CN219456009U - 一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，包括测量电路、冷却系统、保温箱、温控电路、热带传感器和供电电源组；热带传感器接入测量电路中，测量电路包括匹配电阻、直流恒压电源和电压采集卡；匹配电阻的等效电阻大小与热带传感器在测试初温下的电阻大小匹配；直流恒压电源、匹配电阻和热带传感器串联构成完整回路；保温箱中设置测温传感器，保温箱连接冷却系统，保温箱中装有工质，温控电路包括测温传感器、温度控制仪和固态继电器，固态继电器和测温传感器连接温度控制仪，温度控制仪通过固态继电器连接冷却系统；用热带传感器既作为热源又作为温度计，通过一个实体实现量热和测温功能，不需要额外引入其他测温手段。

Description

一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置

技术领域

本实用新型属于热物性测试技术领域，具体涉及一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置。

背景技术

导热系数是材料最重要的热物性参数之一，是工程设计如电站锅炉受热面、热力管道、各种保温层等设计的必备参数，也是各种热过程温度场研究的基本物理量。但影响材料导热系数的物理、化学因素很多，难以用理论方法进行估计，因此材料的导热系数数据主要依靠实验测量来获得。材料导热系数的测量一般分为两种方法：稳态法和非稳态法。稳态法测量导热系数时，样品的温度场不随时间而变化，其优点是方法简单且在比较大的温度范围均可应用；但也存在测试时间长，测量精度较低等问题。非稳态法由于能大大缩短测量时间而备受关注。非稳态法根据热流形式的不同，又可细分为两个类别，即周期性热流法和瞬态热流法。

瞬态热流法由于测量时间最短，因而受到广泛的重视。采用不同形状的热源，即得到热线法、热带法、热平面法等不同方法，其概念最早由E.Gustaffon提出，特点是驱动电流通过薄层金属器件，薄层金属器件既被用作热源又被用作温度传感元件。但国内关于此类的报道多集中在双螺旋线型的热平面法上；关于热带法报道也大多引入了其他形式的测温元件。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，以热带法为核心方法，将热带既作热源又作温度计，不再引入额外的温度传感元件。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，包括测量电路、冷却系统、保温箱、温控电路、热带传感器和供电电源组；热带传感器接入测量电路中，测量电路包括匹配电阻、直流恒压电源和电压采集卡；匹配电阻的等效电阻大小与热带传感器在测试初温下的电阻大小匹配；直流恒压电源、匹配电阻和热带传感器串联构成完整回路；保温箱中设置测温传感器，保温箱连接冷却系统，保温箱中装有工质；温控电路包括测温传感器、温度控制仪和固态继电器，固态继电器和测温传感器连接温度控制仪，温度控制仪通过固态继电器连接冷却系统，固态继电器设置在冷却系统的供电电路中；温度控制仪通过测量工质温度和控制冷却系统的工作状态实现对工质温度的控制；供电电源组为测量电路、冷却系统以及温控电路供电。

所述热带传感器包括一条薄金属带、绝缘层、两个连接金属片和引线；引线分别焊接在连接金属片上，连接金属片较宽的一端与引线焊接相连，连接金属片较窄的一端与薄金属带相连并以应力压紧；绝缘层从薄金属带的两面粘合，将薄金属带压紧并实现绝缘。

薄金属带厚度为5～50μm，长×宽＝10mm×11mm，连接金属片厚度为5～50μm，绝缘层为0.025～0.1mm。

所述冷却系统包括一级冷却循环水泵、半导体制冷片、散热制冷组件、水槽以及散热水冷排；保温箱通过一级冷却循环管路连接水槽，一级冷却循环水泵设置在一级冷却循环管路上；散热制冷组件的一端设置在保温箱至水槽的管路上，散热制冷组件的另一端连接散热水冷排，散热水冷排连接水槽；散热水冷排、导体制冷片的另一端以及水槽通过二级冷却循环管路连接，二级冷却循环管路上设置二级冷却循环水泵。

