CN112666208A - 一种瞬态法隔热材料热导率测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬态法隔热材料热导率测试装置，属于热导率测试技术领域，解决了现有技术无法满足隔热材料1400℃之上的热导率测试需求的问题。该装置包括由上至下依次设置的上冷水板、上加热组件、下加热组件、下冷水板，以及加热及测量控制单元；其中，所述上加热组件和下加热组件之间用于设置待测试样；所述加热及测量控制单元，用于在试样上、下表面温度均稳定于温度设定值后，基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热所述上加热组件、基于所述下加热组件的补偿温度控制加热所述下加热组件，并基于实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得所述试样的热导率。该装置能够满足隔热材料1400℃之上的热导率测试需求。

Description

一种瞬态法隔热材料热导率测试装置

技术领域

本发明涉及热导率测试技术领域，尤其涉及一种瞬态法隔热材料热导率测试装置。

背景技术

在现有的隔热材料热导率测试设备中，保护热板法测试装置结构复杂，难以实现700℃之上的测试；而热流计法装置，由于试样冷面一侧热流计的工作温度限制(不能超过150℃)，因此，当试样热面超过1000℃、冷面不超过150℃时，由于试样厚度方向上温差过大，必须要施加很大的热流密度才能达到稳定要求，此时试样热面处平板加热器中加热丝需要达到的最大表面功率载荷需求非常高，已经超过一般材料所允许的表面功率载荷，受此限制热流计法导热仪也很难实现1400℃之上、大温差条件下的热导率测试；准稳态平面热源法设备中的加热板不适合直接接触导电材料表面进行高温热导率测试。其他现有的热导率测试方法中，激光脉冲法导热仪可以实现金属、致密陶瓷材料1600℃之上的热导率测试，但是该方法测试隔热材料时，由于脉冲激光的加热功率很小，导致试样背面的温度响应非常低，常常无法得到有效的测量信号，因此也无法满足隔热材料1400℃之上的热导率测试。

因此，针对具有导电能力的碳气凝胶或TUFROC材料的1400℃之上的热导率测试需求，需要开展测试方法研究和测试装置研制。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种瞬态法隔热材料热导率测试装置，用以解决现有技术无法满足隔热材料1400℃之上的热导率测试需求的问题。

本发明实施例提供了一种瞬态法隔热材料热导率测试装置，包括由上至下依次设置的上冷水板、上加热组件、下加热组件、下冷水板，以及加热及测量控制单元；其中，所述上加热组件和下加热组件之间用于设置待测试样；

所述加热及测量控制单元，用于在试样上、下表面温度均稳定于温度设定值后，基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热所述上加热组件、基于所述下加热组件的补偿温度控制加热所述下加热组件，并基于实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得所述试样的热导率。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，还包括第一测温热电偶、第二测温热电偶、第三测温热电偶；

在所述上冷水板、所述上加热组件的中心点处沿厚度方向设有第一通孔，所述第一通孔延伸至所述试样的上表面，所述第一测温热电偶的端头穿过所述第一通孔与所述试样的上表面接触，用于得到所述试样上表面的温度；

在所述下冷水板、所述下加热组件的中心点处沿厚度方向设有第二通孔，所述第二通孔延伸至所述试样的下表面，所述第二测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述试样的下表面接触，用于得到所述试样下表面的温度；

所述第三测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述下加热组件的内部接触，用于得到所述下加热组件内部温度；

