CN105717156A - 可原位标定探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，及基于该系统的测量方法。测量系统及方法能够减小探针间距变化导致的热特性参数测量误差。系统包括加热探针、底座、加热装置、数据处理装置和至少一个温度探针，底座用于固定加热探针和温度探针，加热探针内设置加热丝，加热探针的长度与内径的比值大于预设的数值，加热探针经由加热装置进行加热，每个温度探针内沿其轴向设置有至少三个测温元件，数据处理装置连接测温元件，用于获取加热探针和温度探针插入待测物质后，测温元件采集到的温度响应数据，根据温度响应数据得到每个测温元件和加热探针之间的实际间距，然后根据实际间距，拟合得到待测物质的热特性参数。

Description

可原位标定探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及方法

技术领域

本发明涉及热特性测量技术领域，具体涉及一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及基于该系统的测量方法。

背景技术

目前，单针热脉冲方法和双针热脉冲方法被广泛用于测量土壤、岩石、食物、可燃冰等材料的热特性。单针热脉冲方法只能测定物质的热导率，无法同时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，因而，在目前的实际测定和应用中，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的两个或多个平行不锈钢探针，其中一个是装有加热丝的加热探针，另一个或者多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间距用热特性已知的物质标定。将探针插入或者放入待测物质中，通电后加热探针放出的热量经由待测介质传导到温度探针，由温度探针感应出并记录下温度随时间的变化。目前，基于普遍采用的无限长线状热源(ILS)的假设，可得到持续时间为t₀的热脉冲信号引发的距离加热针距离为r处的温度探针的温度变化的解析解(deVries,1952；Kluitenbergetal.,1993)：

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

其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是加热强度；t₀是加热时间；ρ是密度，并满足ρc＝λ/α。可对上述方程通过非线性参数回归来得到待测样品的热导率、比热等热特性参数。

此外，如下的单点法也可用于热特性的计算：Bristowetal.(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：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{r^2}{4}\left\{\frac{1/(t_m-t_0)-1/t_m}{ln\&lsqb;t_m/(t_m-t_0)\&rsqb;}\right\}---\&lsqb;2\&rsqb;$

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

其中，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。

在上述双针热脉冲方法中，探针间距r是一个非常重要的参数，r的测量误差对于热特性测量结果的准确性影响很大。探针一度夹角的误差就会引起超过14％的比热测量误差(Liuetal.,2008；Wenetal.,2015)。Campbell等(1991)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。然而，在实际应用中，尤其是应用于野外时，由于存在碎石，空间异质性，植物地下根系的发育，土壤原生动物的活动，以及所测物质涨缩，冻融交替等作用，很容易导致安放于待测物质中的探针发生弯曲变形。探针在发生弯曲后，探针间距会发生改变，由于双针方法的比热/热扩散率测量误差对间距变化非常敏感，最终导致测出的比热/热扩散率存在很大的误差。

为了消除由于探针弯曲变形导致的比热和热扩散系数测量误差,需要解决探针间距的原位实地标定问题。这个问题困扰了地球物理科学，土壤科学，气象科学相关研究多年。到目前为止主流的处理方法是消极保守的：假设探针在安放在野外之后的间距不再发生变化，或者即使发生了由于弯曲形变导致的间距变化也假设间距没有改变，依然沿用实验室用琼脂等热特性已知的材料给出的标定值。

由于意识到了原位准确测量间距的重要性，Liu等(2013)提出了一种可实地校正线性弯曲的探针间距的方法。他们通过在同一个温度探针内部沿轴向放置两个测温单元，实现了原位标定探针间距的探索性研究。但是该方法包含有很多假设，因而在实际应用中有很多局限性。首先，他们的研究仅限于温度探针是弯曲的，假设加热探针不改变，这些假定和实际不相符。此外，该方法的另一个缺陷也是最重要的一个缺陷是：他们的理论基础是建立在温度探针的弯曲形变是线性的假设之上。而实际上，根据结构力学中梁在应力作用下形变的研究(Beer等，2006)可知，在外加应力作用下，梁的弯曲是非线性的。