散热水冷排、半导体制冷片、一级冷却循环水泵以及二级冷却循环水泵连接温控电路。

供电电源组包括若干块直流电源。

保温箱内表面覆盖锡箔或铝箔。

电压采集卡双路采集，分别并联在热带两端和匹配电阻两端。

若待测试样为固体则热带两侧与固体样品以应力压紧，并全体浸入保温箱的工质中；若待测试样为流体则以待测流体作为保温箱中的工质，并将热带浸入其中。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型所采用热带传感器既作为热源又作为温度计，通过一个实体实现量热和测温功能，不需要额外引入其他测温手段；能够利用伏安法，通过测量电压改变量测量热带电阻变化量，进而测算温度，由于实验材料温度线性较好，测得温度值准确，改进了传统方法体积大，测量延时的缺点；系统配备了保温箱、冷却系统和温度控制电路，能够实现在一定温度下的导热系数测定；可通过同一次测试过程得到物质的导热系数和热扩散系数，功能多样；系统结构完整，热带集成度高，方便集成化改进设计，方便携带与运输。

进一步的，热带可以在适用于各种复杂环境中且操作简单灵敏度高；将所述热带作为传感器原理简单，改进空间大，可以更换不同材料来完成特殊条件下的测量；热带有且仅有两个引线，将传统热带结构进行改进，使得热带结构更紧凑。

附图说明

图1为本实用新型的整体示意图；

图2为本实用新型的热带结构示意图；

图3为本实用新型的测量电路示意图；

其中：1-测量电路；2-测温传感器；3-保温箱；4-温度控制仪；5-固态继电器；6-散热制冷组件；7-一级冷却循环管路；8-二级冷却循环管路；9-水槽；10-散热水排；11-一级冷却循环水泵；12-二级冷却循环水泵；13-半导体制冷片；14-引线；15-连接金属片；16-薄金属带；17-绝缘层；18-焊点；19-热带；20-直流恒压电源；21-匹配电阻；22-电压采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参考图1，一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，包括测量电路1、冷却系统、保温箱3、温控电路、热带传感器和供电电源组；热带传感器接入测量电路1中，测量电路包括匹配电阻21、直流恒压电源20和电压采集卡22；匹配电阻21的等效电阻大小与热带传感器在测试初温下的电阻大小匹配；直流恒压电源20、匹配电阻21和热带传感器串联构成完整回路；保温箱3中设置测温传感器2，保温箱3连接冷却系统，保温箱3中装有工质，温控电路包括测温传感器2、温度控制仪4和固态继电器5，固态继电器5和测温传感器2连接温度控制仪4，温度控制仪4通过固态继电器5连接冷却系统，固态继电器5设置在供电电源组对冷却系统的供电电路中，温度控制仪4通过测量工质温度和控制冷却系统的工作状态实现对工质温度的控制；供电电源组为测量电路1、冷却系统以及温控电路供电。

参考图1、图2和图3，一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，包括制冷循环部分、测量电路部分；参见图1，所述的制冷循环部分包括测温传感器2、保温箱3、温度控制仪4、固态继电器5、散热制冷组件6、一级冷却循环管路7、二级冷却循环管路8、水槽9、水排10、一级冷却循环水泵11、二级冷却循环水泵12和半导体制冷片13，具体如下：

散热制冷组件6包括水冷头、散热头和半导体制冷片13，半导体制冷片13冷端贴附在水冷头的两面，即制冷端；半导体制冷片13热端分别贴附在两个散热头的一侧，散热头另一侧覆盖以金属散热片与风扇组成的散热套件，散热头作为散热制冷组件6的散热端。保温箱3在其内表面覆盖锡箔，内部加入冷却液，在底部和上部通过一级冷却循环管路7和一级冷却循环水泵11与散热制冷组件6中的水冷头形成一级冷却循环；所述水冷头和散热头可以采用铝制或铜制。

测温传感器采用PT100测温传感器；温度控制仪4采用XMT615智能PID温度控制仪。

参见图1，温度控制仪4通过插入在保温箱3中部的测温传感器2检测温度，温度控制仪4连接固态继电器5的控制端口，控制固态继电器5进而控制半导体制冷片13的电路通断达成控温效果；水槽9中加入低温物质，比如：水。利用二级冷却循环管路8将水槽9、水排10、二级冷却循环水泵12和散热制冷组件6中的散热头连接形成二级冷却循环。

