一種熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x和測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x和測(cè)量方法，尤其涉及一種散狀材料熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x 和測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱導(dǎo)率又稱(chēng)"導(dǎo)熱系數(shù)"，反映材料導(dǎo)熱能力的大小，是熱物理特性的一個(gè)重要指 標(biāo)。獲得材料的熱導(dǎo)率可以按照原理不同分為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱兩大類(lèi)。前者可以在 試樣的溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定以后，直接測(cè)量獲得試樣的熱導(dǎo)率。后者是在試樣的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò) 程中測(cè)定熱擴(kuò)散系數(shù)a，并在已知試樣的密度P和試樣的比熱容C的條件下，利用A=a/ CP，計(jì)算得到試樣的熱導(dǎo)率入。
[0003] 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱測(cè)定法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，可直接測(cè)得熱導(dǎo)率，但其達(dá)到溫度平衡需要 較長(zhǎng)時(shí)間，目前穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱主要有穩(wěn)態(tài)圓柱法、熱流計(jì)法、防護(hù)熱板法。但上述方法均有其各 自的缺陷，如防護(hù)熱板法一般需要7小時(shí)以上才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且對(duì)自然界中含水的天 然材料（如隨機(jī)分布的土壤）的熱導(dǎo)率不能測(cè)定，試樣的厚度和面積對(duì)結(jié)果有較大影響，測(cè) 試設(shè)備的絕熱性能影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性；其他方法對(duì)散狀隨機(jī)材料（如土壤、沙石）的熱 導(dǎo)率干擾大，需要取樣制成標(biāo)準(zhǔn)試件才能測(cè)試，無(wú)疑干擾了所測(cè)材料的原始環(huán)境，從而導(dǎo)致 其測(cè)量精度不夠高。
[0004] 非穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率測(cè)試儀有常功率瞬態(tài)平面熱源法、熱線法、熱探針?lè)?、熱帶法、?光閃射法等。常功率瞬態(tài)平面熱源法可將測(cè)試時(shí)間控制在20分鐘左右，可測(cè)含水量在 40-60%之間的試樣并能在-40°C條件下測(cè)試，可獲得熱導(dǎo)率X和導(dǎo)溫系數(shù)a數(shù)值，其數(shù)據(jù) 處理較穩(wěn)態(tài)法復(fù)雜；熱線法可測(cè)量固體和液體的熱導(dǎo)率，也可測(cè)試各向異性或非均質(zhì)材料 的熱導(dǎo)率，熱線法可粗略測(cè)得試樣的比熱和熱擴(kuò)散率，但其制造比較精巧，需要穿透被測(cè)材 料；熱探針?lè)稍诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量濕潤(rùn)土壤的熱導(dǎo)率而且對(duì)于土壤的密度和孔隙度影響較小，可 獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量值，但探針的直徑一般為1-2_且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要精細(xì)的做工；熱帶法 可測(cè)松散材料、多孔介質(zhì)材料，還可用于測(cè)量金屬材料，但其測(cè)試對(duì)材料原始狀態(tài)有較大干 擾。
[0005] 總之，大自然環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)材料如土壤、沙石的熱導(dǎo)率因其散亂無(wú)規(guī)則，受多參數(shù) 影響難以測(cè)量，準(zhǔn)確獲得其熱導(dǎo)率有助于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)如地源熱栗埋管、土壤加熱冷卻埋管的 準(zhǔn)確尺寸，避免埋管間距過(guò)大或不足。土壤、沙石天然材料的熱導(dǎo)率通常與其成分、密度、含 水率、溫度等有關(guān)。目前通常采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室取樣測(cè)試法，如對(duì)土壤進(jìn)行取樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè) 得，取樣測(cè)試法影響土壤的密度和含水率，對(duì)原材料產(chǎn)生人為干擾，不能準(zhǔn)確測(cè)定原樣材料 的熱導(dǎo)率。目前的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)井測(cè)試法測(cè)試土壤熱導(dǎo)率用于獲得土壤源熱栗地埋管周?chē)?壤的平均熱導(dǎo)率，要求實(shí)驗(yàn)井與工程預(yù)先設(shè)計(jì)的井孔尺寸和結(jié)構(gòu)相同，井內(nèi)的換熱器布置 方式也與預(yù)先設(shè)計(jì)保持一致，這導(dǎo)致測(cè)試工作量巨大，測(cè)試工具的費(fèi)用也很高，不易推廣使 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x和測(cè)量方法，可解決現(xiàn)有技術(shù)中散狀材料的熱導(dǎo) 率測(cè)量精度較差的問(wèn)題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種熱導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，包括：熱源、地表溫度傳感器5、大氣溫度傳感器6、第一溫度 傳感器7、第二溫度傳感器8、加熱套管表面溫度傳感器9、加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10、信 號(hào)處理器11和溫度控制器12,其中，
