CN113030164B - 一种基于感应加热的金属材料热参数全面评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于感应加热的金属材料热参数全面评估方法。它主要解决现有的热参数评估方法只能评估一到两种热参数且多为接触式测量等技术问题；其技术方案要点是：通过感应加热线圈和红外热像仪分别间接测量被测金属材料的热导率和热扩散率，再计算得出比热容。感应线圈在试件的表面感应出的电涡流，一方面产生焦耳热，致使试件局部的温度上升，另一方面感生出次生磁场被线圈接收。由于次生磁场强度与试件的电导率有关，分析线圈阻抗的变化就可反演出试件的电导率，再利用Wiedemann‑Franz定律计算得到试件的热导率。利用红外热像仪获取试件表面的温度分布图像，数据拟合后可计算得出热扩散率。最后，根据热导率和热扩散率，可计算出试件的比热容。

Description

一种基于感应加热的金属材料热参数全面评估方法

技术领域

本发明涉及一种基于感应加热的金属材料热参数的全面评估方法，属于热物性技术测试领域。

背景技术

在工程实践中，对金属材料的热物性评估的需求日益增多，在各个行业越来越受到重视；随着我国建筑节能技术的推广，建筑材料的热物性测试日渐显示出其重要性。而我国针对金属的热物性参数的测量技术相对落后，热物性数据较混乱，制约了建筑材料的发展，同时为节能评估带来了一定阻碍。因此，迫切需要开发一种用于金属材料热参数全面评估的方法，以便对金属材料的热参数进行全面、快速、准确的评估。

目前对金属材料热参数的评估，主要分为接触式测量和非接触式测量。其中，非接触式测量由于检测探头不与被测试件接触，在高温场合和测量运动部件时具有优势。但目前材料热参数的测量主要仍以接触式测量为主。如公开号为 CN105223232B的发明专利申请公开了一种热导率的测量方法及装置，使用多个温度传感器、多个温度控制器以及信号处理器实现了对被测物质热导率的直接测量，检测方式为利用温度传感器的接触式测量方式，且需要安装数目较多的温度传感器，在实际测量中，尤其是当安装空间受限时，实用性不足。

红外热像仪的普及大大推动了材料热参数的非接触式测量的发展。许多学者利用红外热像仪得到试件表面的温度分布情况，从而间接获得所需的试件的某种热参数。如公开号为CN104833695B的发明专利申请公开了一种基于红外热成像技术的金属薄板热导率测量方法，通过红外热像仪连续获取若干幅待测金属薄板表面的热辐射能量图像，得到温度梯度，再和已知热导率的标准薄板进行比对得到相对热导率；但是，该方法其仅能测量金属材料的热导率，而不能测量材料的其它热参数。

又如公开号为CN108956691A的发明专利申请公开了一种线脉冲感应热激励测试面内导温系数的装置及其测试方法。它通过红外热像仪获取试件表面各个采集点的温升情况，并利用最小二乘法对温升曲线进行拟合计算，进而得到时间的热扩散率。该方法也仅实现了对金属材料的热扩散率的非接触式测量，而对其它热参数没有进行有效的评估。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种基于感应加热的金属材料热参数的全面评估方法，该方法具有如下优势：加热方式与检测方式都为非接触式，避免加热和检测过程中对试件表面造成磨损；可以实现对金属材料热参数的全面评估，而不是仅局限于对某个单一的热参数进行测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于感应加热的金属材料热参数全面评估方法，包括以下具体步骤：

步骤1，将薄板状待测金属试件固定在感应线圈内部，试件表面与感应线圈回路平面垂直；红外热像仪垂直于试件表面安装，调节显示在视场中的感应线圈热像的位置，保证其在视场的中央；

所述感应线圈为单匝矩形线圈；

步骤2，在感应线圈内通入交流电，从而在试件表面激发出电涡流，电涡流的大小与试件的电导率有关，感应线圈拾取涡流次生磁场并以阻抗变化的形式表征出来，进而根据线圈的阻抗值反演出试件的电导率；

