专利名称：液体导热系数的瞬态测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量导热系数领域，尤其涉及一种液体导热系数的瞬态测量装置。
背景技术：
导热系数是物质重要的传递性质，为表征物质热传导性质的物理量，在传热过程 研究中具有十分重要的意义。主要体现在以下3个方面。导热系数的大小与物质的结构有关，在理论研究中，通过测量大量物质的导热系 数值，研究导热系数数值随物质结构的变化规律，可以帮助了解液体导热机理和发展溶液理论。在石油、化工、能源、材料、军工生产等过程工业的传热设计中，为了使工程设计合 理，节省能源和原材料，提高产品的质量，都需要有可靠准确的导热系数数据。另外，液体导热系数的数据可以应用在混合物组成分析中。通过一系列已知浓度 混合物的导热系数，可以得到导热系数与浓度的关联式和工作曲线，然后测量未知浓度混 合物的导热系数，可以根据工作曲线反推得到浓度值。液体导热系数的测量原理基于傅立叶定律，在测量过程中需要避免对流现象的发 生，保证仅有热传导过程，而流体内部只要存在温度梯度就会发生自然对流，所以精确测量 比较困难。发明内容本实用新型的目的是提供了一种导热系数的快速测量装置。液体导热系数的瞬态测量装置包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导 池包括外壳、内腔体、外六角螺丝、上端盖、紧固件、钼丝、内六角螺丝、导线、钼丝焊点、螺 丝、聚四氟乙烯薄片、加料管、测量空腔、螺孔；外壳上端螺纹连接有上端盖，外壳内设有内 腔体，内腔体为两个半圆柱体，并用内六角螺丝连接，内腔体上端与上端盖用外六角螺丝连 接，外壳底部设有加料管，内腔体内设有两测量空腔，在两测量空腔内设有两钼丝，其中一 钼丝为长钼丝电阻&，另一钼丝为短钼丝电阻Rs，钼丝两端与导线端部焊接成钼丝焊点，导 线穿过紧固件，紧固件内装有聚四氟乙烯薄片，在内腔体外侧与紧固件对应处设有螺孔的 平台，螺丝经螺孔顶牢聚四氟乙烯薄片固定导线；电路系统为稳压电源正极与继电器连 接，继电器控制端一路与电阻箱Rd—端连接，继电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电 阻箱Rd另一端和惠斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从 正极至负极方向依次连接有精密电阻箱R1、精密电阻Rst、短钼丝电阻Rs、长钼丝电阻&和 精密电阻箱R4,另外一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R2和精密电阻R3,在Rs与 Rl之间设数据采集点A，在精密电阻R2与精密电阻R3之间设数据采集点B，A、B连接至数据 采集系统；数据采集系统为数据采集点A与电阻Ra —端连接，电阻Ra另一端与电容Ca — 端、采集卡正极连接，数据采集点B与电阻Rb —端连接，电阻Rb另一端与电容Cb —端、采集 卡负极连接，电容Ca另一端和电容Cb另一端均接地。所述的电路系统均使用屏蔽线并有效接地。所述的数据采集系统中，使用电阻电容法进行滤波处理，并在数据处理时使用数字滤波，消除工频干扰，这样能够保证所测数据 的准确性。本实用新型在测量时将热导池放置于精密恒温水槽中，将两根钼丝引出，接到惠 斯通电桥中，利用数据采集卡采集电桥两端电压差数据，根据瞬态热线法测量液体导热系 数的计算公式，可得到液体导热系数值。该装置测量时间短，可以从电压差数据处理过程中排除自然对流的影响，操作方 便，精度较高。另外，本实用新型使用双热线，可以消除热线端效应的影响，提高了测量精度。
图1是液体导热系数的瞬态测量装置中热导池结构示意图；图2是本实用新型中内腔体纵剖面结构示意图；图3是本实用新型中内腔体横剖面结构示意图；图4是本实用新型中电路系统图；图5是本实用新型中数据采集系统图。图中外腔1、腔体2、外六角螺丝3、上端盖4、紧固件5、钼丝6、内六角螺丝7、导 线8、钼丝焊点9、螺丝10、聚四氟乙烯薄片11、加料管12、测量空腔13、螺孔14。
具体实施方式
