单端加热棒10布置在钢管9中心，继电器4与电 源3连接；
[0068] 数据采集系统包括多个温度传感器组8,多个温度传感器组8中，第一温度传感器 11布置于钢管9内部，第二温度传感器12和第三温度传感器13对称布置组成的温度传感器 组、第四温度传感器14和第五温度传感器15对称布置组成的温度传感器组、第六温度传感 器16和第七温度传感器17对称布置组成的温度传感器组分别布置于试样7内部由内至外沿 不同半径处，多个温度传感器组8的各温度传感器分别与温度采集模块2连接，温度采集模 块2分别与电源3和电脑1连接；
[0069] 多个温度传感器组8的各温度传感器和第一温度传感器11通过各引线穿过开设在 圆形泡沫板5的孔的方式固定于圆形泡沫板5上；
[0070] 钢管9的底部封口，钢管9内注入冷水，第一温度传感器11用于监测管内水温。
[0071] 第二温度传感器12和第三温度传感器13对称布置于试样7的半径30厘米处；
[0072] 第四温度传感器14和第五温度传感器15布置于试样7的半径43.5厘米处；
[0073] 第六温度传感器16和第七温度传感器17对称布置于试样7的半径72.5厘米处。 [0074]泡沫板5为EPS圆形泡沫板5,钢管9为不锈钢钢管，单端加热棒10为单端直流加热 棒，电源3为双路直流稳压电源，温度采集模块2为温度采集卡。
[0075] 温度采集卡采集各温度传感器所在测点的温度，采控时间间隔设为60s，即每隔 60s采集一次温度数据，并显示于实时温度一列。自动采集系统采用C#窗口程序，温度采集 模块2、继电器4均通过RS-232串口与电脑1通信，因此各有一个串口号，并通过波特率控制 通信的频率。
[0076] 在向试模填筑试样的同时，在钢管9内和试样7内预设测温点处埋置各温度传感 器。为保证温度探头埋设位置准确和不移位，先将已填筑材料夯实来将温度探头固定于指 定位置，再填筑上层材料，并随时查看温度探头的位置，如有移位，及时纠正或详细记案。最 后将试样7置于振捣台上振捣密实。
[0077] 温度控制系统为自动温控系统，在一次加热循环的过程中，当温度传感器的温度 值在一定时段内基本保持稳定时，认为系统达到稳态热传导过程。多个加热循环构成非恒 态热传导过程。
[0078] 实施例二
[0079] 如图3所示，一种采用上述测试装置实现对试样温度扰动的自动施加的方法，该方 法为：
[0080] 设置试验开始时继电器4的初始状态为断开，温度采集模块2采集距离试样7中心 距离最远的第六温度传感器16或第七温度传感器17的温度为T，当T〈设定的最低温度时继 电器4闭合，单端加热棒10接通电源3，开始加热钢管9内的水;继而各温度测点的温度随即 开始上升，当第六温度传感器16或第七温度传感器17的温度T>设定的最高温度时，继电器4 断开，单端加热棒10与电源3的通道被切断，停止加热，以此为一个加热循环，实现对试样温 度扰动的自动施加，进行多个加热循环构成非恒态热传导过程。
[0081] 为了控制一次循环的时间，并且提高每个温度测点温度值的区分度，设定的最低 温度为室温加5 °C，最高温度为室温加12 °C。
[0082] 实施例三
[0083] 一种非恒态导热系数测试的方法，该方法包括以下步骤：
[0084] 1)对试样施加温度扰动，获取材料内部非恒态热传导温度数据；
[0085] 2)通过温度数据，采用最小二乘法对非恒态导热系数进行多元函数拟合；
[0086] 3)基于最小二乘有限元方法根据各节点的温度值反演计算材料的导热系数非恒 态过程，得到非恒态导热系数。
[0087] 试样及多个传感器对称布置，为试样施加温度扰动，在一定温度范围内循环加热， 让温度均匀扩散到试样，再采集不同时刻不同半径下的温度数据，获得材料内部非恒态热 传导温度数据。
[0088]步骤3)的步骤为：
[0089] 3-1)在固体热传导问题中，假定密度P和比热容c不随时间变化，在计算域内任意 点处，满足热传导方程
[0091] 式中，T为温度（°C); K为导热系数(k J /m · h · °C );为内热源(k J); t时间(h)，式(3) 为恒态热传导无内热源的有限元微分形式；
[0092] 3-2)对步骤3-1)得出的公式(3)在空间域采用伽辽金方法离散，在时间域采用差 分方法，得到有限元格式如下：
[0096] 其中，[C]是热容矩阵；[H]为热传导矩阵；{P}温度荷载列阵；{T}节点温度列阵； {21节点温度对时间导数列阵；
[0097] 3-3)假定导热系数与时间的关系式为：
