一种动态热导率测量方法技术

热导率测量方法上大体可以分为“稳态法”与“动态法”两大类，但这两种测量方法均需要苛刻的实验条件，难以在工业及生产实践中广泛应用。本发明专利技术公开了一种动态热导率测量方法，通过在高温区放置一个温度变化的热源，测量等间距设置的多个温度传感器的温度变化曲线，实现了非稳态情况下的热导率测量，适合用在测量对象不可移动或不方便拆卸等工业生产实践中。象不可移动或不方便拆卸等工业生产实践中。象不可移动或不方便拆卸等工业生产实践中。

【技术实现步骤摘要】
一种动态热导率测量方法


[0001]本专利技术涉及一种动态热导率测量方法，属于仪器测量领域。

技术介绍

[0002]导热是依靠材料中的电子、原子、分子和晶格热运动来传递热量，热导率K是材料本身的固有性能参数,用于描述材料的导热能力,又称为导热率(导热系数),单位为W/(m
·
K)。热导率的大小与物质的种类有关,材料性质不同，热导率不一样，一般来说，金属的热导率大于非金属，纯金属热导率大于合金。热导率的准确测量一直是个难题，一般来说，热导率越小的材料，热导率的准确测量越难。目前来说，即使对于热导率比较大金属(例如，在20℃时，铜的热导率是397W/(m
·
K))，热导率的准确测量也是个难题。根据傅里叶热传导定律，热传导宏观表达式可写为：
[0003][0004]其中，ΔQ为在Δt时间内通过热传输界面的热量，S为导热的传输通道横截面积，为在热传输面附近的温度梯度，即沿热传导的方向X上单位长度温度T的改变量，而κ则是热导率，负号表示热量的流动指向温度减少的方向。因此，要通过宏观的测量求得热导率κ，在导热截面积S已知的情况下，只需要测出通过导体传输的热量ΔQ所需的时间Δt和导热面附近的温度梯度即可。
[0005]目前在实验中，测量金属热导率的各种实验仪器的种类繁多，这些测量热导率的实验仪器虽在结构和测量方法上各不相同，但从测量方法上大体可以分为“稳态法”(或称为“稳流法”)与“动态法”两大类。所谓“稳态法”(或称为“稳流法”)的测量方法就是让热量从高温热源经被测金属导体往低温热源以稳定的形态流动。目前绝大部分的热导率测量仪都是采用这种方法，稳态法结构的一个共同特佂是：仪器的测温点是在被测物体的两端，在被测物的中部不设测温点。这类稳态法的热导率测量仪器所依据的物理理论都是傅里叶热传导定律。从测量的角度来看，操作比较简便，测量的可靠较高，但从实用的角度出发，难以在工业及生产实践中广泛应用。而另一类动态法的热导率测量仪，其实验的理论是依据波动理论，提供高温热源的温度按简谐形式变化而形成热波沿金属杆动态平衡传输，然后根据波动理论研究热波沿金属杆传输的流速，从而推算出金属的热导率。这种方法有也明显缺陷：需要实现动态恒定的热流传输，这就提高了仪器使用条件的门槛，不能应用在温度随时变化的实际应用场景中。

