热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法技术

本发明专利技术公开一种热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，给出了测量的一般原理和材料热物性的计算公式，同时可以降低测量温度时的探头制作难度，由于电压测量的精确度远高于温度测量的精确度，因而也可以期望用此法提高材料热物性测量的精确度。

Voltage Measurement Method for Transient Measurement of Thermophysical Properties of Materials by Hot Wire Method

The present invention discloses a voltage measurement method for transient measurement of material thermophysical properties by hot wire method. The general principle of measurement and the calculation formula of material thermophysical properties are given. At the same time, it can reduce the difficulty of making probe when measuring temperature. Because the accuracy of voltage measurement is much higher than that of temperature measurement, it can also be expected to improve the accuracy of material thermophysical properties measurement by this method.

【技术实现步骤摘要】
热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法
本专利技术属于热学和传热学，材料热物理性质的测量、研究、分析和应用等领域。可以广泛运用于绝热、保温、导热，散热和蓄热等工程技术和新材料开发和研究。
技术介绍
热线法测量材料的热导率，是一种基本的材料热导率的测量方法。在国内目前已经有国家标准GB/T10297-2015,GB/T11205-2009。美国材料与试验协会也有ASTMCH13,ASTMD5930等标准。欧洲、日本也有相应的标准。这些标准中历史最长的已经存在了四十多年。但是，关于热线法测量材料的热导率的数据处理确实存在严重问题，致使热线法测量材料热导率的误差极大，限制了这种测量方法的运用，在热物性测量中，热线法测量一直处于从属的地位。热线法测量材料的热导率的物理模型是一维圆柱面传热问题。并以一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式为基础进行测量的。式中，：表示待测材料中热线表面与材料界面处，在τ＝t-t0时间内的温升，单位为K。t0为加热测量的起始时刻，单位为s。T(r0，t)表示热线表面t时刻的温度。T(r0，t0)为该处起始加热时刻的温度。为加热测量时的热流强度，单位为W·m-2；I表示热线通过的电流强度，单位为A；R代表热线的电阻，单位为Ω；r0表示热线半径，单位为m；l表示热线长度，单位为m。λ为待测材料的热导率，单位为W·m-1·K-1；c＝0.57726，为积分常数；为热扩散系数，单位为m2·s-1。ρ表示待测材料的密度，单位为kg·m-3；cp表示待测材料的定压比热容，单位为J·kg-1·K。但是，在运用(a)式处理测量数据时，这些标准都采用求温度差的方法，这种方法消去了积分常数、热线半径和热扩散系数，损失了重要的测量信息，致使用这种方法获得的温升与测温时间对数之间的关系式变为因而有可以用于计算材料的热导率。但是，应用(c)式计算待测材料的热导率，存在严重的理论误差。例如，实验测量表明：当用直径为3毫米的热线进行测量时，用(c)式计算热导率的测量值，竟比用正确的数据处理方法计算出来的热导率的测量值系统地高出18％.显然，这种误差也随热线半径选取的不同而变化。以致国标GB/T10297-2015中，明确标定其测量误差为：“测量值的置信度为95％时的重复性(同一测量人员，同一仪器)约±5％,重现性(不同测定人员，不同仪器)约±10％”。如此之大的测量误差，实在是无法让人接受。出现这种情况，消去了上述的热线半径，积分常数和热扩散系数等因子是最重要的原因之一。此外，这种数据处理方法消去了热扩散系数，也失去同时测量热扩散系数的机会。为避开这种数据处理方法，在文献[1]中，直接从(a)式出发，进行恒等变换，得到式中C*＝ec(g)应用(d)-(g)式处理数据，研制的仪器与中国测试技术研究院的仪器进行过对比试验，试验结果表明：两种仪器分别测量同一样品获得结果的相对误差为1.5％。符合程度令人满意。为进一步证明(c)式和(d)式存在本质的差别。注意到(d)式的截距D不是一个真正意义上的常数，而是包含斜率k的函数。因此，(d)式并不是(b)式的平移，它们具有不同的斜率，两个k有相同的形式，确有不同的意义和取值。历史上正是将此混为一谈，造成了热线法数据处理存在严重问题的国家标准，历经了几十年未被修正的原因。