综上所述，在实际应用中，探针的弯曲形变应该是非线性的，而不是Liu等(2013)假设的线性形变。更不可能如Liu等(2013)所假设的，只有温度探针弯曲，加热探针始终保持没有形变弯曲。所以，在使用Liu等(2013)的线性弯曲形变的温度探针的原位双针热脉冲探针的间距标定方法后，改进校正效果有限。用该方法分析处理数据后，在比热和热扩散系数仍然存在很大误差。

但是，本申请和Liu等(2013)的研究方法及内容仍有显著的本质上的区别。首先，Liu等(2013)的方法是通过在同一个温度探针内部引入两个测温单元，根据由两个点可以确定一条直线的基本几何学原理，来线性近似得到温度探针的弯曲形变。而根据几何学常识，要近似一段曲线，最少需要三个点。用直线逼近曲线在多数情况下会导致较大的误差，特别是当曲线的弧度较大时。

基于以上分析可知，根据已有的研究方法，要从根本上消除更普遍的，由非线性弯曲形变导致的，双针热脉冲探针关于比热和热扩散系数的测量误差，亟需发展一种适合原位标定非线性形变的新方法，这就引入了本研究的主要内容。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及方法，能够有效减小探针非线性弯曲形变引起的间距变化导致的热特性参数测量误差。和现有的方法(Liu等，2013)相比，本研究具有显著的优点和优势。

(二)技术方案

具体来说，本发明包括以下内容：

内容1:本发明提出一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，包括加热探针、加热装置、数据处理装置、底座和至少一个温度探针，所述温度探针和加热探针平行固定在所述底座上，所述加热探针内设置加热丝，所述加热探针的长度与内径的比值大于预设的数值，所述加热探针连接所述加热装置，利用所述加热装置进行加热，每个温度探针内沿其轴向设置有至少三个测温元件，所述数据采集处理装置连接所述测温元件，用于获取所述加热探针和温度探针插入或者安放在待测物质中后，所述测温元件采集到的温度随时间演化的数据生成温度随时间变化的曲线，根据所述曲线，结合给出的原位非线性弯曲探针的间距计算公式，得到所述测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距，通过单点法或者，非线性参数拟合和回归分析方法，计算出所述待测物质的热特性参数。

内容2：本发明提出一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量方法，包括：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的每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，由数据处理装置测量得出温度随时间变化的曲线，根据所述温度随时间变化的曲线和初始间距计算出每个测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距通过单点法或者非线性参数拟合法计算出所述待测物质的热特性参数。

(三)有益效果

本发明实施所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及方法，通过在所涉及的温度探针中设置至少三个测温元件，并根据至少三个测温元件采集到的温度数据生成温度随时间变化的曲线，根据所述曲线得到测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距计算出所述待测物质的热特性参数，本发明可原位实地自我校正探针间距，因而，相较于探针弯曲后无法进行实地校正，或虽然可以矫正，但是基于线性弯曲校正的现有技术，本发明能够减小非线性弯曲形变引起的探针间距变化导致的热特性参数测量误差，因此，本发明不仅提高了双针热脉冲方法在野外应用于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，另外，该系统结构简单，造价低廉，使用方便，测量快速。

附图说明

图1为本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统一个实施实例的部分结构示意图；

图2为图1中的探针内倾后的示意图(以每个温度探针内有三个测温元件为例)；

图3为本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量方法的流程示意图；

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；6-第三测温元件。

具体实施方式

为使本发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施案例，而不是全部的实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，包括加热探针2、加热装置、数据处理装置、底座3和至少一个温度探针1，所述温度探针1和加热探针2平行固定在所述底座3上，所述加热探针2内设置加热丝7，所述加热探针2的长度与内径的比值大于预设的数值，所述加热探针2连接所述加热装置，利用所述加热装置进行加热，每个温度探针1内沿其轴向设置有至少三个测温元件(图1中第一测温元件4，第二测温元件5和第三测温元件6)，所述数据处理装置连接所述测温元件，用于获取所述加热探针2和温度探针1插入待测物质后，所述测温元件采集到的温度数据(将探针插入或安置在待测物质中，通电后由加热探针2放出的热量经由待测介质传导到温度探针1，由温度探针1内的每个测温元件分别感应出并记录下温度随时间的变化)，并根据所述温度数据生成温度随时间变化的曲线，根据所述曲线得到所述测温元件和加热探针2之间的实际间距，根据所述实际间距计算出所述待测物质的热特性参数(热扩散系率，比热和热导率)。

