一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置及方法，包括加热电路，测试探针，数据采集和处理装置。所述测试探针包括电热体与嵌入其内的感温元件，呈一体化。所述加热电路与电热体相连；所述感温元件与数据采集和处理装置相连；数据采集和处理装置可将感温元件采集的电信号转换为温度数据，并对温度数据进行分析计算。该装置相比于目前的双针热脉冲法，加热电路所提供的加热功率大大减少，且不会因为双针间距改变产生实验误差；相比于目前的单针热脉冲法，在求解异质含量的过程中能够考虑发热体本身热物性参数对结果的影响。该发明专利技术结构简单，制作成本低，可实现多孔材料内异质含量的精确快速化测量。

A single needle apparatus and method for the determination of heterogeneous content of porous materials based on thermal method

The invention discloses a single needle device and method for determining the heterogeneous content of porous materials based on thermal method, including a heating circuit, a test probe, a data acquisition and processing device. The test probe comprises an electric heating body and a temperature sensing element embedded therein, which are integrated. The heating circuit is connected with the electric heating body; the temperature sensing element is connected with the data acquisition and processing device; the data acquisition and processing device can convert the electrical signal collected by the temperature sensing element into the temperature data, and analyze and calculate the temperature data. Compared with the current two pin thermal pulse method, the heating power provided by the heating circuit is greatly reduced, and there is no experimental error due to the change of the distance between the two pins; compared with the current single pin thermal pulse method, the effect of the thermal physical parameters of the heating body itself on the results can be considered in the process of solving the heterogeneous content. The invention has the advantages of simple structure, low production cost and accurate and rapid measurement of heterogeneous content in porous materials.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置及方法
本专利技术属于测量
，具体涉及一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置及方法。
技术介绍
