CN201653945U - 液体导热系数的瞬态测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液体导热系数的瞬态测量装置。液体导热系数的瞬态测量装置中热导池部分为：外壳上端螺纹连接有上端盖，外壳内设有内腔体，内腔体为两个半圆柱体，并用内六角螺丝连接，内腔体上端与上端盖用外六角螺丝连接，外壳底部设有加料管，内腔体内设有两测量空腔，在两测量空腔内设有两铂丝，铂丝两端与导线焊接，导线穿过紧固件，紧固件内装有聚四氟乙烯薄片，在内腔体外侧与紧固件对应处设有螺孔的平台，螺丝经螺孔顶牢聚四氟乙烯薄片固定导线。测量时把热导池置于精密恒温水槽中，铂丝电阻引出接至电路系统，利用数据采集系统采集惠斯通电桥两端电压差数据，根据瞬态热线法测量液体导热系数的计算公式，可得到液体导热系数值。

Description

液体导热系数的瞬态测量装置 

技术领域

本实用新型涉及测量导热系数领域，尤其涉及一种液体导热系数的瞬态测量装置。 

背景技术

导热系数是物质重要的传递性质，为表征物质热传导性质的物理量，在传热过程研究中具有十分重要的意义。主要体现在以下3个方面。 

导热系数的大小与物质的结构有关，在理论研究中，通过测量大量物质的导热系数值，研究导热系数数值随物质结构的变化规律，可以帮助了解液体导热机理和发展溶液理论。 

在石油、化工、能源、材料、军工生产等过程工业的传热设计中，为了使工程设计合理，节省能源和原材料，提高产品的质量，都需要有可靠准确的导热系数数据。 

另外，液体导热系数的数据可以应用在混合物组成分析中。通过一系列已知浓度混合物的导热系数，可以得到导热系数与浓度的关联式和工作曲线，然后测量未知浓度混合物的导热系数，可以根据工作曲线反推得到浓度值。 

液体导热系数的测量原理基于傅立叶定律，在测量过程中需要避免对流现象的发生，保证仅有热传导过程，而流体内部只要存在温度梯度就会发生自然对流，所以精确测量比较困难。 

发明内容

本实用新型的目的是提供了一种导热系数的快速测量装置。 

液体导热系数的瞬态测量装置包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导池包括外壳、内腔体、外六角螺丝、上端盖、紧固件、铂丝、内六角螺丝、导线、铂丝焊点、螺丝、聚四氟乙烯薄片、加料管、测量空腔、螺孔；外壳上端螺纹连接有上端盖，外壳内设有内腔体，内腔体为两个半圆柱体，并用内六角螺丝连接，内腔体上端与上端盖用外六角螺丝连接，外壳底部设有加料管，内腔体内设有两测量空腔，在两测量空腔内设有两铂丝，其中一铂丝为长铂丝电阻R_L，另一铂丝为短铂丝电阻R_S，铂丝两端与导线端部焊接成铂丝焊点，导线穿过紧固件，紧固件内装有聚四氟乙烯薄片，在内腔体外侧与紧固件对应处设有螺孔的平台，螺丝经螺孔顶牢聚四氟乙烯薄片固定导线；电路系统为：稳压电源正极与继电器连接，继电器控制端一路与电阻箱R_d一端连接，继 电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电阻箱R_d另一端和惠斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻箱R₁、精密电阻R_st、短铂丝电阻R_S、长铂丝电阻R_L和精密电阻箱R₄，另外一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R₂和精密电阻R₃，在R_S与R_L之间设数据采集点A，在精密电阻R₂与精密电阻R₃之间设数据采集点B，A、B连接至数据采集系统；数据采集系统为：数据采集点A与电阻R_a一端连接，电阻R_a另一端与电容C_a一端、采集卡正极连接，数据采集点B与电阻R_b一端连接，电阻R_b另一端与电容C_b一端、采集卡负极连接，电容C_a另一端和电容C_b另一端均接地。 

