CN106645284A - 一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法。加热单元包括Hot Spring传感器、绝热夹具；保温单元包括空气浴恒温箱以及相应的温度计和热量控制器；测量单元包括数采设备、测量电路以及与Hot Spring传感器相连的热量控制器件和电势测量器件；计算单元根据加热量和Hot Spring传感器的热电势时间响应数据，计算得出待测圆管材料的导热系数。测量方法基于瞬态热源法测量原理，将Hot Spring传感器置于圆管外表面，既作为加热元件又作为测温元件。电流通过Hot Spring传感器内金属丝产生热量加热待测圆管，通过分析传感器的温度时间响应数据，即可计算得出圆管材料的导热系数。

Description

一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于固体热物理性质测量领域，涉及一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法。

背景技术

近年来，随着世界经济的飞速发展，能源紧缺问题日益严重，各个工业领域的节能问题逐渐成为研究热点。我国幅员辽阔，许多发达城市都位于温带及亚寒带，如何解决这些城市中的建筑节能问题对缓解地区能源紧缺问题有着深远意义。钢结构圆管不仅是建筑领域暖通设计和其他工业领域中重要的基础结构材料，而且是能量传递过程最常用的结构材料。导热系数是描述热量传递过程的重要基础热物性参数，直接决定着钢结构圆管柱换热能力的强弱，是建筑暖通设计中重要的基础数据。如何快速准确的测量圆管材料的导热系数是工业领域亟待解决的基础问题。

现有的固体材料导热系数测量方法可分为稳态法和瞬态法两大类。稳态法是控制热流从待测样品一端流向另一端，使两端形成稳定的温差，根据傅里叶导热定律计算得出导热系数。稳态法主要包括：棒体法、热板法、保护热板法等。瞬态法是向待测样品提供稳定已知的热量，在待测样品内建立随时间变化的非稳态温度场，根据待测样品的温度变化，结合提供给待测样品的热量计算得出导热系数。瞬态法主要包括：热线法、闪光法、TPS法等。但这些方法都要求对待测样品进行平整加工，在工程实际中，测量管状样品极不方便，且对管状样品的重加工通常会带来导热系数的变化。鉴于此，本发明提出了一种测量系统及其测量方法，适用于测量圆管材料的导热系数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆管材料导热系数测量系统及其测量方法，可有效测量圆管材料的导热系数。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

提供了一种圆管材料导热系数测量系统包括：加热单元、保温单元、测量单元和计算单元四个部分。其中加热单元直接包裹待测圆管材料，对其进行加热；保温单元用于放置加热单元及待测圆管材料，为实验提供稳定的环境温度；测量单元连接加热单元，测量待测圆管材料表面的温度时间响应；计算单元连接测量单元对测得的温度时间响应进行分析计算，得出待测圆管材料的导热系数。

下面对系统的各个单元进行详细的介绍：

加热单元，由Hot Spring传感器、绝热夹具、填充于待测圆管内的耐高温绝热棉组成。Hot Spring传感器紧贴于待测圆管外表面，各加热丝与待测圆管横截面平行。绝热夹具加紧Hot Spring传感器及待测圆管，由紧固螺栓固定。高温绝热棉紧密填充于待测圆管内。保温单元，由用于放置绝热夹具及待测圆管的空气浴恒温箱以及相应的温度传感器和热量控制器件组成。测量单元，由数采设备、测量电路以及位于测量电路中的热量控制器件和电势测量器件组成。热量控制器件与Hot Spring传感器相连，用于设定对待测圆管的加热量。电势测量器件与Hot Spring传感器相连，用于测量加热过程中接入Hot Spring传感器的热电势。计算单元，根据加热量和Hot Spring传感器的热电势时间响应数据，基于预先设计好的计算模型和计算方法，计算得出待测圆管材料的导热系数。

在本发明提供的导热系数测量系统中具有如下特征：Hot Spring传感器由镍金属薄片刻蚀而成，方波型，镍金属薄片厚度小于等于25μm，上下表面均附着聚酰亚胺薄膜做绝缘处理，聚酰亚胺薄膜厚度小于等于20μm。未刻蚀部分宽度小于等于0.2mm，形成多组与待测圆管外壁周长相等的平行加热丝，且相邻加热丝之间的距离相等，加热丝弯转成圆环状以易贴于待测圆管表面。加热丝的输入端和输出端各有两个分开的电线接口。

在本发明提供的导热系数测量系统中具有如下特征：绝热夹具本体为氧化硅陶瓷，侧翼设有螺栓孔，内侧有半圆柱型凹槽，半径等于待测圆管外径，凹槽附着聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜厚度大于等于0.2mm。