多孔材料因具有出色的隔热性能，被广泛用作保温材料，但材料的特性受材料中侵入的异质成分的含量影响很大。例如飞机蒙皮表面覆盖的保温材料在吸水分后，其隔热以及消声性能将大幅下降，还可能发生霉变。当前，多孔材料内异质成分含量的测量，特别是材料中含水量的测量的研究较多，但是大多集中于对土壤内部含水量的测定。其中，根据土壤吸水前后温度响应差异从而推算含水量的热脉冲法，因其具备准确、简便等特点获得了广泛应用。中国专利技术专利申请，公开号CN104964997A，公开了一种基于物性匹配快速测定材料中异质含量的方法，其是对传统双针热脉冲法的一种改进，结合复合导热理论，匹配得到被测材料的容积热容范围，从而推断被测材料的异质含量范围；虽然该方法考虑了发热体热物性参数，但由于发热体与温度测点分开布置，测试时需要提供较大的发热量，才能在测温点产生容易被检测的有效温升，而多孔材料异质含量较低时，大发热量会导致水分相变，影响测试的精度。双针热脉冲法要求发热体与温度测点间距固定，“平行六面体斜针空间热脉冲法的解析解”(Liu,G.,Li,B.G.,Ren,T.S.,etal.Analyticalsolutionofheatpulsemethodinaparallelepipedsamplespacewithinclinedneedles.SoilSci.Soc.Am.J.,2008b,72(5):1208-1216.)指出加热探针或感应探针在倾斜1度夹角时，测定比热都会产生6％到10％的误差；而在将探针埋入被测材料的过程中，任一探针的微小形变都将导致间距改变，影响测试结果的准确性。为解决上述问题，本专利技术提出一种基于热学法的单针装置及其测试方法。单针由长条形柱状细电热体以及在其中部穿孔而入的感温元件(例如热电偶)组成，电热体包括但不仅限于镍铬合金等材质的电阻材料制成。当电热体以恒定功率通电发热后，其产生的温变由热电偶测量。根据被测多孔材料在吸水前后的温度响应差异，而推算出其中的异质含量。由于热电偶嵌入电热体内部，且与电热体紧固成一体，不存在测温点与电热体距离受扰改变而影响测试精度的问题。上述测试探针具备结构简单，制作成本低等优点。
技术实现思路
本专利技术的技术方案如下：一种基于热学法测定多孔材料异质含量的装置，包括加热电路、测试探针、数据采集和处理装置；所述测试探针包括电热体与嵌入其内的感温元件；垂直于所述电热体轴线，沿径向开设一贯穿孔道，孔道直径比测温点直径略大；感温元件由孔道一侧入口穿入，测温点位于孔道另一侧出口内，并通过滴入的凝胶(例如导热胶)固定；感温元件的表面覆盖有电绝缘层，从而避免与电热体通电。所述加热电路与电热体相连；所述感温元件与数据采集和处理装置相连；数据采集和处理装置用于将感温元件采集的电信号转换为温度数据，并对温度数据进行分析计算。所述电热体的材质包括但不仅限于镍铬合金，呈细长柱状；所述感温元件为热电偶或热电阻，呈球状；电热体与感温元件紧固为一体化的测试探针，置入多孔材料内进行异质含量的测量。基于热学法采用所述装置测定多孔材料异质含量的方法，包括步骤如下：a、在被测材料中布置装置中的测试探针；b、电热体发热前，待被测材料内部温度均匀分布且稳定后，记录该温度为初始温度TE,0；电热体按照已知的恒定功率发热后，感温元件采集各时刻的温度TE,i，则各时刻的温度与初始温度的差值即为测温点温升数据ΔTE,i，；c、根据分析解，求解被测材料在假定热物性参数下在测温点处温升随时间变化的理论温升数据ΔTM,i；并将理论温升数据ΔTM,i与步骤b所得的温升数据ΔTE,i作差，得到各时刻温升差异值DEV；设定被测材料的导热系数k和容积热容ρc的取值范围，使DEV达到最小或满足设定值之内；d、根据容积热容ρc与异质含量一一对应的关系，计算被测材料中异质的体积分数和/或质量分数。上述步骤c中求解理论温升数据ΔTM,i，根据公式(1)-(3)求出；在初始温度均匀分布的无限介质中，长柱状电热体以恒定功率发热，其内部温度的分析解为：φ(u)和ψ(u)表达式为：其中，ΔΤ为测温点位置的计算温升(℃)，r为测温点与电热体的中心轴线距离(m)，τ为时间(s)，q为电热体的单位长度发热功率(Wm-1)，k为被测材料的导热系数(Wm-1K-1)，ρ为被测材料的密度(kgm-3)，c为被测材料的比热容(Jkg-1K-1)，ρc为被测材料的容积热容(Jm-3K-1)，r0为电热体的半径(m)，kE为电热体的导热系数(Wm-1K-1)，ρE为电热体材料的密度(kgm-3)，cE为电热体材料的比热容(Jkg-1K-1)，ρEcE为电热体材料的容积热容(Jm-3K-1)，J0和Y0分别为第一类和第二类贝塞尔0阶函数，J1和Y1分别为第一类和第二类贝塞尔1阶函数。