CN106841287B - 一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，主要包括主蒸汽加热装置、辅蒸汽加热装置、冷却装置、供水系统、信号采集处理及控制系统、构架及夹紧装置。整体加热单元由主、辅蒸汽加热装置嵌套构成，被测试件核心区和边缘区分别与主、辅蒸汽加热装置顶部器壁紧密接触，主蒸汽加热装置的其它各壁面通过辅蒸汽加热装置提供的与主蒸汽加热装置中温度相等的饱和蒸汽进行非常严格的绝热，被测试件侧面采用空心夹层结构进行高效绝热。被测试件热面严格的均热特性，被测试件核心区热面与边缘区热面严格的等温特性及侧面高效绝热结构设计，赋予被测试件核心区非常严格的一维传热特性，大幅提高稳态法测量热导率的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及材料热导率测量领域，具体涉及一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置。
背景技术
热导率是表征材料导热能力的热物性量，指的是单位温度梯度条件下，材料在单位时间内单位面积上的导热量。其值不仅随材料种类变化，而且还随材料的温度、压力、密度、材料微观结构变化而改变。热导率随物质相态变化很大，固态时最大，气态时最小，液态时介于二者之间。
热导率测定方法分为稳态法和动态法。稳态法是经典测定方法，其原理是基于傅立叶稳态导热模型，由通过被测试件热流、被测试件两测温差及被测试件厚度来计算热导率。稳态法测试原理简单清晰，精确度高，但测量平衡时间长，对测试条件要求较高。稳态法分热流计法和护热平板法。热流计法是国际上较流行的方法，测量精度高(±1％)，重复性好(0.2％)，再现性好(0.5％)，适合于精密测量；缺点是测温范围和热导率测定范围受限，仅用于低热导率材料测量。护热平板法是准确度最高的测定方法，可用于基准样品标定和其它仪器校准；缺点是测量时间长，仪器价格贵，不能用于湿材料、薄膜和涂层热导率测量。
动态法是近几十年发展起来的方法，用于高热导率和高温热导率测量，其原理是通过向样品施加一固定功率热源，通过记录样品温度随时间的变化，由温度随时间变化关系求出热导率。动态法主要分热线法、激光闪射法和瞬变平面热源法。热线法应用较多，是通过在样品中插入一根恒定功率热线，测定热线本身或平行于热线一定距离的温度随时间变化关系，由材料热导率与温度变化率固有关系来确定材料热导率；热线法具有测量速度快，热导率测试范围较宽，测试设备价格低的优点，缺点是测试误差大(5～10％)，不适于精度测量。激光闪射法是最先进的测试方法，是基于样品吸收照射的激光源能量温度升高，通过测量表面温升随时间变化关系来获得被测材料热扩散系数，再基于热扩散系数与热导率、密度、比热容的关系，计算出材料热导率；优点是测量速度快，测量范围宽，测试温度高；因是间接测量，还需测量材料的密度和比热(热态测量时，还需测量膨胀系数)，才能计算出热导率；整个测试系统复杂、昂贵，被测试件预处理要求高，只适合于同性、均质、不透光材料测量。瞬变平面热源法是基于施加在被测试件上的阶跃加热合金圆盘形热源产生的瞬态温度响应，通过测量出被测试件某点过余温度—时间曲线，根据相应的数学模型和改进的高斯牛顿参数估计法计算出被测试件热导率、热扩散率以及体积热容。瞬变平面热源法测试速度快，测试范围广，可用于高温测量，然而其测量精度较低。
