CN219162032U - 一种测试夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测试夹具，包括如下部件：中空圆管(1)，其固定放置在测试夹具支架(2)上；所述中空圆管(1)中部壁上有一垂直所述中空圆管(1)轴的缝隙(11)；在所述缝隙(11)的两侧分别有一个圆柱状滑块(12)，所述圆柱状滑块(12)的外径略小于所述中空圆管(1)的内径；每个圆柱状滑块(12)都连一个滑块移动螺杆(121)延伸出所述中空圆管(1)外侧。

Description

一种测试夹具

技术领域

本实用新型属于烟草技术领域，具体涉及一种卷烟专用测试夹具。

背景技术

热扩散系数和导热系数是主要的热物性参数之一，目前在己建立的各种测试方法中，根据其传热特点大致可归纳为稳态法和瞬态法。

稳态法是指待测试样上温度分布达到稳定后，即试样内温度分布是不随时间变化的稳定的温度场时，通过测定流过试样的热量和温度梯度等参数来计算材料的导热系数的方法。它是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测量导热系数。稳态法具有原理清晰、模型简单、可准确直接地获得热导率绝对值等优点，并适于较宽温区的测量；缺点是实验条件苛刻、测量时间较长；稳态法中，为了获得准确的热流，需要严格保证测试系统的绝热条件，附设补偿加热器并增加保温措施，以减小边缘热损失；另外稳态法主要用于测量固体材料的导热系数，而要把它用于研究湿材料会遇到很大困难，因为试样会由于长时间保证一定的温度场而引起含湿量的变化，这将导致导热系数的测量结果波动。此外，稳态法通常需要较多的测试样品以构成尽可能稳定的温度场，不利于小数量、小规格试样测试。

随着新材料的发展，对测试速度的要求大大提高，而且因为新材料的多样性，传统的方法获得的参数并不能准确反映材料的性质，传统的模型也不能准确反映所要研究的过程，因此广泛应用瞬态法。瞬态法是指实验测量过程中试样温度随时间变化，通过测量试样内某些点温度变化的情况以及其他一些需要的参数，从而确定试样导热系数的方法，其分析的出发点是非稳态导热微分方程。在瞬态测试方法中，试样内的温度分布是随时间变化的非稳态温度场，借助测试试样温度变化的速率，就可以测量试样的热扩散率，从而得到试样的导热系数。由于采用具有热阻性的材料同时作为热源和温度传感器，瞬态平面热源技术能够覆盖较大的热导率范围，因而可以同时适用于各种不同类型的材料。本实用新型主要依据瞬态平面热源法测试。

瞬态平面热源法的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。在测试过程中，探头被放置于试样中间进行测试。电流通过时，产生一定的温度上升，产生的热量同时向探头两侧的样品进行扩散，热扩散的速度依赖于材料的热传导特性。通过记录温度与探头的响应间，由数学模型可以直接得到导热系数和热扩散率。

瞬态平面热源法的探头既是加热元件又是温度敏感元件，必须与样品试件相接触，属于接触式测量。瞬态平面热源法探头可以有很多不同的变化：(1)传感器电阻的形状可以有很多形式；(2)金属导体的厚度可以在很大的范围内选择；(3)电阻的特性依赖于所选的金属导体的电气特性。在进行探头设计时，应根据测量的目的、要求及条件，综合考虑下列各项，合理地设计探头：1、需要的加热电流；2、要求的驱动电压；3、使用温度范围，准确度及测量误差是否满足测量要求；4、传感器的材质、形状及响应速度。选型要考虑的另一方面应将非欧姆阻抗减少到最低限度，探头的阻抗应该是理想的线性欧姆阻抗，特别是在用直流电压做驱动电压时。

探头作为加热元件需要有良好的热性能，在通过电流时能迅速地发出大量的热量；探头同时也是传感器，监测温度的变化，所以探头必须有较高的温度系数，这样才能灵敏地监测温度的变化。通常用金属镍、钼作为加热/温度传感器的金属箔.因为镍、钼的电阻率很高，发热效果好，同时在较大的温度范围内能保持相当高的电阻温度系数。

探头的加热丝设计通常设计成双螺旋形状，见图1，这样探头就相当于由多个间距相同的同心圆环所组成的结构，电流可以从一端流到另一端。探头的外层附有一层隔离层，根据使用温度区间，可以采用聚酰亚胺(polyimide)、云母(mica)、氮化铝(aluminumnitride)和氧化铝(aluminum oxide)等作为电气隔离的薄膜；外层保护层的厚度使探头具有一定的机械强度，同时保持探头与样品之间的电绝缘性。

烟草的热物理性质，主要包括导热系数、热扩散系数、比热等参数。由于烟草本身所含的化学物质、空气和水的物性不同，以及烟草本身的复杂微观结构，决定了烟草的热物性参数不可能是一常数。烟草热物性受到烟草堆积密度、热流方向、温度和含水率以及烟草种类等多种因素的影响。烟草的热物性不同，在生产中采用的加工控制参数也不同。目前，烟草行业主要采用瞬态平面热源法对烟丝等原材料进行热物性测量，然后通过间接方式估计成品卷烟的导热系数等。