技术实现思路

[0006]针对目前热导率测量仪不能实现变温等不稳定场景条件下准确测量的问题，本专利技术提供了一种动态热导率测量方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为一种动态热导率测量方法，其步骤包
括：
[0008]A、将N个温度传感器沿等间距直线排列在待测金属材料上，间距为Δx，N≥2；
[0009]B、第1个温度传感器放置在高温区附近，第N个温度传感器放置在低温区附近；
[0010]C、在高温区放置一个温度变化的热源ΔQ，热源提供周期性稳定热源，其周期为2ΔT，在2ΔT周期内，热源工作时间为ΔT，间歇时间为ΔT；
[0011]D、记录N个温度传感器的实时温度变化情况，得到第i个温度传感器的温度随时间变化函数Ti(t)，i＝1,2，...，N；
[0012]E、由周期2ΔT读出Ti(t)函数曲线在温度为Ki时对应的温度波动幅度ΔKi；
[0013]F、代入表达式可求出N
‑
1个热导率κ
i
(i＝1，...，N
‑
1)的测量值；
[0014]H、求出N
‑
1个热导率κ
i
(i＝1，...，N
‑
1)的平均值作为最终的测量值K。
[0015]下面以金属长杆为测量对象，具体描述本专利技术的具体测量原理。在沿金属杆长度方向靠近高温热源的某一位置开始，等间距地设置多个测温孔，插入微形热电偶测量各测温孔点的实时温度，并通过信号线把测量所得的各测温孔点的温度变化信息传输到仪器机箱上的液晶屏幕或外接的电脑屏幕上，从而显示出各测温点温度的变化曲线。当从高温热源间断性的热流传来时，测量金属杆上任一测温点在一个升温期间内温度的上升量ΔTi与该测温点到高温热源间被测金属杆的质量和比热容的乘积就可推算出传入的热量值ΔQ，再从屏幕曲线上测量出这段升温过程的时间ΔT，就可推算出单位时间传输的热量另外，根据该测温点与相邻测温点间的温升峰值差与测温点间距的比值，还可推算出金属杆内在热传导时的温度梯度
[0016]本专利技术的有益效果：首先是不需要构建复杂的恒温或者稳态热平衡的测量条件，可以测量温度非热平衡状态下的物体的热导率；其次，只要额外提供一温度变化的热源与放置N个温度传感器，就可以实现热导率的测量，适合用在测量对象不可移动或不方便拆卸等工业生产实践中。
附图说明
[0017]图1为本专利技术的测量装置示意图。附图标记说明：1、待测金属棒；2、隔热套管；3、测温孔；4、微型热电偶；5、高温热源卡座；6、高温热源；7、低温热源卡座；8、主机箱；9、液晶显示控制屏；10、通讯口；11、主机电源开关；12、、工作和报警指示灯；13、冷却水箱。
[0018]图2为本专利技术的温度测量变化曲线。
[0019]图3为本专利技术的一个变化周期内的温度测量变化曲线。
[0020]图4为本专利技术的动态T
‑
X变化示意图。
[0021]图5为本专利技术的动态温度变化幅度示意图。
[0022]图6为本专利技术的热量传输示意图。
[0023]图7为本专利技术的实验测量结果表1。
[0024]下面结合附图对本专利技术的实施方式做进一步说明。
具体实施方式
[0025]实施例1
[0026]下面以金属铜杆为测量对象，具体描述如何应用本专利技术的测量方法，实现金属铜的热导率测量，其方法步骤包括：
[0027]A、将N个温度传感器沿等间距直线排列，间距为Δx，N≥2；这里Δx取0.02m或0.04m，具体参见表1。
[0028]B、第1个温度传感器放置在高温区附近，第N个温度传感器放置在低温区附近；这里N＝4，具体参见图1。
[0029]C、在高温区放置一个温度变化的热源ΔQ，热源提供周期性稳定热源，其周期为2ΔT，在2ΔT周期内，热源工作时间为ΔT，间歇时间为ΔT；这里ΔT分别为90秒、120秒、180秒和240秒，具体结构参见表1。
[0030]D、记录N个温度传感器的实时温度变化情况，得到第i个温度传感器的温度随时间变化函数Ti(t)，i＝1,2，...，N；具体参见图2。
[0031]E、由周期2ΔT读出Ti(t)函数曲线在温度为Ki时对应的温度波动幅度ΔKi；具体参见图3。
[0032]F、代入表达式可求出N
‑
1个热导率κ
i
(i＝1，...，N
‑
1)的测量值。
[0033]求出N
‑
1个热导率κ
i
(i＝1，...，N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态热导率测量方法，其步骤包括：A、将N个温度传感器沿等间距直线排列在待测金属材料上，间距为Δx，N≥2；B、第1个温度传感器放置在高温区附近，第N个温度传感器放置在低温区附近；C、在高温区放置一个温度变化的热源ΔQ，热源提供周期性稳定热源，其周期为2ΔT，在2ΔT周期内，热源工作时间为ΔT，间歇时间为ΔT；D、记录N个温度传感器的实时温度变化情况，得到第i个温度传感器的温度随时间变化函数Ti(t)，i＝1,2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张开骁，雷撼，向圆圆，姚红兵，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：