由于稳态法的优点，现已广泛用于耐火、保温材料热导率测量，然而现有的稳态法测量结果不能满足较高精度测定需要。稳态法精度主要由被测试件热量的计量精度、热面与冷面温度的均匀性、侧面的绝热性确定。现有的稳态法专利技术，如CN201510933695.3等，是通过在被测试件侧面施加等温面的绝热方法来解决侧面绝热问题，然而在实际实施时并未形成严格的等温面，侧面绝热问题并未得到很好的解决；同时，现有专利技术也未能严格的解决被测试件热面和冷面的均热性问题，加之薄膜热电偶测量试样热面、冷面温度时，因受接触热阻影响，测温可靠性和准确性受到一定的影响。受以上几个因素的复合影响，现有的稳态法热导率测量技术，不能满足热导热率的高精度测量需要。设法提高试样冷、热面温度均匀性、试件侧面的绝热性，并提高试件热面、冷面测温的可靠性，是进一步提高稳态法测量精度必须解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，能很好解决现有技术中被测试件热面温度均匀性及侧面的高效绝热性问题，并能很好保证主加热器发热量全部通过被测试件。
本发明提供以下技术方案：
一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，总体包括主蒸汽加热装置，辅蒸汽加热装置，冷却装置，供水系统，信号采集处理及控制系统，构架及夹紧装置。主蒸汽加热装置由电接点水位传感器、主蒸汽加热装置器壁、主加热器、核心区热面薄膜热电偶(亦称温度传感器)、主蒸汽加热装置压力传感器、主排气管、主排气管控制阀及主蒸汽加热装置支撑柱组成；辅蒸汽加热装置由辅蒸汽加热装置器壁、辅加热器、边缘区热面薄膜热电偶(亦称温度传感器)、辅蒸汽加热装置压力传感器、辅排气管、辅排气管控制阀和侧面绝热套组成；冷却装置由冷面薄膜热电偶和冷却水槽组成；供水系统由冷却水供水系统和蒸馏水供水系统组成，其中：冷却水供水系统由冷却水控制阀、高位冷却水水箱以及供水管道组成；蒸馏水供水系统由主蒸汽加热装置进水调节电磁阀、辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀、水泵、蒸馏水水箱及供水管道组成；信号采集处理及控制系统由各温度传感器、各压力传感器、电接点水位传感器、A/D转换器、微机及执行器构成；构架及夹紧装置由金属螺纹立柱、底座板、夹紧板、螺母及填片构成。
所述的一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置中整体加热单元由主蒸汽加热装置及辅蒸汽加热装置构成，主蒸汽加热装置器壁嵌套在辅蒸汽加热装置器壁内。主蒸汽加热装置顶部器壁加热与之紧密接触被测试件核心区域，主蒸汽加热装置的其它各器壁通过辅蒸汽加热装置提供的与主蒸汽加热装置中温度相等的饱和蒸汽进行非常严格的绝热。
所述的主蒸汽加热装置器壁、辅蒸汽加热装置器壁通过各进水调节电磁阀、供水管道与蒸馏水水箱相连。主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置都分别设有主排气管和辅排气管。主排气管、辅排气管分别装有主蒸汽加热装置压力传感器和辅蒸汽加热装置压力传感器，通过压力传感器采集的饱和蒸汽压力信号经A/D转换后输入微机，经微机处理后实现对主加热器、辅加热器加热功率的控制。
主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置底部分别装有主加热器、辅加热器，主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置都是采用饱和蒸汽加热的方式加热被测试件，饱和蒸汽是通过加热器加热蒸馏水产生。被测试件核心区域置于主蒸汽加热装置顶部器壁与冷却水槽之间，且三者之间紧密相贴，同时被测试件边缘区域与辅蒸汽加热装置顶部器壁也紧密相贴。被测试件核心区域与主蒸汽加热装置顶部器壁的接触面为核心区热面，被测试件边缘区域与辅蒸汽加热装置顶部器壁的接触面为边缘区热面，被测试件与冷却水槽的接触面为冷面。核心区热面薄膜热电偶、边缘区热面薄膜热电偶及冷面薄膜热电偶分别被镶嵌于核心区热面、边缘区热面和冷面。
