CN116413310A - 一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法，涉及热学试验领域，该装置包括：直流电源用于为热探针提供电流；开关设置在直流电源与热探针之间的连接电路上；开关用于控制连接电路的通断；热探针与数据采集模块连接；热探针用于根据连接电路的通断生成的电流脉冲产生热脉冲并检测环境温度，以及将环境温度传输至数据采集模块；数据采集模块用于采集环境温度并记录对应的测定时间，以及将环境温度和对应的测定时间发送至上位机；上位机根据背景温度和对应的测定时间对管壁温度进行修正，根据修正后的管壁温度，计算所述待测样品的导热系数。本发明能够提高在不稳定环境温度下导热系数的测量精度。

Description

一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及热学试验领域，特别是涉及一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法。

背景技术

目前，单针热脉冲方法和双针热脉冲方法被广泛用于测量土壤、岩石等材料的热特性。单针热脉冲测量方法基于拉氏变换得到温度变化量，双针热脉冲测量方法采用的无限长线状热源的假设，可得到持续设定时间的热脉冲信号引发的距离加热针设定距离处的温度探针的温度变化的解析解；理论上来说，温度变化量应该完全来自于线热源产生的热脉冲影响，但是在一些实际的工程或实验中，由于环境温度的不稳定，土体内部温度会产生变化，使得温度变化量受到热脉冲和环境温度变化的双重影响，导致导热系数测量产生误差。

土体导热系数对于地源热泵的换热效率有很大的影响，因此准确测定土体导热系数对于计算和预测地源热泵的换热量有重要的意义。但在地源热泵技术中，由于换热器周边土体温度场复杂且频繁变化，这也会导致土体内部水分、离子等发生迁移，因此复杂温度场中不同时刻的土体导热系数也在变化，传统的导热系数测量装置需要基于稳定的环境温度，并且需要多次测量来确保测量精度，在环境温度变化时进行测量会存在较大的误差，难以应用于相应的工程和实验。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法，能够提高在不稳定环境温度下导热系数的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，所述试验装置包括热探针、开关、直流电源、数据采集模块和上位机；

所述直流电源与所述热探针连接；所述直流电源用于为所述热探针提供电流；

所述开关设置在所述直流电源与所述热探针之间的连接电路上；所述开关用于控制所述连接电路的通断；

所述热探针与所述数据采集模块连接；所述热探针插入待测样品中；所述热探针用于根据所述连接电路的通断生成的电流脉冲产生热脉冲，并检测环境温度，以及将所述环境温度传输至所述数据采集模块；

所述数据采集模块与所述上位机连接；所述数据采集模块用于采集所述环境温度并记录对应的测定时间，以及将所述环境温度和所述对应的测定时间发送至所述上位机；

所述上位机根据所述环境温度和所述对应的测定时间计算所述待测样品的导热系数。

可选地，所述热探针包括探针管、绝缘加热丝、测温元件和底座；

所述探针管垂直固定在所述底座的上表面；所述绝缘加热丝设置在所述探针管内；所述绝缘加热丝的引出线从所述探针管与所述底座的连接处进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述开关连接；

所述测温元件包括背景温度测温元件和管壁温度测温元件；所述管壁温度测温元件设置在所述探针管内；管壁温度测温元件的引出线从所述探针管与所述底座的连接处穿出后进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述数据采集模块连接；所述背景温度测温元件设置在所述底座的侧面；所述背景温度测温元件的引出线从所述底座的侧面进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述数据采集模块连接。

可选地，所述背景温度测温元件通过环氧树脂固定在所述底座的侧面。

可选地，所述探针管的头部为锥形；所述探针管的尾部与所述底座固定连接。

可选地，所述绝缘加热丝通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述绝缘加热丝与所述探针管无接触。

可选地，所述管壁温度测温元件通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述管壁温度测温元件与所述探针管无接触。

可选地，所述管壁温度测温元件的检测端固定在所述探针管内的中间位置；所述中间位置为在所述探针管的轴线方向上的中间位置。

可选地，所述热探针还包括防水电缆保护层；所述防水电缆保护层设置在所述底座的下表面；所述背景温度测温元件、所述管壁温度测温元件和所述绝缘加热丝的引出线通过所述防水电缆保护层从所述底座的内部穿出至所述底座的外部。