将所述试样上、下表面温度均稳定于温度设定值时采集的所述试样下表面与所述下加热组件内部温度的差值作为所述补偿温度。

进一步，所述上加热组件沿远离试样上表面的方向依次包括：用于与所述试样上表面贴合的上均热板、上加热板、耐火砖；

所述下加热组件沿远离试样下表面的方向依次包括：用于与所述试样下表面贴合的下均热板、下加热板、耐火砖；

所述第三测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述下均热板的内部接触；

利用所述加热及测量控制单元加热所述上加热板和下加热板。

进一步，所述上加热板和下加热板均由钨钼合金平板加工而成，且中心点处均为中空。

进一步，所述上均热板和下均热板均包括由氮化硼陶瓷、钼合金板构成的两层结构，其中，所述上均热板和下均热板的钼合金板分别与试样的上、下表面贴合。

进一步，所述第一测温热电偶为陶瓷铠装B型偶；

所述第二测温热电偶和所述第三测温热电偶均为B型细丝热电偶。

进一步，所述第二测温热电偶和所述第三测温热电偶中所用的引线均分别用陶瓷管穿起。

进一步，所述上加热组件、上冷水板、下加热组件和下冷水板外部的四周包裹热防护层。

进一步，基于所述温控信号，控制试样上表面由温度设定值线性升温至温度测试设定值并保温设定时间；

基于所述补偿温度控制加热所述下加热组件，包括：

实时获取在控制试样上表面升温并保温过程中所述补偿温度与所述试样下表面温度的温度和；

基于所述温度和与实时采集的所述下加热组内部温度之间的差值控制加热所述下加热组件。

进一步，执行以下操作获得所述试样的热导率：

基于实时采集的所述试样上表面的温度及公式(1)，得到每一采样时刻的试样下表面的理论温度；

其中，x＝L；

L为所述试样的厚度，f(τ)为第τ时刻采集的所述试样上表面的温度；α表示所述试样的热扩散系数；

基于每一采样时刻的所述试样下表面的温度理论值与实时采集的温度值，获得所述试样的热扩散系数α；

基于所述试样的热扩散系数α和公式(2)，获取所述试样的热导率λ：

λ＝αρC_p (2)

其中，ρ为所述试样的密度；C_p为所述试样的比热容。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的瞬态法隔热材料热导率测试装置，通过分别控制上加热组件、下加热组件的温度变化，实现如下两个不同的过程控制：1、预热阶段的控制：上加热组件和下加热组件采用相同的升温控制程序把试样加热到预设的温度并达到稳定；2、测试阶段的控制：上加热组件按照新的升温/保温程序对试样上表面进行加热，而下加热组件则切换成被动补偿加热控制模式以实现试样下表面近似绝热壁面的边界条件。在测试阶段，通过记录试样上表面主动加热、下表面被动热补偿过程中试样上、下表面的温度随时间变化的曲线，得到试样的热导率。该测试装置可以实现碳气凝胶或TUFROC材料在1400℃之上的高温热导率测试。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请实施例1提供的瞬态法隔热材料热导率测试装置结构示意图；

图2为本申请实施例1提供的上加热板和下加热板的结构示意图；

图3为本申请实施例2提供的加热及测量控制单元的结构示意图；

图4为本申请实施例3提供的瞬态法隔热材料热导率测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种瞬态法隔热材料热导率测试装置，结构示意图如图1所示，该装置包括由上至下依次设置的上冷水板、上加热组件、下加热组件、下冷水板，以及加热及测量控制单元；其中，所述上加热组件和下加热组件之间用于设置待测试样；所述加热及测量控制单元，用于在试样上、下表面温度均稳定于温度设定值后，基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热所述上加热组件、基于所述下加热组件的补偿温度控制加热所述下加热组件，并基于实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得所述试样的热导率。

实施时，首先将待测试样放置于上加热组件和下加热组件之间，然后利用加热及测量控制单元同时加热上加热组件、下加热组件，直至试样上、下表面温度均稳定于设定值，接着基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热所述上加热组件、基于所述下加热组件的补偿温度控制加热所述下加热组件，并基于实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得所述试样的热导率。

与现有技术相比，本实施例提供的瞬态法隔热材料热导率测试装置，通过分别控制上加热组件、下加热组件的温度变化，实现如下两个不同的过程控制：1、预热阶段的控制：上加热组件和下加热组件采用相同的升温控制程序把试样加热到预设的温度并达到稳定；2、测试阶段的控制：上加热组件按照新的升温/保温程序对试样上表面进行加热，而下加热组件则切换成被动补偿加热控制模式以实现试样下表面近似绝热壁面的边界条件。在测试阶段，通过记录试样上表面主动加热、下表面被动热补偿过程中试样上、下表面的温度随时间变化的曲线，得到试样的热导率。该测试装置可以实现碳气凝胶或TUFROC材料在1400℃之上的高温热导率测试。