[0009] 所述熱源包括：加熱棒1、加熱套管2、增強(qiáng)填充劑3和錐形鉆頭4,其中，加熱棒1 位于加熱套管2的內(nèi)部，增強(qiáng)填充劑3位于加熱套管2內(nèi)部除加熱棒1以外的空間中，錐形 鉆頭4設(shè)置在加熱套管2的下端；
[0010] 所述溫度控制器12,與熱源的加熱棒1相連；
[0011] 地表溫度傳感器5的溫度感應(yīng)探頭位于地表；大氣溫度傳感器6的溫度感應(yīng)探頭 位于空氣中；第一溫度傳感器7和第二溫度傳感器8的溫度感應(yīng)探頭位于被測(cè)材料中；加 熱套管表面溫度傳感器9的溫度感應(yīng)探頭緊貼于加熱套管2的外壁；加熱套管內(nèi)壁溫度傳 感器10與溫度控制器12連接，其溫度感應(yīng)探頭固定于加熱套管2的內(nèi)壁；
[0012] 所述信號(hào)處理器11與地表溫度傳感器5、大氣溫度傳感器6、第一溫度傳感器7、 第二溫度傳感器8、加熱套管表面溫度傳感器9和加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10相連，所述 信號(hào)處理器11包括數(shù)據(jù)采集模塊14、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊15、人機(jī)交互模塊16、電源模塊 17以及輔助裝置18,數(shù)據(jù)采集模塊14、人機(jī)交互模塊16、電源模塊17以及輔助裝置18通 過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊15彼此互相連接。
[0013] 所述加熱套管2外徑D與加熱套管2的長(zhǎng)度H之比小于0. 1。
[0014] 所述增強(qiáng)填充劑3為導(dǎo)熱樹(shù)脂。
[0015] 所述加熱棒1的溫度高于環(huán)境溫度20°C-30°C。
[0016] 所述信號(hào)處理器11還具有外部通信接口，與上位機(jī)13連接。
[0017] 所述數(shù)據(jù)采集模塊14包括抗混疊濾波模塊19、多路切換開(kāi)關(guān)20、A/D轉(zhuǎn)換模塊21 和電壓采集模塊22,其中，抗混疊濾波模塊19依次連接多路切換開(kāi)關(guān)20和A/D轉(zhuǎn)換模塊 21，電壓采集模塊22連接A/D轉(zhuǎn)換模塊21;
[0018] 所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊15包括MCU核心控制器23、FLASH存儲(chǔ)模塊24和晶振 及復(fù)位電路25,MCU核心控制器23分別與FLASH存儲(chǔ)模塊24和晶振及復(fù)位電路25連接； [0019] 人機(jī)交互模塊16包括液晶顯示模塊26和鍵盤(pán)接口模塊27,兩者分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 與處理模塊15的MCU核心控制器23連接；
[0020] 電源模塊17包括5V電源轉(zhuǎn)換模塊28 ;
[0021] 輔助裝置18包括內(nèi)部溫度傳感器29、時(shí)鐘模塊30和串口通信模塊31，三者分別 與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理模塊15的MCU核心控制器23。
[0022] 一種測(cè)量熱導(dǎo)率的測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0023] a、測(cè)量?jī)x的布置：將包括加熱棒1、加熱套管2、增強(qiáng)填充劑3和錐形鉆頭4的熱源 和溫度感應(yīng)探頭位于加熱套管2內(nèi)壁的加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10 -起插入被測(cè)材料中， 地表溫度傳感器5的溫度感應(yīng)探頭放置于地表，大氣溫度傳感器6的溫度感應(yīng)探頭放置于 空氣中，第一溫度傳感器7和第二溫度傳感器8的溫度感應(yīng)探頭放置于被測(cè)材料中，加熱套 管表面溫度傳感器9的溫度感應(yīng)探頭緊貼于加熱套管2的外壁，并將加熱棒1以及各個(gè)溫 度傳感器連接至信號(hào)處理器11 ;
[0024]b、讀取配置：?jiǎn)?dòng)測(cè)量?jī)x，MCU核心控制器23讀取配置數(shù)據(jù)；
[0025]c、參數(shù)設(shè)置：設(shè)置溫度控制器12的溫度、測(cè)試時(shí)間、加熱棒的電阻值和地表溫度 傳感器5、大氣溫度傳感器6、第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器8、加熱套管表面溫度傳感 器9和加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10的位置參數(shù)，對(duì)地表溫度傳感器5、大氣溫度傳感器6、 第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器8、加熱套管表面溫度傳感器9和加熱套管內(nèi)壁溫度傳 感器10調(diào)零，開(kāi)啟溫度控制器12,溫度控制器12通過(guò)加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10感應(yīng)加 熱套管2的溫度，并對(duì)加熱棒1加熱；
[0026] d、數(shù)據(jù)采集：地表溫度傳感器5、大氣溫度傳感器6、第一溫度傳感器7、第二溫度 傳感器8、加熱套管表面溫度傳感器9和加熱套管內(nèi)壁溫度傳感器10的溫度信息為每秒采 集一次，每分鐘計(jì)算一次平均值，存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)模塊24中；
[0027]e、熱導(dǎo)率計(jì)算：變化第一溫度傳感器7的位置得到第一溫度傳感器7的溫度 T(xl，yl)，變化第二溫度傳感器8位置得到第二溫度傳感器8的溫度T(x2,y2)，
[0028] 信號(hào)處理器11獲得第一溫度傳感器7的溫度和第二溫度傳感器