可选地，所述探针管的长度与所述探针管的内径之比大于25。

一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法，应用于上述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，所述试验方法包括：

获取多组环境温度和各组所述环境温度对应的测定时间；所述环境温度包括管壁温度和背景温度；

根据各组的所述背景温度和所述背景温度对应的测定时间，对所述管壁温度进行修正，得到各组的修正温度曲线；

根据各组的所述修正温度曲线，计算对应的待测试样的导热系数；

根据所述对应的待测试样的导热系数，应用加权平均算法，得到待测试样的导热系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明旨在解决环境温度变化情况下土体导热系数不能准确测量的问题，以额外的测温元件测量环境温度数据，并用其对热脉冲引起的测温探针温度变化进行温度补偿，从而消除环境温度变化的影响，同时通过两种修正后的导热系数测量方法，实现单次导热系数测量中两种方法得到的结果进行相互检验，从而确保环境在复杂变化的状态下，准确测得不同时刻导热系数的变化。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置的结构示意图；

图2为本发明提供的改进的双探头热脉冲探针结构示意图；

图3为本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法的流程图；

图4为本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法的实际应用过程流程图。

附图标记说明：

第一探针—1，第二探针—2，第一绝缘加热丝—3，第二绝缘加热丝—4，第一管壁温度测温元件—5，第二管壁温度测温元件—6，底座—7，第一背景温度测温元件—8，第二背景温度测温元件—9，环氧树脂保护层—10，防水电缆保护层—11，热探针—12，待测样品—13。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置及方法，能够提高在不稳定环境温度下导热系数的测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，所述试验装置包括热探针12、开关、直流电源、数据采集模块和上位机。

所述直流电源与所述热探针12连接；所述直流电源用于为所述热探针12提供电流。

所述开关设置在所述直流电源与所述热探针12之间的连接电路上；所述开关用于控制所述连接电路的通断。

所述热探针12与所述数据采集模块连接；所述热探针12插入待测样品13中；所述热探针12用于根据所述连接电路的通断生成的电流脉冲产生热脉冲，并检测环境温度，以及将所述环境温度传输至所述数据采集模块。

所述数据采集模块与所述上位机连接；所述数据采集模块用于采集所述环境温度并记录对应的测定时间，以及将所述环境温度和所述对应的测定时间发送至所述上位机。

所述上位机根据所述环境温度和所述对应的测定时间计算所述待测样品13的导热系数。

其中，如图2所示，所述热探针12包括探针管、绝缘加热丝、测温元件和底座7；所述绝缘加热丝为采用直径0.1mm的漆包镍铬合金丝Cr20Ni80；所述测温元件采用K型热电偶；所述探针管垂直固定在所述底座7的上表面；所述绝缘加热丝设置在所述探针管内；所述绝缘加热丝的引出线从所述探针管与所述底座7的连接处进入所述底座7的内部，并从所述底座7的下表面穿出后与所述开关连接；所述测温元件包括背景温度测温元件和管壁温度测温元件；所述管壁温度测温元件设置在所述探针管内；管壁温度测温元件的引出线从所述探针管与所述底座7的连接处穿出后进入所述底座7的内部，并从所述底座7的下表面穿出后与所述数据采集模块连接；所述背景温度测温元件设置在所述底座7的侧面；所述背景温度测温元件的引出线从所述底座7的侧面进入所述底座7的内部，并从所述底座7的下表面穿出后与所述数据采集模块连接。

作为一个具体地实施方式，探针管一个空心尖头的不锈钢针管；例如皮下注射器针头，在本发明中，探针管采用的是长50mm，外径2mm，内径1.2mm的不锈钢医用注射器针头。

具体地，所述背景温度测温元件通过环氧树脂固定在所述底座7的侧面。环氧树脂作为背景温度测温元件的保护层，在本申请中，该保护层成为环氧树脂保护层10；所述探针管的头部为锥形；所述探针管的尾部与所述底座7固定连接。所述绝缘加热丝通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述绝缘加热丝与所述探针管无接触。

进一步地，所述管壁温度测温元件通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述管壁温度测温元件与所述探针管无接触。所述管壁温度测温元件的检测端固定在所述探针管内的中间位置；所述中间位置为在所述探针管的轴线方向上的中间位置。

