CN108107073A - 基于镜像热源原理的固体材料热物性测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体材料热物性参数测试技术领域，具体涉及基于镜像热源原理的固体材料热物性测试系统及方法，数据采集模块包括测温热电偶，AD转换器与计算机，测温热电偶安装在试样的上表面，测温热电偶通过导线与信号处理单元连接，信号处理单元将数据通过导线输入计算机中，显示并保存。基于平行热线法结合镜像热源原理，提出了一种新的固体材料热物性参数测算模型，在热线法测试原理的基础上，以试样绝热边界为界线，设与真实热源对称位置处存在虚拟镜像热源，以此消除绝热边界造成的热积聚效应影响，从而测试时可不需再限制实验时间和试样厚度，有效提升了热线法测试精度和降低实验操作难度。

Description

基于镜像热源原理的固体材料热物性测试系统及方法

技术领域：

本发明属于固体材料热物性参数测试技术领域，具体涉及基于镜像热源原理的固体材料热物性测试系统及方法。

背景技术

随着我国对节能减排的日益重视，各种新型材料层出不穷，材料热物性参数测试方法方面的研究将得到持续关注和发展。现有测试方法中，非稳态热源法因测试效率较高得到广泛应用，并被作为耐火材料和非金属固体材料热导率的标准测定方法。但为了满足热源法原理模型的无限大介质条件，热源法测试标准对试样厚度进行了明确要求，如果试样厚度不够，则需采用熔融手段进行加厚，同时对试样厚度和实验时间进行限定，不利于实验操作，使其应用范围受到限制。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明解决了为了满足热源法原理模型的无限大介质条件，热源法测试标准对试样厚度进行了明确要求，如果试样厚度不够，则需采用熔融手段进行加厚，同时对试样厚度和实验时间进行限定，不利于实验操作，使其应用范围受到限制的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统，包括试样、实验箱体、数据采集模块与加热装置，所述实验箱体为封闭式结构且其上表面活动设置有端盖；

所述数据采集模块包括测温热电偶、AD转换器与计算机，所述测温热电偶电连接所述AD转换器连接，所述AD转换器电连接所述计算机；

所述加热装置包括热源与稳压电源，所述热源为电热丝，所述电热丝电连接所述稳压电源且具有恒定功率q；

优选的，所述电热丝由镍铬电阻丝制成。

优选的，所述电阻丝的截面直径为0.1mm。

优选的，所述端盖通过铰链铰接在所述实验箱体的上表面。

优选的，所述稳压电源为直流稳压电源。

基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的方法，其方法包括以下步骤：

1)将所述试样加工成若干200×200mm的块状结构；

2)取两块所述试样，在其表面刻上滑槽，然后将此两块所述试样叠放在实验箱内，将带有滑槽的一面相对放置；

3)将所述热源放置于两块所述试样的滑槽之内，两块所述试样的所述滑槽之间形成缝隙，将所述试样打磨成试样粉末，填充在所述滑槽之间的缝隙内；

4)所述测温热电偶安装在所述试样的上表面；

5)再将两块所述试样的上表面和侧面均用绝热棉包覆，如试样尺寸足够或无穷大，则热源温升可表示为：

6)实际测试中试样尺寸有限，绝热边界会对测点温度产生影响，在上式数学模型的基础上，采用镜像热源理论进行修正，在与热源相对称位置处设有一个镜像热源，其功率为q’，则任意点实际计算温升可表示为：

(三)有益效果

本发明提供了基于镜像热源原理的固体材料热物性测试系统及方法，主要适用于固体材料的导热系数及热扩散率测量，具有以下有益效果：

基于平行热源法结合镜像热源原理，提出了一种新的固体材料热物性参数测算模型，在热源法测试原理的基础上，以试样绝热边界为界线，设与真实热源对称位置处存在虚拟镜像热源，以此消除绝热边界造成的热积聚效应影响，考虑因边界热量积聚引起的过热问题，建立了新的数学模型，并研制了智能热物性测试系统，从而测试时可不需再限制实验时间和试样厚度，有效提升了热源法测试精度和降低实验操作难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明测试原理模型图；

图2为本发明的绝热边界处理原理图；

图3为本发明的镜像热源位置关系图；

图4为本发明的测算原理流程图；

图5为本发明的石棉薄板实测温度、修正后计算温度曲线图；

图6为本发明的石棉厚板实测温度、修正后计算温度曲线图；

图7为本发明的大理石薄板实测温度、修正后计算温度曲线图；

图8为本发明的大理石厚板实测温度、修正后计算温度曲线图。

图中：1、AD转换器；2、试样；3、实验箱体；4、测温热电偶；5、计算机；6、试样粉末；7、热源；8、稳压电源；9、镜像热源；10、绝热棉；11、绝热边界。

具体实施方式

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

实施例：

基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统，包括试样2、实验箱体3、数据采集模块与加热装置，实验箱体3为封闭式结构且其上表面活动设置有端盖；