为用实验方法证实这一结论，申请人试制了一台采用正确的数据处理方法，仍然用温差电偶进行测量温度的仪器进行测量，再次验证了GB/T10297-2015的数据处理方法，确实存在着严重的缺陷。在新仪器试制过程中，申请人注意到新仪器探头制作的难度较大，如果能放弃使用温差电偶测量温度，改用电学方法进行测量，不仅能减少探头制作难度，还可以期望提高热物性测量的准确性，这种探索和思考，导致了本专利技术的产生。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供一种热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，可极大地提高测量精度，其技术解决方案是：一种热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，包括步骤：一、准备步骤1)、制作材料的标准试样；2)、制作一套测量仪器，该测量仪器包括探头、稳流电源，数据采集器、数据处理器；3)、按一维圆柱面传热问题建立物理数学模型，依据该模型的精确解的一次积分式获得的材料热物性的计算公式，编写软件程序，写出代码，存入测量仪器；二、测量步骤1)、将探头与试样联接；2)、通过探头向试样通入稳恒电流，在热线两端产生电压变化；3)、探头将探测到的电压信号送入数据采集器，数据处理器将电压信号转换成相应的数字信号；4)、数据处理器运行软件程序，对数字信号进行计算处理，获得材料热物性参数的值；所述求解材料热物性参数的物理数学模型(一)、热线处于真空时的电阻R(T)＝R0(1+αΔT)(1)式中，ΔT＝T(r0,t)-T(r0,t0)，表示热线的温升，t0为加热的起始时刻；R(T)表示热线加热到温度T(r0,t)的电阻；R0表示热线加热起始时刻的电阻。α为热线的电阻温度系数；若热线放置于介质(待测材料)中，热线发出的热量将传向介质，致使热线的温度将可能达不到无介质时的高度；因此应将(1)式时应该修正为式中，是热线和介质接触良好时的温度改变量，τ＝t-t0。可以证明，该量值是加热时间τ的函数，也必定与介质的传热性质相关联；这样就建立起来了热线电阻与材料传热性质之间的关系；(二)、一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式为式中，表示在用热线法测量材料热物性的过程中，加热τ的时间，热线表面与介质接触界面的温度；为加热测量时的热流强度，I为加热电流的电流强度，R0为起始加热时刻热线的电阻，r0为热线半径，l为热线长度；λ为材料的热导率；c＝0.57726为积分常数；a为材料的热扩散系数；可以证明，可以将(3)式等价地表达为式中，C*＝ec；显然，有介质时，就是因此，可以将(4)式代入(2)式，立即得到令(5)式将化为R(τ)＝klnτ+D(8)(8)式为一标准的线性方程。k为直线的斜率，D为直线的截距；根据欧姆定律，用热线通过的电流I×(8)式，得到IR(τ)＝Iklnτ+ID由于IR(τ)＝V(τ)，表示热线上τ时间的的电压。若令可以将(8)式改写为电压方程V(τ)＝k′lnτ+D′(11)依据上述模型，即(11)式，可以测算材料的热物性参数值A、计算热导率加热试样，测量出一系列τi时间及对应的电压改变V(τi)，然后用最小二法则做线性拟合，计算出线性方程的斜率k′和截距D′，引用(9)式，即可获得待测材料的热导率若注意到计算待测材料的热导率时，选取的首末两个数据组的测量值分别为(Vi，τi)和Vj，τj)，则必有由此不难得到计算数据对应的温度升高为该温度升高耗去的时间为Δτ＝τj-τi因而，这段测量时间内的升温速度为这样，就可以计算加热测量时，热线自身温度升高的吸热功率为式中，m0为热线质量，cp0为热线的定压比热容，对给定的热线，它们都是已知的常数；应用(15)式，可以修正热线自身吸热对测量造成的影响，获得最终的电压法测量材料热导率的计算公式为B、计算热扩散系数引用(10)式，解出待测材料的热扩散系数为式中，温度升高由(13)式给出。将此代入即得到待测材料热扩散系数的计算公式为这样，就同时测量出了待测材料的热导率和热扩散系数；C、测算定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，包括步骤：一、准备步骤1)、制作材料的标准试样；2)、制作一套测量仪器，该测量仪器包括探头、稳流电源，数据采集器、数据处理器；3)、按一维圆柱面传热问题建立物理数学模型，依据该模型的精确解的一次积分式获得的材料热物性的计算公式，依据计算公式编写软件程序，写出代码，存入测量仪器；二、测量步骤1)、将探头与试样联接；2)、通过探头向试样通入稳恒电流，在热线两端产生电压变化；3)、探头将探测到的电压信号送入数据采集器，数据处理器将电压信号转换成相应的数字信号；4)、数据处理器运行软件程序，对数字信号进行计算处理，获得材料热物性参数的值；其特征在于，所述求解材料热物性参数的物理数学模型为(一)、热线处于真空时的电阻R(T)＝R0(1+αΔT)                             (1)式中，ΔT＝T(r0,t)‑T(r0,t0)，表示热线的温升，t0为加热的起始时刻；R(T)表示热线加热到温度T(r0,t)的电阻；R0表示热线加热起始时刻的电阻,α为热线的电阻温度系数；若热线放置于待测材料介质中，热线发出的热量将传向介质，致使热线的温度将可能达不到无介质时的高度；因此，应用(1)式时应该修正为...

