CN115248231B - 一种用于磁性液体导热性能的测量装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于磁性液体导热性能的测量装置和系统，包括：恒温加热装置；试管架，所述试管架设置在所述恒温加热装置内；第一容器和第二容器；第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线，所述第一金属导线和第三金属导线的中间位置处向下弯成“V字型”，第二金属导线和第四金属导线先弯成U型，再在U型底部中间向上弯成“V字型”；第一热线和第二热线，所述第一热线与所述第一容器的中心轴线重合，所述第二热线与所述第二容器的中心轴线重合。所述用于磁性液体导热性能的测量装置和系统不仅能够精准保证热线在测试中的中心位置和拉紧状态，还能够在稳定的金属导线支架上焊接，提高焊点质量，降低测量误差和焊接难度。
Description
技术领域
本发明涉及液体导热系数测量领域，尤其涉及一种用于磁性液体导热性能的测量装置和系统。
背景技术
导热系数作为液体的重要物性参数之一，是反映介质换热能力的关键参数，它的准确测量对于各种液体的应用有着重要的意义。磁性液体作为一种特殊的纳米流体，相比传统液体具有更优越的导热性能，被看作是新一代传热流体。目前，液体导热系数的理论研究尚未进入实用阶段，现有的经验关联式又不能广泛适应现实需要，所以磁性液体的导热系数主要通过实验测得。不同学者提出了各种测量纳米流体有效导热系数的方法，在众多测量方法中瞬态方法，如温度振荡法、瞬态热线法等被反复使用。瞬态热线技术使用傅立叶瞬态热传导模型，是一种行之有效的方法，用于准确测量固体、聚合物和熔融物等多种物质的导热系数。
如公开号CN112067651B专利所述，涉及一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法，其主要用于固体导热系数测量无法用于液体导热系数的测量。液体的导热系数需要更加复杂和精细的测量，在热传导过程中往往会伴随自然对流发生，所以需要叠加使用傅里叶热传导定律实现导热系数的测量。经过多年的研究和发展，瞬态热线法能够减弱自然对流的影响，是目前测量液体导热系数精度最高的方法。但是，该方法存在热线固定问题，通常为保证热线在不同温度和压力下一直悬垂于盛放待测溶液容器的轴线处，在热线端部悬挂金属重物或在热线与固定支架间安装小型弹簧结构，因此热线受到振动时焊点处非常容易断开，影响测量精度。现有一些瞬态热线法改进了热线固定结构，如公开号为CN106568803A的专利涉及一种新型的导热油导热系数的测定方法，其主要利用单线法且热线结构为双倒U型，但瞬态单线法无法避免测量过程中热线的端部效应，造成热线顶端出现散热而产生原理性误差。公开号为CN101871900A专利相比于CN106568803A专利不仅有单热线结构还有双热线结构，其热线结构采用金属箔片加工而成，主要用于测量固体导热系数。公开号为CN101806760A的专利所述，将金属丝弯成U型结构并将热线焊接于U型金属丝上，该方法一定程度上解决了结构稳定性问题，但在实际焊接过程中光滑的金属丝上附着焊锡非常困难，导致整个焊接过程十分复杂且容易有空焊情况的发生。公开号为CN104614399A的专利所述，液体热物性瞬态热线法测温探头的结构可分别依据单热线法、双热线法和平行双热线法实施测温，但此结构只是形式上满足了双热线法测量形式，无法满足瞬态双热线法测量原理。公开号为CN201653945U的专利涉及一种液体导热系数的瞬态测量装置，其中热导池结构无法保证热线处于中心位置以及保持拉紧状态，这将影响热导池的温度场分布，导致测试结果出现偏差。公开号CN103175862A的专利涉及了一种基于瞬态双热线法测量液体导热系数的新装置，该装置采用双铂丝作为热线，将热线焊接在铜丝上通过玻璃管底端小孔装入，热线两侧铜丝成弹簧状，该方法操作难度较大，热线拉紧状态较难保持。
综上所述，采用瞬态双热线法测量液体导热系数时，热线两端直接采用点焊焊接在铜丝端部进行固定，不仅定位困难还容易产生空焊或焊点脱落现象，都会增大测量误差。因此，热线固定方法和焊点质量是实现瞬态双热线法精确测量液体导热系数的重要影响因素。
发明内容
针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种用于磁性液体导热性能的测量装置，该装置不仅能够精准保证热线在测试中的中心位置和拉紧状态，还能够在稳定的金属导线支架上焊接，提高焊点质量，降低测量误差和焊接难度，使得操作更加便捷。本发明的另一个目的是提供一种用于磁性液体导热性能的测量系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的一方面提供了一种用于磁性液体导热性能的测量装置，包括：
