专利名称：一种棒体材料导热系数测量装置及测量方法
技术领域：
本发明属于 导热系数测量技术领域，具体来说，是一种基于稳态法的棒体材料导热系数测量装置及测量方法。
背景技术：
导热系数是描述材料导热性能的重要参数，对工程热设计有重要作用，因此准确地测量导热系数一直是传热领域研究的重要课题。导热系数的测试方法有很多，美国普渡大学热物理性能研究中心(Thermal Physical Research Center of Purdue University)的CINDAS对各种方法做过归纳，根据导热过程的宏观机理可分为稳态法和非稳态法。其中稳态法由于可以得到可靠的结果且计算简单是目前应用广泛的测定方法。稳态法测定的一般过程为在待测试样一端加热，另一端冷却，同时进行隔热处理，形成近似的一维导热模型来测量材料的导热系数。但当对导热系数较小或测量段长度较长的材料进行导热系数测量时，材料周向隔热是稳态导热系数测试中必须关注的问题，其效果会影响测量精度。通常采用比较法测量试验中通过待测材料的热流量，即将已知导热系数的标准试样和待测试样串连在一起，使得通过标准试样的热流密度与待测试样相同，再通过测定等温面间的温差和相关的几何尺寸得到材料的导热系数。这种方法中，隔热方法通常采用真空防辐射隔热和保温材料隔热两种，真空隔热结构较复杂，成本较高；保温材料隔热由于材料绝热性能有限，材料本身也有吸热，在被测材料冷热两端温差较大时隔热效果很差，可能会导致测试结果不正确；且目前采用的比较法测量试验中，不易安排和匹配热保护加热器，使得隔热结构的隔热效果不佳，增大了热损失，降低了测试精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用来测量棒体材料导热系数的测量装置及测量方法，通过在传统的稳态法导热系数测试装置中加入热保护加热器以及主动热控部分，从而提闻隔热结构的隔热效果，减小热损失，提闻测试精度。本发明一种棒体材料导热系数测量装置，包括装置部分与监测控制部分；装置部分用来安装待测棒体材料，通过监控部分实现待测棒体材料导热系数的测量。其中，装置部分包括隔热结构、安装平台、主加热器、热保护组件、散热器与制冷器；在安装平台上设置有顶部封闭的筒状隔热结构；隔热结构底端面与安装平台贴合，使隔热结构内部形成密封的用来放置待测棒体材料与标准试样的空腔；隔热结构内部顶面上固定安装有主加热器，主加热器用来对待测棒体材料高温端加热；主加热器的加热面上安装有加热垫片，用来将主加热器产生的热量在加热垫片底面形成均一的温度，使待测棒体材料上部体积内热流均匀；制冷器固定安装在安装平台上，制冷器与隔热结构内部顶面相对，制冷器通过安装在安装平台底面上的散热片进行散热。所述热保护组件包括辅加热器和热保护垫片；热保护垫片为筒状结构，设置在隔热结构内部周向上，热保护垫片顶端面与待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面共面，底端面与待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面共面；所述待测棒体材料高温端的测温点与待测棒体材料低温端的测温点均选取在待测棒体材料外壁周向上；热保护垫片外壁上安装有辅加热器。所述监控部分包括控制模块、可控硅调功模块、温度采集模块、监测模块与控制。其中，控制模块用来向可控硅调功模块发送主加热器与辅加热器的功率控制信号，从而控制可控硅调功模块调节主加热器与辅加热器的输出功率；所述温度采集模块实时采集待测棒体材料与标准试样上的各测温点的温度数据，并通发送给监测模块；监控模块用来对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置整体达到热平衡时接收到的各个测温点的温度数据，以及在监测模块中输入的环境温度与主加热器额定功率得出待测棒体材料的导热系数。 基于上述导热系数测量装置的测量方法，其特征在于通过下述步骤来完成步骤I :设置待测棒状材料与标准试样；将待测棒状材料放置在隔热结构内部，将一个导热系数已知且与待测棒体材料横截面均相同的标准试样置于待测棒体材料下部；标准试样的长度可以与待测棒体材料长度相同，且标准试样的导热系数与待测棒体材料的导热系数间相差I个数量级范围内；待测棒体材料高温端紧贴加热垫片，低温端与标准试样高温端贴合，标准试样低温端与安装平台上的制冷器贴合；将隔热结构底端与安装平台固定。