一種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法及系統(tǒng)，即利用超級(jí)恒溫水浴作為熱源，與試樣盒底部的黃銅板形成恒溫邊界，溫度均勻性和穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)；而且直接基于恒溫邊界一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，利用參數(shù)估計(jì)法測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率，避免了對(duì)數(shù)學(xué)模型過(guò)度簡(jiǎn)化造成的誤差。此外，根據(jù)比熱容參數(shù)估計(jì)靈敏度較低，估計(jì)誤差較大的情況，采取了先估計(jì)熱擴(kuò)散率，然后對(duì)比熱容估計(jì)值進(jìn)行校正的策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散率的同時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)。
【專利說(shuō)明】一種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于固體材料熱物性參數(shù)測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可同時(shí)測(cè)固體材料 導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)對(duì)節(jié)能及能源利用效率的日益重視，材料熱物性及其測(cè)試方法方面的研 究方興未艾。固體材料熱物性測(cè)試總體上分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法測(cè)試由于所需時(shí) 間長(zhǎng)、測(cè)試環(huán)境要求高，而不能適應(yīng)現(xiàn)代科技迅速發(fā)展的需要，非穩(wěn)態(tài)法應(yīng)運(yùn)而生并因?yàn)槠?具有快速、準(zhǔn)確、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)而得到了更為廣泛的應(yīng)用。然而，非穩(wěn)態(tài)法在實(shí) 際應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，例如目前多采用加熱板、加熱絲、加熱棒等固態(tài)電熱器作為加熱 熱源，存在著熱源熱流密度的準(zhǔn)確給定、加熱探頭熱容及時(shí)間延遲性、熱絲電阻溫度依變性 和功率波動(dòng)等問(wèn)題，這些問(wèn)題在一定程度上影響了熱物性參數(shù)測(cè)試的精度。近年來(lái)，發(fā)展了 一種陶瓷基底刻蝕雙螺旋鉬金屬絲加熱膜，熱穩(wěn)定性好且厚度極薄，可有效提高材料熱物 性測(cè)試精度，但成本不菲且制作困難，難以推廣應(yīng)用。因此，目前尚無(wú)一種精度理想的可同 時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法及系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的 方法及系統(tǒng)，以克服目前不能同時(shí)測(cè)試固體材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率及其測(cè)試精度不理想 的缺陷。
[0004] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0006] 步驟1 :通過(guò)超級(jí)恒溫水浴產(chǎn)生具有一定溫度的恒溫水介質(zhì)；
[0007] 步驟2 :將試樣放入底部為黃銅板材質(zhì)的試樣盒，試樣盒底部與恒溫水介質(zhì)接觸， 形成恒溫邊界下的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，試樣內(nèi)溫度響應(yīng)解析解為：
[0008]

【權(quán)利要求】
1. 一種可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法，其特征在于：具體實(shí)現(xiàn)步驟 為： 步驟1 :通過(guò)超級(jí)恒溫水浴產(chǎn)生具有一定溫度的恒溫水介質(zhì)； 步驟2:將試樣放入底部為黃銅板、上表面和側(cè)面用絕熱材料密封的試樣盒，試樣盒 底部與恒溫水介質(zhì)接觸，形成恒溫邊界下的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，試樣內(nèi)溫度響應(yīng)解析解 為：
(1) 式中Θ (X，τ)為過(guò)余溫度，Θ =t-tw，t為試樣溫度，tw為黃銅板恒溫溫度；熱擴(kuò)散率 a= A/(pCp), λ為導(dǎo)熱系數(shù)，p為試樣密度、Cp為比熱。 式（1)為無(wú)窮級(jí)數(shù)，無(wú)法直接求解；而由于恒溫邊界條件等價(jià)于畢渥數(shù)Bi -c?時(shí)的熱 對(duì)流邊界條件，從而式（1)可改寫為：
(2) 式中βη為超越方程ctgi3 = β/^的系列解，對(duì)應(yīng)不同的&數(shù)，βη值具體可查表，而 在Bi-c?時(shí)βι = L 5708, βη= h+fe-DXji (n= U，…），顯然在試樣密度ρ、導(dǎo)熱 系數(shù)λ、比熱容Cp及厚度δ物理參數(shù)已知的情況下，可計(jì)算得到試樣內(nèi)任意位置X任意時(shí) 刻τ的溫度分布情況，此即恒溫邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型； 步驟3 :在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)估計(jì)法得到被測(cè)材料的熱擴(kuò)散率、比熱容和 導(dǎo)熱系數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率的方法，其特征在 于：所述參數(shù)估計(jì)法采用先估計(jì)熱擴(kuò)散率，然后對(duì)比熱容估計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)被測(cè)試樣 導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率和比熱容多個(gè)參數(shù)同時(shí)準(zhǔn)確獲取。
3. -種根據(jù)權(quán)利要求1?2之一所述的可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率方法的 系統(tǒng)，其特征在于：包括超級(jí)恒溫水浴、試樣盒和溫度采集與分析系統(tǒng)，所述超級(jí)恒溫水浴， 用于形成恒溫邊界條件；所述試樣盒，用于測(cè)定除板狀成型材料外的松散物料與恒溫水介 質(zhì)接觸形成恒溫邊界；所述溫度采集與分析系統(tǒng)，用于采集試樣絕熱側(cè)表面溫度變化，以基 于數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到被測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率方法的系統(tǒng)，其特 征在于：所述超級(jí)恒溫水浴生成具有一定溫度的恒溫水介質(zhì)，通過(guò)與試樣盒底部接觸形成 恒溫邊界。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的可同時(shí)測(cè)固體材料導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率方法的系統(tǒng)，其特征 在于：所述試樣盒的內(nèi)腔尺寸滿足長(zhǎng)與厚的比值大于8?10,寬與厚度的比值大于8?10。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104215660SQ201410415796
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】陳清華, 董長(zhǎng)帥, 龐立, 黎賢東, 吳亮, 袁力, 徐曼曼, 呂云逸 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)