本实用新型采用瞬态双热线法，两根钼丝分别置于惠斯通电桥的不同桥臂中，可 以消除热线端效应的影响，提高了测量精度。液体导热系数的瞬态测量装置包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导 池包括外壳1、内腔体2、外六角螺丝3、上端盖4、紧固件5、钼丝6、内六角螺丝7、导线8、 钼丝焊点9、螺丝10、聚四氟乙烯薄片11、加料管12、测量空腔13、螺孔14 ；外壳1上端螺 纹连接有上端盖4，外壳1内设有内腔体2，内腔体2为两个半圆柱体，并用内六角螺丝7连 接，内腔体2上端与上端盖4用外六角螺丝3连接，外壳1底部设有加料管12，内腔体2内 设有两测量空腔13，在两测量空腔13内设有两钼丝6，其中一钼丝为长钼丝电阻&，另一钼 丝为短钼丝电阻Rs，钼丝6两端与导线8焊接，导线8穿过紧固件5，紧固件5内装有聚四氟 乙烯薄片11，在内腔体2外侧与紧固件5对应处设有螺孔14的平台，螺丝10经螺孔14顶 牢聚四氟乙烯薄片11固定导线8 ；电路系统为稳压电源正极与继电器连接，继电器控制端 一路与电阻箱Rd —端连接，继电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电阻箱Rd另一端和惠 斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从正极至负极方向依 次连接有精密电阻箱R1、精密电阻Rst、短钼丝电阻Rs、长钼丝电阻&和精密电阻箱R4,另外 一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R2和精密电阻R3，在Rs与&之间设数据采集 点A，在精密电阻R2与精密电阻R3之间设数据采集点B，A、B连接至数据采集系统；数据采 集系统为数据采集点A与电阻Ra —端连接，电阻Ra另一端与电容Ca —端、采集卡正极连 接，数据采集点B与电阻Rb —端连接，电阻Rb另一端与电容Cb —端、采集卡负极连接，电容 Ca另一端和电容Cb另一端均接地。电路系统均使用屏蔽线并有效接地。数据采集时使用电阻电容法进行滤波，如图 5所示。在数据处理中使用数字滤波，消除工频干扰，这样能够保证所测数据的准确性。本实用新型中[0026]1)材料外壳、内腔体、上端盖、紧固件、加料管、螺丝为316L不锈钢；导线为铜丝， 外面附有PFA绝缘层；薄片为聚四氟乙烯。2)钼丝钼丝直径为18. 5 μ m,长短两根钼丝分别放置于两个测量空腔内，钼丝两 端与导线焊接，由导线引出接至惠斯通电桥中。3)外壳外壳底部与加料管连接，从管口处缓慢加料，避免腔体内出现气泡，影响 测量数据的准确性。4)电路系统稳压电源分辨率0. ImV, Rd为ZX21型电阻箱，惠斯通电桥中，Rst为 0. 01级10 Ω精密电阻，R2, R3为0. 02级100 Ω精密电阻，R1、R4为精ΖΧ74精密电阻箱，分 辨率0. 001 Ω，Rl、Rs分别代表长、短钼丝电阻。5)数据采集系统PCI_1710HG数据采集卡，分辨率2. 5 μ V，精度4%。，Ra、6) Rb 为 IOkQ 电阻，Ca、Cb 为 IyF 电容。如图4所示，在惠斯通电桥中，A、B之间电压差用Δ V表示，电路通电钼丝电阻被 加热，长钼丝阻值增加幅度更大，所以有 式中，V-电路电压，ν;AR—钼丝电阻增加的阻值，L、S下标分别代表长、短钼丝电阻，Ω。(1)与(2)相加 调平衡时有Rl+R4 = Rst+R!+Rs (4)将(4)代入(3)容易得到 因为与2(Rl+R4)相比很小，在分母中可以忽略。式中，I——钼丝通电电流，A。钼丝电阻-温度关系表示为R = R0(l+a T) (6)式中，R0——0°C时的钼丝电阻值，Ω ；
一电阻温度系数，V -钼丝温度，°c。由(6)得到Δ Rl- ARs = (Rlo-Rso) α Δ T (7)式中，Δ T—钼丝升高的温度，将(7)代入(5)中， λ:
瞬态热线法测量液体导热系数的基本公式为
式中，
λ —液体导热系数，W/ (m · K)； q——钼丝单位长度的加热量，ff/m ；
t-通电时间，S。
钼丝电阻与长度成线性关系，所以有
式中，L——长、短钼丝长度差，m。 将(8)与(10)代入(9)中 _I3(RL-RsXRlo-Rso)a Z (ΙΔΥ 8 rLdint
本实用新型实验步骤