恒温加热装置；
试管架，所述试管架设置在所述恒温加热装置内；
第一容器和第二容器，所述第一容器和第二容器安装在所述试管架上，所述第一容器和第二容器内用于容纳所述磁性液体；
第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线，所述第一金属导线和第三金属导线的中间位置处向下弯成“V字型”，第二金属导线和第四金属导线先弯成U型，再在U型底部中间向上弯成“V字型”；
第一热线和第二热线，所述第一热线的两端分别与所述第一金属导线和第二金属导线的“V字型”的尖端位置焊接形成第一“Y字型”热线固定结构，所述第二热线的两端分别与所述第三金属导线和第四金属导线的“V字型”的尖端位置焊接形成第二“Y字型”热线固定结构，所述第一“Y字型”热线固定结构和第二“Y字型”热线固定结构分别垂直插入至所述第一容器和第二容器内，所述第一热线与所述第一容器的中心轴线重合，所述第二热线与所述第二容器的中心轴线重合。
进一步的，还包括第五金属导线和第六金属导线，所述第五金属导线与所述第二金属导线底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第六金属导线与所述第五金属导线对称设置，所述第六金属导线与所述第二金属导线底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
进一步的，所述还包括第七金属导线和第八金属导线，所述第七金属导线与所述第四金属导线底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第八金属导线与所述第七金属导线对称设置，所述第八金属导线与所述第四金属导线底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
进一步的，所述第一容器和第二容器均为圆柱形玻璃容器，两个所述圆柱形玻璃容器的顶部分别设有第一瓶塞和第二瓶塞，所述第一瓶塞和第二瓶塞分别开设有第一定位孔和第二定位孔，所述第一定位孔用于供所述第一金属导线和第二金属导线穿过，所述第二定位孔用于供所述第三金属导线和第四金属导线穿过，所述第一定位孔和第二定位孔使所述第一热线和第二热线分别与所述第一容器的中心轴线重合和与所述第二容器的中心轴线重合。
另一方面，本发明还提供一种用于磁性液体导热性能的测量系统，包括所述的用于磁性液体导热性能的测量装置、电源、电阻箱、两个定值电阻和万用表以及数据采集电脑，所述磁性液体导热性能的测量装置、电阻箱、两个定值电阻构成惠斯通电桥，所述电源用于为所述惠斯通电桥提供恒定直流电流，万用表测量电桥两端电压差并通过数据采集电脑进行数据采集。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
所述第一“Y字型”热线固定结构和第二“Y字型”热线固定结构使得热线固定牢靠，在安装过程中既可以保证热线居中，又不易导致热线与导线断开；
三角形导线支撑结构使得金属导线支撑结构稳固，热线焊接操作简便且避免空焊情况的发生；
提高了瞬态双热线法测量液体导热系数的精度和准确度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明一实施例提供的用于磁性液体导热性能的测量装置的结构示意图；
图2是第一“Y字型”热线固定结构以及第一三角形导线固定支撑结构的结构示意图；
图3是第二“Y字型”热线固定结构以及第二三角形导线固定支撑结构的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的磁性液体导热性能的测量系统的结构示意图；
附图中各标记表示如下：
1-盖板、2-1-第一瓶塞、2-2-第二瓶塞、3-1-第一金属导线、3-2-第二金属导线、3-3-第三金属导线、3-4-第四金属导线、3-5-第五金属导线、3-6-第六金属导线、3-7-第七金属导线、3-8-第八金属导线、4-1-第一热线、4-2-第二热线、5-1-第一容器、5-2-第二容器、6-试管架、7-恒温水浴锅、8-电源、9-电阻箱、10-定值电阻、11-万用表、12-数据采集电脑。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明的实施例提供一种用于磁性液体导热性能的测量装置，针对现有的液体导热系数测量装置在安装过程中热线固定困难，且热线非常细小焊接难度大还容易出现空焊，在测量过程中热线焊接处容易断开造成测量误差等问题，因此提出一种基于瞬态双热线法测量磁性液体导热性能的“Y字型”热线固定方法，通过改进的“Y字型”热线固定结构保证了热线测量位置居中且固定牢靠，还使得焊接操作简单可靠，焊点质量提高，能够更准确的实现磁性液体导热性能测量。
