[发明专利]热物性瞬态测量方法及装置

权利要求书

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：

(1)

式中：

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；

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_p J/(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

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

式中：斜率

截距

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

热扩散系数

和相应的平均温度

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

定压比热

2.基于权利要求1所述方法的装置，其特征在于：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，所述热针为圆柱状，用绝缘材料制成，柱内含有温差电偶和电加热元件；所述存储器预存有热物性参数的计算模型，所述直流稳流电源向温度采集模块供电；温差电偶输出温度信号，温度信号采集模块将该温度信号转换成数字信号，送入信号处理器，信号处理器按照热物性参数的计算模型进行处理，处理结果由显示器显示。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：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。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述直流稳流电源输出直流电流在0.01-1.000A之间精密可调；在热测量的时间内，加热电流的波动幅度：ΔI≤±0.001A。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述温度采集模块的温度分辩率：ΔT≤0.1k；采样频率：0.5-1Hz之间连续可调。