專利名稱：一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試技術(shù)，特別涉及一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置及方法。
背景技術(shù)：
對(duì)于不良導(dǎo)熱體熱導(dǎo)率的測(cè)量，通常采用的是熱線法，這是一種非穩(wěn)態(tài)的測(cè)試方 法，其特點(diǎn)就是快速，其測(cè)量精度能滿足一般工程應(yīng)用的要求。而對(duì)于微小型生物固定床 反應(yīng)器來講，一般是由不良導(dǎo)熱體材料組成，其生化反應(yīng)所產(chǎn)生吸、放熱量本身非常微小， 因此，要對(duì)這類涉及小熱流密度和小溫差的反應(yīng)器進(jìn)行準(zhǔn)確的傳熱問題分析時(shí)，就必須盡 量保證其有效導(dǎo)熱率等參數(shù)測(cè)量的精確性。但是，現(xiàn)有的熱線法往往所涉及的熱流密度和 產(chǎn)生溫差都比較大，并且其測(cè)量過程中有效的升溫時(shí)間只有數(shù)秒，不易實(shí)現(xiàn)溫升和時(shí)間的 同步準(zhǔn)確測(cè)量，從而產(chǎn)生較大的方法誤差，因而其測(cè)量精度不能滿足于微小熱流密度傳熱 問題的研究。1995年，胡榮祖等人曾首次在國(guó)產(chǎn)微量熱儀上的基礎(chǔ)上提出了能夠測(cè)量含能 材料有效熱導(dǎo)率的微量熱法，但這種方法除了要測(cè)得微熱流參數(shù)外，還要同時(shí)測(cè)量樣品的 質(zhì)量、密度、比熱容等參數(shù)，其所需測(cè)量參數(shù)較多，也容易帶來較大的測(cè)量誤差，而且操作繁 瑣。因此，亟待一種需要開發(fā)一種測(cè)量精度高，且操作方便的有效導(dǎo)熱率測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在不良導(dǎo)熱體熱導(dǎo)率測(cè)量誤差大，而且操作繁瑣的問題，提出了 一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置及方法，利用微熱量變化測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率， 發(fā)明既簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確地測(cè)量不良導(dǎo)熱材料有效導(dǎo)熱率。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，包括樣品柱、熱電 堆、大型恒溫金屬塊、控制器，樣品柱周圍有緊密均勻排列的熱電堆，樣品柱置于大型恒溫 金屬塊內(nèi)，樣品柱包括電源、毛細(xì)不銹鋼管、絕熱蓋、加熱電阻、溫度傳感器、絕熱片，樣品柱 中心置一微細(xì)毛細(xì)不銹鋼管，管內(nèi)均勻纏繞微細(xì)加熱電阻，加熱電阻接電源，緊貼毛細(xì)鋼管 外壁沿軸向均勻布置至少一個(gè)電阻溫度傳感器，帶測(cè)樣品充滿毛細(xì)不銹鋼管與樣品柱外壁 之間，樣品柱上下分別有絕熱蓋和絕熱片密封，電阻溫度傳感器模擬信號(hào)輸入控制器，控制 器輸出到電源。所述控制器包括加熱控制電路、溫度采集電路，電阻溫度傳感器輸入依次經(jīng)過溫 度采集電路中傳感器電阻電流激勵(lì)電路、傳感器信號(hào)采集電路以及信號(hào)處理電路，輸出控 制信號(hào)到加熱控制電路控制加熱電阻。所述溫度傳感器選用高精度微小鉬電阻傳感器。—種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的方法，包括測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，包 括以下具體步驟1)首先將待測(cè)樣品充滿樣品柱，并放入檢測(cè)室；2)大型恒溫金屬塊設(shè)定目標(biāo)溫度T2，并恒溫等待足夠時(shí)間，使樣品柱與大型恒溫金屬塊之間的熱流傳遞達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡，近似認(rèn)為樣品柱各點(diǎn)溫度T1達(dá)到儀器設(shè)定恒溫 溫度T2，即Tl = T2，此時(shí)熱流W = W1 ；3)給樣品柱中的加熱電阻加上恒定電流足夠時(shí)間，這時(shí)，樣品柱因加熱而與恒溫 塊之間再一次達(dá)到新的熱動(dòng)態(tài)平衡w = W2，樣品柱各點(diǎn)的溫度分布不再隨時(shí)間變化，此時(shí)， 樣品柱中心溫度T1與恒溫環(huán)境溫度T2均維持一個(gè)穩(wěn)定溫差，△T = T1-T2 ；4)將實(shí)驗(yàn)獲得的△W = W2-W1和△T = T1-T2代入式義
即可求得樣
品有效熱導(dǎo)率，在r = r1處，T = T1，為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)毛細(xì)不銹鋼管外壁處溫度，即熱電 偶所測(cè)得的溫度；在r = r2處，T = T2，T2為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)樣品柱外壁處溫度。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置及方法，可高精 度測(cè)量不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。