本发明提供了一种针对于上述导热系数测量装置的导热系数测量方法，包括以下步骤：

步骤1、用高温导热胶将所述Hot Spring传感器贴于待测圆管表面，使传感器各加热线相互平行，形成相互平行的加热圆环，且与待测圆管轴向垂直，再用两个绝热夹具夹紧待测圆管及贴好的Hot Spring传感器，保证传感器在夹具凹槽的中心位置，将所述绝热夹具侧翼的紧固螺栓上紧，使绝热夹具和传感器之间、传感器和待测圆管之间没有空隙，最后在待测圆管内部填充高温保温棉并压紧；

步骤2、将所述电势测量器件连接Hot Spring传感器的输入端和输出端，数采设备连接电势测量器件，热量控制器件连接Hot Spring传感器另一对输入端和输出端接口，将绝热夹具、Hot Spring传感器和待测圆管一同放入空气浴恒温箱，温度调节为待测导热系数所对应的环境温度；

步骤3、将热量控制器件设定加热量，接通电路，使传感器对待测圆管进行加热，电势测量器件测量Hot Spring传感器的热电势，数采设备记录所述Hot Spring传感器的热电势与时间的响应，记录数据点后，断开电路，使Hot Spring传感器和待测圆管的温度冷却至待测导热系数所对应的环境温度，重复上述操作，记录多组数据，求出对应时间点的热电势平均值；

步骤4、加热量恒定，根据热电势平均值即可求对应时间点Hot Spring传感器的电阻值。由电阻值及相应的电阻温度系数即可根据如下公式计算得出Hot Spring传感器在对应时间点的平均温度：

式中：R₀为Hot Spring传感器初始时刻在环境温度下的电阻值，R为实验过程中测得的Hot Spring传感器上的热电势，α为电阻温度系数。

进而根据如下计算模型推导得出待测圆管的导热系数λ：

式中：P₀为Hot Spring传感器的加热功率，a为待测圆管材料的外径。这里D(τ)是无量纲的时间函数，由下式给出：

式中：(2n+1)是加热圆环的总数量。σ是引入的时间参数，σ²＝κ(t-t′)/a²，其中t′是初始的加热时刻，t-t′即为总的加热时长。κ是待测圆管材料的热扩散率。h是每个加热环之间的距离。τ是t′＝0时σ的特殊值，τ＝(κt)^0.5/a。I₀(x)是零阶贝塞尔函数的第一类修正：

本发明的有益效果体现在：

本发明参考传统的Hot Disk瞬态导热系数测量法，建立了一套可测量管状材料导热系数的实验系统并提供了其具体的使用方法，简化了实验装置，在不降低测量精度的前提下，提高了实验系统的适用性。

附图说明

图1是薄壁圆管材料导热系数测量系统原理图；

图2是绝热夹具图；

图3是Hot Spring传感器图；

图中：1.电源，2.热量控制器件，3.电势测量器件，4.数采设备，5.绝热夹具，6.HotSpring传感器，6-1.Hot Spring传感器平面加工图，6-2.Hot Spring传感器成型图，7.恒温箱，8.待测圆管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，包括绝热夹具5、Hot Spring传感器6、数采设备4和恒温箱7。其中，数采设备4与Hot Spring传感器6为导热系数测量的主要部分，绝热夹具5与恒温箱7为温度控制的主要部分。

参见图2，绝热夹具5为一种由氧化铝陶瓷外壳和绝缘绝热层组成的绝热固定装置。为满足绝缘性和绝热性的要求，在本实施实例中，使用的氧化铝陶瓷的导热系数小于等于8W/(m·K)，电阻率大于等于10¹⁸Ω·m。工程实践中通常会在较高温度下测量待测圆管材料的导热系数，为防止绝热夹具5在高温下热变形压坏待测圆管材料，本实施实例中，绝热夹具5使用的氧化铝陶瓷热膨胀系数小于等于7×10^-6m/(m·K)。绝热夹具5的长度为60mm，内侧圆柱凹槽的半径为17.75mm，外侧半圆柱面的半径为43mm。绝热夹具5侧翼厚度为15mm，贴合平面的宽度为50mm，距上下边缘15mm处各有一个螺栓孔，贴合平面共有4个螺栓孔，用于在实验过程中连接两个绝热夹具5，夹紧待测圆管8。绝热夹具5内侧圆柱凹槽贴有聚酰亚胺薄膜，起到绝缘绝热和保护Hot Spring传感器6的作用其厚度为0.2mm，导热系数小于等于0.4W/(m·K)，电阻率大于等于10¹⁹Ω·m，热膨胀系数小于等于25×10^-6m/(m·K)。

