CN107421980B - 变热阻补偿式热阻测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热阻测试系统，包括可控温热沉、变热阻模块、热流传感器、温度传感器、信号处理和控制单元。系统采用变热阻补偿方法进行热阻测试，工作时，变热阻模块会补偿形成与被测物体以所述的热流传感器为基准对称的热流，使所述的热流传感器的热流输出为零，故被测物体的热阻值为所述的变热阻模块的热阻值。补偿方法可减少并消除干扰和测量误差，变热阻模块通过预先标定热阻变化规律，适应不同热阻大小的测试对象。本发明提供的热阻测试系统和变热阻补偿方法环境适应性强、测试时间短、测量精度和稳定性高、检测成本低和便于现场安装使用，大大扩展了稳态热阻测试方法的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种热阻测试方法，特别是一种变热阻补偿方法的热阻测试方法。属于热物理参数测试领域。
背景技术
表示材料导热性的参数有两种：导热率和热阻。其中，导热率用来表示某种材料的导热性，热阻则用来表示某个物件的导热性。
基于热阻原理式的热阻稳态测试方法，即利用温差和热流之间的对应关系进行，由于环境干扰因素多，热平衡很难达到，行业应用存在局限。
补偿测量法是用与被测对象性质相同的已知量去补偿测量，测量时使两者作用相互平衡的测量方法。其特点是： ⑴测量精度高； ⑵不向被测量取用或释放能量； ⑶测量回路无电流流过，因此与连接导线电阻大小无关； ⑷测量准确度与电源稳定性有关。
发明内容
本发明的目的是解决现有热阻稳态测试技术的缺陷，提供一种采用变热阻补偿方法进行热阻测试的方法。简单易行，并能够提高测试精度，适应不同环境。
变热阻补偿式热阻测试系统，其特征在于，包括可控温热沉、变热阻模块、热流传感器、温度传感器、信号处理和控制单元，自近至远沿一维方向依次布置所述的可控温热沉、所述的变热阻模块、所述的热流传感器、被测物体和所述的温度传感器。所述的可控温热沉的温度不随传递外部传递到它的热能大小变化，并且温度内部可控，所述的可控温热沉的温度控制可以是半导体制冷和加热方式以及热工质制冷和加热方式实现，所述的变热阻模块可以是半导体制冷和加热方式以及热工质制冷和加热方式实现，具有基本平行的两个传热基准面，所述的可控温热沉与所述的变热阻模块的近端传热基准面热紧密接触，所述的热流传感器的冷热端分别与所述的变热阻模块的远端传热基准面和被测物体的近端侧热紧密接触，所述的热流传感器可以是不同原理实现的，采用接触式埋入安装和表面贴装以尽量减少对温度场的干扰，被测物体的远端侧沿圆周均布至少3个所述的温度传感器，所述的信号处理和控制单元接受处理所述的热流传感器和所有所述的温度传感器的信号，实现控制所述的可控温热沉的温度并可变化所述的变热阻模块的热阻。
基于一维传热的基本假定和传热学知识，热流通过被测物体的热阻为被测物体的表面温差与流过的热流大小的比值。工作时，所述的可控温热沉和所述的变热阻模块会补偿形成与被测物体以所述的热流传感器为基准对称的热流，变化变热阻模块的热阻，使所述的热流传感器的热流输出为零，则补偿形成的热流与通过被测物体的热流差为零，即热流大小一致，热流方向相反，并且所述的可控温热沉的温度控制在被测物体的表面温度，即被测物体和所述的变热阻模块的表面温度差一致，故被测物体的热阻值为所述的变热阻模块的热阻值。
考虑被测物体的实际传热近似一维热流，属于非稳定传热，由于温度波的时间延迟，实际上在同一时刻所测得的温度值和热流值在时间上不吻合；另一方面，由于被测物体的蓄热作用，同一时刻，不同方向的热流值不一致。上述测试方法采用被测物体的平均温度以及更换被测物体的两端面，消除了上述非稳态传热和被测物体的蓄热误差。
应用所述的变热阻补偿式热阻测试系统进行热阻测试的方法，其特征在于：
1.标定所述的变热阻模块两端传热基准面间的热阻值；
2.布置所述的可控温热沉、所述的变热阻模块、所述的热流传感器、所述的热流传感器、被测物体和所述的温度传感器，并保证热接触紧密；
3.取所述的温度传感器的平均温度作为被测物体的远端温度，控制所述的可控温热沉的温度在被测物体的远端温度；
4.变化所述的变热阻模块的热阻直至所述的热流传感器的热流输出为零，记录当前热阻值；
5.改变被测物体的远端和近端，重复上述步骤（2）（3）（4）得到当前热阻值；
6.取步骤（4）（5）得到的二次当前热阻值的平均热阻值作为被测物体的热阻值。
本发明的有益效果是：测试通过补偿方法实现，可减少并消除环境干扰和测量误差，不存在热流对被测温度场的影响，测试精度高，响应速度快，调节范围大，方便在各种环境测试；消除了近似一维传热、非稳态传热和被测物体的蓄热带来的误差；变热阻模块通过预先标定热阻变化规律，适应不同热阻大小的测试对象，适应范围广；变热阻模块可通过不同方式实现，平衡时间短，响应迅速及时；环境适应性强、测试时间短、测量精度和稳定性高、检测成本低和便于现场安装使用，大大扩展了稳态热阻测试方法的应用领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为实施例中变热阻补偿式热阻测试系统原理示意图。
