圆环加热激励中心点测温的热物性传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，包括夹在电绝缘保护膜之间的环形电加热器和温度传感器，所述温度传感器一端固定在所述环形电加热器中心，所述环形电加热器和温度传感器均设置有引出线电极。本发明专利技术基于热传导理论测量热导率和热扩散系数，本发明专利技术结构简单，实现了加热器和温度传感器的分置，避免了接触热阻的影响，同时降低了对加热电源的要求；测量热导率和热扩散系数的方法原理可靠、算法简单；能快速同时测定材料的热导率和热扩散系数，对被测形状无特殊要求。本发明专利技术具有结构简单、计算简便、测量周期短和制造成本低的优点。

Thermophysical sensor and measuring method for central heating temperature measurement by ring heating

The invention discloses a thermophysical sensor for measuring temperature at the center point of a ring heating excitation, including an annular electric heater and a temperature sensor clamped between an electric insulating protective film. One end of the temperature sensor is fixed at the center of the annular electric heater, and the annular electric heater and the temperature sensor are both provided with lead wire electrodes. . The invention is based on the theory of heat conduction to measure the thermal conductivity and thermal diffusivity. The invention has simple structure, realizes the separation of heater and temperature sensor, avoids the influence of contact thermal resistance, and reduces the requirement of heating power supply. When measuring the thermal conductivity and thermal diffusivity of the material, there is no special requirement for the measured shape. The invention has the advantages of simple structure, simple calculation, short measuring period and low manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】
圆环加热激励中心点测温的热物性传感器及测量方法
本专利技术涉及材料热导率和热扩散系数测量装置及方法，具体涉及一种圆环加热激励中心点测温的热物性传感器及测量方法。
技术介绍
材料热导率和热扩散系数是材料的重要热物理性质，尤其新材料的热物理性质是热物理科学领域和材料科学领域共同关注的基础数据之一。测量热导率和热扩散系数的理论基础是热传导理论，其基本原理都是将被测材料置于特定的初始条件和加热激励的边界条件下，测定通过被测对象的热流量以及特征点或面上的温度或温度变化率，再根据在该边界条件下热传导方程的解计算出热导率和热扩散系数。测量热导率的方法可以依据其测量原理分为稳态法和瞬态法。稳态法包括稳态平板法、稳态圆管法、稳态圆球法、稳态热线法和稳态长杆法等。稳态法的优点是测量原理简单，精度较高，其缺点是不能测出热扩散系数，测试周期较长，并且为了准确量热和维持稳态的工况而采取的辅助措施使得设备及控制系统比较复杂。非稳态法包括正规工况平板法、准稳态圆管法、瞬态热线法、激光脉冲热源法以及由瞬态平面热源法。瞬态方法的主要优点是测试周期短、可以同时测定热导率和热扩散系数等，但加热器及温度传感器的热惯性会影响测量精度。在实际测量仪器中，除满足测量原理所要求的边界条件外，都要采取相应的技术措施提高量热和测温的精度。例如，常用的稳态平板法是建立在平板一维稳态导热的理论基础之上的，在现实的仪器中，通过控制加热器边缘与周边环形热防护圈的温度一致来削弱侧向散热来接近一维稳态导热条件并采用双试件的对称结构保证加热器发热量均分在两个试件上以保证准确的热计量；在测温精度控制方面，将温度传感器分别埋设在试件两侧的高热导率的均温板内以消除接触热阻的影响。再例如，科研和教学中常用的准稳态平板法是采用双加热器的结构保证测量原理要求的恒热流边界条件和对称面上的绝热边界条件、用四试件的结构保证加热器量热的准确性、用足够大的试件宽度与厚度比保证至少在试件形心附近满足一维导热的条件；但在温度测量精度控制方面，除将传感器尽量安装在试件形心位置外，没有其它的保证措施。由于试件受热面与加热器之间安装的温度传感器，导致试件与加热器之间的接触热阻，在测试硬质材料时会导致很大的误差。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种圆环加热激励中心点测温的热物性传感器及测量方法，解决不能兼顾测试周期和测量精度的问题。技术方案：本专利技术所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，包括夹在电绝缘保护膜之间的环形电加热器和温度传感器，所述温度传感器一端固定在所述环形电加热器中心，所述环形电加热器和温度传感器均设置有引出线电极。为了方便测量热导率和热扩散系数，热所述环形电加热器通过引出线电极串联直流可调电源、测试开关和电流检测仪，所述温度传感器通过引出线电极串联电压检测仪。为了使被测热物性与测量数据之间有明确的数学解析关系而无需标定及节约成本，所述环形电加热器为康铜箔或304不锈钢箔激光切割成型的环形电加热器。