CN108152326A - 固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法，属于材料热物性测试技术领域。该装置包括圆柱形测试材料、铠装微细测温热电偶、温度记录仪、恒温管式炉、冷却装置和数据分析软件，铠装微细测温热电偶置于圆柱形测试材料内部，圆柱形测试材料置于恒温管式炉中，铠装微细测温热电偶与温度记录仪相连，温度记录仪连接数据分析软件，冷却装置为圆柱形测试材料降温。该方法通过测量圆柱形测试材料内沿半径方向上两个不同位置的温度随时间的变化规律，基于瞬态导热的解析解，获得关于热扩散系数的非线性方程，进而得到热扩散系数。该方法可以实现固体材料热扩散系数的随温度变化的连续测量。

Description

固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及材料热物性测试技术领域，特别是指一种固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法。

背景技术

在工业应用中，固体材料的热扩散系数是一个非常重要的热物性参数。热扩散系数的测量多采用瞬态法，如热盘法、热线法等，但都是针对某一固定温度下进行测量，当热扩散系数随温度变化时(绝大多数材料的热扩散系数都随温度变化)，需要在不同的温度水平上逐次测量，因此测量工作量很大。

本发明根据固体导热的基本原理，结合计算机求解技术，针对圆柱形材料，在一次实验测试中，测得热扩散系数随温度的变化规律，能够提高热扩散系数的测量效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法，该方法通过测量圆柱形固体材料内部两个不同位置处的瞬态温度，从而根据传热学原理计算材料的热扩散系数。该方法可以在一次冷却过程中测量得到随温度变化的热扩散系数，实现宽温度范围内的热扩散系数的快速测量。

该装置包括圆柱形测试材料、铠装微细测温热电偶、温度记录仪、恒温管式炉、冷却装置和数据分析软件，铠装微细测温热电偶置于圆柱形测试材料内部，圆柱形测试材料置于恒温管式炉内，冷却装置为圆柱形测试材料降温，铠装微细测温热电偶与温度记录仪相连，温度记录仪将数据发送至数据分析软件。

其中，圆柱形测试材料长度为直径的5倍以上。

铠装微细测温热电偶有两根，一根安装在圆柱形测试材料中r＝0的位置，另一根安装在r＝R/2处，其中R为圆柱形测试材料半径。

冷却装置为自然冷却、喷气冷却、喷雾冷却中的一种或几种。

采用该测量装置进行测量的方法，包括步骤如下：

S1：将待测材料加工成圆柱形测试材料，在圆柱形测试材料中部安装两根铠装微细测温热电偶，一根安装在轴心处，另一根安装在二分之一半径处；

S2：通过恒温管式炉将圆柱形测试材料加热至所需温度，待两根铠装微细测温热电偶温度一致后，将圆柱形测试材料取出冷却，通过测量冷却过程中的温度变化，测算热扩散系数。

其中，S2中冷却过程中连续记录两根铠装微细测温热电偶的温度，温度数据采集频率在50Hz以上。

热扩散系数α＝β^-1；

其中，T_c(t)和T(R/2,t)分别为两根铠装微细测温热电偶的瞬态温度，R为圆柱形测试材料半径，α单位为m²·s^-1。

为提高热扩散系数的测量稳定性和测量精度，对采集到的温度数据进行数字滤波，滤波方法如下：

其中：i表示当前时刻；T表示滤波前的温度，T_f表示滤波后的温度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)快速测量材料的热扩散系数；

(2)通过一次测量，获得热扩散系数随温度的变化规律；

(3)可以适用于各种不同的冷却环境，对冷却强度适应范围宽，无需苛刻的保温等措施，对测试环境要求低。

附图说明

图1为本发明的固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置结构示意图；

图2为本发明针对不锈钢材料的测试计算结果图。

其中：1-圆柱形测试材料；2-铠装微细测温热电偶；3-温度记录仪；4-恒温管式炉。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置及方法。

如图1所示，该装置中铠装微细测温热电偶2置于圆柱形测试材料1内部，圆柱形测试材料1置于恒温管式炉4内，冷却装置为圆柱形测试材料1降温，铠装微细测温热电偶2与温度记录仪3相连，温度记录仪3将数据发送至数据分析软件。其中，圆柱形测试材料1长度为直径的5倍以上。