步骤2 :装置部分与监控部分的连接；在待测棒体材料高温端处选取一个测温点a，在待测棒体材料低温端处选取一个测温点b，同样在标准试样高温端外壁上选取一个测温点C，在标准试样低温端处外壁上选取一个测温点d，测温点a、测温点b、测温点c与测温点d通过导线穿过隔热结构上的走线孔与监控部分中的温度采集模块相连；并且通过导线穿过隔热结构上的走线孔将主加热器与辅加热器以及监控部分中的可控硅调功模块相连。步骤3 :加热待测棒体材料；当待测棒体材料的导热系数估计值为已知时，通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为最大值，直至待测棒体材料高温端处的测温点a的温度值达到估计值，通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；当待测棒体材料的导热系数估计值为未知时，则通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；上述过程中，通过控制模块控制可控硅调功模块实时调整辅加热器的功率，始终控制热保护垫片的温度值保持在测温点a处温度与测温点b处温度的平均值。步骤4 :待测棒体材料的导热系数测量；在监测模块中输入主加热器的额定功率与环境温度，并且通过监测模块在测温点a的温度不变时接收到的测温点a、测温点b、测温点c与测温点d的温度，得到待测棒体材料的导热系数Xb为
......^^ tC^abΛ _ Λ ~
κ-h ^xCd0020]式中，λ 3为标准试样的导热系数；ta、tb、te、td*别为测温点a、b、C、d处的温度，Δ Xab为测温点a、b间距离，Λ xcd为测温点C、d间距离。本发明的优点在于I、本发明测量装置通过热保护加热器，有效提高隔热结构的隔热效果，减小待测棒体材料径向热损失；2、本发明测量方法通过热保护加热器以及主动热控，提高了棒体材料导热系数的测量精度，扩大了测量装置的测量范围；3、本发明测量装置成本低，操作方便简单。
图I是本发明测量装置结构示意图；图2为本发明测温装置中隔热结构结构示意图；图3是本发明测量方法流程图。图中I-装置部分 2-监控部分3-装待测棒体材料 4-标准试样101-隔热结构 102-安装平台103-主加热器 104-热保护组件105-散热片106-制冷器107-加热垫片1011-内隔热层1012-外隔热层 1013-隔热上盖 1041-辅加热器 1042-热保护垫片201-控制模块 202-可控硅调功模块 203-温度采集模块204-监测模块
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明为一种棒体材料导热系数测量装置，如图I所示，包括装置部分I与监测控制2部分，装置部分I用来安装待测棒体材料3，通过监控部分2实现待测棒体材料3导热系数的测量。其中，装置部分I包括隔热结构101、安装平台102、主加热器103、热保护组件104、散热器105、制冷器106，如图I所示，在安装平台102上设置有顶部封闭的筒状隔热结构101，隔热结构101采用尼龙材料，由此既可保证隔热效果，又具有一定的结构强度，且为测量装置节省了成本。隔热结构101底端面与安装平台102贴合，可使隔热结构101内部形成密封的用来放置待测棒体材料3与标准试样4的空腔。隔热结构101内部顶面上固定安装有主加热器103，主加热器103用来对待测棒体材料高温端(待测棒体材料3顶端)加热。由于主加热器103的形状很难做成与待测棒体材料3横截面相同，且很难使主加热器103的加热面各点温度相同，因此本发明中在主加热器103的加热面(主加热器底面)上安装有铜质加热垫片107，铜质加热垫片107具有良好的导热性，可将主加热器103产生的热量在加热垫片107底面形成均一的温度，使待测棒体材料3上部体积内热流均匀，形成一维的导热。隔热结构101上开有走线用的走线孔。