步骤3，根据Wiedemann-Franz定律：

即可计算得出相应温度下试件的热导率λ；

步骤4，将红外热像仪得到的试件表面温度分布图像，导入计算机信息处理系统，对采集点的温升数据进行计算和拟合，从而得到试件的热扩散率α；

其中，热扩散率的分析和计算步骤如下：

将采集的温度数据导入计算机，选取帧图像上各个像素点的温升值基于最小二乘法进行高斯拟合，计算高斯分布峰值下降到1/e²处曲线半宽度的平方；

计算不同帧图像中高斯拟合曲线下降到峰值1/e²处曲线半宽度的平方，根据记录帧频获得相应帧对应的时间，获取多组数据，并再次拟合，得到待测材料的热扩散率λ。

步骤5，根据步骤3和4得到的热导率和热扩散率，由公式

ρ为材料密度，即可计算出试件的比热容c。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)非接触式检测，不同于热电偶等一般温度传感器，感应加热线圈和红外热像仪都不用与被测试件接触，安全实用；

(2)可以实现对金属材料热参数的全面评估，而不局限于评估某个单一的热参数；

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明测量装置的示意性结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明：

对金属试件热参数进行评估，测量装置示意性结构图如图2所示，包括：激励系统1、用于加热试件3的感应加热线圈2、红外热像仪4、阻抗分析仪5以及计算机6。测量步骤如图1所示，包括以下具体步骤：

步骤1，首先将试件3固定在感应线圈2内部，保持试件表面与感应线圈回路平面垂直。再架设好红外热像仪4，设置红外热像仪的观测参数，如探测器像素、帧频、热灵敏度、视场角等，将红外热像仪的视频输出端与计算机6 的视频输入端相连。然后将阻抗分析仪5的输入端与线圈相连，输出端与计算机 6连接。设置好激励系统1的一系列参数，如激励电流、激励时间等，用于产生激励并控制激励的大小与时间。

步骤2，通过激励系统1向感应线圈2中通入交流电，在试件3表面激发出涡电流后，利用感应线圈2拾取涡流次生磁场并以阻抗变化的形式表征出来。利用阻抗分析仪5获取感应线圈2阻抗的变化，然后将阻抗信息输入到计算机6中进行分析，得出试件3的电导率。

步骤3，根据Wiedemann-Franz定律：

计算得出相应温度下试件的热导率λ；

步骤4，利用红外热像仪4连续获取一系列试件3表面的温度分布情况的图像，并将图像导入到计算机6中，在计算机中对采集到的试件3表面温升数据进行计算和拟合，从而得到试件的热扩散率α。

步骤5，根据步骤3和4，由公式

ρ为材料密度；在已经得到试件的热导率λ和热扩散率α的情况下，即可实现对试件的比热容c的测算。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于感应加热的金属材料热参数评估方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1，将薄板状待测金属试件固定在感应线圈内部，试件表面与感应线圈回路平面垂直；红外热像仪垂直于试件表面安装，调节显示在视场中的感应线圈热像的位置，保证其在视场的中央；

步骤2，在感应线圈内通入交流电，从而在试件表面激发出电涡流，电涡流的大小与试件的电导率有关，感应线圈拾取涡流次生磁场并以阻抗变化的形式表征出来，进而根据线圈的阻抗值反演出试件的电导率；

步骤3，根据Wiedemann-Franz定律：

其中，λ为热导率，单位为W/m·K；σ为电导率，单位为S/m；T为温度，单位为K；L为洛伦兹数，等于2.44×10^-8W·Ω·K^-2；可计算得出相应温度下试件的热导率λ；

步骤4，将红外热像仪得到的试件表面温度分布图像，导入计算机信息处理系统，对采集点的温升数据进行计算和拟合，得到试件的热扩散率α，单位为m²/s；

步骤5，根据步骤3和4得到的热导率和热扩散率，由公式

式中，ρ为材料密度，单位为kg/m³；即可计算出试件的比热容c，单位为J/kg·K。

2.根据权利要求1所述的一种基于感应加热的金属材料热参数评估方法，其特征在于，步骤1中的感应线圈为单匝矩形铜线圈。

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