本发明实施案例中，温度探针1和加热探针2均可采用不锈钢的空心针管制成，加热探针2内设置的加热丝的材料可为镍铬合金。

本发明实施案例所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，通过在所涉及的温度探针中设置至少三个测温元件，并根据至少三个测温元件采集到的温度数据生成温度随时间变化的曲线，根据所述曲线得到测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距计算出所述待测物质的热特性参数，本发明可原位实地自我校正探针间距，因而，相较于探针弯曲后无法进行实地校正，或虽然可以矫正，但是基于线性弯曲校正的现有技术，本发明能够减小非线性弯曲形变引起的探针间距变化导致的热特性参数测量误差，因此，本发明不仅提高了双针热脉冲方法在野外应用于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，另外，该系统结构简单，造价低廉，使用方便，测量快速。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统中，若所述温度探针为一个，所述数据处理装置，用于根据所述曲线，得到所述测温元件采集到的温度数据上升到最大值的时长，根据所述时长计算所述测温元件和加热探针之间的实际间距，计算公式为 $r_i=a_1{l}_i+a_2{l}_i^2+......+a_{n-1}{l}_i^{n-1}+r_{i0},$

其中，a_i由公式

$\begin{array}{c}{(r_{10}+a_1{l}_1+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_1^{n-1})}^2{K}_1={(r_{20}+a_1{l}_2+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_2^{n-1})}^2{K}_2=\\ \mathrm{......}={(r_{n0}+a_1{l}_n+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_n^{n-1})}^2{K}_n\end{array}$

计算，r_i为第i个测温元件和所述加热探针之间的实际间距，l_i为第i个测温元件到所述底座的距离，r_i0为第i个测温元件和所述加热探针之间的初始间距，t_mi为第i个测温元件采集到的温度上升到最大值的时长，i∈(1,2,...,n)，n为所述温度探针内测温元件的数量，t₀为所述加热探针的加热时长。

本发明实施例中，用公式[4]来表示第i测温元件偏转的距离

Δr_i＝Δr_i1+Δr_i2,(i＝1,2……n)[4]

如图2所示，忽略Δr_i1与第i测温元件相对初始位置的偏转距离之间的误差，用Δr_i1表示第i测温元件相对初始位置的偏转距离，忽略Δr_i2与加热探针中与第i测温元件相同高度处的加热针偏转的距离之间的误差，用Δr_i2表示加热探针中与第i测温元件相同高度处的加热针偏转的距离，公式[4]表示我们的方法既可以应用于温度探针偏转或加热针偏转，又可以应用于两者都偏转的情况。

为了求解偏转距离，我们假定探针的偏转为非线性偏转，表达式为：

${\mathrm{\&Delta;r}}_i=a_1{l}_i+a_2{l}_i^2+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_i^{n-1},(i=1,\mathrm{2......}n)---\&lsqb;5\&rsqb;$

其中，l_i是第i测温元件到底座的距离，a₁,a₂到a_n-1是n-1阶多项式的n-1个系数。

r_i＝Δr_i+r_i0，(i＝1,2……n)[6]

其中，r_i是第i测温元件到加热探针的实际间距，r_i0为第i个测温元件和所述加热探针之间的初始间距。

然后，根据各自的温度～时间响应曲线即可计算r_i，下面给出详细计算步骤。由公式[2]可以得到：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{r_i^2}{4t_{mi}}\frac{t_0}{(t_{mi}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{mi}}{t_{mi}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}---\&lsqb;7\&rsqb;$

其中，t_mi为第i个测温元件采集到的温度上升到最大值的时长。为了简化表达式，定义

$K_i=\frac{1}{t_{mi}}\frac{t_0}{(t_{mi}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{mi}}{t_{mi}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}---\&lsqb;8\&rsqb;$