优选地，在预热阶段，当试样上、下表面的温度达到温度设定值并稳定之后，考虑到上加热组件、下加热组件分别和试样上、下表面分别有一个很小的温度差，才能保证加热组件向试样上、下表面传导热量，从而使得试样的温度达到恒定，此时试样下表面和下加热组件内部靠近试样下表面处的温度存在一个很小的差值。当试样进入测试阶段时，试样上表面因上加热组件主动加热而升温，此时，假如试样的下表面(即冷面)处于绝热边界条件下，由于热面(本实施例中试样上表面)处的热量不断传递到冷面(本实施例中试样下表面)处，冷面处的温度也会逐渐升高，假如下加热组件保持原来的加热功率不变，此时试样冷面温度升高后将会反向向下加热组件传递热量，就无法满足试样下表面的绝热边界假设。因此，在实际测试过程中，随着试样下表面温度的升高，下加热组件也要逐渐增大加热功率，从而保证下加热组件内部靠近试样下表面处的温度和试样下表面的温度尽可能一致，从而实现近似的绝热边界条件。基于以上考虑，在实际加热控制过程中，将所述试样上、下表面温度均稳定于温度设定值时采集的所述试样下表面与所述下加热组件内部温度的差值作为所述补偿温度。

为实现对试样上表面、下表面以及下加热组件内部温度的精确测定，本实施例中的装置还包括：第一测温热电偶T1、第二测温热电偶T2、第三测温热电偶T3；其中，在所述上冷水板、所述上加热组件的中心点处沿厚度方向设有第一通孔，所述第一通孔延伸至所述试样的上表面，所述第一测温热电偶T1的端头穿过所述第一通孔与所述试样的上表面接触，用于得到所述试样上表面的温度；在所述下冷水板、所述下加热组件的中心点处沿厚度方向设有第二通孔，所述第二通孔延伸至所述试样的下表面，所述第二测温热电偶T2的端头穿过所述第二通孔与所述试样的下表面接触，用于得到所述试样下表面的温度；所述第三测温热电偶T3的端头穿过所述第二通孔与所述下加热组件的内部接触，用于得到所述下加热组件内部温度。需要说明的是，为保证测量数据的准确性，第二测温热电偶T2的端头和第三测温热电偶T3的端头在垂直方向上保持2-3mm的间隔。示例性地，第一通孔/第二通孔的尺寸优选为Φ8mm的通孔。同时，第一测温热电偶T1可选用陶瓷铠装B型偶；第二测温热电偶T2和第三测温热电偶T3则选用B型细丝热电偶，两支热电偶的四根引线用四孔的陶瓷管穿起来，以确保彼此之间的绝缘，且T3的测温节点略低于T2的节点。

优选地，在本实施例中，所述上加热组件沿远离试样上表面的方向依次包括：用于与所述试样上表面贴合的上均热板、上加热板、耐火砖；所述下加热组件沿远离试样下表面的方向依次包括：用于与所述试样下表面贴合的下均热板、下加热板、耐火砖；所述第三测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述下均热板的内部接触。

优选地，为实现隔热材料更准确的热导率测试，本实施例中，上均热板/下均热板的尺寸与试样的截面尺寸相适应。示例性地，当隔热材料的截面尺寸为300mm×300mm时，上均热板/下均热板的截面尺寸也为300mm×300mm。上均热板和下均热板由两层结构构成，其中，靠近上加热板和下加热板(均为钨钼合金材质)的一层用氮化硼陶瓷构成，起到耐高温、电绝缘和导热作用；靠近试样的一层用钼合金板构成，用于提供耐高温、导热良好且接触面光滑的一个传导加热平面。

优选地，上加热板和下加热板均由钨钼合金平板加工而成，其尺寸也与试样的截面尺寸相适应。考虑到用于放置热电偶的通孔会穿透上加热板和下加热板，因此，通孔要避开上加热板和下加热板中钨钼合金条所在的位置，即，可将上加热板和下加热板中心点处均设为中空。示例性地，考虑到隔热材料(即试样)常规的截面尺寸要求为300mm×300mm，确定钨钼合金板的外形尺寸也为300mm×300mm，厚度可设置为1mm。同时，在平板上用水切割的方法切出S形的沟槽，沟槽宽8mm，合金条的宽度7mm，以形成上加热板和下加热板。上加热板和下加热板的两端引出电极接线柱，用于与加热及测量控制单元相连，以实现对上加热板和下加热板的温度控制。上加热板和下加热板的结构示意图如图2所示。