数据采集模块包括测温热电偶4、AD转换器1与计算机5，测温热电偶4电连接AD转换器1连接，AD转换器1电连接计算机5；

加热装置包括热源7与稳压电源8，热源7为电热丝，电热丝电连接稳压电源8且具有恒定功率q；

电热丝由镍铬电阻丝制成，电阻丝的截面直径为0.1mm，端盖通过铰链铰接在实验箱体3的上表面，稳压电源8为直流稳压电源8。

基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的方法，其方法包括以下步骤：

1)将试样2加工成若干200×200mm的块状结构；

2)取两块试样2，在其表面刻上滑槽，然后将此两块试样2叠放在实验箱内，将带有滑槽的一面相对放置；

3)将热源7放置于两块试样2的滑槽之内，两块试样2的滑槽之间形成缝隙，将试样2打磨成试样粉末6，填充在滑槽之间的缝隙内；

4)测温热电偶4安装在试样2的上表面；

5)再将两块试样2的上表面和侧面均用绝热棉10包覆，如试样2尺寸足够或无穷大，则热源7温升可表示为：

6)实际测试中试样2尺寸有限，绝热边界11会对测点温度产生影响，在上式数学模型的基础上，采用镜像热源理论进行修正，在与热源7相对称位置处设有一个镜像热源9，其功率为q’，则任意点实际计算温升可表示为：

如图1，将两块试样2放置在实验箱体3中，两块试样2的上表面和侧面均覆盖有绝热棉10，合上实验箱体3活动端盖，从而形成绝热边界11，将两块试样2表面刻有滑槽，电阻丝放置于两块试样2的滑槽之内，缝隙用打磨的试样粉末6填充，电阻丝通过导线与稳压电源8连接；在试样2的上表面安装测温热电偶4，测温热电偶4通过导线与AD转换器1连接，AD转换器1将数据通过导线输入计算机5中，显示并保存。

将电阻丝形成的热源7设为Q,其具有恒定功率q，位于试样2中间，试样2上表面和侧面均覆盖有绝热棉10并假设试样2为各向同性且热物性均匀一致，当试样2尺寸足够或无穷大，则热源7温升可表示为：

但实际试样2尺寸有限，热量传递至边界后大部分被积聚，进而造成实际温升要大于理论温升，针对此提出将绝热边界11设想成一面镜子，在与热源7相对称位置处设有一个镜像热源9，其具有恒定功率q’，热源7与镜像热源9在绝热边界11处产生的热流量沿绝热面方向相反，当绝热棉10导热系数为0时，镜像热源9的强度等于热源7(q＝q’)，而通常由于绝热棉10不可能完全绝热，q’往往小于q。如图2所示，试样2任意一点M的温升θ_M将可视为由热源7、镜像热源9共同引起，即

θ_M(τ)＝θ(τ)+θ'(τ) (2)

当试样2周围绝热边界11为多个时，将存在多个镜像热源9且同一种绝热材料，各镜像热源9强度相同，均为q’，区别在于距热源7的距离不同，则试样2任意一点M的实际温升可表示为：

其中：

式中：n为镜像热源9个数，r_n为第n个镜像热源9距作用点M的距离。

因此，由热源7引起的M点温升可由镜像热源9修正实测温度而得，可表示为：

令则：

式中：Ei为指数积分，Ω(p)可展开成以下形式：

试算表明，取方程式(7)中的前6项即可满足精度要求，进而可利用计算机5编程求解。因此，由实测温度θ(τ)、θ(2τ)，通过式(5)、(6)、(7)可计算出热扩散率α，然后利用式(1)可得到热导率λ，进而可求得比热容C_p。

若被测试样2长宽远大于厚度，侧向绝热边界11对应的镜像热源9对温升贡献将非常小，可以忽略，因此可只考虑厚度方向的镜像热源9影响。如图3被测物料具有以AA’和BB’为边的绝热边界11，厚度为H，存在持续的热源7，即图中的Q₀(与绝热边界11的边AA’相距为b)，则以边AA’为对称轴的镜像热源9为Q’₁、Q’₃、……，以BB’边界为对称轴的镜像热源9为Q’₂、Q’₄、……，根据镜像对称原理，各镜像热源9距相应对称轴的距离R可表示为：

式中：n表示镜像热源9的序号。

当热源7在试样2中间时(即H＝2b)，各镜像热源9对试样2绝热边界11的边AA’上作用点的距离r_n可表示为：

由于绝热边界11对热量具有集聚效应，镜像热源9引起作用点处的温升变化θ_n'(τ)需满足：

θ′_n(τ)＞0 (10)

