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一種瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，主要包括探頭、電橋測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，在所述電橋測(cè)試系統(tǒng)中，電橋的供電電源應(yīng)在0-20V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最大電流不超過1A。本實(shí)用新型可以測(cè)量多種樣品如：塊狀樣品、單軸各向異性樣品、薄片樣品、薄膜樣品，且控制精度高、檢測(cè)周期短、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。
【專利說明】一種瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬材料性能檢測(cè)領(lǐng)域，主要是利用平面熱源測(cè)試方法對(duì)建筑用材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)是主要的熱物性參數(shù)之一，目前在已建立的各種測(cè)試方法中，根據(jù)其傳熱特點(diǎn)大致可歸納為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。
[0003]穩(wěn)態(tài)法是指當(dāng)待測(cè)試樣上溫度分布達(dá)到穩(wěn)定后，即試樣內(nèi)溫度分布是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定的溫度場(chǎng)時(shí)，通過測(cè)定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數(shù)來計(jì)算材料的導(dǎo)熱系數(shù)的方法。它是利用穩(wěn)定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法具有原理清晰、模型簡(jiǎn)單、可準(zhǔn)確直接地獲得熱導(dǎo)率絕對(duì)值等優(yōu)點(diǎn)，并適于較寬溫區(qū)的測(cè)量；缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)條件苛刻、測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)；穩(wěn)態(tài)法中，為了獲得準(zhǔn)確的熱流，需要嚴(yán)格保證測(cè)試系統(tǒng)的絕熱條件，附設(shè)補(bǔ)償加熱器并增加保溫措施，以減小邊緣熱損失；另外穩(wěn)態(tài)法主要用于測(cè)量固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而要把它用于研究濕材料會(huì)遇到很大困難，因?yàn)樵嚇訒?huì)由于長(zhǎng)時(shí)間保證一定的溫度場(chǎng)而引起含濕量的變化，這將導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果不正確。
[0004]隨著新材料的發(fā)展，對(duì)測(cè)試速度的要求大大提高，而且因?yàn)樾虏牧系亩鄻有?，傳統(tǒng)的方法獲得的參數(shù)并不能準(zhǔn)確反映材料的性質(zhì)，傳統(tǒng)的模型也不能準(zhǔn)確反映所要研究的過程，因此廣泛應(yīng)用瞬態(tài)法。瞬態(tài)法是指實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中試樣溫度隨時(shí)間變化，通過測(cè)量試樣內(nèi)某些點(diǎn)溫度變化的情況以及其他一些需要的參數(shù)，從而確定試樣導(dǎo)熱系數(shù)的方法，其分析的出發(fā)點(diǎn)是非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程。本實(shí)用新型主要依據(jù)瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試。在瞬態(tài)測(cè)試方法中，試樣內(nèi)的溫度分布是隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，借助測(cè)試試樣溫度變化的速率，就可以測(cè)量試樣的熱擴(kuò)散率，從而得到試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。由于采用具有熱阻性的材料同時(shí)作為熱源和溫度傳感器，瞬態(tài)平面熱源技術(shù)能夠覆蓋較大的熱導(dǎo)率范圍，因而可以同時(shí)適用于各種不同類型的材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種可以測(cè)量多種樣品如:塊狀樣品、單軸各向異性樣品、薄片樣品、薄膜樣品，且控制精度高、檢測(cè)周期短、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確的材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試裝置。
[0006]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0007]本實(shí)用新型主要包括探頭、電橋測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)(見圖1);所述探頭內(nèi)部是雙螺旋結(jié)構(gòu)，電阻值為1Ω-50Ω之間，由10 (±2) μ m厚的金屬薄片刻蝕而成，兩側(cè)由厚度為7 μ m-100 μ m的絕緣薄膜包裹，直徑D在4_-100_之間。金屬薄片選擇電阻率溫度系數(shù)高、穩(wěn)定性好的鎳和鑰；絕緣薄膜應(yīng)根據(jù)使用溫度選擇聚酰亞胺、云母、氮化鋁和氧化鋁等可忽略熱容量的材料。探頭的測(cè)溫裝置可以準(zhǔn)確感應(yīng)被測(cè)樣品的溫度信息。雙螺旋結(jié)構(gòu)螺旋線源的寬度應(yīng)與其間距相等，探頭直徑為4mm-15mm之間的雙螺旋結(jié)構(gòu)的間距應(yīng)為(0.2±0.03)mm;其他直徑探頭的雙螺旋結(jié)構(gòu)的間距應(yīng)為(0.35±0.05)mm。