圖1為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置中樣品柱結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置中樣品池橫截面放大示意圖；圖4為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置中加熱控制電路圖；圖5為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置中鉬電阻溫度采集電路；圖6為本發(fā)明測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置在純水40°C時(shí)的溫度和熱流曲線 圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2、3所示測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置和零件結(jié)構(gòu)示意圖，樣品柱1中 充滿待測(cè)樣品9，并置于一個(gè)大型恒溫金屬塊3內(nèi)，其中微小熱量的變化由其周圍緊密均勻 排列的熱電堆2所測(cè)得，該微量熱儀主體結(jié)構(gòu)可以自行設(shè)計(jì)制作，也可利用現(xiàn)有的高精度 生物微量熱儀等。樣品柱1中心采用置一微細(xì)毛細(xì)不銹鋼管5，管內(nèi)均勻纏繞微細(xì)加熱電阻 7,電源4為加熱電阻7恒壓供電，緊貼毛細(xì)鋼管5外壁沿軸向均勻布置三個(gè)高精度微小鉬 電阻溫度傳感器8，為防止熱量從軸向傳遞，分別添加絕熱蓋6和絕熱片10。在上述系列條 件下，樣品柱1的熱傳導(dǎo)就可以簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)問題，即
(1) 假設(shè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加熱器沿長(zhǎng)度為樣品柱1的徑向熱流為W，根據(jù)Fourier定律，求 解式⑴可得
(2) 其中，在r = ri處，T = Tl，Tl為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)毛細(xì)不銹鋼管5外壁處溫度，即熱 電偶8所測(cè)得的溫度；在r = r2處，T = T2，T2為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)樣品柱1外壁處溫度，由于 樣品柱1容器與量熱儀恒溫模塊3較緊密接觸，且容器材料相對(duì)于被測(cè)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)很大，因此，可以近似認(rèn)為1~2即為微量熱儀恒溫環(huán)境溫度。從式⑵可以看出，對(duì)于確定的 實(shí)驗(yàn)裝置，l，r2，ri是已知的，只要準(zhǔn)確獲得熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)樣品柱內(nèi)毛細(xì)管5外壁溫度、樣 品柱1外壁溫度T2以及沿徑向的熱流差W，即可計(jì)算得到樣品的有效熱導(dǎo)率。整個(gè)裝置有控制器控制，控制器包括加熱控制電路、溫度采集電路。如圖4所示加熱控制電路圖，電源4采用5V、1A的開關(guān)電源，經(jīng)過輸出調(diào)整后精確 供電，然后通過固定電阻R15以及多圈式可調(diào)電阻RVN+4分壓之后給加熱電阻RT(直徑為 0. 5mm絕緣錳銅絲繞在直徑為0. 3mm的鋼針上均勻繞兩層)絲供電。多圈式可調(diào)電阻RVN+4 阻值為500 Q，作為加熱功率調(diào)節(jié)裝置，加熱功率調(diào)節(jié)范圍為2mW-20mW。圖5為本發(fā)明的鉬電阻溫度采集電路圖，具體包括鉬電阻電流激勵(lì)電路(恒流源 電路)、鉬電阻信號(hào)采集電路以及信號(hào)處理電路。本發(fā)明采用PT1000作為溫度傳感器，為 了獲得精準(zhǔn)的電流作為激勵(lì)，由一個(gè)精準(zhǔn)參考電壓源AD586和兩個(gè)運(yùn)算放大器0P400A和 0P400B及周邊元件組成一個(gè)小于1mA高精度恒流電源。下面以純水導(dǎo)熱率的測(cè)量為實(shí)施案例由于現(xiàn)有熱流型微量熱儀對(duì)微小熱量分辨率極高，只要加熱電阻提供很小的加熱 功率，就可以被微量熱儀檢測(cè)到。這樣，毛細(xì)管外壁與樣品池外壁的溫差不會(huì)太大，可以忽 略液體對(duì)流傳熱，只看成一維熱傳導(dǎo)問題。具體測(cè)量步驟(1)首先將純水充滿樣品柱，并放入檢測(cè)室；(2)開啟運(yùn)行程序，將 微量熱系統(tǒng)設(shè)定至目標(biāo)溫度T2，并恒溫等待足夠時(shí)間，使樣品柱與恒溫塊之間的熱流傳遞 達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡，近似認(rèn)為樣品柱各點(diǎn)(包括中心點(diǎn)T1)溫度達(dá)到儀器設(shè)定恒溫溫度T2，即 Tl = T2，此時(shí)熱流W = W1 ； (3)給樣品柱中的加熱電阻加上恒定電流足夠時(shí)間，這時(shí)，樣品 柱因加熱而與恒溫塊之間再一次達(dá)到新的熱動(dòng)態(tài)平衡(W = W2)，樣品柱各點(diǎn)的溫度分布不 再隨時(shí)間變化，此時(shí)，樣品柱中心溫度T1與恒溫環(huán)境溫度T2均維持一個(gè)穩(wěn)定溫差，AT = T「T2 ；⑷將實(shí)驗(yàn)獲得的AW = W2-WJ AT = I\-T2代入式(2)，即可求得樣品有效熱導(dǎo)率。