此外，在上加热板、下加热板的外侧以对称方式安装一层足够厚的高温耐火砖，耐火砖的外侧再分别布置一块由不锈钢材质制成的、内部布置双回形槽道的水冷板(即上水冷板和下水冷板)，平板内通入冷却循环水来强制制冷，以及时把加热板向外围散出的热量带走。水冷板的外侧平面的中心点处有固定装置，以把热电偶引出端固定安装在确定的位置，防止热电偶位置发生上下移动。整个测试组件的四周(即上加热组件、上冷水板、下加热组件和下冷水板外部四周)也用一层厚的高温耐火砖做成热防护层，以减小整个组件的侧壁面向四周散热。

优选地，本实施例中描述的基于温控信号，控制试样上表面由温度设定值线性升温至温度测试设定值并保温设定时间；

优选地，基于所述补偿温度控制加热所述下加热组件，包括：

实时获取在控制试样上表面升温并保温过程中所述补偿温度与所述试样下表面温度的温度和；

基于所述温度和与实时采集的所述下加热组内部温度之间的差值控制加热所述下加热组件。

实施例2

实施例1对加热及测量控制单元的功能进行较为全面的说明，其有多种实现方式，实施例2公开了一种加热及测量控制单元的具体实现方式，其结构示意图如图3所示，包括：计算机、数采表、第一控温仪、第二控温仪、第一加热电源、第二加热电源、转换开关。

其中，第一控温仪通过控制第一加热电源对上加热板进行温度控制，第二控温仪通过控制第二加热电源对下加热板进行温度控制，在使用该装置时，需要将第一加热电源与上加热板对应连接、将第二加热电源与下加热板对应连接。

第一控温仪的测量信号输入端M连接热电偶T1的引线，设定信号输入端S连接到控制计算机上，接受计算机发出的温度设定值信号。热电偶T2的引线并行分成两对。一对引线连接数采表，数采表连接计算机，数采表把引线传过来的电压信号转换成温度信号发送给计算机进行记录和处理。另一对引线通过一个转换开关连接到第二控温仪的测量信号输入端M。同理，热电偶T3的引线也并行分成两对，一对连接数采表，一对通过转换开关连接到第二控温仪。利用该转换开关，当处于预热模式时，第二控温仪接受T2的信号作为实时测量信号输入值，而当处于测试模式时第二控温仪接受T3的信号作为实时测量信号输入值，该转换开关受计算机控制。

优选地，在加热及测量控制单元中，加热过程可分为预热式和测试模式。其中，预热模式：以1400℃加热为例进行说明。计算机把温度设定值1400℃通过设定信号输入端S发送给两个控温仪，第一控温仪的测量信号输入端M接受热电偶T1的信号，第二控温仪的测量信号输入端M通过转换开关接受热电偶T2信号。启动电源开始加热。当试样上、下表面的温度都到达1400℃并稳定后，预热模式结束。需要说明的是，这里所说的稳定是指试样上、下表面的温度在一定时间范围内与温度设定值的偏差均不超过设定的温度偏差范围，例如，在某次测试过程中，若试样上、下表面的温度在10s内与温度设定值的偏差均不超过±0.1℃，则表示达到稳定。计算机根据预热模式结束时刻采集的试样上、下表面的温度，获取并记录此时试样下表面T2和T3的温度差ΔT0(＝T3-T2)，进入测试模式。在测试模式阶段，计算机将第二控温仪的转换开关转换成接收T3信号，并通过设定信号输入端S把从1400℃起1800s线性升温到1450℃再保温1800s的升温信号发送给第一控温仪，启动第一加热电源开始加热。此时，数采表开始连续采集热电偶T1、T2和T3的信号并转换成温度值发送给计算机，而计算机记录这三组数据，并把热电偶T2的实测温度T2(t)处理成(T2(t)+ΔT0)，并将(T2(t)+ΔT0)作为设定值实时发送给第二控温仪设定信号输入端S作为设定值，热电偶T3的实测温度T3(t)值输入到第二控温仪的测量输入端M，由实时的设定值(T2(t)+ΔT0)和实时测量值T3(t)进行比较产生控制信号发送给第二加热电源，以控制试样下表面的温度状态。该控制过程就是试样上表面主动加热、下表面被动补偿加热近似绝热壁面的边界条件。在测试模式下，计算机连续记录的T1和T2温度随时间变化的数据，并将其作为测量数据用于计算试样的热导率。T3的温度数据不参于热导率计算，只作为实验过程中的参考温度数据。需要说明的是，在上述过程中，温控仪基于两个输入端的信号产生控制信号的方式可采用现有的PID算法实现，由于该算法为现有技术，此处不再赘述。