【技术特征摘要】
1.热线法瞬态测量材料热物性的电压测量方法，包括步骤：一、准备步骤1)、制作材料的标准试样；2)、制作一套测量仪器，该测量仪器包括探头、稳流电源，数据采集器、数据处理器；3)、按一维圆柱面传热问题建立物理数学模型，依据该模型的精确解的一次积分式获得的材料热物性的计算公式，依据计算公式编写软件程序，写出代码，存入测量仪器；二、测量步骤1)、将探头与试样联接；2)、通过探头向试样通入稳恒电流，在热线两端产生电压变化；3)、探头将探测到的电压信号送入数据采集器，数据处理器将电压信号转换成相应的数字信号；4)、数据处理器运行软件程序，对数字信号进行计算处理，获得材料热物性参数的值；其特征在于，所述求解材料热物性参数的物理数学模型为(一)、热线处于真空时的电阻R(T)＝R0(1+αΔT)(1)式中，ΔT＝T(r0,t)-T(r0,t0)，表示热线的温升，t0为加热的起始时刻；R(T)表示热线加热到温度T(r0,t)的电阻；R0表示热线加热起始时刻的电阻,α为热线的电阻温度系数；若热线放置于待测材料介质中，热线发出的热量将传向介质，致使热线的温度将可能达不到无介质时的高度；因此，应用(1)式时应该修正为式中，是热线和介质接触良好时的温度改变量，τ＝t-t0,可以证明，该量值是加热时间τ的函数，也必定与介质的传热性质相关联；这样就建立起来了热线电阻与材料传热性质之间的关系；(二)、一维圆柱面传热问题的精确解的一次积分式为式中，表示在用热线法测量材料热物性的过程中，加热τ的时间，热线表面与介质接触界面的温度；为加热测量时的热流强度，I为加热电流的电流强度，R0为起始加热时刻热线的电阻，r0为热线半径，l为热线长度；λ为材料的热导率；c＝0.57726为积分常数；a为材料的热扩散系数；可以证明，可以将(3)式等价...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昭栋，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51