作为一个具体地实施方式，所述热探针12还包括防水电缆保护层11；所述防水电缆保护层11由热缩套管制作；所述防水电缆保护层11设置在所述底座7的下表面；所述背景温度测温元件、所述管壁温度测温元件和所述绝缘加热丝的引出线通过所述防水电缆保护层11从所述底座7的内部穿出至所述底座7的外部。

在实际应用中，直流电源用于给绝缘加热丝输送电流，并通过开关的开通和关闭产生热脉冲；数据采集模块，用于采集所述高精度测温元件测定的管壁温度、背景温度及对应的测定时间；本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置还包括PLC控制器；在本发明中，开关优选为继电器；该继电器与PLC控制器连接，接收PLC控制器发送的开关信号；该继电器连接在绝缘加热丝和直流电源之间，用于实现按照预设开关规律自动化控制电流的释放，以及控制热脉冲的产生和持续时间。

作为一个具体地实施方式，本发明提供的热探针12包括第一探针1、第二探针2和底座7，第一探针1包括第一探针管、第一绝缘加热丝3和第一测温元件；第二探针2包括第二探针管、第二绝缘加热丝4和第二测温元件；第一测温元件包括第一管壁温度测温元件5和第一背景温度测温元件8；第二测温元件包括第二管壁温度测温元件6和第二背景温度测温元件9；第一绝缘加热丝3和第一管壁温度测温元件5设置在第一探针管内，第二绝缘加热丝4和第二管壁温度测温元件6设置在第二探针管内。第一背景温度测温元件8和第二背景温度测温元件9设置底座7的侧面；两个探针管，每个探针管的长度与内径之比均大于预设的值，用于插入到导热系数测量的待测样品13中；具体地，本发明中的高精度测温元件即为测温元件，探针管头部为锥形，所述探针管的长度与所述探针管的内径之比大于25，且壁厚大于0.3mm。进一步地，每个探针管内均设置一个绝缘加热丝和一个管壁温度测温元件，绝缘加热丝长度与探针管长度相同，管壁温度测温元件位于探针管的中部位置。探针管内部填充高导热系数（导热系数≥1.5W/M·K）的环氧树脂，用于固定绝缘加热丝和管壁温度测温元件，同时减少绝缘加热丝和管壁温度测温元件与探针管壁的接触热阻。两个探针管沿轴向平行固定在底座7上，同时，底座7两侧布置有两个背景温度测温元件用于测量背景温度变化，底座7两侧的背景温度测温元件同样通过电缆连接至数据采集模块。

数据采集模块用于采集各个测温元件测得的温度，并记录为温度随时间变化的曲线，数据采集模块的采集频率应至少达到0.5s一次。

两个绝缘加热丝，由高导热环氧树脂分别固定在两个探针管中，长度与探针管相同，用于释放热脉冲，绝缘加热丝连接至外部的PLC控制器和直流电源。PLC控制器用于控制加热丝在特定时间或时间间隔自动通断电，以自动释放热脉冲。直流电源输出电流和功率可调，并且可以由PLC控制器控制电路的通断。

数个高精度测温元件，由高导热环氧树脂分别固定在探针管中间位置和底座7侧壁，用于测定探针管的管壁温度和底座7周围的背景温度，测温元件连接至数据采集模块。

底座7使用导热系数较低的隔热材料制作；具体地，底座7为导热系数为0.2W/(K·m)的环氧树脂，用于固定两个探针管及其中的绝缘加热丝和管壁温度测温元件，以及背景温度测温元件，同时避免热脉冲对背景温度测温元件的影响。

在环境温度不稳定的情况下，使用背景温度的变化对第二探针2的管壁温度变化进行修正，根据修正后的第二探针2管壁温度变化曲线应用双针热脉冲法计算出试样导热系数。在环境温度不稳定的情况下，使用背景温度的变化对第一探针1的管壁温度变化进行修正，根据修正后的第一探针1管壁温度变化曲线应用单针热脉冲法计算出试样导热系数。对两种不同测量方式测量出的结果进行加权处理分析，输出最终的样品导热系数值。可选地，加权系数预先设定。