假定所测物质是均质的，那么温度探针1中的n个测温元件测得的热扩散率α₁，α₂到α_i应该是相同的。进而根据公式[6]，[7]和[8]，可以得到各个测温元件到加热探针的实际间距之间的关系式：

$r_1^2{K}_1=r_2^2{K}_2=\mathrm{......}=r_n^2{K}_n---\&lsqb;9\&rsqb;$

以上表达式也可以表示为：

$\begin{array}{c}{(r_{10}+a_1{l}_1+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_1^{n-1})}^2{K}_1={(r_{20}+a_1{l}_2+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_2^{n-1})}^2{K}_2=\\ \mathrm{......}={(r_{n0}+a_1{l}_n+\mathrm{......}+a_{n-1}{l}_n^{n-1})}^2{K}_n\end{array}$

$\&lsqb;10\&rsqb;$

其中，K₁,K₂……K_n是由温度时间曲线可以得到的，初始间距也是已知的，这样a₁,a₂……a_n-1便可以求出。然后，结合公式[5]和[6]，各个测温元件距离加热针的实际间距就可以求出了。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统中，若所述温度探针为一个，所述温度探针内沿其轴向设置有三个测温元件，所述数据处理装置，用于根据所述曲线，得到所述测温元件采集到的温度数据上升到最大值的时长，根据所述时长计算所述测温元件和加热探针之间的实际间距，计算公式为 $r_i=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&chi;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}{{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_1}{l}_i+\frac{{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&chi;}}_1-{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}{{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_2}{l}_i^2+r_{i0},$ 其中， ${\mathrm{\&beta;}}_2=l_2^2-l_3^2{P}_2,$ χ₁＝r₂₀P₁-r₁₀，χ₂＝r₃₀P₂-r₂₀，ξ₁＝l₁-l₂P₁，ξ₂＝l₂-l₃P₂， $P_1=\sqrt{\frac{t_{m1}(t_{m1}-t_0)}{t_{m2}(t_{m2}-t_0)}\ln \left(\frac{t_{m1}}{t_{m1}-t_0}\right){\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m2}}{t_{m2}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}},$ $P_2=\sqrt{\frac{t_{m2}(t_{m2}-t_0)}{t_{m3}(t_{m3}-t_0)}\ln \left(\frac{t_{m2}}{t_{m2}-t_0}\right){\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m3}}{t_{m3}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}},$ r_i为第i个测温元件和所述加热探针之间的实际间距，t_mi为第i个测温元件采集到的温度上升到最大值的时长，l_i为第i个测温元件到所述底座的距离，r_i0为第i个测温元件和所述加热探针之间的初始间距，i∈(1,2,3)，t₀为所述加热探针的加热时长。

在实际应用中，三个测温元件是比较经济且实用的选择，所以我们以三个测温元件为例具体来说明一下求解的过程。

首先，我们将三个测温元件的偏转的距离(Δr_i)表示为

${\mathrm{\&Delta;r}}_i={\mathrm{al}}_i+{\mathrm{bl}}_i^2,(i=1,2,3)---\&lsqb;11\&rsqb;$

r_i＝Δr_i+r_i0，(i＝1,2,3)[12]

其中，a,b是二阶多项式的两个系数，当然也可以用a₁,a₂来表示。当a,b都不为0时，此公式表示非线性弯曲，当b为0时，此公式变为了线性弯曲。

然后，根据各自的温度-时间响应曲线计算热扩散系数，由公式[7]可以得到：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_1=\frac{r_1^2}{4t_{m1}}\frac{t_0}{(t_{m1}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m1}}{t_{m1}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_2=\frac{r_2^2}{4t_{m2}}\frac{t_0}{(t_{m2}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m2}}{t_{m2}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}\\ {\mathrm{\&alpha;}}_3=\frac{r_3^2}{4t_{m3}}\frac{t_0}{(t_{m3}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m3}}{t_{m3}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}\end{array}---\&lsqb;13\&rsqb;$