所述的主加热器、辅加热器、核心区热面薄膜热电偶、主蒸汽加热装置压力传感器、辅蒸汽加热装置压力传感器、边缘区热面薄膜热电偶、冷面薄膜热电偶以及电接点水位传感器采集的信号通过A/D转换器转换成数字信号后输入微机贮存处理，并显示采集的数据及测试的计算结果。
所述的主加热器和辅加热器均为同类功率可调的加热器，其加热功率由微机根据设定的热面温度、测试过程中采集的主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置饱和蒸汽压力信号、被测试件核心区与边缘区热面薄膜热电偶温度信号以及设定的控制程序进行控制。
所述的被测试件侧面绝热套安装在被测试件四周，并与其紧密相贴。侧面绝热套为带有空心夹层的绝热结构，由内到外分别由硅酸铝纤维板、镀银薄铝板构成的封闭空心夹层、泡沫绝热板。此绝热套由金属丝固定，且对空心夹层抽真空。
所述的冷却装置中冷却水槽设有进水管(下)和出水管(上)，冷却水水温控制在20—25℃。
所述的高位冷却水水箱用于冷却水槽的供水；所述主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置供水由蒸馏水水箱提供。
所述的构架及夹紧装置中，金属螺纹立柱通过底座板螺孔、螺母、填片安装在底座板上，辅助蒸汽加热装置、被测试件、冷却水槽、夹紧板依下而上进行安装。通过金属螺纹立柱上的上螺母旋转对夹紧板加压，确保其间的紧密接触。
本发明专利具备以下优点：
1.采用加热器产生的饱和蒸汽对被测试件热面进行加热，由于气体分布非常均匀的特性，很好的解决已公布的同类专利未能解决的热面温度均匀性问题。
2.采用辅蒸汽加热装置器壁内嵌套主蒸汽加热装置结构，通过调节主、辅蒸汽加热装置中加热器功率实现二者饱和蒸汽压力严格相等，进而实现了主、辅加热装置饱和蒸汽温度的严格相等(饱和蒸汽压力和温度的固有特性)，实现了主蒸汽加热装置非接触器壁的非常严格的绝热，进而确保了测试过程达到稳定时，主加热器加热功率与被测试件核心区通过的导热量严格相等。
3.主蒸汽加热装置嵌套于辅蒸汽加热装置中，通过调节主、辅蒸汽加热装置中饱和蒸汽温度致相同值，赋予了被测试件核心区热面、边缘区热面温度的严格相等，被测试件侧面绝热套(从内到外依次为硅酸铝保温纤维板、薄铝板构成的封闭空心镀银夹层、泡沫绝热板)赋予被测试件侧面的严格绝热，以上特性的共同叠加，确保了被测试件的一维导热特性。
本发明专利上述优点，大幅提高了稳态法测量热导率的精度。
附图说明
图1为本发明总体装置结构示意图；
图2为本发明中被测试件侧面绝热套结构示意图；
图3为本发明的信号采集处理及控制系统原理图。
图中：1.电接点水位传感器；2.主蒸汽加热装置器壁；3.主加热器；4.核心区热面薄膜热电偶×2；5.主蒸汽加热装置压力传感器；6.主排气管；7.主排气管控制阀；8.主蒸汽加热装置支撑柱×2；9.辅蒸汽加热装置器壁；10.辅加热器；11.边缘区热面薄膜热电偶×2；12.辅蒸汽加热装置压力传感器；13.辅排气管；14.辅排气管控制阀；15.侧面绝热套(15a.硅酸铝纤维板；15b.镀银薄铝板构成的封闭空心夹层；15c.泡沫绝热板；15d.金属丝)；16.冷面薄膜热电偶×2；17.冷却水槽；18.冷却水控制阀；19.高位冷却水水箱；20.主蒸汽加热装置进水调节电磁阀；21.辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀；22.水泵；23.蒸馏水水箱；24.A/D转换器；25.微机；26.执行器；27.金属螺纹立柱×4；28.底座板；29.夹紧板；30.螺母×8；31.填片×4。
具体实施方式
结合附图，对本发明专利一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置的实施方案进行进一步的说明。
