[发明专利]一种热导率测量仪和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热导率测量仪和测量方法，尤其涉及一种散状材料热导率测量仪和测量方法。

背景技术

热导率又称“导热系数”，反映材料导热能力的大小，是热物理特性的一个重要指标。获得材料的热导率可以按照原理不同分为稳态导热和非稳态导热两大类。前者可以在试样的温度场达到稳定以后，直接测量获得试样的热导率。后者是在试样的非稳态导热过程中测定热扩散系数a，并在已知试样的密度ρ和试样的比热容c的条件下，利用λ＝a/cρ，计算得到试样的热导率λ。

稳态导热测定法的特点是原理简单，可直接测得热导率，但其达到温度平衡需要较长时间，目前稳态导热主要有稳态圆柱法、热流计法、防护热板法。但上述方法均有其各自的缺陷，如防护热板法一般需要7小时以上才能达到稳定状态，且对自然界中含水的天然材料(如随机分布的土壤)的热导率不能测定，试样的厚度和面积对结果有较大影响，测试设备的绝热性能影响测定结果的准确性；其他方法对散状随机材料(如土壤、沙石)的热导率干扰大，需要取样制成标准试件才能测试，无疑干扰了所测材料的原始环境，从而导致其测量精度不够高。

非稳态热导率测试仪有常功率瞬态平面热源法、热线法、热探针法、热带法、激光闪射法等。常功率瞬态平面热源法可将测试时间控制在20分钟左右，可测含水量在40-60％之间的试样并能在-40℃条件下测试，可获得热导率λ和导温系数a数值，其数据处理较稳态法复杂；热线法可测量固体和液体的热导率，也可测试各向异性或非均质材料的热导率，热线法可粗略测得试样的比热和热扩散率，但其制造比较精巧，需要穿透被测材料；热探针法可在现场测量湿润土壤的热导率而且对于土壤的密度和孔隙度影响较小，可获得较准确的测量值，但探针的直径一般为1-2mm且结构较复杂，需要精细的做工；热带法可测松散材料、多孔介质材料，还可用于测量金属材料，但其测试对材料原始状态有较大干扰。

总之，大自然环境中的现场材料如土壤、沙石的热导率因其散乱无规则，受多参数影响难以测量，准确获得其热导率有助于准确设计如地源热泵埋管、土壤加热冷却埋管的准确尺寸，避免埋管间距过大或不足。土壤、沙石天然材料的热导率通常与其成分、密度、含水率、温度等有关。目前通常采用常规实验室取样测试法，如对土壤进行取样在实验室测得，取样测试法影响土壤的密度和含水率，对原材料产生人为干扰，不能准确测定原样材料的热导率。目前的现场实验井测试法测试土壤热导率用于获得土壤源热泵地埋管周围土壤的平均热导率，要求实验井与工程预先设计的井孔尺寸和结构相同，井内的换热器布置方式也与预先设计保持一致，这导致测试工作量巨大，测试工具的费用也很高，不易推广使用。

发明内容

本发明提供了一种热导率测量仪和测量方法，可解决现有技术中散状材料的热导率测量精度较差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种热导率测量仪，包括：热源、地表温度传感器5、大气温度传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9、加热套管内壁温度传感器10、信号处理器11和温度控制器12，其中，

所述热源包括：加热棒1、加热套管2、增强填充剂3和锥形钻头4，其中，加热棒1位于加热套管2的内部，增强填充剂3位于加热套管2内部除加热棒1以外的空间中，锥形钻头4设置在加热套管2的下端；

所述温度控制器12，与热源的加热棒1相连；

地表温度传感器5的温度感应探头位于地表；大气温度传感器6的温度感应探头位于空气中；第一温度传感器7和第二温度传感器8的温度感应探头位于被测材料中；加热套管表面温度传感器9的温度感应探头紧贴于加热套管2的外壁；加热套管内壁温度传感器10与温度控制器12连接，其温度感应探头固定于加热套管2的内壁；

所述信号处理器11与地表温度传感器5、大气温度传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9和加热套管内壁温度传感器10相连，所述信号处理器11包括数据采集模块14、数据存储与处理模块15、人机交互模块16、电源模块17以及辅助装置18，数据采集模块14、人机交互模块16、电源模块17以及辅助装置18通过数据存储与处理模块15彼此互相连接。

所述加热套管2外径D与加热套管2的长度H之比小于0.1。

所述增强填充剂3为导热树脂。

所述加热棒1的温度高于环境温度20℃-30℃。

所述信号处理器11还具有外部通信接口，与上位机13连接。