之后，我们定义 $K_1=\frac{1}{t_{m1}}\frac{t_0}{(t_{m1}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m1}}{t_{m1}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1},K_2=$ $\frac{1}{t_{m2}}\frac{t_0}{(t_{m2}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m2}}{t_{m2}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}$ 和 $K_3=\frac{1}{t_{m3}}\frac{t_0}{(t_{m3}-t_0)}{\&lsqb;\ln \left(\frac{t_{m3}}{t_{m3}-t_0}\right)\&rsqb;}^{-1}.$

设定所测物质是均质的，那么温度探针1中的三个测温元件测得的热扩散率α₁，α₂和α₃应该是相同的。进而我们得到各个探针间距之间的关系式:

$\frac{r_1}{r_2}=\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}=P_1---\&lsqb;14\&rsqb;$

$\frac{r_2}{r_3}=\sqrt{\frac{K_3}{K_2}}=P_2---\&lsqb;15\&rsqb;$

P₁和P₂是为了简化表达式而引入的参数。另外，根据公式[14]和[15],P₁和P₂还可以表示为：

$\frac{r_{10}+{\mathrm{al}}_1+{\mathrm{bl}}_1^2}{r_{20}+{\mathrm{al}}_2+{\mathrm{bl}}_2^2}=P_1;\frac{r_{20}+{\mathrm{al}}_2+{\mathrm{bl}}_2^2}{r_{30}+{\mathrm{al}}_3+{\mathrm{bl}}_3^2}=P_2---\&lsqb;16\&rsqb;$

为了求解a和b，可以把以上公式整理为

$\left\{\begin{array}{c}a(l_1-l_2{P}_1)+b(l_1^2-l_2^2{P}_1)=r_{20}{P}_1-r_{10}\\ a(l_2-l_3{P}_2)+b(l_2^2-l_3^2{P}_2)=r_{30}{P}_2-r_{20}\end{array}\right.---\&lsqb;17\&rsqb;$

进一步的简化公式[13]，将l₁-l₂P₁定义为ξ₁；定义为β₁；r₂₀P₁-r₁₀定义为χ₁；l₂-l₃P₂定义为ξ₂；定义为β₂，r₃₀P₂-r₂₀定义为χ₂。公式[13]变为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{a\&xi;}}_1+{\mathrm{b\&beta;}}_1={\mathrm{\&chi;}}_1\\ {\mathrm{a\&xi;}}_2+{\mathrm{b\&beta;}}_2={\mathrm{\&chi;}}_2\end{array}\right.---\&lsqb;18\&rsqb;$

最终求解上述方程组可得到a和b的解为：

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&chi;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}{{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_2-{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_1}\\ b=\frac{{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&chi;}}_1-{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&chi;}}_2}{{\mathrm{\&xi;}}_2{\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&xi;}}_1{\mathrm{\&beta;}}_2}\end{array}\right.---\&lsqb;19\&rsqb;$

运用a和b的值，根据公式[11]和[12]就能求得r₁,r₂和r₃。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，所述数据处理装置，用于根据所述实际间距通过单点法或者非线性参数拟合/回归分析方法计算出所述待测物质的热特性参数。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，所述预设的数值为22。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，每两个相邻的测温元件之间的距离大于或等于2mm，靠近所述温度探针顶端的测温元件到所述温度探针顶端的距离大于或等于6mm，靠近所述底座的测温元件到所述底座的距离大于或等于6mm。

为了增加信噪比，第一测温元件4和第二测温元件5之间，以及第二测温元件5和第三测温元件6相互之间在温度探针1的轴向上的距离要足够远。下面以每个温度探针内有三个测温元件为例，说明测温元件在温度探针的轴线方向上放置的位置所要满足的条件：测温元件距离探针顶端以及底座的距离都应大于或等于6mm，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6mm，靠近底座3的第三测温元件6距离底座3的距离大于或等于6mm。此外，两个相邻测温元件之间的间距不小于2mm，从而使得探针的底端和顶端放置的测温元件所测温度与探针中间位置放置的测温元件所测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保证准确测量。

可选地，在本发明可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，所述温度探针和加热探针由可固化的密封材料灌装在所述底座上。

本发明实施例中，密封材料可用防水、热导率较高和电绝缘性较好的材料，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。

