CN201387421Y - 流体导热系数的测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种流体导热系数的测试装置，特点是：包括惠斯通电桥，为其提供恒定电流的恒流电源及测量其端电压的数字电压表；包括容纳被测流体的第一、二试管，两根试管下端均设有开口，在第一、二试管下端的开口处均设有端盖；包括设在第一试管内的上、下紫铜滑块、第一铂丝、上、下弹簧及两紫铜滑块的两引出导线，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第一铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定在第一试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第一试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第二试管内上、下紫铜滑块、第二铂丝、上、下弹簧及两紫铜滑块的两引出导线，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第二铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定第二试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第二试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第一、二试管上方的并与之连通的第一、二吸附器；两铂丝的长度不同，两铂丝分别通过两引出导线与惠斯通电桥的两电阻串联。其消除了热线的端部影响，减小系统误差，且结构简单、操作方便。

Description

流体导热系数的测试装置

技术领域：

本实用新型专利涉一种流体导热系数的测试装置，主要应用于蓄冷纳米流体导热系数的测试。

背景技术：

纳米流体是一项创新的强化传热技术，主要是将小于100nm的纳米级金属或非金属氧化物粒子以一定的方式和比例均匀分散于传统的工作流体中，产生优于原本工作流体的传热特性。在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能；而且由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会象毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。与在液体中添加毫米或微米级粒子强化传热相比，纳米流体更适于实际应用。导热系数是蓄冷材料的一个重要热物性，是反映蓄冷材料换热能力的主要参数，在传热设计中是不可缺少的。由于纳米流体的导热系数跟纳米粒子的体积分数、大小及性质有很大的相关性，许多关于微米、毫米级的悬浮液的导热系数公式又不适合纳米级的悬浮液，因此目前几乎没有一个理论方法，可以很正确的决定纳米流体的导热系数。

目前测量方法一般分为两类：稳态法和瞬态法。前者是在试样达到热稳定后通过测定其热量、温度梯度来确定，其测定时间较长；而后者测定量主要为温度随时间的变化关系，虽测定时间短，但液体因为具有流动性，存在温度梯度，在液体中实现纯导热过程就很难达到。

实用新型内容

本实用新型是克服现有技术的不足而提供一种高效、快速、准确的装置来测试蓄冷纳米流体的导热系数的流体导热系数的测试装置。

为了达到上述目的，本实用新型是这样实现的，其是一种流体导热系数的测试装置，其特征在于：包括惠斯通电桥，为惠斯通电桥提供恒定电流的恒流电源及测量惠斯通电桥端电压的数字电压表；还包括容纳被测流体的第一试管及第二试管，两根试管下端均设有开口，在第一试管下端的开口处设有端盖，在第二试管下端的开口处设有端盖；还包括设在第一试管内的上紫铜滑块、下紫铜滑块、第一铂丝、上弹簧、下弹簧及上、下紫铜滑块的两引出导线，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第一铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定在第一试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第一试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第一试管上方的并与之连通的第一吸附器；还包括设在第二试管内上紫铜滑块、下紫铜滑块第二铂丝、上弹簧下弹簧及上、下紫铜滑块的两引出导线，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第二铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定第二试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第二试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第二试管上方的并与之连通的第二吸附器第一铂丝与第二铂丝的长度不同，第一铂丝通过两引出导线与惠斯通电桥的一电阻串联，第二铂丝通过两引出导线与惠斯通电桥的另一电阻串联。

所述的第一吸附器为橡皮球，所述的第二吸附器也为橡皮球。

本实用新型与现有技术的优点为，由于利用惠斯通电桥做为测量电路，只要测量电流以及偏差电压对时间的变化，就可以由液体导热系数公式计算出纳米流体的导热系数；电桥的偏差电压由数字电压表采集，电流由恒流源控制，采样时间控制在0～5s范围内；消除了热线的端部影响，减小系统误差，且结构简单、操作方便。

附图说明书

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是惠斯通电桥的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详述：

如图1、2所示，一种流体导热系数的测试装置，本实用新型的特点是：包括惠斯通电桥，为惠斯通电桥提供恒定电流的恒流电源V及测量惠斯通电桥端电压的数字电压表DVM，惠斯通电桥包括电阻R1、R2、R3、R4；还包括容纳被测流体的第一试管6及第二试管7，两根试管下端均设有开口，在第一试管下端的开口处设有端盖61，在第二试管下端的开口处设有端盖71，为了抑制自然对流，提高测试精度，第一试管及第二试管的直径不宜太大；还包括设在第一试管内的上紫铜滑块31、下紫铜滑块32、第一铂丝5、上弹簧21、下弹簧22及上、下紫铜滑块的两引出导线51，第一铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定在第一试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第一试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定，两弹簧将铂丝拉直，以防止其弯曲，影响测量精度，铂丝既是加热线源又是温度计，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，；还包括设在第一试管上方的并与之连通的第一吸附器1；还包括设在第二试管内的上紫铜滑块91、下紫铜滑块92、第二铂丝10、上弹簧81、下弹簧82及上、下紫铜滑块的两引出导线101，第二铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定第二试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第二试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定，弹簧将铂丝拉直，以防止其弯曲，影响测量精度，铂丝既是加热线源又是温度计，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔；还包括设在第二试管上方的并与之连通的第二吸附器11；第一铂丝与第二铂丝的长度不同，以便产生电位差，第一铂丝通过两引出导线51与惠斯通电桥的一电阻R1串联，该引出导线从第一试管内穿出，第二铂丝通过两引出导线101与惠斯通电桥的另一电阻R3串联，该引出导线从第二管内穿出。本实施例中，第一吸附器1为橡皮球，第二吸附器11也为橡皮球。端盖61为橡胶塞，端盖71也为橡胶塞，紫铜的热膨胀系数与铂丝相近，滑块电阻很小，兼起导线的作用；当同时给两根铂丝施加相同的电流时，两根铂丝产生同样的端部散热效应，其温差就等同于一根无限长热线的有限部分的温度上升，于是就消除了热丝的端部散热影响。