本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，通过在热探针12侧面布置背景温度测温元件，根据背景温度数据对探针管壁温度进行修正，消除了背景温度变化对于导热系数测量的不利影响，并且具有PLC控制器进行自动化连续测量，两种计算方法可以实现单次测量自核验，可以便于在环境温度变化情况下对待测样品的导热系数变化进行连续准确测量，对于地源热泵、能源地下结构等换热装置周围介质的导热系数变化测量有重要的作用，另外，该系统结构简单，造价低廉，使用方便，测量快速且能实现自动化测量。

实施例二

为了执行上述实施例一对应的装置，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法，如图3所示，所述试验方法包括：

步骤S1：获取多组环境温度和各组所述环境温度对应的测定时间；所述环境温度包括管壁温度和背景温度。

步骤S2：根据各组的所述背景温度和所述背景温度对应的测定时间，对所述管壁温度进行修正，得到各组的修正温度曲线。

步骤S3：根据各组的所述修正温度曲线，计算对应的待测试样的导热系数。

步骤S4：根据所述对应的待测试样的导热系数，应用加权平均算法，得到待测试样的导热系数。

在实际应用时，将探针插入到用于导热系数测量的待测样品中，确保探针中所有测温元件都埋入待测样品中。设置好直流电源的电流或输出功率，使用PLC控制器控制第一探针1输出一段6-15秒的热脉冲；采集第一探针1和第二探针2的管壁温度和背景温度及对应的测定时间。

在环境温度不稳定的情况下，使用背景温度的变化对第二探针2的管壁温度变化进行修正，根据修正后的第二探针2管壁温度变化曲线应用双针热脉冲法计算出试样导热系数。在环境温度不稳定的情况下，使用背景温度的变化对第一探针1的管壁温度变化进行修正，根据修正后的第一探针1管壁温度变化曲线应用单针热脉冲法计算出试样导热系数。

对两种不同测量方式测量出的结果进行加权处理分析，输出最终的样品导热系数值。

本发明提供的试验装置由于拥有两组相同的绝缘加热丝和测温元件，如其中一根探针中的加热丝损坏，仍可使用另一组加热丝进行实验，提高了装置的耐用性。同时使用两种测量方法在同一时间测量出导热系数，以此进行相互验证，提高测量结果的可信度和准确度，并且能在装置出现异常时及时发现。使用背景温度变化对管壁温度变化进行修正，可以使装置在试样温度不稳定的情况下仍能测出准确的导热系数，对于复杂温度情况下的导热系数测量非常有效。

如图4所示，本发明提供的用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法的实际应用过程如下：

步骤一、制备好双探头热脉冲传感器，即热探针12，并将其中一根探针（第一探针1）的绝缘加热丝连接至PLC控制器和直流电源，将所有的高精度测温元件连接至数据采集模块。

步骤二、将热探针12表面涂抹适量传热硅脂。

步骤三、将热探针12插入待测样品处，待测样品所处的环境温度可以是不稳定的，例如，能源地下结构运行时周围的土体。

步骤四、在PLC控制器中设定电路通断的条件，例如，每2分钟通路一次，每次15秒，即每2分钟释放一次热脉冲，每次热脉冲持续时间为15秒。

步骤五、打开直流电源，设置好电流I，开始进行导热系数测量，同时数据采集模块工作，测量探针管壁温度和背景温度变化，将第一探针1管壁温度记录为T_p1，第二探针2管壁温度记录为T_p2，1号背景温度记录为T_e1，2号背景温度记录为T_e2，将T_p1-T_e1记为△T₁，将T_p2-T_e2记为△T₂。

步骤六、使用修正后的单针热脉冲方法的计算公式计算样品的导热系数λ₁，计算公式如下：

。

其中，Q为绝缘电阻丝单位长度的功率，△lnt为时间的对数变化。

步骤七、使用修正后的双探针热脉冲测量方法的计算公式计算样品的导热系数λ₂，计算公式如下：

。

。

。

其中，α为热扩散率，ρ_c为比热容，r是两根探针之间的间距，q′是绝缘加热丝输出的热量，可以由输入电流和电压计算得到，△T_2m是△T₂的最大值，t₀是绝缘加热丝的加热时间，t_m是△T₂达到最大值时的时间，Ei为数学符号。

步骤八、由步骤六和步骤七所得的λ₁和λ₂可以通过以下计算机算法进行加权分析修正和筛选，综合考虑当前环境温度的变化幅度和样品导热系数的所在范围，调整加权系数。最终输出样品的导热系数λ。对于两种测量方式所得到的结果差异较大的情况，依据设定的算法进行自动故障排查，并将排查出的故障类型显示出来。