理论上镜像热源9有无数个，但由于热传导的阻尼性和延迟性，较远距离的镜像热源9对待求点的温升作用非常小，本文将对作用点温升影响较大的镜像热源9定义为“有效镜像热源”。同时，绝热边界11在热源7工作初期没有热量的积聚，即镜像热源9与热源7工作并非同步。本文利用判别准则，在实验过程中实时计算有效镜像热源个数以及作用强度。基于镜像热源原理的固体材料热物性测算模型工作流程如图4所示：

1)加热丝加热至τ时刻，试样2的绝热边界11的边AA’上测点M测得实际温升数据，记为θ(τ)，2τ时刻的温升则记为θ(2τ)，通过式(6)、(7)计算出热扩散率α，利用式(1)可得到热导率λ。

2)根据不同时刻τ的温升值计算得到多组热物性参数值数λ_m、α_m(m＝0,1,..k)。比较相邻时刻热物性测算值λ_m和λ_m+1，用相对偏差△λ_dm判断物性参数是否受绝热边界11的影响，即当相对偏差△λ_dm大于测算的精度值ε时，则需要引入镜像热源9对测试温度进行修正。

3)取步骤1)中满足测算标准的物性参数的平均值和并将其代入方程式(4)和(10)，计算出θ’_1(τ)、θ’_2(τ)……θ’_n(τ)。同时，定义τ时刻第n个镜像热源9引起的温升θ’n(τ)与实测温升θ_M(τ)的比值为C_n，当C_n足够小时(本文设定为ω)，则说明第n个镜像热源9对实测温升θ_M(τ)的影响已很小，更远的镜像热源9将可以忽略不计。

4)通过式(5)得到热源引起的温升，重复步骤1)、2)操作，完成该模型的整个过程。

为检验对不同导热系数大小的材料参数测算的可行性，选择长宽为200×200mm，厚度分别为6mm的石棉板和大理石作为试样2，密度分别为800kg/m³和2800kg/m³，实验环境温度27℃。为验证本测试方法适用于薄板材料和厚板材料，分别建立薄板试验模型和厚板试验模型。薄板材规格为6mm厚；将8块6mm的薄板叠放在一起，在试样2边界沿厚度方向涂抹密封胶，保证薄板之间没有间隙，从而形成厚度为48mm的厚板材料。热源7加热功率分别为12.6W/m、22.7W/m，温度采样周期△τ为10s，设定ε为5％，ω为1x10^-5。石棉板和大理石的薄板与厚板的实测温度和引入镜像热源9修正后的计算温度曲线图如图5、图6、图7、图8所示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体操作与另一个实体操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统及方法，其特征在于：包括试样、实验箱体、数据采集模块与加热装置，所述实验箱体为封闭式结构且其上表面活动设置有端盖；

所述数据采集模块包括测温热电偶、AD转换器与计算机，所述测温热电偶电连接所述AD转换器连接，所述AD转换器电连接所述计算机；

所述加热装置包括热源与稳压电源，所述热源为电热丝，所述电热丝电连接所述稳压电源且具有恒定功率q。

2.根据权利要求1所述的基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统及方法，其特征在于：所述电热丝由镍铬电阻丝制成。

3.根据权利要求1所述的基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统及方法，其特征在于：所述电阻丝的截面直径为0.1mm。

4.根据权利要求1所述的基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统及方法，其特征在于：所述端盖通过铰链铰接在所述实验箱体的上表面。

5.根据权利要求1所述的基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的系统及方法，其特征在于：所述稳压电源为直流稳压电源。

6.根据权利要求1所述的一种基于镜像热源原理测固体材料热物性参数的方法，其方法包括以下步骤：

1)将所述试样加工成若干200×200mm的块状结构；

2)取两块所述试样，在其表面刻上滑槽，然后将此两块所述试样叠放在实验箱内，将带有滑槽的一面相对放置；

3)将所述热源放置于两块所述试样的滑槽之内，两块所述试样的所述滑槽之间形成缝隙，将所述试样打磨成试样粉末，填充在所述滑槽之间的缝隙内；

4)将所述测温热电偶安装在所述试样的上表面；

5)再将两块所述试样的上表面和侧面均用绝热棉包覆，形成绝热边界，如试样尺寸足够或无穷大，则热源温升可表示为：

6)实际测试中试样尺寸有限，绝热边界会对测点温度产生影响，在上式数学模型的基础上，采用镜像热源理论进行修正，在与热源相对称位置处设有一个镜像热源，其功率为q’，则任意点实际计算温升可表示为：