如圖6所示為在純水40°C時(shí)的溫度和熱流曲線圖，從圖中可以看出，在加熱前后 的兩個(gè)熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的AW= 14. 631mff, A T = 0. 411°C，其熱導(dǎo)率為0. 632W/m. °C，與文獻(xiàn) 值0. 627很接近，偏差為0.8%，很顯然，使用本發(fā)明方法測(cè)量的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)是比較準(zhǔn)確可 信的。
權(quán)利要求
一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于，包括樣品柱(1)、熱電堆(2)、大型恒溫金屬塊(3)、控制器，樣品柱(1)周圍有緊密均勻排列的熱電堆(2)，樣品柱(1)置于大型恒溫金屬塊(3)內(nèi)，樣品柱(1)包括電源(4)、毛細(xì)不銹鋼管(5)、絕熱蓋(6)、加熱電阻(7)、溫度傳感器(8)、絕熱片(10)，樣品柱(1)中心置一微細(xì)毛細(xì)不銹鋼管(5)，管內(nèi)均勻纏繞微細(xì)加熱電阻(7)，加熱電阻(7)接電源(4)，緊貼毛細(xì)鋼管(5)外壁沿軸向均勻布置至少一個(gè)電阻溫度傳感器(8)，帶測(cè)樣品充滿毛細(xì)不銹鋼管(5)與樣品柱(1)外壁之間，樣品柱(1)上下分別有絕熱蓋(6)和絕熱片(10)密封，電阻溫度傳感器(8)模擬信號(hào)輸入控制器，控制器輸出到電源(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于，所述控制器包 括加熱控制電路、溫度采集電路，電阻溫度傳感器(8)輸入依次經(jīng)過溫度采集電路中傳感 器電阻電流激勵(lì)電路、傳感器信號(hào)采集電路以及信號(hào)處理電路，輸出控制信號(hào)到加熱控制 電路控制加熱電阻(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，其特征在于，所述溫度傳感 器(8)選用高精度微小鉬電阻傳感器。
4.一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的方法，包括測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置，其特 征在于，包括以下具體步驟1)首先將待測(cè)樣品充滿樣品柱(1)，并放入檢測(cè)室；2)大型恒溫金屬塊(3)設(shè)定目標(biāo)溫度T2，并恒溫等待足夠時(shí)間，使樣品柱⑴與大型 恒溫金屬塊(3)之間的熱流傳遞達(dá)到熱動(dòng)態(tài)平衡，近似認(rèn)為樣品柱(1)各點(diǎn)溫度Tl達(dá)到儀 器設(shè)定恒溫溫度T2，即Tl = T2，此時(shí)熱流W = Wl ；3)給樣品柱(1)中的加熱電阻(7)加上恒定電流足夠時(shí)間，這時(shí)，樣品柱因加熱而與 恒溫塊之間再一次達(dá)到新的熱動(dòng)態(tài)平衡W = W2，樣品柱(1)各點(diǎn)的溫度分布不再隨時(shí)間變 化，此時(shí)，樣品柱(1)中心溫度Tl與恒溫環(huán)境溫度T2均維持一個(gè)穩(wěn)定溫差，Δ T = T1-T2 ； 4)將實(shí)驗(yàn)獲得的AW= W2-W1和ΔΤ = T1-T2代入式 即可求得樣品有 效熱導(dǎo)率，在r =巧處，T = T1, T1為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)毛細(xì)不銹鋼管(5)外壁處溫度，即熱電 偶⑶所測(cè)得的溫度；在r = r2處，T = T2, T2為熱動(dòng)態(tài)平衡時(shí)樣品柱⑴外壁處溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)定不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率的裝置及方法，包括樣品柱、熱電堆、大型恒溫金屬塊，樣品柱周圍有緊密均勻排列的熱電堆，樣品柱置于大型恒溫金屬塊內(nèi)，樣品柱包括電源、毛細(xì)不銹鋼管、絕熱蓋、加熱電阻、溫度傳感器、絕熱片，樣品柱中心置一微細(xì)毛細(xì)不銹鋼管，管內(nèi)均勻纏繞微細(xì)加熱電阻，加熱電阻接電源，緊貼毛細(xì)鋼管外壁沿軸向均勻布置至少一個(gè)電阻溫度傳感器，帶測(cè)樣品充滿毛細(xì)不銹鋼管與樣品柱外壁之間，樣品柱上下分別有絕熱蓋和絕熱片密封。電阻溫度傳感器模擬信號(hào)輸入控制器，控制器輸出到電源?？筛呔葴y(cè)量不良導(dǎo)熱材料熱導(dǎo)率，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01K7/18GK101852752SQ20101019668
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者呂婭, 王麗萍, 胥義, 鐘彥騫 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)