[发明专利]热物性瞬态测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及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。

背景技术

材料的热物性，指材料的热导率、热扩散系数、定压比热和密度。所谓瞬态自动测量，是在加热升温的过程中，快速完成自动测量、记录、处理数据等工作。

在国内、外，上世纪七、八十年代，关于热物性瞬态测量技术的研究，曾一度出现过一个高潮。国内、外众多知名学者作了大量工作，取得了很大成绩。当时，研究了脉冲法、恒流法、热线法等测量方法。其中，脉冲法和恒流法这两种瞬态测量方法，由于受到当时技术水平的限止，以及诸多条件的影响，国内、外学者都未能如愿做出实际可以应用的测量仪器。因而，曾经颁布的相应部颁标准，目前也已经弃置。较长时间内，这个问题实际上没有得到解决。直到本世纪初，基于一维半无限大传热模型的脉冲法、恒流法的瞬态测量仪器才获得成功，被定名为SHT-20热物性瞬态自动测量仪。相比之下，热线法虽有国家标准和仪器供应市场。但热线法仍未能突破稳态测量的范畴，它还不是真正意义上的瞬态测量方法，需要改进和提高。

发明内容

本发明的目的，是提供一种全新的热物性瞬态自动测量方法及装置(针式热物性瞬态测量方法及装置)，快速测量材料的热导率、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。

本发明的技术方案是：

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