参见图3，Hot Spring传感器6的加工平面图为6-1，实际状态为6-2，本实施实例中，使用的Hot Spring传感器6采用纯镍金属制成，厚度为25μm，外附20μm的聚酰亚胺绝缘薄膜，总长度为55mm，总宽度为16mm，每条加热丝的宽度为0.2mm。实验过程中Hot Spring传感器6紧贴于待测圆管8外侧，加热丝与待测圆管8的轴向垂直。本实施实例中，使用的待测圆管的外径为17.5mm，壁厚为1mm，长度为60mm。

所述绝热夹具5内侧的绝缘绝热层采用聚酰亚胺材料，紧贴Hot Spring传感器6的外表面。实验过程中，两块绝热夹具5由紧固螺栓上紧以保证Hot Spring传感器6与待测圆管8之间没有空隙，防止热量损失，同时固定Hot Spring传感器6和待测圆管8的位置，防止实验过程中Hot Spring传感器6与待测圆管8发生相对位移引起测量误差。整个装置置于恒温箱7中，以保证测量过程中的环境温度恒定。本实施实例中，恒温箱7采用JWC-32C1型精密恒温槽，输入电压220V，输入电流6A，加热器功率1kW，控温范围0～80℃，容积42L，槽温波动±0.01℃。

参见图1，Hot Spring传感器6的一组输入输出端连接电源1和热量控制器件2，形成回路，保证实验过程中电源1向Hot Spring传感器6输入稳定的电流，形成恒定的加热功率P₀。本实施实例中，热量控制器件2采用PZ2003-AX1功率控制仪，供电电压220V，输入电压0～5V，输出电压0～24V，输出电流0～50mA，误差±0.3％。Hot Spring传感器6的另一组输入输出端连接电势测量器件3和数采设备4。本实施实例中，使用的电势测量器件3为SP2271型数字毫伏表，供电电压220V，量程0.8mV～10mV，误差±2％。数采设备4采用8^1/2位的吉时利2002型数字万用表。数采设备4记录实验过程中Hot Spring传感器6的热电势时间相应，根据Hot Spring传感器6的电阻温度系数计算出待测圆管8外表面温度随时间变化的规律，进而计算得出待测圆管8的导热系数。

系统的工作原理

实验开始前用绝热夹具5将Hot Spring传感器6和待测圆管8固定好，置入恒温箱7中。运用恒温箱7将绝热夹具5周围的环境温度调节至待测温度。Hot Spring传感器6既是加热元件又是测温元件，数采设备4可通过测量其热电势，计算Hot Spring传感器6的电阻，根据电阻温度系数计算得出其温度。由于Hot Spring传感器6由金属镍和聚酰亚胺薄膜制成，且本身厚度不足80μm，热容极小，传感器本身与待测圆管8的外壁紧贴，可忽略接触热阻造成的热量损失。因此Hot Spring传感器6的温度即为待测圆管8的外壁温度，Hot Spring传感器6所释放的热量即为待测圆管吸收的热量。

本实验使用低电压、小功率测量手段进行测量。通常设定的加热功率P₀<0.5W。实验开始时，在t′＝0时刻打开电源1为Hot Spring传感器6供给电流，使其产生稳定的加热功率P₀，Hot Spring传感器6和待测圆管8的外壁同时升温，应用数采设备4监测Hot Spring传感器的阻值变化，就能得到待测圆管8外壁在t′＝t时刻的温度上升：

其中：R是Hot Spring传感器6t时刻的总电阻，R₀是t′＝0时刻的电阻值，α是HotSpring传感器6的电阻温度系数(TCR)，本发明中为镍的电阻温度系数0.0069K^-1。

假设Hot Spring传感器6共有2n+1条相互平行的加热丝，每条加热丝间的距离是h，待测圆管8的外表面的半径为a，导热系数为λ，则待测圆管8外壁的温度上升可由HotSpring传感器6的加热功率P₀计算得出：

这里D(τ)是无量纲的时间函数，由下式给出：

该公式是针对圆管材料推导的Hot Spring传感器6温升计算公式，式中τ＝(κt)^1/2/r，κ为待测圆管8的热扩散率。I₀是贝塞尔函数零阶的第一类修正函数：

公式中的由数采设备4测得，D(τ)由对应的采集时刻计算得出。Τ中的κ值是未知的，正确的κ值使和D(τ)呈线性关系。应用最小二乘法对自变量D(τ)和因变量进行线性回归。可由回归所得直线的斜率计算得出待测圆管材料的导热系数λ。

本发明在不降低测量精度的前提下，避免了对管状待测样品的重加工，简化了实验装置，增强了实验系统的独立性，保障了其在工程实践中的应用前景。

Claims (10)

1.一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：

包括加热单元、保温单元、测量单元和计算单元四个部分，其中加热单元直接包裹待测圆管材料，对其进行加热；保温单元用于放置加热单元及待测圆管材料，为实验提供稳定的环境温度；测量单元连接加热单元，测量待测圆管材料表面的温度时间响应；计算单元连接测量单元对测得的温度时间响应进行分析计算，得出待测圆管材料的导热系数。

