热带法测量装置11置于真空炉内，通过调节炉内温度、压力和气体氛围，对不同温度、压力和气体氛围下的固体粉末导热系数进行测试。由于测试装置的顶盖1中央为通透的网孔，不影响抽真空，同时可以防止粉末飘飞，污染真空炉内环境。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述测量装置中，分开的盒体设计在方便材料填装的同时，保证了热带和被测粉末紧密接触，实验准确性好。
(2)本发明所述测量装置可靠的热带固定和张紧装置，保证了在温度条件变化较大时，热带膨胀后依旧保持绷紧，实验装置的温度适用范围广。
(3)本发明所述测量装置优秀的线路布置和绝缘设计，保证了测试线路独立且稳固，装置可靠性高，结果准确。
(4)本发明所述测量装置有效抑制粉末的飘飞，有效保护外部坏境及其他外围设备。
(5)本发明所述测量装置结构简单，也可用于测试整块固体或粘稠液体的导热系数。
附图说明：
图1为本发明所述装置的整体装配示意图。
图2为本发明下盒体及热带夹的俯视图。
图3为本发明所述装置的一种测试系统电路图。
图4为本发明所述装置置于真空炉时所形成的一种测试系统的剖面图。
图中符号说明：1-顶盖；2-上盒体；3-热带；4-下盒体；5-定热带夹；6-动热带夹；7-导轨；8-弹簧；9-热电偶；10-测电压线；11-测量装置；12-数据采集器；13-开关；14-直流电源；15-保护电阻。
具体实施方式
本发明提供了一种固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置和方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置从上至下依次包括：顶盖1、上盒体2、热带3、下盒体4；在所述热带3上连接热电偶9和测电压线10。
首先将待测固体粉末样品填满下盒体4，保证与盒体上端面齐平并压实。
如图2所示，于热带上焊接热电偶9和测电压线10后，将热带3置于热带夹上，将热电偶9和测电压线10外层套上陶瓷外壳，并将其从上盒体2或下盒体4的侧面孔槽引出，所述孔槽为圆形，共计四个。热带夹与热带3接触位置镶嵌钼片，热电偶9和测电压线10外套绝缘陶瓷外壳，保证热带及测量线路与外壳和待测样本绝缘，孔槽引出线路提高线路抗震性。
所述装置还包括定热带夹5和动热带夹6；所述定热带夹5通过螺丝连接下盒体4，所述动热带夹6通过弹簧8连接于下盒体4侧面设置的导轨7上；定热带夹5和动热带夹6通过螺栓将热带3夹紧，保证弹簧可以施加一个预张力，防止热带受热膨胀而松弛。定热带夹5和动热带夹6在接触热带3的部位均嵌有钼片。
将上盒体2安装在下盒体4上，通过螺栓拧紧，防止侧面漏粉，然后第二次填装待测粉末，填满压实，保证热带3与待测粉末充分接触。
最后盖上顶盖1。
实施例1
将测量装置11接入如图3所示的测试电路之中，使用直流电源对热带进行加热，通过数据采集器采集加热过程中的温度和电压数据。
被测样品的热导率计算式为：k＝P0/(4π)/[dT(t)/dln(t)]
其中P0是加热功率，t是加热时间，dT(t)/dln(t)是加热数秒后温度对ln(t)的斜率。
由此可以测得待测固体粉末在室内环境下的导热系数。
若将测试装置11放置于如图4所示的真空炉中，通过改变炉内的温度、压力和气体氛围，可测得固体粉末在不同温压和气氛条件下的导热系数，测试装置的顶盖1中央为通透的网孔，不影响抽真空，同时防止粉末飘飞，污染真空炉内环境。
Claims (4)
1.固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置，其特征在于，所述测量装置由顶盖(1)、上盒体(2)、热带(3)、下盒体(4)、定热带夹(5)、动热带夹(6)、导轨(7)、弹簧(8)、热电偶(9)和测电压线(10)组成；
其中，所述热带(3)上连接热电偶(9)和测电压线(10)；上盒体(2)和下盒体(4)通过螺栓连接，在上盒体(2)或下盒体(4)侧面连接处开有孔槽；热电偶(9)和测电压线(10)焊接于热带(3)上，外层套上陶瓷外壳，并从孔槽引出；
所述定热带夹(5)通过螺丝连接下盒体(4)，动热带夹(6)通过弹簧(8)连接于下盒体(4)侧面设置的导轨(7)上；定热带夹(5)和动热带夹(6)通过螺栓连接并夹紧热带(3)，定热带夹(5)和动热带夹(6)在接触热带(3)的部位均嵌有钼片。
2.根据权利要求1所述的固体粉末导热系数的瞬态热带法测量装置，其特征在于，顶盖(1)的中心为网状结构。
3.利用权利要求1-2任一项所述的瞬态热带法测量装置测量固体粉末导热系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将待测固体粉末样品填满下盒体(4)，与下盒体(4)上端面齐平并压实；
b.在热带(3)上连接热电偶(9)和测电压线(10)后，用定热带夹(5)和动热带夹(6)将热带(3)固定，将热电偶(9)和测电压线(10)外层套上陶瓷外壳，并从上盒体(2)或下盒体(4)侧面孔槽引出；定热带夹(5)和动热带夹(6)在接触热带(3)的部位均嵌有钼片；定热带夹(5)和动热带夹(6)通过螺栓将热带(3)夹紧，动热带夹(6)安装于下盒体(4)侧面导轨(7)上，夹紧热带(3)同时压紧弹簧；
c.将上盒体(2)安装在下盒体(4)上，通过螺栓拧紧，防止侧面漏粉，然后第二次填装待测粉末，填满压实，保证热带(3)与待测粉末充分接触；盖上顶盖(1)；
d.将上述瞬态热带法测量装置(11)接入测试电路之中，使用直流电源(14)对热带(3)进行加热，通过数据采集器(12)采集加热过程中的温度和电压数据，通过下式计算得到被测样品的热导率：k＝P0/(4π)/[dT(t)/dln(t)]，其中P0是加热功率，t是加热时间，dT(t)/dln(t)是加热数秒后温度对ln(t)的斜率。
4.利用权利要求1-2任一项所述的瞬态热带法测量装置测量固体粉末导热系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将待测固体粉末样品填满下盒体(4)，与下盒体(4)上端面齐平并压实；
b.在热带(3)上连接热电偶(9)和测电压线(10)后，用定热带夹(5)和动热带夹(6)将热带(3)固定，将热电偶(9)和测电压线(10)外层套上陶瓷外壳，并从上盒体(2)或下盒体(4)侧面孔槽引出；定热带夹(5)和动热带夹(6)在接触热带(3)的部位均嵌有钼片；定热带夹(5)和动热带夹(6)通过螺栓将热带(3)夹紧，动热带夹(6)安装于下盒体(4)侧面导轨(7)上，夹紧热带(3)同时压紧弹簧；
c.将上盒体(2)安装在下盒体(4)上，通过螺栓拧紧，防止侧面漏粉，然后第二次填装待测粉末，填满压实，保证热带(3)与待测粉末充分接触；盖上顶盖(1)；
d.将上述瞬态热带法测量装置(11)置于真空炉内，通过调节炉内温度、压力和气体氛围，对不同温度、压力和气体氛围下的固体粉末导热系数进行测试。
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