热物性瞬态测量方法及装置

摘要

本发明公开一种热物性瞬态测量方法及装置，用于自动测量材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度，分析室温附近材料热物性随温度变化的规律。该方法基于在均匀、无限大介质中，放置一根圆柱状热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维圆柱面传热模型；该测量装置包括直流稳流电源、热针、温度信号采集模块、信号处理器、存储器、显示器，所述热针的柱体用碳纤维制成，由芯柱和套管组合构成，所述电加热元件用双头锰铜漆包线绕在芯柱上，该双头锰铜漆包线是用一根锰铜漆包线沿中点对折绕制而成；所述温差电偶用温差电偶级的铜线和康铜线各一根焊接而成。

主权项

1.一种热物性瞬态测量方法，基于在均匀、无限大介质中，放置一根圆柱状热针，用恒定热流通过热针向介质持续加热，形成沿径向方向的一维圆柱面传热模型，该传热模型由下式表征：$\frac{\partial \theta (r,\tau )}{\partial \tau }=a[\frac{{\partial }^2\theta (r,\tau )}{{\partial r}^2}+\frac{1}{r}·\frac{\partial \theta (r,\tau )}{\partial r}]$1，τ=t₀，θ(r，τ)=0          (1)$2,\tau >0,r=r_0,q=-\frac{\lambda }{2\pi }·\frac{\partial \theta (r,\tau )}{\partial r}$3，τ>0，r→∞，θ(∞，τ)=0式中：θ(r，τ)=T(r，t)-T(r，t₀)(k)，表示待测材料中，距热针中轴线的距离为r处，τ=t-t₀时间内的温度变化；t₀(s)为加热测量的起始时刻；T(r，t)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，t时刻的温度；T(r，t₀)(℃)为介质中距热针中轴线为r远处，加热测量起始时刻的温度；为待测材料的热扩散系数；$\rho =\frac{m}{V}(\mathrm{kg}/m^3)$为待测材料的密度；m(kg)表示一定待测材料的质量；V(m³)表示该一定待测材料的体积；c_pJ/(kg·k)表示待测材料的定压比热；λW/(m·k)表示待测材料的热导率；表示热针单位长度发出的热功率，或称发热强度；l(m)表示热针的有效加热长度；w=I²R(W)表示热针的加热功率；I(A)通过热针的加热电流的电流强度；R(Ω)热针发热体的电阻；上述定解问题的脉冲解为$\frac{\mathrm{d\theta }(r,\tau )}{\mathrm{d\tau }}=\frac{q}{4\mathrm{\pi \lambda \tau }}{e}^{-\frac{r^2}{4\mathrm{a\tau }}}---\left(2\right)$当用恒定热流持续加热，即从τ=0到τ的时间内，试件内r处，τ时间内的温升，可用上述脉冲解的一次积分得到；这个积分，可以近似地表达为一直线方程θ(r，τ)=klnτ+D式中：斜率$k=\frac{q}{4\mathrm{\pi \lambda }}---\left(3\right)$截距$D=k\ln \frac{4a}{C^{*}{r}^2}---\left(4\right)$这里，C^*=1.78115，为积分常数；计算材料的热导率和热扩散系数：用测量加热时间内，获得的温度-时间对数数列T(r₀，t)～lnt，用最小二法则作线性拟合，计算出第1个样本的k,D，则有热导率${\lambda }_1=\frac{I^{2}R}{4\mathrm{\pi kl}}---\left(5\right)$热扩散系数$a_1=\frac{C^{*}{r_0}^2}{4}{e}^{\frac{D}{k}}---\left(6\right)$和相应的平均温度$T_1=\frac{T_{i=1}+T_{i=n}}{2}---\left(7\right)$从i=1开始，选取相继的j个样本；重复上述计算，构建数据库[λ_j，a_j，T_j]；然后，用最小二法则做二次曲线拟合，得出计算热导率和热扩散系数的经验公式λ(T)=η₀+η₁T+η₂T²   [T₁，T₂]   (8)a(T)=ζ₀+ζ₁T+ζ₂T²   [T₁，T₂]   (9)计算拟合中值温度对应的热导率和热扩散系数λ，a；计算密度和定压比热密度$\rho =\frac{m}{V}---\left(10\right)$定压比热$c_p=\frac{\lambda }{\mathrm{a\rho }}---\left(11\right).$