由于在棒体材料导热系数测量时，待测棒体材料3的温度由待测棒体材料高温端到待测棒体材料低温端(待测棒体材料3低端)逐渐降低，通常待测棒体材料高温端的温度会高于待测棒体材料低温端很多，在隔热结构101相同的情况下,待测棒体材料3不同轴向位置上的径向热损失不同，待测棒体材料高温端由于与环境温度间的温差最大，热损失也最大，如散热量计算不准，会直接影响导热系数的测量值。因此本发明中通过热保护组件104和制冷器106的加入，减小待测棒体材料3与隔热结构101之间的温差，从而减小待测棒体材料3径向散热损失，提高测量精度。所述制冷器106固定安装在安装平台102上，制冷器106与隔热结构101内部顶面相对，用来对待测棒体材料低温端进行制冷降温，使待测棒体材料低温端的温度与环境温度相同，由此使待测棒体材料3下部与隔热结构101之间的温差较小。通过调节制冷器106的制冷温度使待测棒体材料低温端的温度维持在环境温度，保证低温端温度恒定，提高测量精度。制冷器106 通过安装在安装平台102底面上的散热片105进行散热。本发明中制冷器106采用半导体制冷片，半导体制冷片可以得到低于环境的温度，且体积小、使用方便，在工程中已经有了非常广泛的应用。本发明中由于主加热器103产生并通过待测棒体材料3、标准式样4的热量和制冷器106产生的热量最终都要通过散热片105散失到环境中，因此主加热器103的功率和散热片105的散热效果就决定了散热片105的温度(即制冷器106热端的温度)，而制冷器106冷热端的温差决定了制冷器106所需的功率。为了使待测棒体材料3与标准试样4与空气的对流换热作用很小，需使隔热结构101内部待测棒体材料3、标准试样4与隔热结构101间不存在明显间隙，由此本发明中隔热结构101内径与待测棒体材料3与标准试样4的内径相等，并且将主加热器103嵌入到隔热结构101内部顶面中，使主加热器103底面与隔热结构101内部顶面齐平；制冷器106嵌入到安装平台102内部，使制冷器106顶面与安装平台102顶面齐平；加热垫片107设计为与隔热结构101内部横截面形状相同。为了使待测棒体材料3与标准试样4间具有良好的接触，保证测量过程中系统的热通路正常，因此在主加热器103与待测棒体材料3、待测棒体材料3与标准试样4、标准试样4与制冷器106之间的接触面上涂抹导热硅脂。所述热保护组件104包括辅加热器1041和热保护垫片1042。热保护垫片1042为筒状结构，设置在隔热结构101内部周向上，热保护垫片1042顶端面与待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面共面，底端面与待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面共面；所述待测棒体材料高温端的测温点与待测棒体材料低温端的测温点均选取在待测棒体材料3外壁周向上；其中，待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面与待测棒体材料3顶端面垂直距离为IOmm O. 5L, L为待测材料棒体3的长度，待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面与待测棒体材料3底端面垂直距离为5_ O. 5L，由此使待测棒体材料高温端的测温点与待测棒体材料低温端的测温点可避开待测棒体材料3上温度热流不均匀的体积。热保护垫片1042外壁周向上均布有至少2个辅加热器1041，辅加热器1041用来加热热保护垫片1042，提高热保护垫片1042的温度，通过辅加热器1041产生的热量在热保护垫片1042内壁形成均一的温度，从而提高热保护垫片1042顶端与低端所在平面间的隔热结构101的温度，使得待测棒体材料3与隔热结构101之间的温差较小，由此减小热损失，提高测量精度。待测棒体材料3的导热系数越大，热流不均匀段的长度越短。热保护垫片1042与待测棒体材料3侧壁间隔热结构101的厚度为15mm 25mm，从而防止辅加热器1041对待测棒体材料高温端与低温端的测温点所在水平平面间的待测棒体材料3增加额外的热量输入，影响测量结果。 