一种热流率测量仪和测量方法技术

本发明专利技术涉及一种热流率测量仪和测量方法，尤其涉及一种散状材料热流率测量仪和测量方法。该测量仪包括热源、多个温度传感器、温度控制器(12)和信号处理器(11)。所述温度控制器(12)与热源的加热棒(1)相连；所述信号处理器(11)与多个温度传感器相连，还与热源的加热棒(1)相连。该测量方法包括如下步骤：测量仪的布置→读取配置→参数设置→数据采集→热导率计算→热流率测量的准备→热流率数据采集→热流率计算。本发明专利技术的热流率测量仪和测量方法，在现场测量被测媒质的热导率，根据热导率以及两个温度传感器的温度测量热流率，对现场很少干扰，灵敏度高，热流通路无遮挡，大大提高测试灵敏性及精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其涉及一种散状材料热流率测量仪 和测量方法。
技术介绍
热流率是表征热量传递转移的强度物理量，相应的量化检测仪器是热流计。目前， 使用最广泛的热阻式表面热流计采用的是热电堆原理，在被测表面附加一层已知热导率的 附加壁，测量附加壁面内外热电堆温差，由热流密度方程推算得出通过附加壁的热流，这种 方法容易对被测表面实际状况造成干扰，从而导致测量的较大误差。 无干扰测量表面热流分布的热流计，包括纯福射式热流计、全热流计、流体（热 水）热流计和福射热流计。纯福射式热流计要消除对流和其他影响，得到纯福射热流，适合 高温辐射表面测试，如工业炉膛表面，但在常温条件下测试结果有较大误差；全热流计测量 对流与辐射之和，高温测试较准确，在常温条件下测量结果有较大误差；流体（热水）热流 计则测量流体的流量和焓值的乘积，常用于管路流动流体热量计量，不能用于地表面热流 率测量；辐射热流计采用已知吸收率的测头铜片来测量辐射热流，主要为空间研究服务，也 可用于地面环境辐射测量，但其仅适用于测量辐照热流，但不能测得包括对流辐射的综合 热流率。 国际上报道的稳态热流计要求有特定测试板且精度较低；激光法及瞬态热带法测 量热流率的处理过程复杂，并且要求额外对密度及热容进行测试；地表太阳能及热传递规 律的研究者通常采用粗糙的经验值估算。
技术实现思路
本专利技术提供了，可解决现有技术中热流率测量精度 较差的问题。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下： -种热流率测量仪，包括：热源、地表温度传感器5、大气温度传感器6、第一温度 传感器7、第二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9、加热套管内壁温度传感器10、信 号处理器11和温度控制器12,其中， 所述热源包括：加热棒1、加热套管2、增强填充剂3和锥形钻头4,其中，加热棒1 位于加热套管2的内部，增强填充剂3位于加热套管2内部除加热棒1以外的空间中，锥形 钻头4设置在加热套管2的下端； 所述温度控制器12,与热源的加热棒1相连； 地表温度传感器5的温度感应探头位于地表；大气温度传感器6的温度感应探头 位于空气中；第一温度传感器7和第二温度传感器8的温度感应探头位于被测材料中；加 热套管表面温度传感器9的温度感应探头紧贴于加热套管2的外壁；加热套管内壁温度传 感器10与温度控制器12连接，其温度感应探头固定于加热套管2的内壁； 所述信号处理器11与地表温度传感器5、大气温度传感器6、第一温度传感器7、 第二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9和加热套管内壁温度传感器10相连，所述 信号处理器11包括数据采集模块14、数据存储与处理模块15、人机交互模块16、电源模块 17以及辅助装置18,数据采集模块14、人机交互模块16、电源模块17以及辅助装置18通 过数据存储与处理模块15彼此互相连接。 所述加热套管2外径D与加热套管2的长度Η之比小于0. 1。 所述增强填充剂3为导热树脂。 所述加热棒1的温度高于环境温度20°C-30°C。 所述信号处理器11还具有外部通信接口，与上位机13连接。 所述数据采集模块14包括抗混叠滤波模块19、多路切换开关20、A/D转换模块21 和电压采集模块22,其中，抗混叠滤波模块19依次连接多路切换开关20和A/D转换模块 21，电压采集模块22连接A/D转换模块21 ; 所述数据存储与处理模块15包括MCU核心控制器23、FLASH存储模块24和晶振 及复位电路25,MCU核心控制器23分别与FLASH存储模块24和晶振及复位电路25连接； 人机交互模块16包括液晶显示模块26和键盘接口模块27,两者分别与数据存储 与处理模块15的MCU核心控制器23连接； 电源模块17包括5V电源转换模块28 ; 辅助装置18包括内部温度传感器29、时钟模块30和串口通信模块31，三者分别 与数据存储与处理模块15的MCU核心控制器23。 