[发明专利]基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法

权利要求书

1.一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，包括片状平面热源、数据采集装置和计算机数据处理系统；片状平面热源与加热电路相连；数据采集装置包括温度传感器、AD模数转换芯片和数据采集卡，温度传感器连接AD模数转换芯片，AD模数转换芯片连接数据采集卡，数据采集卡与计算机数据处理系统相连。或者类似的可将温度传感器采集的电信号转换为温度数据的处理装置来代替上述数据采集装置。

2.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：片状平面热源内部由排列后的电阻线组成，材料可为镍合金，呈薄片状。

3.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述温度传感器为薄膜热电偶或热电阻，呈薄片状。

4.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述温度传感器与片状平面热源预先粘合，成一体化置入多孔材料内进行异质含量测量。

5.一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，步骤为：

a、使温度传感器与片状平面热源两者粘合为一体；

b、将粘合为一体的温度传感器与片状平面热源布置于被测多孔材料内部；

c、启动数据采集装置，待被测多孔材料内部温度稳定后，记录此时温度作为被测多孔材料的初始温度；

d、接通加热电路，由数据采集装置在线记录片状平面热源的温升变化；

e、关闭加热电路和数据采集装置，数据处理系统对测温数据进行后处理；

f、利用预设计算程序计算热物性参数并解算得到异质含量。

6.根据权利要求5所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，所述步骤e数据处理，该一维传热过程的导热微分方程、边界条件以及初始条件为：

当x＝l，

当x＝0，

当t＝0，T＝T₀ (4)

其中，T为被测多孔材料的温度，K；T₀为被测多孔材料的初始温度，K；λ为被测多孔材料的导热系数，Wm^-1K^-1；ρ为被测多孔材料的密度，kgm^-3；c为被测多孔材料的比热容，Jkg^-1K^-1；ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3K^-1)；为对称传热情况下片状平面热源的单侧散热热流密度，W/m²；Q为平面热源输入总功率，W；A为片状平面热源面积，m²；l为被测多孔材料的厚度，m；

参考H.S.Carlslaw,J.C.Jaeger.Conduction of Heat in Solids.2ndEdition.Oxford Clarendon Press,1986:89-112中的方法求解上述偏微分方程组，得到被测多孔材料x＝l边界的温升解析解为:

其中，α为热扩散率，m²/s；

代入假定的被测多孔材料的导热系数λ和被测多孔材料的容积热容ρc，则可计算出对应时刻测温点的温升ΔT_M,i，温升的计算可借助相关软件如Matlab。其中被测多孔材料的假定导热系数值，是以干燥时多孔材料的导热系数值和水分的导热系数值作为上下限，通过穷举方法取值；被测多孔材料的容积热容同理取得值，即可以得到被测多孔材料可能的导热系数和容积热容的组合。

将某一假定导热系数和容积热容组合下由分析解计算所得温升ΔT_M,i与所测温升ΔT_E,i进行对比，利用公式(6)得计算的温升与实测温升的差异值，

其中，D为计算的温升与实测温升的均方根差异值(℃)，ΔT_M,i为通过公式计算得到的i时刻的温升值(℃)，ΔT_E,i为通过实验测得的i时刻的温升值(℃)，n为实验测得的温度数据数目。以可接受的差异阈值D_accept为选择标准，则可得D≤D_accept时，被测多孔材料的容积热容范围，其中(ρc)_min为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的下限最小值，(ρc)_max为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的上限最大容积热容。

容积热容与异质含量(水分为例)关系如下：

ρ_dryc_dry+ρ_wc_wx_w＝ρc (7)

其中，ρ_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm^-3)，c_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_dryc_dry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm^-3·K^-1)，ρ_w为水分的密度(kgm^-3)，ρ_w为水分的比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_wc_w为水分的容积热容(Jm^-3·K^-1)，x_w为水分的体积分数，ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3·K^-1)。

根据容积热容的上下限，求水分的体积分数的上下限：

其中，x_max为异质体积含量的最大值，x_min为异质体积含量的最小值。

被测多孔材料中水分的质量分数的范围：

其中，y_max为异质质量含量的最大值，y_min为异质质量含量的最小值。

即(x_min，x_max)为求解所得含水量体积含量的范围，(y_min，y_max)为求解所得含水量质量含量的范围。