基于测量数据，计算机执行以下操作获得所述试样的热导率：

在获得试样上表面主动加热、下表面被动热补偿过程中试样上、下表面的温度随时间变化的数据后，可执行以下操作获得所述试样的热导率：

步骤(1)：基于实时采集的所述试样上表面的温度及以下公式，得到每一采样时刻的试样下表面的理论温度；

其中，x＝L；

L为所述试样的厚度，f(τ)为第τ时刻采集的所述试样上表面的温度；α表示所述试样的热扩散系数；

步骤(2)：基于每一采样时刻的所述试样下表面的温度理论值与实时采集的温度值，通过非线性参数评估算法获得所述试样的热扩散系数；

步骤(3)：基于所述试样的热扩散系数α，获取所述试样的热导率λ：

λ＝αρC_p

其中，ρ为所述试样的密度；C_p为所述试样的比热容。

上述步骤中用到的公式及拟合迭代过程，说明如下：

背面绝热的瞬态传热模型：设置平板试样的厚度为L、初始温度为T₀(指试样内部所有位置的温度)。当时间t>0时，在x＝0的边界表面处具有随时间变化的温度T＝f(t)，试样背面即x＝L处和外界无热交换，取绝热边界条件。其中，x表示以试样热面所在平面位置为0点、沿厚度方向指向另一面的方向为正、试样内部任一点距离热面的距离。本文中试样的热面位于上方，冷面位于下方，因此沿厚度方向向下为正向。因此，本实施例中，由于试样热面在上冷面在下，x＝0也就是试样的上表面。相应地，x＝L处就是试样的冷面也就是下表面。

需要说明的是，本实施例1中的预热阶段中描述的试样上、下表面温度均稳定于温度设定值，是为了满足初始条件T(x,0)＝T₀；而测试阶段对试样上表面进行主动加热，是为了满足边界条件T(0,t)＝f(t)，而下加热板切换为特殊的绝热边界条件控制方式，是为了满足

的条件。

当时间t>0时，试样中任一位置温度分布T(x，t)的表达式的推导过程为：

传热方程的数学描述如下式所示：

在公式(3)中，T(0，t)的含义就是x＝0处在t时刻的温度T，以下的表达式都相同。T(0，t)＝f(t)表示在t时刻x＝0处的温度为f(t)，f(t)是一个随温度变化的值。这个表达式给出了x＝0处的边界条件。

该方程的求解过程如下：

1)令

T＝T₁(x，t)+T₀ (4)

将公式(4)带入公式(3)可得：

因此，对初始条件T(x,0)＝T₀的状态，直接扣除T₀后进行简化。下面对公式(5)进行求解。

2)方程：

的解为T＝f(τ)。

3)方程：

其中，cosβ_mL＝0，即

的解为：

5)根据杜哈美尔定理，方程(5)的解可以由方程(8)的解(即表达式(9))以以下形式表达：

其中，x表示所述试样内部任一点到试样上表面的距离，当计算试样下表面的理论温度时，x＝L；

L为所述试样的厚度，f(τ)为第τ时刻采集的所述试样上表面的温度；α表示所述试样的热扩散系数，其为未知量；

上式中，热扩散系数α为待评估的导热参数，温度T₁(x,t,α)对α求微分可得：

其中，cosβ_mL＝0，即

当计算试样下表面的理论温度时，x＝L；L为所述试样的厚度，f(τ)为第τ时刻采集的所述试样上表面的温度；α表示所述试样的热扩散系数，其为未知量；

从半无限大平板一个表面面加热、背面绝热模型的解析解和(10)可以看出，模型的温度分布函数是热扩散系数α的非线性函数。因此如果用温度响应曲线反向求解热扩散系数时，就需要用到非线性参数评估算法。该算法的推导过程如下：

首先，定义如下矩阵：

观测值矩阵：Y_l＝[y₁,y₂,···,y_i,···,y_l]；其中，y_i表示第i时刻采集的试样下表面的温度；l表示采样次数；

理论温度矩阵：Ψ_l＝[η₁,η₂,···,η_i,···,η_l]；其中，η_i＝T₁(L,i,α)，其中，α为待求解参数；

敏感性系数矩阵P_l＝[p₁,p₂,···,p_i,···,p_l]，其中，

利用最小二乘法对α的值进行评估：

S＝(Y-Ψ)^T·(Y-Ψ) (13)