鉴于加热不燃烧卷烟的开发中，直接、准确地获得成品卷烟的导热系数、热扩散系数、比热等参数，对于开发配套烟具、优化加热参数具有重要价值，因此有必要开发相应的测试设备与方法。为此提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型公开了一种瞬态平面热源法测试成品卷烟导热系数的装置及方法。该装置的特点是采用特别设计的小型平面探头和卷烟专用测量夹具，对成品卷烟的导热系数进行无损测试，控制精度高、检测周期短、测试结果准确。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型第一方面公开了一种测试夹具，包括如下部件：

中空圆管1，其固定放置在测试夹具支架2上；所述中空圆管1中部壁上有一垂直所述中空圆管1轴的缝隙11；

在所述缝隙11的两侧分别有一个圆柱状滑块12，所述圆柱状滑块12的外径略小于所述中空圆管1的内径；每个圆柱状滑块12都连一个滑块移动螺杆121延伸出所述中空圆管1外侧。

优选地，所述中空圆管1由保温材料制成；所述中空圆管1的内径不小于7.7mm。

优选地，每个滑块移动螺杆121上有一个把手。

本实用新型第二方面公开了一种测试成品卷烟导热系数的方法，使用上述的测试夹具，包括如下步骤：将一支或两支成品卷烟4放置所述中空圆管1中的缝隙11两侧，将平面探头3插入缝隙11中；然后将圆柱状滑块12放置所述中空圆管1中，使用滑块移动螺杆121上的把手小心调节，使成品卷烟4的端部紧密接触平面探头3；将所述平面探头3接入电桥测试系统、数据采集及分析系统；记录不同时刻电参数的变化量，计算得出温度增值随时间变化的函数；通过对函数曲线的拟合和计算得出成品卷烟4的导热系数。

优选地，所述平面探头3的内部是双螺旋结构，电阻值为1Ω-50Ω。

优选地，所述平面探头3为10±2μm厚的镍或钼金属薄片刻蚀而成，双螺旋直径为7-9mm；所述平面探头3的两侧面由厚度为7μm-100μm的绝缘薄膜包覆。

优选地，所述测试夹具为多个，通过程序控制的多通道扫描开关实现多支成品卷烟4的同时测量。

本实用新型的瞬态平面热源法测试成品卷烟导热系数的装置，包括平面探头、卷烟专用测试夹具如图1所示、电桥测试系统、数据采集及分析系统等。

鉴于成品卷烟具有多孔结构，且粗支烟的直径在7.7-7.8毫米之间。为了准确、无损地直接测定成品卷烟的导热系数，并配合轴向模式的加热不燃烧卷烟开发，本实用新型提出的瞬态平面热源法测试成品卷烟导热系数的装置，其中所述探头的测温装置可以准确感应被测样品的温度信息，平面探头内部是双螺旋结构如图2所示，电阻值为1Ω-50Ω之间，由10±2μm厚的镍、钼金属薄片刻蚀而成，采用四线制接线，被7μm-100μm的绝缘薄膜包覆，绝缘薄膜应根据使用温度选择聚酰亚胺、云母、氮化铝和氧化铝等可忽略热容量的材料；双螺旋结构螺旋金属线的宽度应与其间距相等，金属双螺旋直径在7-8mm之间，以匹配常规(粗支)卷烟尺寸，实现单面和双面试样的一维测试模式。

本实用新型所述的一种瞬态平面热源法测试成品卷烟导热系数的装置，其中所述的卷烟专用测试夹具如图1所示，由保温、隔热性能较好的工程塑料圆筒(中空圆管1)和圆棒(圆柱状滑块12)通过内螺纹连接制成，平面探头3从中部狭缝11插入并位于夹具内圆中心，适用于直径7.7mm及其以上的常规成品卷烟，实现单面和双面试样的一维测试模式。为便于稳定安放夹具，中空圆筒的外部下端放置在测试夹具支架2上。

测试时，将平面探头3放置于两个样品中间，形成类似三明治的结构，给平面探头3施加恒定直流电，平面探头3放热后样品内部产生动态温度场，同时平面探头3表面产生温升，此时平面探头3电阻增加，使电桥测试系统中原平衡电桥失衡，产生电位变化量。通过记录测试期间不同时刻电参数的变化量，计算得出温度增值随时间变化的函数。通过对函数曲线的拟合和计算得出成品卷烟4的导热系数和热扩散系数。

瞬态平面热源法作为一种非稳态法，理论上测试时间较短，但此测试时间仅是指纯粹的通电测试时间，并不包括达到测试模型边界条件要求(被测试样温度均匀)所需要的时间；显然，被测试样导热系数越小，试样达到温度均匀所需要的时间越长。

通常，在瞬态平面热源法导热系数测试过程中，两次测试的间隔时间至少是测量时间的30倍；如果测量低导热材料(导热系数约为0.03的隔热材料)，通常的测试时间为180秒以上，那么重复性测试的时间间隔至少要90分钟，这还不包括变温过程中温度控制时的恒温时间。一个完整的测试过程通常需要近2个小时，而大部分时间是在等待试样温度达到稳定，由此可见，在测量较低导热系数材料过程中，整个测试过程和测试效率并不是很高，与其它稳态法旗鼓相当。