所述的电路系统均使用屏蔽线并有效接地。所述的数据采集系统中，使用电阻电容法进行滤波处理，并在数据处理时使用数字滤波，消除工频干扰，这样能够保证所测数据的准确性。 

本实用新型在测量时将热导池放置于精密恒温水槽中，将两根铂丝引出，接到惠斯通电桥中，利用数据采集卡采集电桥两端电压差数据，根据瞬态热线法测量液体导热系数的计算公式，可得到液体导热系数值。 

该装置测量时间短，可以从电压差数据处理过程中排除自然对流的影响，操作方便，精度较高。另外，本实用新型使用双热线，可以消除热线端效应的影响，提高了测量精度。 

附图说明

图1是液体导热系数的瞬态测量装置中热导池结构示意图； 

图2是本实用新型中内腔体纵剖面结构示意图； 

图3是本实用新型中内腔体横剖面结构示意图； 

图4是本实用新型中电路系统图； 

图5是本实用新型中数据采集系统图。 

图中：外腔1、腔体2、外六角螺丝3、上端盖4、紧固件5、铂丝6、内六角螺丝7、导线8、铂丝焊点9、螺丝10、聚四氟乙烯薄片11、加料管12、测量空腔13、螺孔14。 

具体实施方式

本实用新型采用瞬态双热线法，两根铂丝分别置于惠斯通电桥的不同桥臂中，可以消除热线端效应的影响，提高了测量精度。 

液体导热系数的瞬态测量装置包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导池包括外壳1、内腔体2、外六角螺丝3、上端盖4、紧固件5、铂丝6、 内六角螺丝7、导线8、铂丝焊点9、螺丝10、聚四氟乙烯薄片11、加料管12、测量空腔13、螺孔14；外壳1上端螺纹连接有上端盖4，外壳1内设有内腔体2，内腔体2为两个半圆柱体，并用内六角螺丝7连接，内腔体2上端与上端盖4用外六角螺丝3连接，外壳1底部设有加料管12，内腔体2内设有两测量空腔13，在两测量空腔13内设有两铂丝6，其中一铂丝为长铂丝电阻R_L，另一铂丝为短铂丝电阻R_S，铂丝6两端与导线8焊接，导线8穿过紧固件5，紧固件5内装有聚四氟乙烯薄片11，在内腔体2外侧与紧固件5对应处设有螺孔14的平台，螺丝10经螺孔14顶牢聚四氟乙烯薄片11固定导线8；电路系统为：稳压电源正极与继电器连接，继电器控制端一路与电阻箱R_d一端连接，继电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电阻箱R_d另一端和惠斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻箱R₁、精密电阻R_st、短铂丝电阻R_S、长铂丝电阻R_L和精密电阻箱R₄，另外一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R₂和精密电阻R₃，在R_S与R_L之间设数据采集点A，在精密电阻R₂与精密电阻R₃之间设数据采集点B，A、B连接至数据采集系统；数据采集系统为：数据采集点A与电阻R_a一端连接，电阻R_a另一端与电容C_a一端、采集卡正极连接，数据采集点B与电阻R_b一端连接，电阻R_b另一端与电容C_b一端、采集卡负极连接，电容C_a另一端和电容C_b另一端均接地。 

电路系统均使用屏蔽线并有效接地。数据采集时使用电阻电容法进行滤波，如图5所示。在数据处理中使用数字滤波，消除工频干扰，这样能够保证所测数据的准确性。 

本实用新型中： 

1)材料：外壳、内腔体、上端盖、紧固件、加料管、螺丝为316L不锈钢；导线为铜丝，外面附有PFA绝缘层；薄片为聚四氟乙烯。 

2)铂丝：铂丝直径为18.5μm，长短两根铂丝分别放置于两个测量空腔内，铂丝两端与导线焊接，由导线引出接至惠斯通电桥中。 

3)外壳：外壳底部与加料管连接，从管口处缓慢加料，避免腔体内出现气泡，影响测量数据的准确性。 

4)电路系统：稳压电源分辨率0.1mV，R_d为ZX21型电阻箱，惠斯通电桥中，R_st为0.01级10Ω精密电阻，R₂、R₃为0.02级100Ω精密电阻，R₁、R₄为精ZX74精密电阻箱，分辨率0.001Ω，R_L、R_S分别代表长、短铂丝电阻。 