如图2所示，用于测量热物性的热带传感器包括引线14、连接金属片15、传感金属片带16、绝缘层17，热带传感器主体为三明治结构，所述三明治结构由金属层和两层绝缘层17组成，绝缘层17之间夹着金属层，绝缘层17起到绝缘、支撑和增加机械强度的作用，金属层由连接金属片15和传感金属片带16连接形成，在传感金属片带16两端通过绝缘层17的支撑作用和连接金属片15相连接，并可以导电。每片连接金属片15上焊接一引线14，引线一端形成焊点18，另一端接入测量电路中。

根据传感特性薄金属带16为一纯镍箔片加工制成，厚度为5～50μm，例如可以为10μm，长宽尺寸可根据被测样本大小和测量电路敏感度选择，例如可以为10mm×1mm。

连接金属片15为纯铜箔片加工成为凸字形，厚度为5～50μm，例如可以为10μm，大长方形的尺寸为12mm×10mm，在长边的中心平行分布一小长方形，连接金属片15宽度与传感金属片带16宽度一样，长为0.5～2mm，例如可以为2mm。连接金属片15和传感金属片带16连接时，传感金属片带16两端相应大小平面应完全与连接金属片15的小长方形平面平行接触。

绝缘层17的边缘凸出于金属层最大包络长方形边缘，即与连接金属片15的边缘的距离为5～20mm，例如可以为10mm。绝缘层17可以采用聚酰亚胺胶带，厚度可以为0.025～0.1mm，例如可以为0.055mm，当绝缘层17的材质为聚酰亚胺时，传感器正常工作的温度范围为-50～230℃。绝缘层17还可以采用橡胶层或绝缘漆。

引线14为小电阻率的标准导线，例如可以为22AWG连接线。

连接金属片15与传感金属片带16连接的连接方式为：传感金属片带16两端相应大小平面完全与连接金属片15的小长方形平面平行接触。引线14与连接金属片15的连接方式为：引线14的一端从两片绝缘层17之间的开口伸入连接金属片15与任一绝缘层17之间空间与连接金属片15焊接。

所述热带传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)通过激光切割机对成品镍箔片和铜箔片加工形成所需尺寸的部件；

2)先在聚酰亚胺胶带的粘接面平整黏附上薄金属带16，再在薄金属带16两端按照上述连接方法黏附上两片连接金属片15；

3)在两片连接金属片15的中心分别焊接一根引线14；

4)在黏附加工面相对粘附上绝缘层17，并对绝缘层17加工成所需尺寸。

如图3所示，传感器的信号调理电路包括热带19、直流恒压电源20、匹配电阻21、电压采集卡22；热带19即为上述所制备传感器，直流恒压电源20为线性直流可调电源，额定电压为0～30V，额定电流为0～2A；匹配电阻21为大额定功率，小阻值电阻，阻值大小应与热带19电阻匹配，即匹配电阻21阻值大小与热带19阻值相当，例如可以为1Ω、10w定值电阻或多个10Ω、1w定值电阻并联等效，电压采集卡22为模拟量采集模块，16位分辨率，电压采集精度1mV。

热带19、直流恒压电源20、匹配电阻21采取串联连接方式，连接导线为小电阻率的标准导线，例如可以为22AWG连接线。电压采集卡22分别与热带19和匹配电阻21并联，测量两者的电压。

设热带19两端电压为U_x，匹配电阻21两端电压为U₁。依据热带法的原理模型，U_x和U₁与时间t之间的关系可表达为：

(1)式中R₁表示匹配电阻21的阻值，R₀表示热带19的初始阻值，α表示热带的电阻温度系数，d表示热带的厚度，p₀为热带的线发热功率，κ表示样品的导热系数，λ表示样品的热扩散系数，T₀表示热带表面的初温，γ表示欧拉常数，π表示圆周率

