[发明专利]热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法

摘要

本发明公开一种热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，给出了测量的一般原理和材料热物性的计算公式，同时可以降低测量温度时的探头制作难度，由于电压测量的精确度远高于温度测量的精确度，因而也可以期望用此法提高材料热物性测量的精确度。

主权项

1.热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，包括步骤：一、准备步骤1)、制作材料的标准试样；2)、制作一套测量仪器，该测量仪器包括探头、稳流电源，数据采集器、数据处理器；3)、按一维圆柱面传热问题建立物理数学模型，依据该模型的精确解的一次积分式获得的材料热物性的计算公式，依据计算公式编写软件程序，写出代码，存入测量仪器；二、测量步骤1)、将探头与试样联接；2)、通过探头向试样通入稳恒电流，在热线两端产生电压变化；3)、探头将探测到的电压信号送入数据采集器，数据处理器将电压信号转换成相应的数字信号；4)、数据处理器运行软件程序，对数字信号进行计算处理，获得材料热物性参数的值；其特征在于，所述求解材料热物性参数的物理数学模型为(一)、热线处于真空时的电阻R(T)＝R0(1+αΔT)                             (1)式中，ΔT＝T(r0,t)‑T(r0,t0)，表示热线的温升，t0为加热的起始时刻；R(T)表示热线加热到温度T(r0,t)的电阻；R0表示热线加热起始时刻的电阻,α为热线的电阻温度系数；若热线放置于待测材料介质中，热线发出的热量将传向介质，致使热线的温度将可能达不到无介质时的高度；因此，应用(1)式时应该修正为式中，是热线和介质接触良好时的温度改变量，τ＝t‑t₀,可以证明，该量值是加热时间τ的函数，也必定与介质的传热性质相关联；这样就建立起来了热线电阻与材料传热性质之间的关系；(二)、一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式为式中，表示在用热线法测量材料热物性的过程中，加热τ的时间，热线表面与介质接触界面的温度；为加热测量时的热流强度，I为加热电流的电流强度，R₀为起始加热时刻热线的电阻，r₀为热线半径，l为热线长度；λ为材料的热导率；c＝0.57726为积分常数；a为材料的热扩散系数；可以证明，可以将(3)式等价地表达为式中，C^*＝e^c；显然，有介质时，θ(r₀,τ)就是因此，可以将(4)式代入(2)式，立即得到令(5)式将化为R(τ)＝k ln τ+D                               (8)(8)式为一标准的线性方程,k为直线的斜率，D为直线的截距；根据欧姆定律，用热线通过的电流I×(8)式，得到IR(τ)＝Ik ln τ+ID由于IR(τ)＝V(τ)，表示热线上τ时间的的电压,若令可以将(8)式改写为电压方程V(τ)＝k′lnτ+D′                             (11)依据上述模型，即(11)式，可以测算材料的热物性参数值；A、计算热导率加热试样，测量出一系列τi时间及对应的电压改变V(τi)，然后用最小二法则做线性拟合，计算出线性方程的斜率k′和截距D′，引用(9)式，即可获得待测材料的热导率若注意到计算待测材料的热导率时，选取的首末两个数据组的测量值分别为(Vi，τi)和Vj，τj)，则必有由此不难得到计算数据对应的温度升高为该温度升高耗去的时间为Δτ＝τj‑τi因而，这段测量时间内的升温速度为这样，就可以计算加热测量时，热线自身温度升高的吸热功率为式中，m0为热线质量，cp0为热线的定压比热容，对给定的热线，它们都是已知的常数；应用(15)式，可以修正热线自身吸热对测量造成的影响，获得最终的电压法测量材料热导率的计算公式为B、计算热扩散系数引用(10)式，解出待测材料的热扩散系数为式中，温度升高由(13)式给出，将此代入即得到待测材料热扩散系数的计算公式为这样，就同时测量出了待测材料的热导率和热扩散系数；C、测算定压比热容如上所述，材料的热导率和热扩散系数已经测出，若能再测量出(或已知)待测材料的密度ρ，可以用热扩散系数的定义式计算待测材料的定压比热容D、测算蓄热系数若已知热作用周期，也可以计算待测材料的蓄热系数式中，T_k为热作用周期，单位为s,蓄热系数的单位为