本实用新型测试步骤如下：

1用橡皮球将待测样品通过下端开口吸入第一试管6及第二试管7内；

2.用橡胶塞封住下端开口后将试管6及试管7放入恒温浴槽4中，注意浴槽液面盖过样品液面，以便让样品能处于某一恒温；

3.连接好惠斯通电桥，用万用表检测整个电路，确保电路连接无误；

4.连接数据采集器于相应位置以测第一铂丝5及第二铂丝10的偏差电压，通过软件在计算机上记录数据；

5.先用恒流源V输入一小电流(2mA左右)，调节好可变电阻R1、R3，使电桥平衡，即偏差电压dU＝0；

6.输入一恒定电流(120mA左右)，记录偏差电压dU，5秒后关闭电源，结束测试；

瞬态热线法测试液体导热系数的基本公式为： $\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}/\frac{\mathrm{dT}}{d\left(\ln \mathrm{\τ}\right)}---\left(1\right)$

当电桥处于平衡时，有：

(R₁+R_L)R₄＝(R₃+R_S)R₂                        (2)

当将测试样品吸入试管后，接通电源，此时恒流源输出一恒定电流I至桥路，铂丝发热，长、短热丝的电阻值分别升高dR_L，dR_S，电桥输出电压dU与两热丝电阻变化量dR之间的关系为

$\mathrm{dU}=\frac{1}{2}I(R_1+R_L+d{R}_L)-\frac{1}{2}I(R_3+R_S+d{R}_S)$

$=\frac{1}{2}\mathrm{IdR}---\left(3\right)$

铂丝电阻与温度的关系为：

R(T)＝R(0)[1+β(T-273.15)]                  (4)

对上式微分得：

dR＝βR(0)dT                                (5)

则 $\mathrm{dT}=\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{\βR}\left(0\right)}=\frac{2\mathrm{dU}}{\mathrm{I\βR}\left(0\right)}---\left(6\right)$

β为铂丝电阻的温度系数，β＝0.00378℃^-1。R(0)为0℃时长度为L的铂丝电阻。(L等于两热丝长度之差)。

又因为：

$q=\frac{{\left(\frac{I}{2}\right)}^{2}R\left(T\right)}{L}=\frac{I^{2}R\left(T\right)}{4L}---\left(7\right)$

将式(6)和式(7)带入式(1)，得：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\βR}\left(T\right)R\left(0\right)I^3}{32\mathrm{\πL}}/\frac{\mathrm{dU}}{d\left(\ln \mathrm{\τ}\right)}---\left(8\right)$

7.用数字电压表测量电桥的偏差电压，通过恒流源输出恒定电流，拟合偏差电压dU与d(lnτ)的关系曲线，计算斜率dU/d(lnτ)，代入公式(8)中即可得到样品的导热系数。

Claims (2)

1、一种流体导热系数的测试装置，其特征在于：包括惠斯通电桥，为惠斯通电桥提供恒定电流的恒流电源(V)及测量惠斯通电桥端电压的数字电压表(DVM)；还包括容纳被测流体的第一试管(6)及第二试管(7)，两根试管下端均设有开口，在第一试管下端的开口处设有端盖(61)，在第二试管下端的开口处设有端盖(71)；还包括设在第一试管内的上紫铜滑块(31)、下紫铜滑块(32)、第一铂丝(5)、上弹簧(21)、下弹簧(22)及上、下紫铜滑块的两引出导线(51)，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第一铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定在第一试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第一试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第一试管上方的并与之连通的第一吸附器(1)；还包括设在第二试管内上紫铜滑块(91)、下紫铜滑块(92)、第二铂丝(10)、上弹簧(81)、下弹簧(82)及上、下紫铜滑块的两引出导线(101)，上、下紫铜滑块的边缘开有小孔，第二铂丝的两端分别与两紫铜滑块固定，上弹簧一端固定第二试管的上方，另一端与上紫铜滑块固定，下弹簧一端固定在第二试管的下方，另一端与下紫铜滑块固定；还包括设在第二试管上方的并与之连通的第二吸附器(11)；第一铂丝与第二铂丝的长度不同，第一铂丝通过两引出导线(51)与惠斯通电桥的一电阻(R1)串联，第二铂丝通过两引出导线(101)与惠斯通电桥的另一电阻(R3)串联。

2、根据权利要求1所述的流体导热系数的测试装置，其特征在于：所述的第一吸附器(1)为橡皮球，所述的第二吸附器(11)也为橡皮球。

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