其中，R₁、R₀、α和d均为可通过预先测量得到的仪器参数，γ、π为已知的数学常数，κ为待测未知常数，λ为未知常数，p₀可用测量过程中的平均线功率代表，其计算式如(2)式所示：

其中t_exp表示测试时间,l表示热带长度。

因此测量任务归结为以(1)式为拟合模型、以κ和λ为未知参数、以和t为统计变量的二参数非线性拟合问题。找到令数据点对(1)式拟合程度最好的一组参数(κ₀，λ₀)，则κ₀即为所求。需要采集的物理量为热带19两端电压的时变值U_x(t)及匹配电阻21两端电压的时变值U₁(t)。

为了提高效率，还可以基于本发明所述实验台，将电压采集卡22的数据实时输入电脑中，实验输入电信号，输出至电脑进行数字模拟计算，能提高计算效率；通过拟合过程每一次迭代循环中，参数的值都向更优化的方向演进，克服搜索法由于先计算再择优导致大量不必要计算和由于搜索范围不确定需要多次试验的缺点，大大缩短计算时间。

Claims (9)

1.一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，包括测量电路(1)、冷却系统、保温箱(3)、温控电路、热带传感器和供电电源组；测量电路包括匹配电阻(21)、直流恒压电源(20)和电压采集卡(22)；匹配电阻(21)的等效电阻大小与热带传感器在测试初温下的电阻大小匹配；直流恒压电源(20)、匹配电阻(21)和热带传感器串联构成完整回路；保温箱(3)中设置测温传感器(2)，保温箱(3)连接冷却系统，保温箱(3)中装有工质；温控电路包括测温传感器(2)、温度控制仪(4)和固态继电器(5)，固态继电器(5)和测温传感器(2)连接温度控制仪(4)，温度控制仪(4)通过固态继电器(5)连接冷却系统，固态继电器(5)设置在冷却系统的供电电路中，温度控制仪(4)通过监测工质温度和控制冷却系统的工作状态实现对工质温度的控制；供电电源组为测量电路(1)、冷却系统以及温控电路供电。

2.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，所述热带传感器包括一条薄金属带(16)、绝缘层(17)、两个连接金属片(15)和引线(14)；引线(14)分别焊接在连接金属片(15)上，连接金属片(15)较宽的一端与引线(14)焊接相连，连接金属片(15)较窄的一端与薄金属带(16)相连并以应力压紧；绝缘层(17)从薄金属带(16)的两面粘合，将薄金属带(16)压紧并实现绝缘。

3.根据权利要求2所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，薄金属带(16)厚度为5～50μm，长×宽＝10mm×1mm，连接金属片(15)厚度为5～50μm，绝缘层(17)为0.025～0.1mm。

4.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，所述冷却系统包括一级冷却循环水泵(11)、半导体制冷片(13)、散热制冷组件(6)、水槽(9)以及散热水冷排(10)；保温箱(3)通过一级冷却循环管路(7)连接水槽(9)，一级冷却循环水泵(11)设置在一级冷却循环管路(7)上；散热制冷组件(6)的一端设置在保温箱(3)至水槽(9)的管路上，散热制冷组件(6)的另一端连接散热水冷排(10)，散热水冷排(10)连接水槽(9)；散热水冷排(10)、导体制冷片(13)的另一端以及水槽(9)通过二级冷却循环管路(8)连接，二级冷却循环管路(8)上设置二级冷却循环水泵(12)。

5.根据权利要求4所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，散热水冷排(10)、半导体制冷片(13)、一级冷却循环水泵(11)以及二级冷却循环水泵(12)连接温控电路。

6.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，供电电源组包括若干块直流电源。

7.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，保温箱(3)内表面覆盖锡箔或铝箔。

8.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，电压采集卡(22)双路采集，分别并联在热带两端和匹配电阻(21)两端。

9.根据权利要求1所述的一种非稳态法辅助测量物质导热系数的实验装置，其特征在于，若待测试样为固体则热带两侧与固体样品以应力压紧，并全体浸入保温箱(3)的工质中；若待测试样为流体则以待测流体作为保温箱(3)中的工质，并将热带浸入其中。