为了便于热保护组件104加工和安装，如图2所示，本发明中隔热结构101分为内隔热层1011、外隔热层1012和隔热上盖1013，内隔热层1011为筒状结构，外部安装热保护组件104，即将热保护垫片1042套接在内隔热层1011外壁周向上。外隔热层1012同样为筒状结构，外隔热层1012的内径与内隔热层1011的外径相等，通过将外隔热层1012套接在内隔热层1011外部，从而将热保护组件104在内隔热层1011与外隔热层1012间定位。所述内隔热层1011与外隔热层1012高度相等，通过隔热上盖1013将内隔热层1011顶端与外隔热层1012顶端固定，实现内隔热层1011与外隔热层1012间的定位，由此实现了热保护组件104位于隔热结构101内部周向上的位置关系。
由于在导热系数测量过程中，辅加热器1041和主加热器103的功率需经常调整，因此为简化测量过程，本发明中通过监控部分2，实时监测待测棒体材料3、标准式样4以及辅加热器1041上的测温点的温度，并调整主加热器103与辅加热器1041的功率，以保证测量过程中所需要的温度值，最终使待测棒体材料3的温度尽快达到设定值，缩短测量装置整体达到热平衡状态的时间，并且根据测得的温度数据，最终得出待测棒体材料3的导热系数。所述监控部分2包括控制模块201、可控硅调功模块202、温度采集模块203、监测模块204。其中，控制模块201用来向可控硅调功模块202发送主加热器103与辅加热器1041的功率控制信号，从而控制可控硅调功模202块调节主加热器103与辅加热器1041的输出功率。所述温度采集模块203通过导线穿过隔热结构101上开有的走线孔与待测棒体材料3、标准式样4上的测温点连接，通过温度采集模块203实时采集待测棒体材料3与标准试样4上的各测温点的温度数据，并通过串口发送给监测模块204。监测模块204用来对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置整体达到热平衡时接收到的各个测温点的温度数据，以及在监测模块204中输入的环境温度与主加热器103额定功率得出待测棒体材料3的导热系数。基于上述导热系数测量装置的测量方法，如图3所示，通过下述步骤来完成步骤I :设置待测棒状材料3与标准试样4 ；将待测棒状材料3放置在隔热结构101内部，同时为了得到通过待测棒体材料3的热流量，将一个与待测棒体材料3横截面均相同的标准试样4置于待测棒体材料3下部，使标准试样4与待测棒体材料3通过相同的热流量。所述且标准试样4的导热系数与待测棒体材料3的导热系数间相差I个数量级范围内；且随温度的变化较小，对于导热系数不高的材料，标准试样4通常选取在0-100°C范围内导热系数比较稳定的不锈钢lCrl8Ni9Ti。标准试样4的长度可以与待测棒体材料3长度相同。待测棒体材料高温端紧贴加热垫片107，其低温端与标准试样高温端(标准试样4顶端)贴合，标准试样低温端(标准试样4底端)与安装平台102上的制冷器106贴合。将隔热结构101底端与安装平台102固定。步骤2 :装置部分I与监控部分2的连接；在待测棒体材料高温端处选取一个测温点a，在待测棒体材料低温端处选取一个测温点b，同样在标准试样高温端外壁上选取一个测温点C，在标准试样低温端处外壁上选取一个测温点d，测温点a、测温点b、测温点c与测温点d通过导线穿过隔热结构101上的走线孔与监控部分2中的温度采集模块203相连。并且通过导线穿过隔热结构101上的走线孔将主加热器103与辅加热器1041与监控部分2中的可控硅调功模块202相连。步骤3 :待测棒体材料3的热控；
当待测棒体材料3的导热系数估计值(通常取理论计算值或与待测棒体材料3同类材料的导热系数平均值)为已知时，通过控制模块201向可控硅调功模块202发送功率控制信号，控制可控硅调功模块202将主加热器103的功率调节为最大值，直至待测棒体材料高温端处的测温点a的温度值达到估计值(即通过待测棒体材料3导热系数的估计值、主加热器103额定功率和环境温度值计算得出)，再通过控制模块201向可控硅调功模块202发送功率控制信号，控制可控硅调功模块202将主加热器103的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；上述过程中，通过控制模块201控制可控硅调功模块202实时调整辅加热器1041的功率，始终控制热保护垫片1042的温度值保持在测温点a处温度与测温点b处温度的平均值。