所述步骤c中，考虑安装过程中偏差，测温点与电热体的中心轴线距离r以电热体半径r0为基准，根据实际情况增减距离：若r≤r0，理论温升数据ΔTM,i根据公式(1)-(3)求出；若r＞r0，理论温升数据ΔTM,i根据公式(2)-(4)求出：在初始温度均匀分布的无限介质中，长柱状电热体以恒定功率发热，周围温度的分析解为：与现有的测定多孔材料异质含量的热脉冲法所用装置与方法相比，本专利技术具有以下有益效果：1、由于电热体与感温元件呈一体化布置，加热电路所提供的加热功率大大减小，降低了低异质含量时大发热量会导致水分相变，干扰测试结果的可能性；2、一体化布置的电热体与感温元件，可有效避免测试过程中电热体与感温元件间距变化所造成的误差，同时提高了测温灵敏度和精确度；3、测试探针结构简单，制作成本低。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于热学法测定多孔材料异质含量的装置的示意图，1加热电路；2感温元件；3电热体；4数据采集与处理装置。图2为测试探针中电热体与感温元件结合方式示意图：(a)为整体轴测图(b)为A-A方向剖面图(c)为B-B方向剖面图。图3为本专利技术提供的一种基于热学法测定多孔材料异质含量的方法的流程图其中，ΔTE为测温点温升数据(℃)，由感温元件采集的各时刻温度与初始时刻温度相减得到；ΔTM为理论温升数据(℃)；(ρc)dry为被测材料干燥时的容积热容值(Jm-3K-1)；(ρc)water为液态水的容积热容值(Jm-3K-1)；kdry为被测材料干燥时的导热系数值(Wm-1K-1)；kwater为液态水的导热系数值(Wm-1K-1)；ρc为被测材料的容积热容(Jm-3K-1)；k为被测材料的导热系数(Wm-1K-1)；r0为电热体的半径(m)；r为测温点与电热体的中心轴线距离(m)；kE为电热体材料的导热系数(Wm-1K-1)；ρEcE为电热体材料的容积热容(Jm-3K-1)；DEV为ΔTM与ΔTE之间的逐时温升差异值；g为推导得到的DEV的计算形式；Min为使某函数取最小值。具体实施方式以下结合附图，进一步说明本专利技术的具体实施方式。本专利技术提供一种基于热学法测定多孔材料异质含量(以水分为例)的方法，步骤为：a、在被测材料中布置所述的测试探针，测试探针预先一体化，如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置，其特征在于，包括加热电路、测试探针、数据采集和处理装置；所述测试探针包括电热体与嵌入其内的感温元件；垂直于所述电热体的轴线，沿径向开设一贯穿孔道，孔道直径比测温点直径略大；感温元件由孔道一侧入口穿入，测温点位于孔道另一侧出口内，并通过滴入的凝胶固定；感温元件的表面覆盖有电绝缘层；所述加热电路与电热体相连；所述感温元件与数据采集和处理装置相连；数据采集和处理装置用于将感温元件采集的电信号转换为温度数据，并对温度数据进行分析计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于热学法测定多孔材料异质含量的单针装置，其特征在于，包括加热电路、测试探针、数据采集和处理装置；所述测试探针包括电热体与嵌入其内的感温元件；垂直于所述电热体的轴线，沿径向开设一贯穿孔道，孔道直径比测温点直径略大；感温元件由孔道一侧入口穿入，测温点位于孔道另一侧出口内，并通过滴入的凝胶固定；感温元件的表面覆盖有电绝缘层；所述加热电路与电热体相连；所述感温元件与数据采集和处理装置相连；数据采集和处理装置用于将感温元件采集的电信号转换为温度数据，并对温度数据进行分析计算。2.根据权利要求1中所述的一种基于热学法测定多孔材料异质含量的装置，其特征在于，所述电热体的材质包括镍铬合金，呈细长柱状。3.根据权利要求1中所述的一种基于热学法测定多孔材料异质含量的装置，其特征在于，所述感温元件为热电偶或热电阻，呈球状。4.基于热学法采用权利要求1所述单针装置测定多孔材料异质含量的方法，其特征在于，包括步骤如下：a、在被测材料中布置装置中的测试探针；b、电热体发热前，待被测材料内部温度均匀分布且稳定后，记录该温度为初始温度TE,0；电热体按照已知的恒定功率发热后，感温元件采集各时刻的温度TE,i，则各时刻的温度与初始温度的差值即为测温点温升数据ΔTE,i；c、根据分析解，求解被测材料在假定热物性参数下在测温点处温升随时间变化的理论温升数据ΔTM,i；并将理论温升数据ΔTM,i与步骤b所得的温升数据ΔTE,i作差，得到各时刻温升差异值DEV；设定被测材料的导热系数k和容积热容ρc的取值范围，使DEV达到最小或...

【专利技术属性】
技术研发人员：张腾飞，王张予扬，王继红，王树刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21