[发明专利]热线法瞬态测量材料热物性的方法

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

1.一种热线法瞬态测量材料热物性的方法，包括步骤：一、准备步骤1)、制作待测材料的标准试样，该试样为两块同质方体试样；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)、建立求解材料热物性参数的物理数学模型，依据该物理数学模型编写软件程序，写出代码，存入测量仪器；二、测量步骤1)、将探头挟持在两块试样之正中间，使其热线与标准试件样平面的中轴线贴合；2)、向探头通入恒流电流；3)、探头将探测到的温度信号送入数据采集器，数据采集器将温度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基于一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式式中：θ(r0，τ)＝T(r0，t)‑T(r0，t0)表示待测材料中热线表面与材料界面处，在τ＝t‑t0时间内的温升，单位为K；t0为加热测量的起始时刻，单位为秒；T(r0，t)表示热线表面t时刻的温度，T(r0，t0)为该处起始加热时刻的温度；为加热测量时的热流强度，单位为W·m^‑2；I表示热线通过的电流强度，单位为A；R代表热线的电阻，单位为Ω；r₀表示热线半径，单位为m；l表示热线长度，单位为m；λ为待测材料的热导率，单位为W·m^‑1·K^‑1；c＝0.57726，为积分常数；为热扩散系数，单位为m²·s^‑1；ρ表示待测材料的密度，单位为kg·m‑3；cp表示待测材料的定压比热容，单位为J·kg‑1·K；从(1)式出发，进行恒等变换，得到温升与测温时间对数之间的关系式θ(r0，τ)＝klnτ+D                (2)式中：C*＝ec                (5)依据上述模型，利用上述测量仪器，测量出一系列的测温时间τi及相应的温升θ(r0,τi)，用最小二法则作线性拟合，求出(2)式描述的直线的斜率k和截距D来，就可以计算出材料的热导率、热扩散系数、定压比热容、蓄热系数；其中A、计算热导率测量出一系列的τi对应的温度改变量θ(r0，τi)，用最小二法则对这一组数据作线性拟合，求出拟合曲线的斜率k，用(3)式计算出材料的热导率为当采用恒定电流IA加热测量时，设热线的半径为r0m，长度为lm，电阻为RΩ，其穿过热线侧表面的热流强度考虑到用热线法测量材料的热物性时，热线自身吸热是影响测量准确性最重要的因素，应该对这种影响加以修正，也就是在电加热的电功率中扣出热线的吸热功率，设热线的质量为m₀kg，定压比热容为c_p0，加热升温速度为热线吸热功率因此，热线法测量热导率的实际计算公式化为式中，热线半径r0，长度l，质量m0，定压比热容cp0，电阻R；斜率已经由线性拟合计算得到，因此，只要加热测量时记下加热电流强度和升温速度，将这些数值代入(9)式，即可计算待测量材料热导率的值；B、计算热扩散系数将(4)式改写成如下形式不难看出，当斜率已经求出之后，待测材料的热扩散系数已经可以直接计算出来，则必有热扩散系数式中，为一常数，当热线半径取0.12mm时，常数值为6.41214×10^‑9；因此，上式也可以写成C、计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、计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