5)数据采集系统：PCI-1710HG数据采集卡，分辨率2.5μV，精度4‰，R_a、 

6)R_b为10kΩ电阻，C_a、C_b为1μF电容。 

如图4所示，在惠斯通电桥中，A、B之间电压差用ΔV表示，电路通电铂丝电阻被加热，长铂丝阻值增加幅度更大，所以有 

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{2}V-V\frac{R_{\mathrm{st}}+R_1+R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S}{R_L+R_4+\mathrm{\Δ}{R}_L+R_{\mathrm{st}}+R_1+R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔV}=V\frac{R_L+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_L}{R_L+R_4+\mathrm{\Δ}{R}_L+R_{\mathrm{st}}+R_1+R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S}-\frac{1}{2}V---\left(2\right)$

式中， 

V——电路电压，v； 

ΔR——铂丝电阻增加的阻值，L、S下标分别代表长、短铂丝电阻，Ω。 

(1)与(2)相加 

$2\mathrm{\ΔV}=V\frac{(R_L+R_4+\mathrm{\Δ}{R}_L)-(R_{\mathrm{st}}+R_1+R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S)}{R_L+R_4+\mathrm{\Δ}{R}_L+R_{\mathrm{st}}+R_1+R_S+\mathrm{\Δ}{R}_S}---\left(3\right)$

调平衡时有 

R_L+R₄＝R_st+R₁+R_S    (4) 

将(4)代入(3)容易得到 

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{2}V\frac{\mathrm{\Δ}{R}_L-\mathrm{\Δ}{R}_S}{2(R_L+R_4)+\mathrm{\Δ}{R}_L+\mathrm{\Δ}{R}_S}$

$\≈\frac{1}{2}\frac{V}{2(R_L+R_4)}(\mathrm{\Δ}{R}_L-\mathrm{\Δ}{R}_S)---\left(5\right)$

$=\frac{I}{2}(\mathrm{\Δ}{R}_L-\mathrm{\Δ}{R}_S)$

因为ΔR_L+ΔR_S与2(R_L+R₄)相比很小，在分母中可以忽略。 

式中，I——铂丝通电电流，A。 

铂丝电阻-温度关系表示为 

R＝R₀(1+αT)    (6) 

式中， 

R₀——0℃时的铂丝电阻值，Ω； 

α——电阻温度系数，℃^-1； 

T——铂丝温度，℃。 

由(6)得到 

ΔR_L-ΔR_S＝(R_L0-R_S0)αΔT    (7) 

式中，ΔT——铂丝升高的温度，℃。 

将(7)代入(5)中， 

$\mathrm{\ΔT}=\frac{2}{I}\frac{1}{(R_{L0}-R_{S0})\mathrm{\α}}\mathrm{\ΔV}---\left(8\right)$

瞬态热线法测量液体导热系数的基本公式为 

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}}/\frac{\mathrm{d\ΔT}}{d\ln t}---\left(9\right)$

式中， 

λ——液体导热系数，W/(m·K)； 

q——铂丝单位长度的加热量，W/m； 

t——通电时间，s。 

铂丝电阻与长度成线性关系，所以有 

$q=\frac{I^2(R_L-R_S)}{L}---\left(10\right)$

式中，L——长、短铂丝长度差，m。 

将(8)与(10)代入(9)中 

$\mathrm{\λ}=\frac{I^3(R_L-R_S)(R_{L0}-R_{S0})\mathrm{\α}}{8\mathrm{\πL}}/\frac{\mathrm{d\ΔV}}{d\ln t}---\left(11\right)$