1)连接好电路系统(除钼丝电阻部分)，并在数据采集点A、B处接上数据采集系
2)打开计算机，对电源进行预热；
3)用长度约为150mm和75mm的两根钼丝分别与导线焊接；
4)安装好热导池，将热导池放置于精密恒温水槽中，将钼丝电阻接至惠斯通电桥
5)从加料管处缓慢加入待测液体，约IOOml左右即可；
6)待热导池内液体温度稳定时，从稳压电源处输入0.IV电压至惠斯通电桥，调节 精密电阻箱电阻值使A、B两点处电压差为0，将电路切换回Rd支路；7)调节Rd值使其约等于惠斯通电桥总电阻，这样可以保证继电器切换电路时电压 信号的稳定；8)从稳压电源输入约4V电压至惠斯通电桥，同时开始采集A、B两点处电压差数 据，约IOs左右后将电路切换回Rd ；9)绘制dAV和d(lnt)的关系曲线，进行数字滤波，选取线性度较好的一段计算斜 率值，然后和其他已知数据一起带入式(11)中即可求得待测液体的导热系数值。本实用新型测量实例
6[0081]用本实用新型装置测量了甲苯、甲醇、乙醇、正己烷、醋酸、丙酮在30°C下的导热系 数值，与文献值(CRC物理化学手册)比较，相对误差在3%以内，如下表所示。
权利要求一种液体导热系数的瞬态测量装置，其特征在于包括热导池、电路系统、数据采集系统，其中，热导池包括外壳(1)、内腔体(2)、外六角螺丝(3)、上端盖(4)、紧固件(5)、铂丝(6)、内六角螺丝(7)、导线(8)、铂丝焊点(9)、螺丝(10)、聚四氟乙烯薄片(11)、加料管(12)、测量空腔(13)、螺孔(14)，外壳(1)上端螺纹连接有上端盖(4)，外壳(1)内设有内腔体(2)，内腔体(2)为两个半圆柱体，并用内六角螺丝(7)连接，内腔体(2)上端与上端盖(4)用外六角螺丝(3)连接，外壳(1)底部设有加料管(12)，内腔体(2)内设有两测量空腔(13)，在两测量空腔(13)内设有两铂丝(6)，其中一铂丝为长铂丝电阻RL，另一铂丝为短铂丝电阻RS，铂丝(6)两端与导线(8)端部焊接成铂丝焊点(9)，导线(8)穿过紧固件(5)，紧固件(5)内装有聚四氟乙烯薄片(11)，在内腔体(2)外侧与紧固件(5)对应处设有螺孔(14)的平台，螺丝(10)经螺孔(14)顶牢聚四氟乙烯薄片(11)固定导线(8)；电路系统为稳压电源正极与继电器连接，继电器控制端一路与电阻箱Rd一端连接，继电器控制端另一路接惠斯通电桥一端，电阻箱Rd另一端和惠斯通电桥另一端汇合后回接电源负极，惠斯通电桥中，分为两支，一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻箱R1、精密电阻Rst、短铂丝电阻RS、长铂丝电阻RL和精密电阻箱R4，另外一支从正极至负极方向依次连接有精密电阻R2和精密电阻R3，在RS与RL之间设数据采集点A，在精密电阻R2与精密电阻R3之间设数据采集点B，A、B连接至数据采集系统；数据采集系统为采集点A与电阻Ra一端连接，电阻Ra另一端与电容Ca一端、数据采集卡正极连接，数据采集点B与电阻Rb一端连接，电阻Rb另一端与电容Cb一端、数据采集卡负极连接，电容Ca另一端和电容Cb另一端均接地。
2.根据权利要求1所述的一种液体导热系数的瞬态测量装置，其特征在于，所述的电 路系统均使用屏蔽线并有效接地。
专利摘要本实用新型公开了一种液体导热系数的瞬态测量装置。液体导热系数的瞬态测量装置中热导池部分为外壳上端螺纹连接有上端盖，外壳内设有内腔体，内腔体为两个半圆柱体，并用内六角螺丝连接，内腔体上端与上端盖用外六角螺丝连接，外壳底部设有加料管，内腔体内设有两测量空腔，在两测量空腔内设有两铂丝，铂丝两端与导线焊接，导线穿过紧固件，紧固件内装有聚四氟乙烯薄片，在内腔体外侧与紧固件对应处设有螺孔的平台，螺丝经螺孔顶牢聚四氟乙烯薄片固定导线。测量时把热导池置于精密恒温水槽中，铂丝电阻引出接至电路系统，利用数据采集系统采集惠斯通电桥两端电压差数据，根据瞬态热线法测量液体导热系数的计算公式，可得到液体导热系数值。
文档编号G01N25/18GK201653945SQ20092019901
公开日2010年11月24日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者何潮洪, 刘明, 吴可君, 周俊超, 车圆圆, 金伟光 申请人:浙江大学