所以

P^TΨ＝P^TY (15)

由于矩阵P和Ψ均是α的非线性函数，上式无法直接求解得到α，需要对Ψ在α＝α₀处线性展开，进行一阶近似：

Ψ(α)＝Ψ(α₀)+P(α₀)·(α-α₀) (16)

把(16)式带入(15)后得

P^T(α₀)Y≈P^T(α₀)Ψ(α₀)+P^T(α₀)P(α₀)(α-α₀) (17)

整理后得到高斯迭代公式：

α_j+1 ^l＝α_j ^l+(P_l ^T(α_j ^l)P_l(α_j ^l))^-1·P_l ^T(α_j ^l)(Y_l-Ψ_l(α_j ^l)) (18)

其中，j为迭代次数，l表示采样次数；α₀ ^l表示前l次采样时初始扩散系数；

因此，当计算前k次采样(即t＝k)的热扩散系数α^k时，可以先假设一个α₀ ^k，根据公式(18)进行反复的高斯迭代，直至α收敛，将收敛后的α作为前k次采样的热扩散系数α^k；

其中α^k满足下式：

其中，α_v ^k表示得到α^k之前一次高斯迭代的结果；δ一般取10^-4，δ₁一般取10^-100。

当增加一次采样时(即l＝k+1)，观测值矩阵可表示为：

即表示成前k次采样的观测值矩阵和第k+1次采样的观测值组合形成的分块矩阵形式；相应地，理论温度矩阵Ψ、敏感度系数矩阵P均可做相同的处理，从而得到：

更具一般意义地，在计算前l+1次(l≥k)采样对应的热扩散系数过程中，高斯迭代可描述为如下形式：

在利用公式(19)进行迭代的过程中，可根据公式(20)确定迭代的起始值。

即，在计算前l+1(l≥k)次采样时刻的热扩散系数时，先将前一时刻确定的热扩散系数代入公式(10)和公式(11)计算P_l，P_l ^T，Ψ_l，η_l+1和p_l+1，再带入公式(20)计算得到α₀ ^l+1，然后利用公式(19)进行迭代分别得到

直到收敛为止，就得到前k+1时刻的热扩散系数α^k+1。

后续时刻的热扩散系数，均根据公式(10)、(11)、(19)、(20)得到。

上面给出了待估参数的非线性评估算法。当测量得到试样上表面的温度f(t)和试样内部或背面的温度响应之后，就可以利用公式(10)、公式(11)并结合公式(19)逆向计算热扩散系数。

实施例3

本发明的一个具体实施例，公开了一种瞬态法隔热材料热导率测试方法，方法流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1：加热试样上、下表面，直至试样上、下表面温度均稳定于温度设定值，并获取此时的补偿温度；

步骤S2：在试样上、下表面温度均稳定于温度设定值后，基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热试样上表面、基于补偿温度控制加热试样下表面，并实时采集的所述试样上、下表面的温度；

步骤S3：基于步骤S2中实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得试样的热导率。

步骤S31：基于实时采集的所述试样上表面的温度及公式(10)，得到所述对应采样时刻的试样下表面的理论温度；

步骤S32：基于每一采样时刻的所述试样下表面的温度理论值与实时采集的温度值，获得所述试样的热扩散系数α；

步骤S33：基于所述试样的热扩散系数α和公式(21)，获取所述试样的热导率λ：

λ＝αρC_p (21)

其中，ρ为所述试样的密度；C_p为所述试样的比热容。

优选地，步骤S32包括：

根据前k次采样得到的观测值矩阵、理论温度矩阵以及初始热扩散系数α₀ ^k，迭代得到前k次采样的热扩散系数α^k；其中，所述观测值矩阵由前k次采样得到的试样下表面的温度构成，所述理论温度矩阵由前k次采样得到的试样下表面的理论温度构成；在迭代得到前k次采样的热扩散系数α^k过程中，根据公式(18)更新热扩散系数；若更新后的热扩散系数收敛，则结束迭代，将更新后的热扩散系数作为前k次采样的热扩散系数α^k。