本实用新型实验步骤 

1)连接好电路系统(除铂丝电阻部分)，并在数据采集点A、B处接上数据采集系统； 

2)打开计算机，对电源进行预热； 

3)用长度约为150mm和75mm的两根铂丝分别与导线焊接； 

4)安装好热导池，将热导池放置于精密恒温水槽中，将铂丝电阻接至惠斯通电桥中； 

5)从加料管处缓慢加入待测液体，约100ml左右即可； 

6)待热导池内液体温度稳定时，从稳压电源处输入0.1V电压至惠斯通电桥，调节精密电阻箱电阻值使A、B两点处电压差为0，将电路切换回R_d支路； 

7)调节R_d值使其约等于惠斯通电桥总电阻，这样可以保证继电器切换电路时电压信号的稳定； 

8)从稳压电源输入约4V电压至惠斯通电桥，同时开始采集A、B两点处电压差数据，约10s左右后将电路切换回R_d； 

9)绘制dΔV和d(lnt)的关系曲线，进行数字滤波，选取线性度较好的一段计算斜率值，然后和其他已知数据一起带入式(11)中即可求得待测液体的导热系数值。 

本实用新型测量实例 

用本实用新型装置测量了甲苯、甲醇、乙醇、正己烷、醋酸、丙酮在30℃下的导热系数值，与文献值(CRC物理化学手册)比较，相对误差在3％以内，如下表所示。 

Claims (2)

1.一种液体导热系数的瞬态测量装置，其特征在于包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导池包括外壳(1)、内腔体(2)、外六角螺丝(3)、上端盖(4)、紧固件(5)、铂丝(6)、内六角螺丝(7)、导线(8)、铂丝焊点(9)、螺丝(10)、聚四氟乙烯薄片(11)、加料管(12)、测量空腔(13)、螺孔(14)，外壳(1)上端螺纹连接有上端盖(4)，外壳(1)内设有内腔体(2)，内腔体(2)为两个半圆柱体，并用内六角螺丝(7)连接，内腔体(2)上端与上端盖(4)用外六角螺丝(3)连接，外壳(1)底部设有加料管(12)，内腔体(2)内设有两测量空腔(13)，在两测量空腔(13)内设有两铂丝(6)，其中一铂丝为长铂丝电阻R_L，另一铂丝为短铂丝电阻R_S，铂丝(6)两端与导线(8)端部焊接成铂丝焊点(9)，导线(8)穿过紧固件(5)，紧固件(5)内装有聚四氟乙烯薄片(11)，在内腔体(2)外侧与紧固件(5)对应处设有螺孔(14)的平台，螺丝(10)经螺孔(14)顶牢聚四氟乙烯薄片(11)固定导线(8)；电路系统为：稳压电源正极与继电器连接，继电器控制端一路与电阻箱R_d一端连接，继电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电阻箱R_d另一端和惠斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻箱R₁、精密电阻R_st、短铂丝电阻R_S、长铂丝电阻R_L和精密电阻箱R₄，另外一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R₂和精密电阻R₃，在R_S与R_L之间设数据采集点A，在精密电阻R₂与精密电阻R₃之间设数据采集点B，A、B连接至数据采集系统；数据采集系统为：采集点A与电阻R_a一端连接，电阻R_a另一端与电容C_a一端、数据采集卡正极连接，数据采集点B与电阻R_b一端连接，电阻R_b另一端与电容C_b一端、数据采集卡负极连接，电容C_a另一端和电容C_b另一端均接地。

2.根据权利要求1所述的一种液体导热系数的瞬态测量装置，其特征在于，所述的电路系统均使用屏蔽线并有效接地。 

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