图1为本发明总体装置结构示意图，包括主蒸汽加热装置、辅蒸汽加热装置、冷却系统、供水装置、信号采集处理及控制系统、构架及夹紧装置。主蒸汽加热装置由电接点水位传感器1、主蒸汽加热装置器壁2、主加热器3、核心区热面薄膜热电偶4(亦称温度传感器)、主蒸汽加热装置压力传感器5、主排气管6、主排气管控制阀7及主蒸汽加热装置支撑柱8组成；辅蒸汽加热装置由辅蒸汽加热装置器壁9、辅加热器10、边缘区热面薄膜热电偶11(亦称温度传感器)、辅蒸汽加热装置压力传感器12、辅排气管13、辅排气管控制阀14和侧面绝热套15组成；冷却装置由冷面薄膜热电偶16和冷却水槽17组成；供水系统由冷却水供水系统和蒸馏水供水系统组成，其中：冷却水供水系统由冷却水控制阀18、高位冷却水水箱19以及供水管道组成；蒸馏水供水系统由主蒸汽加热装置进水调节电磁阀20、辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀21、水泵22、蒸馏水水箱23及供水管道组成；信号采集处理及控制系统由各温度传感器(4、11、16)、各压力传感器(5、12)、电接点水位传感器1、A/D转换器24、微机25及执行器26构成；构架及夹紧装置由金属螺纹立柱27、底座板28、夹紧板29、螺母30及填片31构成。
图2为本发明中侧面绝热套结构示意图，所述的侧面绝热套15结构由内到外分别为硅酸铝纤维板15a、镀银薄铝板构成的封闭空心夹层15b、泡沫绝热板15c。此绝热套由金属丝15d固定，且对空心夹层抽真空。
图3为本发明的信号采集处理及控制原理示图，主加热器3、辅加热器10、核心区热面薄膜热电偶4、边缘区热面薄膜热电偶11、冷面薄膜热电偶16、主蒸汽加热装置压力传感器5、辅蒸汽加热装置压力传感器12及电接点水位传感器1采集的信号通过A/D转换器24转换成数字信号后输入微机25贮存处理，并显示采集的数据及测试的计算结果。微机25根据采集的信号和设定的程序发出指令实现对主加热器3、辅加热器10加热功率、冷却水槽控制阀18、主蒸汽加热装置进水调节电磁阀20、辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀21及主排气管控制阀7、辅排气管控制阀14的调控，测试过程完成后，微机25自动完成测量数据处理，获得测试结果，并能根据需要调出所测试的各种信号纪录和计算记录。
本发明是基于饱和蒸汽加热的一种稳态热导率测定装置，其工作原理是：由功率可调的主、辅加热器(3、10)产生同温度的饱和蒸汽分别对与主蒸汽加热装置、辅蒸汽加热装置顶部器壁紧密接触的被测试件核心区和边缘区热面进行均匀的等温加热，被测试件冷面通过与其紧密接触的冷却水槽17顶部器壁均匀冷却，被测试件侧面通过高效绝热套进行绝热，被测试样核心区和边缘区热面温度及冷面温度通过镶嵌的薄膜热电偶测得，主、辅蒸汽加热装置的饱和蒸汽温度由压力传感器(5、12)测得的压力信号转换获得。测试装置传热稳定后，由于主蒸汽加热装置嵌套在辅助蒸汽加热装置中，二者饱和蒸汽温度相同时，主蒸汽加热装置器壁2非测试件接触面受到严格的绝热，主加热器3功率与通过被测试样核心区的热量完全相等；被测试件核心区和边缘区热面严格的等温控制以及被测试件侧面的严格绝热，赋予了被测试件严格的一维导热特性。基于主加热器3加热功率、被测试件核心区面积及冷、热面温差，被测试件热导率由傅里叶一维稳态导热模型计算得出。
本发明专利的工作过程如下：首先打开冷却水控制阀18，让冷却装置中冷却水循环流动；继则打开水泵22，通过主蒸汽加热装置进水调节电磁阀20、辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀21将进水调节至主、辅蒸汽加热装置容积60％后，启动主加热器3，并按设定热面的温度调节主加热器3的初始功率，与此同时，辅蒸汽加热装置进行相同的操作。
当主、辅蒸汽加热装置中的饱和蒸汽达到设定值时，打开主、辅排气管控制阀(7、14)，驱赶主、辅蒸汽加热装置的中残留的空气，至压力降到一定值时，关闭主、辅排气管控制阀。以上反复多次操作，直到加热装置中和空气被排放干净。