逐次增加采样次数，每增加一次采样次数，基于前一次采样次数的热扩散系数得到当前采样次数的热扩散系数，直至热扩散系数收敛；将收敛的所述热扩散系数作为所述试样的热扩散系数。在该过程中，每增加一次采样次数，根据公式(20)得到当前采样次数对应的初始热扩散系数：然后根据公式(19)更新热扩散系数：若更新后的热扩散系数收敛，则结束迭代，将更新后的热扩散系数作为每增加一次采样次数后的热扩散系数α^l+1。

此外，还需要说明的是，本方法实施例所用到的数据，均可以通过实施例1或实施例2中的装置采集到，因此，本发明实施例的具体实施过程参见上述装置实施例即可，本实施例在此不再赘述。由于本实施例与上述装置实施例原理相同，所以本方法也具有上述装置实施例相应的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，包括由上至下依次设置的上冷水板、上加热组件、下加热组件、下冷水板，以及加热及测量控制单元；其中，所述上加热组件和下加热组件之间用于设置待测试样；

所述加热及测量控制单元，用于在试样上、下表面温度均稳定于温度设定值后，基于温控信号表示的温度与实时采集的试样上表面温度之间的差值控制加热所述上加热组件、基于所述下加热组件的补偿温度控制加热所述下加热组件，并基于实时采集的所述试样上、下表面的温度，获得所述试样的热导率。

2.根据权利要求1所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，还包括第一测温热电偶、第二测温热电偶、第三测温热电偶；

在所述上冷水板、所述上加热组件的中心点处沿厚度方向设有第一通孔，所述第一通孔延伸至所述试样的上表面，所述第一测温热电偶的端头穿过所述第一通孔与所述试样的上表面接触，用于得到所述试样上表面的温度；

在所述下冷水板、所述下加热组件的中心点处沿厚度方向设有第二通孔，所述第二通孔延伸至所述试样的下表面，所述第二测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述试样的下表面接触，用于得到所述试样下表面的温度；

所述第三测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述下加热组件的内部接触，用于得到所述下加热组件内部温度；

将所述试样上、下表面温度均稳定于温度设定值时采集的所述试样下表面与所述下加热组件内部温度的差值作为所述补偿温度。

3.根据权利要求2所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，

所述上加热组件沿远离试样上表面的方向依次包括：用于与所述试样上表面贴合的上均热板、上加热板、耐火砖；

所述下加热组件沿远离试样下表面的方向依次包括：用于与所述试样下表面贴合的下均热板、下加热板、耐火砖；

所述第三测温热电偶的端头穿过所述第二通孔与所述下均热板的内部接触；

利用所述加热及测量控制单元加热所述上加热板和下加热板。

4.根据权利要求3所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，

所述上加热板和下加热板均由钨钼合金平板加工而成，且中心点处均为中空。

5.根据权利要求4所述的任一项所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，

所述上均热板和下均热板均包括由氮化硼陶瓷、钼合金板构成的两层结构，其中，所述上均热板和下均热板的钼合金板分别与试样的上、下表面贴合。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，

所述第一测温热电偶为陶瓷铠装B型偶；

所述第二测温热电偶和所述第三测温热电偶均为B型细丝热电偶。

7.根据权利要求6所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，

所述第二测温热电偶和所述第三测温热电偶中所用的引线均分别用陶瓷管穿起。

8.根据权利要求1所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，所述上加热组件、上冷水板、下加热组件和下冷水板外部的四周包裹热防护层。

9.根据权利要求1所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，基于所述温控信号，控制试样上表面由温度设定值线性升温至温度测试设定值并保温设定时间；

基于所述补偿温度控制加热所述下加热组件，包括：

实时获取在控制试样上表面升温并保温过程中所述补偿温度与所述试样下表面温度的温度和；

基于所述温度和与实时采集的所述下加热组内部温度之间的差值控制加热所述下加热组件。

10.根据权利要求1或9所述的瞬态法隔热材料热导率测试装置，其特征在于，执行以下操作获得所述试样的热导率：

基于实时采集的所述试样上表面的温度及公式(1)，得到每一采样时刻的试样下表面的理论温度；

其中，x＝L；

L为所述试样的厚度，f(τ)为第τ时刻采集的所述试样上表面的温度；α表示所述试样的热扩散系数；

基于每一采样时刻的所述试样下表面的温度理论值与实时采集的温度值，获得所述试样的热扩散系数α；

基于所述试样的热扩散系数α和公式(2)，获取所述试样的热导率λ：

λ＝αρC_p (2)

其中，ρ为所述试样的密度；C_p为所述试样的比热容。

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