1可控温热沉，2变热阻模块，3热流传感器，4温度传感器，5信号处理和控制单元，6半导体制冷和加热模块，7换热器，8 紫铜块，9紫铜板，10 绝热材料，11直流电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详述，籍由以下实施例来说明本发明之内容，而非限制本发明之范围。
对建筑围护结构的热阻进行现场检测是评价建筑物的节能效果、确定整个空间的空调负荷、热舒适性设计、节能设计以及空调系统的选择提供可靠的依据。应用本发明可进行建筑维护结构的热阻测试，此时被测物体为建筑围护结构墙体，如图1所示，变热阻补偿式热阻测试系统包括可控温热沉1、变热阻模块2、热流传感器3、温度传感器4、信号处理和控制单元5，自近至远沿一维方向依次布置可控温热沉1、变热阻模块2、热流传感器3、被测物体和温度传感器4，为保证一维传热和消除热干扰，变热阻模块2和热流传感器3外覆盖绝热材料10。温度传感器4为3只pt1000热电阻，沿被测物体的远端侧圆周均布，可控温热沉1的温度控制采用半导体制冷和加热方式，由半导体制冷和加热模块6、换热器7和紫铜块8组成，半导体制冷和加热模块6由信号处理和控制单元5控制在温度传感器4的平均温度，紫铜块8的体积较大，具有较大热容量，变热阻模块2为三明治结构，由两侧的紫铜板9和中间的半导体制冷和加热模块6组成，两侧的紫铜板9为平行布置的平整表面，作为传热基准面，变热阻模块2的变热阻功能通过半导体制冷和加热方式实现，信号处理和控制单元5通过改变半导体制冷和加热模块6的电流方向和大小改变输入和输出的热功率进而变化热阻，可控温热沉1与变热阻模块2的近端传热基准面热紧密接触，热流传感器3是热电堆原理实现，采用表面贴装以尽量减少对温度场的干扰，热流传感器3的冷热端分别与变热阻模块2的远端传热基准面和被测物体的近端侧热紧密接触，信号处理和控制单元5接受并处理热流传感器3和所有温度传感器4的信号，通过控制直流电源11的输出电流方向和大小，改变半导体制冷和加热模块6输入和输出的热功率，实现控制可控温热沉1的温度并改变变热阻模块2的热阻，当热流传感器3的热流输出为零时，得到被测物体的热阻为变热阻模块2的热阻。
变热阻补偿式热阻测试系统进行建筑维护结构的热阻测试的步骤如下，第一步，标定变热阻模块2两端传热基准面间的热阻值，即获知变热阻模块2中半导体制冷和加热模块6的控制电流和热阻的关系；第二步，布置可控温热沉1、变热阻模块2、热流传感器3、被测物体和温度传感器4，并施加压力涂抹导热硅脂以保证热接触紧密；第三步，信号处理和控制单元5接受处理热流传感器3和所有温度传感器4的信号，控制可控温热沉1的温度为温度传感器4的平均温度；第四步，变化变热阻模块2的热阻直至热流传感器的热流输出为零，取作为被测物体的远端温度，记录当前热阻值；第五步，改变建筑维护结构的远端和近端，重复上述第二步、第三步和第四步，得到当前热阻值；第六步，取第四步和第五步得到的二次当前热阻值的平均热阻值作为被测建筑维护结构的热阻值。
根据传热学知识，获知建筑维护结构的热阻值进而可以得到建筑维护结构的导热系数和传热性能。
Claims (5)
1.变热阻补偿式热阻测试系统，包括可控温热沉、变热阻模块、热流传感器、温度传感器、信号处理和控制单元，其特征在于：自近至远沿一维方向依次布置所述的可控温热沉、所述的变热阻模块、所述的热流传感器、被测物体和所述的温度传感器，所述的可控温热沉的温度不随外部传递到它的热能大小变化，并且温度内部可控，所述的变热阻模块具有基本平行的两个传热基准面，所述的可控温热沉与所述的变热阻模块的近端传热基准面紧密接触，所述的热流传感器的冷热端分别与所述的变热阻模块的远端传热基准面和被测物体的近端侧紧密接触，被测物体的远端侧沿圆周均布至少3个所述的温度传感器，所述的信号处理和控制单元接受处理所述的热流传感器和所有所述的温度传感器的信号，实现控制所述的可控温热沉的温度并可变化所述的变热阻模块的热阻。
2.根据权利要求1所述的变热阻补偿式热阻测试系统，其特征在于：所述的可控温热沉的温度控制可以是半导体制冷和加热方式以及热工质制冷和加热方式实现。
3.根据权利要求1所述的变热阻补偿式热阻测试系统，其特征在于：所述的变热阻模块的变热阻功能可以是半导体制冷和加热方式以及热工质制冷和加热方式实现。
4.根据权利要求1所述的变热阻补偿式热阻测试系统，其特征在于：所述的热流传感器可以是不同原理实现的，采用接触式埋入安装和表面贴装以尽量减少对温度场的干扰。
5.应用权利要求1所述的变热阻补偿式热阻测试系统进行热阻测试的方法，其特征在于：
(1)标定所述的变热阻模块两端传热基准面间的热阻值；
(2)布置所述的可控温热沉、所述的变热阻模块、所述的热流传感器、所述的热流传感器、被测物体和所述的温度传感器，并保证热接触紧密；
(3)取所述的温度传感器的平均温度作为被测物体的远端温度，所述的可控温热沉的温度被控制在被测物体的远端温度；
(4)变化所述的变热阻模块的热阻直至所述的热流传感器的热流输出为零，记录当前热阻值；
(5)改变被测物体的远端和近端，重复上述步骤（2）（3）（4）得到当前热阻值；
(6)取步骤（4）（5）得到的两次当前热阻值的平均热阻值作为被测物体的热阻值。
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