所述环形加热器的引出线电极为紫铜箔激光切割成型，且与环形加热器采用激光熔焊焊接在一起。所述温度传感器为K型热电偶或者热敏电阻制成。所述温度传感器的引出线电极由K型热电偶丝或铜镀银导线制作而成。所述电绝缘保护膜采用聚酰亚胺胶带薄膜或天然云母薄膜激光刀模切割成型。本专利技术所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：(a)将传感器夹在两块相同的表面平整的被测试件之间，静置10～20分钟以恢复热平衡，通过温度检测仪记录被测试件的初始温度t0；(b)调整可调直流电源的输出电压以保证输出所需的加热功率为0.5～5.0W，给环形电加热器通电且保持功率不变，同时开始计时，用电压测量仪测量环形加热器两端电压V，电流检测仪检测通过的电流I，则电加热功率P＝VI；用温度检测仪检测各个时刻温度传感器的温度ti；(c)定时器等时间间隔记录热物性传感器中心温度ti，则温升速率为相同时间间隔前后两次的温差除以时间间隔，即(ti+1-ti)/Δτ，找到温升速率(ti+1-ti)/Δτ最大的时刻，该时刻为特征时间τc，根据环形电加热器的半径R、特征时间τc计算出热扩散系数(d)计算热导率其中，Δtc＝tc-t0，τc是圆环加热器中心点处自开始加热后温升速率达到最大值时所对应的时间。有益效果：本专利技术结构简单，实现了加热器和温度传感器的分置，避免了接触热阻的影响，同时降低了对加热电源的要求；测量热导率和热扩散系数的方法原理可靠、算法简单；能快速同时测定材料的热导率和热扩散系数，对被测形状无特殊要求。本专利技术具有结构简单、计算简便、测量周期短和制造成本低的优点。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是采用本专利技术的测试固体材料时位置关系结构示意图；图3是采用本专利技术的测量时测量系统机构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行进一步说明。如图1-3所示，圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，包括具有一定电阻的环形电加热器1和加热器引线电极一2、加热器引线电极二3，温度传感器4及温度传感器引出线电极一5、引出线电极二6、上、下电绝缘保护膜7和8。环形电加热器及其引线电极和温度传感器及其引线电极均夹在上下电绝缘保护膜之间，温度传感器一端固定在环形电加热器中心，环形电加热器的两侧和边缘采用电绝缘薄膜封闭以免漏电或漏水，电绝缘薄膜同时也起到温度传感器引线的固定支撑作用。其中电加热器的尺寸范围为外半径R在10mm～50mm之间，宽度在50～1000μm之间，厚度在50～300μ之间，电阻值在1.0～2.0Ω之间；温度传感器4和温度传感器引出线电极一5和引出线电极二6的厚度不大于环形薄膜加热器11及其引出线电极2和3的厚度。环形电加热器1及其引出线电极一2、引出线电极二3、温度传感器4及其引出线电极一5、引出线电极二6布置在同一平面上，在上、下电绝缘保护膜7和8之间，构成加热器与圆环中心温度传感器分置的结构。加热器引出线电极一2、引出线电极二3，温度传感器引出线电极一5、引出线电极二6端部露出以便接入电源和测量仪表回路。在使用本专利技术的装置测量过程中，将本专利技术的传感器夹在表面平整的被测试件9和被测试件10之间，用加热器引出线电极一2和引出线电极二3将环形加热器1与直流可调电源13、测试开关14、电流检测仪12串联，加热器引出线电极一2与引出线电极二3与电压检测仪11电极相连，构成并联回路以测量加热器两端电压；温度传感器引出线电极一5、引出线电极二6分别与温度检测仪15的电极相连用以检测加热过程中的温度变化。计时器16用以记录自电源开关接通开始加热的时间。其中，环形加热器1可以为康铜箔或304不锈钢箔激光切割成型，环形加热器的引出线电极为紫铜箔激光切割成型，且与环形加热器采用激光熔焊焊接在一起。温度传感器4为K型热电偶或者热敏电阻制成，度传感器的引出线电极由K型热电偶丝或铜镀银导线制作而成，上、下电绝缘保护膜用聚酰亚胺胶带薄膜或天然云母薄膜材料，经激光刀模切割成型。首先将环形加热器固定在下电绝缘保护膜7上，然后将热电偶温度传感器4固定在圆环的中心点处，温度传感器引出线电极5和6从预留的环形加热器缺口处、加热器引出线电极中间的缝隙中引出，以保证整个结构的平整，最后把上电绝缘保护膜8覆盖在环形加热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，包括夹在电绝缘保护膜之间的环形电加热器和温度传感器，所述温度传感器一端固定在所述环形电加热器中心，所述环形电加热器和温度传感器均设置有引出线电极。

【技术特征摘要】
1.一种圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，包括夹在电绝缘保护膜之间的环形电加热器和温度传感器，所述温度传感器一端固定在所述环形电加热器中心，所述环形电加热器和温度传感器均设置有引出线电极。2.根据根据权利要求1所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，所述环形电加热器通过引出线电极串联直流可调电源(13)、测试开关(14)和电流检测仪(12)，所述温度传感器通过引出线电极串联电压检测仪(11)。3.根据权利要求1所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，所述环形电加热器(1)为康铜箔或304不锈钢箔激光切割成型的环形电加热器。4.根据权利要求1所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，所述环形加热器的引出线电极为紫铜箔激光切割成型，且与环形加热器采用激光熔焊焊接在一起。5.根据权利要求1所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，所述温度传感器(4)为K型热电偶或者热敏电阻制成。6.根据权利要求1所述的圆环加热激励中心点测温的热物性传感器，其特征在于，所述温度传感器的引出线电极由K型热电偶丝或铜镀银导线制作而成。7.根据权利要求1所述的圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32