一种测量热流率的测量方法，包括如下步骤： a、测量仪的布置：将包括加热棒1、加热套管2、增强填充剂3和锥形钻头4的热源 和温度感应探头位于加热套管2内壁的加热套管内壁温度传感器10 -起插入被测材料中， 地表温度传感器5的温度感应探头放置于地表，大气温度传感器6的温度感应探头放置于 空气中，第一温度传感器7和第二温度传感器8的温度感应探头放置于被测材料中，加热套 管表面温度传感器9的温度感应探头紧贴于加热套管2的外壁，并将加热棒1以及各个温 度传感器连接至信号处理器11 ; b、读取配置：启动测量仪，MCU核心控制器23读取配置数据； c、参数设置：设置温度控制器12的温度、测试时间、加热棒的电阻值和地表温度 传感器5、大气温度传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8、加热套管表面温度传感 器9和加热套管内壁温度传感器10的位置参数，对地表温度传感器5、大气温度传感器6、 第一温度传感器7、第二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9和加热套管内壁温度传 感器10调零，开启温度控制器12,温度控制器12通过加热套管内壁温度传感器10感应加 热套管2的温度，并对加热棒1加热； d、热导率数据采集：地表温度传感器5、大气温度传感器6、第一温度传感器7、第 二温度传感器8、加热套管表面温度传感器9和加热套管内壁温度传感器10的温度信息为 每秒采集一次，每分钟计算一次平均值，存储在FLASH存储模块24中； e、热导率计算：变化第一温度传感器7的位置得到第一温度传感器7的温度 T(xl，yl)，变化第二温度传感器8位置得到第二温度传感器8的温度T(x2,y2)， 信号处理器11获得第一温度传感器7的温度和第二温度传感器8的温度，信号处 理器11计算被测材料热导率，并将热导率结果输出，其中， 热导率的计算方法如下：、 ...： 其中，λ为热导率，q为热功率，Η为加热棒1的长度，T(xl，yl)为第一温度传 感器7在（xl，yl)处的温度，T(x2，y2)为第二温度传感器8在（x2，y2)处的温度，xl、 x2分别为第一温度传感器7和第二温度传感器8的测量点距加热棒1中心轴的距离， yl、y2分别为第一温度传感器7和第二温度传感器8的测量点距地面的距离，测量点 坐标满足如下关系：xl辛x2且xl〈x2,xl彡χ2>?并按照测试数据调整能够满足： T(xl，yl)-T(x2，y2)彡5°C，其中，D为加热套管2的外径； f、热流率测量的准备：待被测材料冷却后，将第一温度传感器7的温度感应探头 移动到地表温度传感器5正下方，被测材料中； g、热流率数据采集：地表温度传感器5和第一温度传感器7的温度信息为每秒采 集一次，每分钟计算一次平均值，存储在FLASH存储模块24中； h、热流率计算：垂直变化第一温度传感器7的位置得到第一温度传感器7的温度 T(x3,y3)，根据信息处理器11获得地表温度传感器5和第一温度传感器7的温度和已获得 的热导率，信号处理器11计算被测材料热流率，并将热流率结果输出，其中， 热流率的计算方法如下： 其中，λ为热导率，Te为地表温度传感器5的温度，T(x3,y3)为第一温度传感器 7在（x3,y3)处的温度，x3为第一温度传感器7的测量点距加热棒1中心轴的距离，y3为 当前第1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热流率测量仪，其特征在于：包括：热源、地表温度传感器(5)、大气温度传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、加热套管表面温度传感器(9)、加热套管内壁温度传感器(10)、信号处理器(11)和温度控制器(12)，其中，所述热源包括：加热棒(1)、加热套管(2)、增强填充剂(3)和锥形钻头(4)，其中，加热棒(1)位于加热套管(2)的内部，增强填充剂(3)位于加热套管(2)内部除加热棒(1)以外的空间中，锥形钻头(4)设置在加热套管(2)的下端；所述温度控制器(12)，与热源的加热棒(1)相连；地表温度传感器(5)的温度感应探头位于地表；大气温度传感器(6)的温度感应探头位于空气中；第一温度传感器(7)和第二温度传感器(8)的温度感应探头位于被测材料中；加热套管表面温度传感器(9)的温度感应探头紧贴于加热套管(2)的外壁；加热套管内壁温度传感器(10)与温度控制器(12)连接，其温度感应探头固定于加热套管(2)的内壁；所述信号处理器(11)与地表温度传感器(5)、大气温度传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、加热套管表面温度传感器(9)和加热套管内壁温度传感器(10)相连，所述信号处理器(11)包括数据采集模块(14)、数据存储与处理模块(15)、人机交互模块(16)、电源模块(17)以及辅助装置(18)，数据采集模块(14)、人机交互模块(16)、电源模块(17)以及辅助装置(18)通过数据存储与处理模块(15)彼此互相连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁小艳，桂心哲，高明，赵淑梅，王建平，李桂朋，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11