铠装微细测温热电偶2有两根，一根安装在圆柱形测试材料1中r＝0的位置，另一根安装在r＝R/2处，其中R为圆柱形测试材料1半径。

测量材料热扩散系数时，将材料加工成半径为R的圆柱形(即圆柱形测试材料)，长度为直径的5倍以上，在圆柱中部安装两根测温热电偶，如图1所示，一根安装在r＝0的位置(对称轴上)，一根安装在r＝R/2处。将圆柱形测试材料放入恒温管式炉中加热至设定温度，待温度均匀后(当两根测温热电偶温度一致时)，取出放置在环境中进行冷却(根据不同的材料，可采用自然冷却、喷气冷却、喷雾冷却等)，冷却过程中连续记录r＝0和r＝R/2两个位置处的温度，温度数据采集频率50Hz以上。

测量装置测量得到圆柱形测试材料内部两个位置处的瞬态温度后，经数据分析软件计算，得到材料热扩散系数随温度的变化规律。数据分析软件的计算原理如下：

采用热电偶测量得到圆柱体内部r＝0和r＝R/2两个位置处的瞬态温度，分别为T_c(t)和T(R/2,t)，这两点温度在任意时刻t均符合如下关系式：

上式中：α为热扩散系数，m²·s^-1。

式(1)为关于热扩散系数的高次方程，在计算中取n＝5即可获得热扩散系数较高精度的解，这一方程可以采用迭代法进行求解，设定β＝α^-1，得到迭代格式如下：

采用不动点迭代法，可求解得到β，进而得到热扩散系数α。

数值模拟结果表明：当T_c(t)和T(R/2,t)存在测量误差时(绝对误差±1℃)，同时圆柱体外部换热条件随时间变化，该方法可以获得满意的测量结果，如图2所示，热扩散系数的测量误差约为14％。

为了提高热扩散系数的测量稳定性和测量精度，对采集到的温度数据进行数字滤波，滤波方法如下：

式中：i表示当前时刻；T表示滤波前的温度，T_f表示滤波后的温度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置，其特征在于：包括圆柱形测试材料(1)、铠装微细测温热电偶(2)、温度记录仪(3)、恒温管式炉(4)、冷却装置和数据分析软件，铠装微细测温热电偶(2)置于圆柱形测试材料(1)内部，圆柱形测试材料(1)置于恒温管式炉(4)内，冷却装置为圆柱形测试材料(1)降温，铠装微细测温热电偶(2)与温度记录仪(3)相连，温度记录仪(3)将数据发送至数据分析软件。

2.根据权利要求1所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置，其特征在于：所述圆柱形测试材料(1)长度为直径的5倍以上。

3.根据权利要求1所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置，其特征在于：所述铠装微细测温热电偶(2)有两根，一根安装在圆柱形测试材料(1)中r＝0的位置，另一根安装在r＝R/2处，其中R为圆柱形测试材料(1)半径。

4.根据权利要求1所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置，其特征在于：所述冷却装置为自然冷却、喷气冷却、喷雾冷却中的一种或几种。

5.采用权利要求1所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量装置进行测量的方法，其特征在于：包括步骤如下：

S1：将待测材料加工成圆柱形测试材料(1)，在圆柱形测试材料(1)中部安装两根铠装微细测温热电偶(2)，一根安装在轴心处，另一根安装在二分之一半径处；

S2：通过恒温管式炉(4)将圆柱形测试材料(1)加热至所需温度，待两根铠装微细测温热电偶(2)温度一致后，将圆柱形测试材料(1)取出冷却，通过测量冷却过程中的温度变化，测算热扩散系数。

6.根据权利要求5所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量方法，其特征在于：所述S2中冷却过程中连续记录两根铠装微细测温热电偶(2)的温度，温度数据采集频率在50Hz以上。

7.根据权利要求5所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量方法，其特征在于：热扩散系数α＝β^-1；

其中，T_c(t)和T(R/2,t)分别为两根铠装微细测温热电偶的瞬态温度，R为圆柱形测试材料半径，α单位为m²·s^-1。

8.根据权利要求5所述的固体材料热扩散系数随温度变化的测量方法，其特征在于：为提高热扩散系数的测量稳定性和测量精度，对采集到的温度数据进行数字滤波，滤波方法如下：

其中：i表示当前时刻；T表示滤波前的温度，T_f表示滤波后的温度。