[0098] K = ai+a2t+a3t2+. . .+antn_1 (7)
[0099]基本未知量由节点温度值变换为描述导热系数的各待定参数(Ct1,a2，···，€〇,故式 (4)变换为：
[0100] [L]{a} = {f} (8)
[0101] 其中，矩阵[L]和{P}由单元的相应矩阵元素集成，BP
[0104]式中，g是变换基本未知量后单元对待求未知量系数矩阵的贡献，由式(11)给出：
[0106] 3-4)式(8)是以参数αι，α2，···，α η为基本未知量的超方程组，用最小二乘法寻求全 局最优解：
[0109]式中，Wk是累加时第k个方程的权重，由于式(8)是包含多个未知数的超方程组，得 到的解不唯一，因为此对式(8)引入最小二乘方法化为式(12);
[0110]式（13)是对每个待求系数求导得到的满秩方程组，解这个方程组即可求得到待定 参数Ct1的取值，再由式(7)即可计算得到非恒态导热系数K。
[0111] 该方法还包括步骤4):编写程序控制温度采集与导热系数实时计算，得出非恒态 导热系数与时间的关系曲线图，如图5所示，从图中可知，混凝土导热系数随混凝土龄期而 非恒态变化，随龄期天数的增加，混凝土导热系数不断降低。
[0112] 实施例四
[0113] 还可编写程序反演计算材料的导热系数非恒态过程，具体如图4所示，采用 Fortran有限元计算程序计算导热系数。其主要子程序如下：
[0114] I )mesh子程序。生成一维热传导网格wg.dxf文件、温度wd. dxt文件，及网格信息 wg.dxt 文件。
[0?15] 2) input子程序。读取wg · dxt文件，读入节点、单元信息；读取wd · dxt文件，读入温 度信息。
[0116] 3)ask子程序。装配热传导矩阵，形成导热系数总刚矩阵。
[0117] 4)LSM子程序。引入最小二乘法原理，生成最小二乘法方程。
[0118] 5) LSLRG子程序。调用IMSL数值分析程序库的函数，求解上述最小二乘满秩方程 组。
[0119] 6)output子程序。输出导热系数反算结果test.txt，输出checkl.txt、 check2. txt，检查方程残值是否满足精度要求。
【主权项】
1. 一种测试非恒态导热系数中用于采集试样温度数据的测试装置，其特征在于： 它包括试模装置、温度控制系统以及数据采集系统； 试模装置中，试模(6)底部布置圆形泡沫板(5)，试模(6)中心插有钢管(9); 温度控制系统中，与继电器(4)连接的单端加热棒(10)布置在钢管(9)中 心，继电器(4)与电源(3)连接； 数据采集系统包括多个温度传感器组(8)，多个温度传感器组(8)中，第一温度传感器 (11)布置于钢管(9)内部，第二温度传感器（12)和第三温度传感器（13)对称布置组成的温 度传感器组、第四温度传感器（14)和第五温度传感器（15)对称布置组成的温度传感器组、 第六温度传感器（16)和第七温度传感器（17)对称布置组成的温度传感器组分别布置于试 样(7)内部由内至外沿不同半径处，多个温度传感器组(8)的各温度传感器分别与温度采集 模块(2 )连接，温度采集模块(2 )分别与电源(3 )和电脑(1)连接。2. 根据权利要求1所述的一种测试非恒态导热系数中用于采集试样温度数据的测试装 置，其特征在于： 多个温度传感器组(8)的各温度传感器和第一温度传感器（11)通过各引线穿过开设在 圆形泡沫板(5)的孔的方式固定于圆形泡沫板(5)上； 钢管(9)的底部封口，钢管(9)内注入冷水，第一温度传感器(11)用于监测管内水温。
【专利摘要】一种采用上述方法测试非恒态导热系数中用于采集试样温度数据的测试装置，它包括试模装置、温度控制系统以及数据采集系统；试模装置中，试模底部布置圆形泡沫板，试模中心插有钢管；温度控制系统中，与继电器连接的单端加热棒布置在钢管中心，继电器与电源连接。本实用新型提供的一种测试非恒态导热系数中用于采集试样温度数据的测试装置，可以解决传统恒态的测试方法无法准确测定出材料的非恒态导热系数的问题，在不破坏样本的前提下，获得在非恒态热传导过程中材料内部特定点的温度数据，进而通过这些点的温度数据采用最小二乘有限元反算方法得到材料的导热系数，测试结果准确。
【IPC分类】G01N25/18, G01N25/20
【公开号】CN205280627
【申请号】CN201620017640
【发明人】郝霜, 童富果, 霍少君, 薛松
【申请人】三峡大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年1月8日