可选地，在本发明可自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，所述密封材料为环氧树脂。

可选地，在本发明可自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的另一实施例中，所述测温元件为热敏电阻或热电偶。

本发明实施例中，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。

如图3所示，本实施例公开一种基于前述实施例任一项所述的可自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的热特性参数测量方法，包括：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的每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，由数据采集处理装置测量得出温度随时间变化的曲线，根据所述温度随时间变化的曲线和初始间距计算出每个测温元件和加热探针之间的原位实际间距，根据所述原位实际间距通过单点法或者，非线性参数拟合或回归方法得出所述待测物质的热特性参数。

本发明实施例所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量方法，通过在所涉及的温度探针中设置至少三个测温元件，并根据至少三个测温元件采集到的温度数据生成温度随时间变化的曲线，根据所述曲线得到测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距计算出所述待测物质的热特性参数，本发明可原位实地自我校正探针间距，因而，相较于探针弯曲后无法进行实地校正，或虽然可以矫正，但是基于线性弯曲校正的现有技术，本发明能够减小非线性弯曲形变引起的探针间距变化导致的热特性参数测量误差，因此，本发明不仅提高了双针热脉冲方法在野外应用于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，另外，该系统结构简单，造价低廉，使用方便，测量快速。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，包括加热探针、底座、加热装置、数据处理装置和至少一个温度探针，其特征在于，

所述温度探针和加热探针沿轴向平行固定在所述底座上，所述加热探针内设置加热丝，所述加热探针的长度与内径的比值大于预设的数值，所述加热探针连接所述加热装置，利用所述加热装置进行加热，每个温度探针内沿其轴向设置有至少三个测温元件，所述数据处理装置连接所述测温元件，用于获取加热探针和温度探针插入待测物质后，所述测温元件采集到的温度数据，生成温度响应曲线，根据所述响应曲线，利用原位间距校正公式计算得到所述测温元件和加热探针之间的实际间距，根据所述实际间距计算得出所述待测物质的热特性参数。

2.根据权利要求1所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，其特征在于，若所述温度探针为一个，所述数据处理装置，用于根据所述曲线，得到所述测温元件采集到的温度数据上升到最大值的时长，根据所述时长计算所述测温元件和加热探针之间的实际间距，计算公式为 $r_i=a_1{l}_i+a_2{l}_i^2+......+a_{n-1}{l}_i^{n-1}+r_{i0},$

其中，a_i由公式

$\begin{array}{c}{\left(r_{10}+a_1{l}_1+......+a_{n-1}{l}_1^{n-1}\right)}^2{K}_1={\left(r_{20}+a_1{l}_2+......+a_{n-1}{l}_2^{n-1}\right)}^2{K}_2=\\ ......={\left(r_{n0}+a_1{l}_n+......+a_{n-1}{l}_n^{n-1}\right)}^2{K}_n\end{array}$

计算，r_i为第i个测温元件和所述加热探针之间的实际间距，l_i为第i个测温元件到所述底座的距离，r_i0为第i个测温元件和所述加热探针之间的初始间距，t_mi为第i个测温元件采集到的温度上升到最大值的时长，i∈(1,2,…,n)，n为所述温度探针内测温元件的数量，t₀为所述加热探针的加热时长。

3.根据权利要求1所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，其特征在于，所述数据处理装置，用于根据所述实际间距通过单点法或者，非线性参数拟合和回归分析方法得出所述待测物质的热特性参数。

4.根据权利要求1所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，其特征在于，所述预设的数值为22。

5.根据权利要求1所述的可自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，其特征在于，每两个相邻的测温元件之间的距离大于或等于2mm，靠近所述温度探针顶端的测温元件到所述温度探针顶端的距离大于或等于6mm，靠近所述底座的测温元件到所述底座的距离大于或等于6mm。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的每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，由数据采集处理装置测量得出温度随时间变化的曲线，根据所述温度随时间变化的曲线和初始间距计算出每个测温元件和加热探针之间的原位实际间距，根据所述原位实际间距通过单点法或者，非线性参数拟合或回归方法得出所述待测物质的热特性参数。