当待测棒体材料3的导热系数估计值为未知时(即待测棒体材料3为新材料)，则通过控制模块201向可控硅调功模块202发送功率控制信号，控制可控硅调功模块202将主加热器103的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；上述过程中，同样通过控制模块201控制可控硅调功模块202实时调整辅加热器1041的功率，始终控制热保护垫片1042的温度值保持在测温点a处温度与测温点b处温度的平均值。步骤4 :待测棒体材料3的导热系数测量；在监测模块204中输入主加热器103的额定功率与环境温度，并且通过在测量装置整体处于热平衡状态时接收到的测温点a、测温点b、测温点c与测温点d的温度，得到待测棒体材料3的导热系数XbS:
权利要求
1.一种棒体材料导热系数测量装置，包括装置部分与监测控制部分；装置部分用来安装待测棒体材料，通过监控部分实现待测棒体材料导热系数的测量；其特征在于 装置部分包括隔热结构、安装平台、主加热器、热保护组件、散热器与制冷器；在安装平台上设置有顶部封闭的筒状隔热结构；隔热结构底端面与安装平台贴合，使隔热结构内部形成密封的用来放置待测棒体材料与标准试样的空腔；隔热结构内部顶面上固定安装有主加热器，主加热器用来对待测棒体材料高温端加热；主加热器的加热面上安装有加热垫片，用来将主加热器产生的热量在加热垫片底面形成均一的温度,使待测棒体材料上部体积内热流均匀；制冷器固定安装在安装平台上，制冷器与隔热结构内部顶面相对，制冷器通过安装在安装平台底面上的散热片进行散热； 所述热保护组件包括辅加热器和热保护垫片；热保护垫片为筒状结构，设置在隔热结构内部周向上，热保护垫片顶端面与待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面共面，底端面与待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面共面；所述待测棒体材料高温端的测温点与待测棒体材料低温端的测温点均选取在待测棒体材料外壁周向上；热保护垫片外壁上安装有辅加热器； 所述监控部分包括控制模块、可控硅调功模块、温度采集模块、监测模块与控制。其中，控制模块用来向可控硅调功模块发送主加热器与辅加热器的功率控制信号，从而控制可控硅调功模块调节主加热器与辅加热器的输出功率；所述温度采集模块实时采集待测棒体材料与标准试样上的各测温点的温度数据，并通发送给监测模块；监控模块用来对接收的温度数据进行显示、保存，且根据测量装置整体达到热平衡时接收到的各个测温点的温度数据，以及在监测模块中输入的环境温度与主加热器额定功率得出待测棒体材料的导热系数。
2.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述隔热结构为尼龙材料。
3.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述制冷器为半导体制冷片。
4.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述辅加热器至少为2个，均匀分布在热保护垫片外部周向上。
5.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述隔热结构内径与待测棒体材料与标准试样的内径相等，且主加热器嵌入在隔热结构内部顶面中，使主加热器底面与隔热结构内部顶面齐平；制冷器嵌入在安装平台内部，使制冷器顶面与安装平台顶面齐平；加热垫片与隔热结构内部横截面形状相同。
6.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述隔热结构与待测棒体材料、标准试样间涂抹有导热硅脂。