为了进一步提高瞬态平面热源法对成品卷烟这类多孔材料制品的测试效率，本实用新型增加了一个程序控制的多通道扫描开关，通过高性能继电器连接1-8个平面探头，充分利用试样温度稳定这段等待时间，顺序接通测温电桥进行测量，既保证了每个独立试样的有效测试时间间隔，又能最大限度提高样品测试数量，提高测试效率，构成多探头多试样同时测量技术，如图4所示。

所述瞬态平面热源法成品卷烟导热系数测试装置的数据采集及分析系统能够显示、自动采集、分析各电参数、时间参数，并能够拟合出时间-温升曲线图，最终计算测试结果，此系统包含试验操作及数据分析软件。在测试中测量探头电阻随温度的变化，确定试样的热扩散系数和导热系数的计算过程由软件自动完成。此系统还能通过RS232、RS485或其他工业总线通讯接口控制多通道扫描开关，自动采集、处理各通道试样的测试数据。

在处理数据之前需舍去一些时间所对应的数据，舍去点的个数和探头保护层的厚度及试样与探头的接触热阻的大小有关，依据实际情况酌情选取，但是最终用于计算的数据点的数目不能小于100个，以保证热扩散系数和导热系数的一般性。通过最小二乘法拟合测量过程中试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系，最终得出导热系数。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的一种瞬态平面热源法测试成品卷烟导热系数的装置的特点是采用特别设计的小型平面探头和卷烟专用测试夹具，对成品卷烟的导热系数进行无损测试，并可同时多支卷烟进行同时测试。本实用新型的测试方法控制精度高、检测周期短、测试结果准确。

附图说明

图1为本实用新型的测试夹具示意图。

图2为平面探头示意图。

图3为中空圆管垂直轴向示意图。

图4为多平面探头同步测量示意图。

附图标记为：1、中空圆管；11、缝隙；12、圆柱状滑块；121、滑块移动螺杆；2、测试夹具支架；3、平面探头；4、成品卷烟。

具体实施方式

通过以下具体实施例，目的是更进一步地了解本实用新型。但它们并不是对本实用新型的限定。使用前述的测试夹具测试成品卷烟导热系数。

实施例1：双面接触(三明治)模式

将7mm平面探头小心插入测试夹具的中部狭缝，取两支直径7.7mm的成品卷烟，分别从测试夹具两端开口处插入，然后套上螺旋滑块，小心调节螺旋，使两支卷烟的端部紧密接触平面探头。启动仪器，进行导热系数、扩散系数的测定。测试结束后，松开螺旋，小心取出平面探头，再取出供测卷烟。

实施例2：单面接触模式

将7mm平面探头小心插入测试夹的中部狭缝，从一端开口套上绝热保温性能较好的塑料螺旋滑块(圆柱状滑块12)，小心调节螺旋使其接触平面探头。再取一支直径7.7mm的已知导热系数的标准试样，从夹具另一端开口处插入，套上绝热保温性能较好的塑料螺旋滑块(圆柱状滑块12)，小心调节螺旋使其接触平面探头。启动仪器，进行导热系数、扩散系数的测定。然后，将标准试样更换为待测卷烟插入，小心接触平面探头，进行测试。测试结束后，松开螺旋，小心取出平面探头，再取出供测卷烟。待测卷烟的导热系数计算值需以标准试样的测试值进行修正以提供准确度。

实施例3：多样品同步测试模式

参照实施例1，将八支卷烟插入四套夹具，分别插入7mm平面探头，调整螺旋使其紧密接触。将四只平面探头的导线分别接入多通道扫描开关的1-4号通道，并在软件上设置1号通道的测试时间点为30分钟后，2号-4号通道依次间隔30分钟进行测试，如图4所示。

实施例1是标准的双面接触测试模式，测试精度较高，卷烟无需除去过滤可直接装入；也可以对过滤嘴进行测量。实施例2是单面接触适用于样品量较少的特定测试，在绝热保温良好时，通过参比修正，仍然可以获得可信的测试数据。实施例3是通过引入多通道扫描开关实现的多样品同步测试，可以在成本增加不多的基础上显著提升测试效率，适合于大批量样品的对比测试。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种测试夹具，其特征在于，包括如下部件：

中空圆管(1)，其固定放置在测试夹具支架(2)上；所述中空圆管(1)中部壁上有一垂直所述中空圆管(1)轴的缝隙(11)；

在所述缝隙(11)的两侧分别有一个圆柱状滑块(12)，所述圆柱状滑块(12)的外径略小于所述中空圆管(1)的内径；每个圆柱状滑块(12)都连一个滑块移动螺杆(121)延伸出所述中空圆管(1)外侧。

2.根据权利要求1所述的测试夹具，其特征在于，所述中空圆管(1)由保温材料制成；所述中空圆管(1)的内径不小于7.7mm。

3.根据权利要求1所述的测试夹具，其特征在于，每个滑块移动螺杆(121)上有一个把手。

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