2.根据权利要求1所述的一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：所述的加热单元，包括Hot Spring传感器、绝热夹具、填充于待测圆管内的耐高温绝热棉，所述HotSpring传感器紧贴于待测圆管外表面，各加热丝与待测圆管横截面平行。所述绝热夹具加紧Hot Spring传感器及待测圆管，由紧固螺栓固定，所述高温绝热棉紧密填充于待测圆管内。

3.根据权利要求1所述的一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：保温单元，包括用于放置绝热夹具及待测圆管的空气浴恒温箱以及相应的温度传感器和热量控制器件。

4.根据权利要求1所述的一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：测量单元，包括数采设备、测量电路以及位于测量电路中的热量控制器件和电势测量器件，所述热量控制器件与Hot Spring传感器相连，用于设定对待测圆管的加热量。所述电势测量器件与HotSpring传感器相连，用于测量加热过程中接入Hot Spring传感器的热电势。

5.根据权利要求1所述的一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：计算单元，根据加热量和Hot Spring传感器的热电势时间响应数据，基于预先设计好的计算模型和计算方法，计算得出待测圆管材料的导热系数。

6.根据权利要求1一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：所述Hot Spring传感器由镍金属薄片刻蚀而成，方波型，镍金属薄片厚度小于等于等于25μm，未刻蚀部分宽度小于等于0.2mm，形成多组平行加热丝，且相邻加热丝之间的距离相等。

7.根据权利要求2一种圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：所述镍金属薄片上下表面均附着聚酰亚胺薄膜做绝缘处理，聚酰亚胺薄膜厚度小于等于20μm，所述平行加热丝长度等于待测圆管外壁周长，弯转成圆环状，所述镍金属薄片在加热丝的输入端和输出端各有两个分开的电线接口。

8.根据权利要求1所述圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：所述绝热夹具内侧有半圆柱型凹槽，半径等于待测圆管外径加上聚酰亚胺薄膜厚度，绝热夹具本体为氧化硅陶瓷，侧翼设有螺栓孔。

9.根据权利要求1所述圆管材料导热系数测量系统，其特征在于：绝热夹具内侧有半圆柱型凹槽附着聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜厚度大于等于0.2mm。

10.一种根据权利要求1所述圆管材料导热系数测量系统中施行的导热系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、用高温导热胶将所述Hot Spring传感器贴于待测圆管表面，使传感器各加热线相互平行，形成相互平行的加热圆环，且与待测圆管轴向垂直，再用两个绝热夹具夹紧待测圆管及贴好的Hot Spring传感器，保证传感器在夹具凹槽的中心位置，将所述绝热夹具侧翼的紧固螺栓上紧，使绝热夹具和传感器之间、传感器和待测圆管之间没有空隙，最后在待测圆管内部填充高温保温棉并压紧；

步骤2、将所述电势测量器件连接Hot Spring传感器的输入端和输出端，数采设备连接电势测量器件，热量控制器件连接Hot Spring传感器另一对输入端和输出端接口，将绝热夹具、Hot Spring传感器和待测圆管一同放入空气浴恒温箱，温度调节为待测导热系数所对应的环境温度；

步骤3、将热量控制器件设定加热量，接通电路，使传感器对待测圆管进行加热，电势测量器件测量Hot Spring传感器的热电势，数采设备记录所述Hot Spring传感器的热电势与时间的响应，记录数据点后，断开电路，使Hot Spring传感器和待测圆管的温度冷却至待测导热系数所对应的环境温度，重复上述操作，记录多组数据，求出对应时间点的热电势平均值；

步骤4、加热量恒定，根据热电势平均值即可求对应时间点Hot Spring传感器的电阻值。由电阻值及相应的电阻温度系数即可根据如下公式计算得出Hot Spring传感器在对应时间点的平均温度：

式中：R₀为Hot Spring传感器初始时刻在环境温度下的电阻值，R为实验过程中测得的Hot Spring传感器上的热电势，α为电阻温度系数。

进而根据如下计算模型推导得出待测圆管的导热系数λ：

式中：P₀为Hot Spring传感器的加热功率，a为待测圆管材料的外径。这里D(τ)是无量纲的时间函数，由下式给出：

式中：(2n+1)是加热圆环的总数量。σ是引入的时间参数，σ²＝κ(t-t′)/a²，其中t′是初始的加热时刻，t-t′即为总的加热时长。κ是待测圆管材料的热扩散率。h是每个加热环之间的距离，τ是t′＝0时σ的特殊值，τ＝(κt)^0.5/a。I₀(x)是零阶贝塞尔函数的第一类修正：