7.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述待测棒体材料高温端的测温点所在水平平面与待测棒体材料顶端面垂直距离为IOmm O. 5L ;待测棒体材料低温端的测温点所在水平平面与待测棒体材料底端面垂直距离为5mm O. 5L ；L为待测材料棒体的长度。
8.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述热保护垫片与待测棒体材料侧壁间隔热结构的厚度为15mm 25mm。
9.如权利要求I所述一种棒体材料导热系数测量装置，其特征在于所述隔热结构分为内隔热层、外隔热层和隔热上盖，内隔热层为筒状结构，将热保护垫片套接在内隔热层外壁周向上；外隔热层同样为筒状结构，外隔热层的内径与内隔热层的外径相等，通过将外隔热层套接在内隔热层外部，从而将热保护组件在内隔热层与外隔热层间定位；内隔热层1011与外隔热层高度相等，通过隔热上盖将内隔热层顶端与外隔热层顶端固定，实现内隔热层与外隔热层间的定位。
10.基于上述导热系数测量装置的测量方法，其特征在于通过下述步骤来完成步骤I:设置待测棒状材料与标准试样；将待测棒状材料放置在隔热结构内部，将一个与待测棒体材料横截面均相同的标准试样置于待测棒体材料下部；标准试样的长度可以与待测棒体材料长度相同，且标准试样的导热系数与待测棒体材料的导热系数间相差I个数量级范围内；待测棒体材料高温端紧贴加热垫片，低温端与标准试样高温端贴合，标准试样低温端与安装平台上的制冷器贴合；将隔热结构底端与安装平台固定；步骤2 :装置部分与监控部分的连接；在待测棒体材料高温端处选取一个测温点a，在待测棒体材料低温端处选取一个测温点b,同样在标准试样高温端外壁上选取一个测温点c,在标准试样低温端处外壁上选取一个测温点山测温点a、测温点b、测温点c与测温点d通过导线穿过隔热结构上的走线孔与监控部分中的温度采集模块相连；并且通过导线穿过隔热结构上的走线孔将主加热器与辅加热器以及监控部分中的可控硅调功模块相连；步骤3 :加热待测棒体材料；当待测棒体材料的导热系数估计值为已知时，通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为最大值，直至待测棒体材料高温端处的测温点a的温度值达到估计值，通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；当待测棒体材料的导热系数估计值为未知时，则通过控制模块向可控硅调功模块发送功率控制信号，控制可控硅调功模块将主加热器的功率调节为额定功率，直至测温点a的温度不变；上述过程中，通过控制模块控制可控硅调功模块实时调整辅加热器的功率，始终控制热保护垫片的温度值保持在测温点a处温度与测温点b处温度的平均值；步骤4 :待测棒体材料的导热系数测量；在监测模块中输入主加热器的额定功率与环境温度，并且通过监测模块在测温点a的温度不变时接收到的测温点a、测温点b、测温点c与测温点d的温度，得到待测棒体材料的导热系数Xb为;=/l tC - h ^absK-h ^xCd式中，λ s为标准试样的导热系数imtd分别为测温点a、b、C、d处的温度，Axab为测温点a、b间距离，Λ Xcd为测温点C、d间距离。
全文摘要
本发明公开一种棒体材料导热系数测量装置，通过在待测棒体材料高温端的隔热层中间加入热保护加热器并对热保护加热器进行温度控制，同时在待测棒体材料冷却端使用半导体制冷片使得待测棒体材料低温端的温度为环境温度，从而减小待测材料与隔热层的温差和待测材料非测量方向的热量传递，在测测量过程中，通过控制可控硅调功模块来调节主加热器与热保护加热器的功率，并通过测温模块将各测温点的温度值采集并传递给监测模块，通过监测模块根据主加热器额定功率与环境温度以及各个测温点的温度，可得到待测棒体材料的导热系数。本发明的优点为有效提高隔热结构的隔热效果，减小待测棒体材料径向热损失；提高了棒体材料导热系数的测量精度。
文档编号G01N25/20GK102621179SQ20121007381
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者张兴娟, 杨春信, 王超, 贾丽 申请人:北京航空航天大学