具体地:

（1）获取热脉冲输出和高精度测温元件测得的温度数据，计算λ₁和λ₂，判断λ₁和λ₂相差是否小于20%。

（2）如果λ₁和λ₂相差小于20%，根据测试环境和导热系数取值范围对λ₁和λ₂进行加权分析，根据加权分析的结果输出最终的样品导热系数λ。

（3）如果λ₁和λ₂相差大于等于20%，则需要进行故障排查，判断T_e1和T_e2差异是否小于5%；如果不是的话，舍弃该次测量结果，并显示“背景温度测温元件损坏”；如果是的话，检查热脉冲功率是否等于预设值，如果不是的话，舍弃该次测量结果，并显示“热脉冲加热丝损坏”；如果是的话，判断T_p1和T_p2变化是否大于预设值，该预设值由热脉冲的强度决定；如果是的话，调整探针并重新测量；如果不是的话，舍弃该次测量结果，并显示“管壁温度测温元件损坏”。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括热探针、开关、直流电源、数据采集模块和上位机；

所述直流电源与所述热探针连接；所述直流电源用于为所述热探针提供电流；

所述开关设置在所述直流电源与所述热探针之间的连接电路上；所述开关用于控制所述连接电路的通断；

所述热探针与所述数据采集模块连接；所述热探针插入待测样品中；所述热探针用于根据所述连接电路的通断生成的电流脉冲产生热脉冲，并检测环境温度，以及将所述环境温度传输至所述数据采集模块；所述环境温度包括所述热探针的管壁温度和背景温度；

所述数据采集模块与所述上位机连接；所述数据采集模块用于采集所述环境温度并记录对应的测定时间，以及将所述环境温度和所述对应的测定时间发送至所述上位机；

所述上位机根据所述背景温度和所述对应的测定时间对所述管壁温度进行修正，根据修正后的管壁温度，计算所述待测样品的导热系数。

2.根据权利要求1所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述热探针包括探针管、绝缘加热丝、测温元件和底座；

所述探针管垂直固定在所述底座的上表面；所述绝缘加热丝设置在所述探针管内；所述绝缘加热丝的引出线从所述探针管与所述底座的连接处进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述开关连接；

所述测温元件包括背景温度测温元件和管壁温度测温元件；所述管壁温度测温元件设置在所述探针管内；管壁温度测温元件的引出线从所述探针管与所述底座的连接处穿出后进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述数据采集模块连接；所述背景温度测温元件设置在所述底座的侧面；所述背景温度测温元件的引出线从所述底座的侧面进入所述底座的内部，并从所述底座的下表面穿出后与所述数据采集模块连接。

3.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述背景温度测温元件通过环氧树脂固定在所述底座的侧面。

4.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述探针管的头部为锥形；所述探针管的尾部与所述底座固定连接。

5.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述绝缘加热丝通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述绝缘加热丝与所述探针管无接触。

6.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述管壁温度测温元件通过环氧树脂固定在所述探针管内且所述管壁温度测温元件与所述探针管无接触。

7.根据权利要求6所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述管壁温度测温元件的检测端固定在所述探针管内的中间位置；所述中间位置为在所述探针管的轴线方向上的中间位置。

8.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述热探针还包括防水电缆保护层；所述防水电缆保护层设置在所述底座的下表面；所述背景温度测温元件、所述管壁温度测温元件和所述绝缘加热丝的引出线通过所述防水电缆保护层从所述底座的内部穿出至所述底座的外部。

9.根据权利要求2所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，其特征在于，所述探针管的长度与所述探针管的内径之比大于25。

10.一种用于动态温度条件下测量导热系数的试验方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任意一项所述的用于动态温度条件下测量导热系数的试验装置，所述试验方法包括：

获取多组环境温度和各组所述环境温度对应的测定时间；所述环境温度包括管壁温度和背景温度；

根据各组的所述背景温度和所述背景温度对应的测定时间，对所述管壁温度进行修正，得到各组的修正温度曲线；

根据各组的所述修正温度曲线，计算对应的待测试样的导热系数；

根据所述对应的待测试样的导热系数，应用加权平均算法，得到待测试样的导热系数。

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