如图1至图3所示，所述用于磁性液体导热性能的测量装置包括恒温加热装置7、试管架6、第一容器5-1和第二容器5-2、第一金属导线3-1、第二金属导线3-2、第三金属导线3-3和第四金属导线3-4、第一热线4-1和第二热线4-2。所述试管架6设置在所述恒温加热装置7内。所述第一容器5-1和第二容器5-2安装在所述试管架6上，所述第一容器5-1和第二容器5-2内用于容纳所述磁性液体。所述第一金属导线3-1和第三金属导线3-3的中间位置处向下弯成“V字型”，第二金属导线3-2和第四金属导线3-4先弯成U型，再在U型底部中间向上弯成“V字型”。所述第一热线4-1的两端分别与所述第一金属导线3-1和第二金属导线3-2的“V字型”的尖端位置焊接形成第一“Y字型”热线固定结构，所述第二热线4-2的两端分别与所述第三金属导线3-3和第四金属导线3-4的“V字型”的尖端位置焊接形成第二“Y字型”热线固定结构，所述第一“Y字型”热线固定结构和第二“Y字型”热线固定结构分别垂直插入至所述第一容器5-1和第二容器5-2内，所述第一热线4-1与所述第一容器5-1的中心轴线重合，所述第二热线4-2与所述第二容器5-2的中心轴线重合。
所述第一“Y字型”热线固定结构和第二“Y字型”热线固定结构使得热线固定牢靠，在安装过程中既可以保证热线居中，又不易导致热线与导线断开，还能够在稳定的金属导线支架上焊接，提高焊点质量，降低测量误差和焊接难度，使得操作更加便捷。
为了提高焊点的稳定性，所述用于磁性液体导热性能的测量装置还包括第五金属导线3-5和第六金属导线3-6，所述第五金属导线3-5与所述第二金属导线3-6底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第六金属导线3-6与所述第五金属导线3-5对称设置，所述第六金属导线3-6与所述第二金属导线3-2底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
所述还包括第七金属导线3-7和第八金属导线3-8，所述第七金属导线3-7与所述第四金属导线3-4底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第八金属导线3-8与所述第七金属导线3-7对称设置，所述第八金属导线3-8与所述第四金属导线3-4底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
所述第一容器5-1和第二容器5-2均为圆柱形玻璃容器，两个所述圆柱形玻璃容器的顶部分别设有第一瓶塞2-1和第二瓶塞2-2，所述第一瓶塞2-1和第二瓶塞2-2分别开设有第一定位孔和第二定位孔，所述第一定位孔用于供所述第一金属导线3-1和第二金属导线3-2穿过，所述第二定位孔用于供所述第三金属导线3-3和第四金属导线3-4穿过，所述第一定位孔和第二定位孔使所述第一热线和第二热线4-2分别与所述第一容器5-1的中心轴线重合和与所述第二容器5-2的中心轴线重合。
所述恒温加热装置为恒温水浴锅7，所述恒温水浴锅7的顶部设有保温盖板。
所述第一金属导线3-1、第二金属导线3-2、第三金属导线3-3、第四金属导线3-4、五金属导线3-5、第六金属导线3-6、七金属导线3-7和第八金属导线3-8均为低电阻率金属导线，所述第一热线4-1和第二热线4-2直径为10-100微米的铂丝或钽丝。
所述第一瓶塞2-1和第二瓶塞2-2均为木塞。
本发明的另一个实施例还提供了一种用于磁性液体导热性能的测量系统，包括所述的用于磁性液体导热性能的测量装置、电源8、电阻箱9、两个定值电阻10和万用表11以及数据采集电脑12，所述磁性液体导热性能的测量装置、电阻箱9、两个定值电阻10构成惠斯通电桥，所述电源8用于为所述惠斯通电桥提供恒定直流电流，万用表11测量电桥两段电压差并通过数据采集电脑12进行数据采集。
实施例1
基于上述用于磁性液体导热性能的测量系统进行实验，以蒸馏水作为测量样品，用待测样品润洗圆柱形玻璃容器后，将待测样品装入容器。容器放入恒温水浴锅中，调节水浴温度至所需测试温度，保证待测液体液面在水浴液面以下，稳定恒温30分钟。连接高精度直流稳压电源，先输入5mA小电流，使用万用表测量惠斯通电桥两端电压差并调节电阻值使之值为零，并稳定2分钟。计算测量待测样品所需加热功率，给电路通以恒定直流电流，用数据采集电脑开始采集数据，采样时间大约为5秒钟。通过采集不平衡电压随时间的变化率，根据瞬态双热线法测量液体导热系数计算公式，即可计算得到蒸馏水导热系数值。如下述表1所示，蒸馏水导热系数测试结果与标准值的对比，蒸馏水测量最大偏差为0.9％。