本发明装置开始测试后，根据设定的热面温度和对应的初始功率，微机25根据采集的主蒸汽加热装置和辅蒸汽加热装置中的饱和蒸汽压力信号、被测试件核心区和边缘区热面薄膜热电偶(4、11)温度信号，自动调节主加热器3和辅加热器10的功率，确保主、辅蒸汽加热装置中饱和蒸汽温度相等。当测试过程处于传热稳定状时，微机25自动读取主、辅加热器的功率、被测试件核心区热面温度、被测试件冷面温度(被测试件厚度及核心区域面积由键盘输入微机中)。根据如下一维稳态导热模型计算被测试件热导率。
式中：
λ—(tr+tl)/2温度下被测试样热导率；
tr—被测试样核心区热面温度；
tl—被测试件冷面温度；
Qr—主加热器功率；
F—被测试件核心区面积；
δ—被测试样厚度；
重新设定新的热面温度，重复上述操作，完成被测试件不同温度条件下的热导率测定。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明核心的前提下，还可以做出若干变形和改进(包括用油做为加热和冷却介质)，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，总体包括主蒸汽加热装置、辅蒸汽加热装置、冷却装置、供水系统、信号采集处理及控制系统、构架及夹紧装置；主蒸汽加热装置由电接点水位传感器(1)、主蒸汽加热装置器壁(2)、主加热器(3)、核心区热面薄膜热电偶(4)、主蒸汽加热装置压力传感器(5)、主排气管(6)、主排气管控制阀(7)及主蒸汽加热装置支撑柱(8)组成；辅蒸汽加热装置由辅蒸汽加热装置器壁(9)、辅加热器(10)、边缘区热面薄膜热电偶(11)、辅蒸汽加热装置压力传感器(12)、辅排气管(13)、辅排气管控制阀(14)和侧面绝热套(15)组成；冷却装置由冷面薄膜热电偶(16)和冷却水槽(17)组成；供水系统由冷却水供水系统和蒸馏水供水系统组成，其中：冷却水供水系统由冷却水控制阀(18)、高位冷却水水箱(19)以及供水管道组成；蒸馏水供水系统由主蒸汽加热装置进水调节电磁阀(20)、辅蒸汽加热装置进水调节电磁阀(21)、水泵(22)、蒸馏水水箱(23)及供水管道组成；信号采集处理及控制系统由各温度传感器(4、11、16)、各压力传感器(5、12)、电接点水位传感器(1)、A/D转换器(24)、微机(25)及执行器(26)构成；构架及夹紧装置由金属螺纹立柱(27)、底座板(28)、夹紧板(29)、螺母(30)及填片(31)构成。
2.根据权利要求书1所述的一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，其特征是：所述的主、辅蒸汽加热装置是通过主、辅加热器(3、10)加热蒸馏水产生饱和蒸汽从而实现对被测试件核心区和边缘区热面的均匀加热。
3.根据权利要求书1所述的一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，其特征是：所述的主蒸汽加热装置嵌套在辅蒸汽加热装置中，并通过对主、辅蒸汽加热装置中饱和蒸汽压力的精确控制来实现两者蒸汽温度的严格相等，确保了主蒸汽加热装置除顶部器壁外其它壁面的严格绝热及测试件核心区热面和边缘区热面的严格等温，从而确保了通过测试件核心区的热量与主加热器(3)功率的完全相等。
4.根据权利要求书1所述的一种基于饱和蒸汽加热的高精度平板法热导率测定装置，其特征是：所述的侧面绝热套(15)由硅酸铝纤维板(15a)、镀银薄铝板构成的封闭空心夹层(15b)、泡沫绝热板(15c)、金属丝(15d)构成，并对空心夹层抽真空，此种结构赋予被测试件侧面严格的绝热特性及被测试件核心区严格的一维导热特性。
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