[0008]將探頭放置于兩個(gè)樣品中間，形成類似三明治的結(jié)構(gòu)，給探頭施加恒定直流電，探頭放熱后樣品內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，同時(shí)探頭表面產(chǎn)生溫升，此時(shí)探頭電阻增加，使電橋測(cè)試系統(tǒng)中原平衡電橋失衡，產(chǎn)生電位變化量。通過記錄測(cè)試期間不同時(shí)刻電參數(shù)的變化量，計(jì)算得出溫度增值隨時(shí)間變化的函數(shù)。通過對(duì)函數(shù)曲線的擬合和計(jì)算得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。
[0009]所述電橋測(cè)試系統(tǒng)(見圖2)，電橋的供電電源應(yīng)在(0-20) V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最大電流不超過1A。電橋系統(tǒng)中探頭及其引線與電阻Rs相串聯(lián)，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值(Ro+RL)相近，且在測(cè)試過程中保持不變。數(shù)字電壓表接于探頭與電阻Rs之間，且電阻應(yīng)大于探頭電阻與Rs電阻值和的100倍，分辨率應(yīng)達(dá)到6.5數(shù)位，是電源周期變化的整數(shù)倍。
[0010]所述數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)能夠顯示、自動(dòng)采集、分析各電參數(shù)、時(shí)間參數(shù)，并能夠擬合出時(shí)間-溫升曲線圖，最終計(jì)算測(cè)試結(jié)果，此系統(tǒng)包含試驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)分析軟件。在測(cè)試中測(cè)量探頭電阻隨溫度的變化，確定試樣的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算過程由軟件自動(dòng)完成。在處理數(shù)據(jù)之前需舍去一些時(shí)間所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，舍去點(diǎn)的個(gè)數(shù)和探頭保護(hù)層的厚度及試樣與探頭的接觸熱阻的大小有關(guān)，依據(jù)實(shí)際情況酌情選取，但是點(diǎn)的數(shù)目不能小于100個(gè)，以保證熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的一般性。通過最小二乘法擬合測(cè)量過程中試樣表面溫度增值隨時(shí)間變化的函數(shù)和無量綱特征時(shí)間函數(shù)的線性關(guān)系(見圖3)，最終得出導(dǎo)熱系數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為整體系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)圖，其中1-主機(jī)(包括電橋回路、輸出電源、計(jì)算機(jī)和數(shù)字電壓表)；2_試樣架；3_樣品倉(cāng)；4_探頭；5-樣品；6_恒溫控制器；
[0012]圖2為電橋測(cè)試系統(tǒng)圖，其中Rs-串聯(lián)電阻凡-探頭引線的總電阻；Rcr探頭初始電阻AR-探頭在測(cè)試中增加的電阻;Λυ_電位變化量;W_電位計(jì)；
[0013]圖3為溫度增值與時(shí)間線性關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面根據(jù)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0015]本實(shí)用新型主要包括探頭、電橋測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，所述探頭內(nèi)部是雙螺旋結(jié)構(gòu)，電阻值為1Ω-50Ω之間，電橋系統(tǒng)中探頭及其引線與電阻Rs相串聯(lián)，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值(Ro+RL)相近，且在測(cè)試過程中保持不變。電橋測(cè)試系統(tǒng)中電橋的供電電源應(yīng)在(0-20) V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，最大電流不超過1A。
[0016]將探頭放置于兩個(gè)樣品中間，形成類似三明治的結(jié)構(gòu)，根據(jù)總測(cè)試時(shí)間及輸出功率，給探頭施加恒定直流電，探頭放熱后樣品內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，同時(shí)探頭表面產(chǎn)生溫升，此時(shí)探頭電阻增加，使電橋測(cè)試系統(tǒng)中原平衡電橋失衡，產(chǎn)生電位變化量。通過記錄測(cè)試期間不同時(shí)刻電參數(shù)的變化量，計(jì)算得出溫度增值隨時(shí)間變化的函數(shù)。通過對(duì)函數(shù)曲線的擬合和計(jì)算得出樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)試過程中電位計(jì)的滑動(dòng)觸點(diǎn)不應(yīng)調(diào)整。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬態(tài)平面熱源法測(cè)試材料導(dǎo)熱系數(shù)的裝置，包括探頭、電橋測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，其特征在于，電橋測(cè)試系統(tǒng)中，探頭及其引線與電阻Rs相串聯(lián)，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值Ro+&相近，數(shù)字電壓表接于探頭與電阻Rs之間；探頭內(nèi)部是雙螺旋結(jié)構(gòu)，電阻值為1Ω-50Ω之間，由10 (±2) μ m厚的金屬薄片刻蝕而成，兩側(cè)由厚度為7 μ m-100 μ m的絕緣薄膜包裹,直徑D在4mm-100mm之間。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK203502367SQ201320384779
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月1日
【發(fā)明者】任靜, 張金花, 段愷, 王永艷, 崔新陽(yáng), 朱劍飛 申請(qǐng)人:北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司, 北京市建設(shè)工程質(zhì)量第六檢測(cè)所有限公司