表1蒸馏水导热系数测试结果与标准值的对比
实施例2
基于上述用于磁性液体导热性能的测量系统进行实验，以水基磁性液体为测试样本，用待测样品润洗圆柱形玻璃容器后，将待测样品装入容器。容器放入恒温水浴锅中，调节水浴温度至所需测试温度，保证待测液体液面在水浴液面以下，稳定恒温30分钟。连接高精度直流稳压电源，先输入5mA小电流，使用万用表测量惠斯通电桥两端电压差并调节电阻值使之值为零，并稳定2分钟。计算测量待测样品所需加热功率，给电路通以恒定直流电流，用数据采集电脑开始采集数据，采样时间大约为5秒钟。通过采集不平衡电压随时间的变化率，根据瞬态双热线法测量液体导热系数计算公式，即可计算得出水基磁性液体导热系数值。如下述表2所示，水基磁性液体导热系数测试结果与Maxwell模型计算结果的对比，水基磁性液体测量最大偏差为3.2％。
表2水基磁性液体导热系数测试结果与模型计算值的对比
通过实验验证：本发明的“Y字型”热线固定结构稳定性高，耐振性好，测温热丝适用样品范围广，并且蒸馏水的实验测量值与标准值的最大偏差为0.9％，水基磁性液体与Maxwell模型计算值最大相对误差为3.2％，表明整个实验系统精度高、准确可靠，可以满足测量要求，具有测试不同液体导热性能的能力。
最后应说明的是：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 (5)
1.一种用于磁性液体导热性能的测量装置，其特征在于，包括：
恒温加热装置；
试管架，所述试管架设置在所述恒温加热装置内；
第一容器和第二容器，所述第一容器和第二容器安装在所述试管架上，所述第一容器和第二容器内用于容纳所述磁性液体；
第一金属导线、第二金属导线、第三金属导线和第四金属导线，所述第一金属导线和第三金属导线的中间位置处向下弯成“V字型”，第二金属导线和第四金属导线先弯成U型，再在U型底部中间向上弯成“V字型”；
第一热线和第二热线，所述第一热线的两端分别与所述第一金属导线和第二金属导线的“V字型”的尖端位置焊接形成第一“Y字型”热线固定结构，所述第二热线的两端分别与所述第三金属导线和第四金属导线的“V字型”的尖端位置焊接形成第二“Y字型”热线固定结构，所述第一“Y字型”热线固定结构和第二“Y字型”热线固定结构分别垂直插入至所述第一容器和第二容器内，所述第一热线与所述第一容器的中心轴线重合，所述第二热线与所述第二容器的中心轴线重合。
2.根据权利要求1所述的用于磁性液体导热性能的测量装置，其特征在于，还包括第五金属导线和第六金属导线，所述第五金属导线与所述第二金属导线底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第六金属导线与所述第五金属导线对称设置，所述第六金属导线与所述第二金属导线底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
3.根据权利要求2所述的用于磁性液体导热性能的测量装置，其特征在于，还包括第七金属导线和第八金属导线，所述第七金属导线与所述第四金属导线底部的一个直角结构焊接形成第一三角形导线固定支撑结构，所述第八金属导线与所述第七金属导线对称设置，所述第八金属导线与所述第四金属导线底部另一个直角结构焊接形成第二三角形导线固定支撑结构。
4.根据权利要求3所述的用于磁性液体导热性能的测量装置，其特征在于，所述第一容器和第二容器均为圆柱形玻璃容器，两个所述圆柱形玻璃容器的顶部分别设有第一瓶塞和第二瓶塞，所述第一瓶塞和第二瓶塞分别开设有第一定位孔和第二定位孔，所述第一定位孔用于供所述第一金属导线和第二金属导线穿过，所述第二定位孔用于供所述第三金属导线和第四金属导线穿过，所述第一定位孔和第二定位孔使所述第一热线和第二热线分别与所述第一容器的中心轴线重合和与所述第二容器的中心轴线重合。
5.一种用于磁性液体导热性能的测量系统，其特征在于，包括电源、电阻箱、两个定值电阻、万用表、数据采集电脑和权利要求1~4中任一项所述的用于磁性液体导热性能的测量装置，所述磁性液体导热性能的测量装置、电阻箱、两个定值电阻构成惠斯通电桥，所述电源用于为所述惠斯通电桥提供恒定直流电流，万用表测量所述惠斯通电桥两端电压差并通过数据采集电脑进行数据采集。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115248231A (zh) | 2022-10-28 |
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