專利名稱：一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，是一種基于穩(wěn)態(tài)法的棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)熱系數(shù)是描述材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，對(duì)工程熱設(shè)計(jì)有重要作用，因此準(zhǔn)確地測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)一直是傳熱領(lǐng)域研究的重要課題。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法有很多，美國(guó)普渡大學(xué)熱物理性能研究中心(Thermal Physical Research Center of Purdue University)的CINDAS對(duì)各種方法做過(guò)歸納，根據(jù)導(dǎo)熱過(guò)程的宏觀機(jī)理可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。其中穩(wěn)態(tài)法由于可以得到可靠的結(jié)果且計(jì)算簡(jiǎn)單是目前應(yīng)用廣泛的測(cè)定方法。穩(wěn)態(tài)法測(cè)定的一般過(guò)程為在待測(cè)試樣一端加熱，另一端冷卻，同時(shí)進(jìn)行隔熱處理，形成近似的一維導(dǎo)熱模型來(lái)測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。但當(dāng)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)較小或測(cè)量段長(zhǎng)度較長(zhǎng)的材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量時(shí)，材料周向隔熱是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試中必須關(guān)注的問(wèn)題，其效果會(huì)影響測(cè)量精度。通常采用比較法測(cè)量試驗(yàn)中通過(guò)待測(cè)材料的熱流量，即將已知導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試樣和待測(cè)試樣串連在一起，使得通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試樣的熱流密度與待測(cè)試樣相同，再通過(guò)測(cè)定等溫面間的溫差和相關(guān)的幾何尺寸得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。這種方法中，隔熱方法通常采用真空防輻射隔熱和保溫材料隔熱兩種，真空隔熱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高；保溫材料隔熱由于材料絕熱性能有限，材料本身也有吸熱，在被測(cè)材料冷熱兩端溫差較大時(shí)隔熱效果很差，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不正確；且目前采用的比較法測(cè)量試驗(yàn)中，不易安排和匹配熱保護(hù)加熱器，使得隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果不佳，增大了熱損失，降低了測(cè)試精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用來(lái)測(cè)量棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，通過(guò)在傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置中加入熱保護(hù)加熱器以及主動(dòng)熱控部分，從而提聞隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果，減小熱損失，提聞測(cè)試精度。本發(fā)明一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，包括裝置部分與監(jiān)測(cè)控制部分；裝置部分用來(lái)安裝待測(cè)棒體材料，通過(guò)監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)待測(cè)棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。其中，裝置部分包括隔熱結(jié)構(gòu)、安裝平臺(tái)、主加熱器、熱保護(hù)組件、散熱器與制冷器；在安裝平臺(tái)上設(shè)置有頂部封閉的筒狀隔熱結(jié)構(gòu)；隔熱結(jié)構(gòu)底端面與安裝平臺(tái)貼合，使隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成密封的用來(lái)放置待測(cè)棒體材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣的空腔；隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面上固定安裝有主加熱器，主加熱器用來(lái)對(duì)待測(cè)棒體材料高溫端加熱；主加熱器的加熱面上安裝有加熱墊片，用來(lái)將主加熱器產(chǎn)生的熱量在加熱墊片底面形成均一的溫度，使待測(cè)棒體材料上部體積內(nèi)熱流均勻；制冷器固定安裝在安裝平臺(tái)上，制冷器與隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面相對(duì)，制冷器通過(guò)安裝在安裝平臺(tái)底面上的散熱片進(jìn)行散熱。所述熱保護(hù)組件包括輔加熱器和熱保護(hù)墊片；熱保護(hù)墊片為筒狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部周向上，熱保護(hù)墊片頂端面與待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面，底端面與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面；所述待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)均選取在待測(cè)棒體材料外壁周向上；熱保護(hù)墊片外壁上安裝有輔加熱器。所述監(jiān)控部分包括控制模塊、可控硅調(diào)功模塊、溫度采集模塊、監(jiān)測(cè)模塊與控制。其中，控制模塊用來(lái)向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送主加熱器與輔加熱器的功率控制信號(hào)，從而控制可控硅調(diào)功模塊調(diào)節(jié)主加熱器與輔加熱器的輸出功率；所述溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集待測(cè)棒體材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣上的各測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并通發(fā)送給監(jiān)測(cè)模塊；監(jiān)控模塊用來(lái)對(duì)接收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存，且根據(jù)測(cè)量裝置整體達(dá)到熱平衡時(shí)接收到的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，以及在監(jiān)測(cè)模塊中輸入的環(huán)境溫度與主加熱器額定功率得出待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 基于上述導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于通過(guò)下述步驟來(lái)完成步驟I :設(shè)置待測(cè)棒狀材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣；將待測(cè)棒狀材料放置在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)已知且與待測(cè)棒體材料橫截面均相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣置于待測(cè)棒體材料下部；標(biāo)準(zhǔn)試樣的長(zhǎng)度可以與待測(cè)棒體材料長(zhǎng)度相同，且標(biāo)準(zhǔn)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)與待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)間相差I(lǐng)個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)；待測(cè)棒體材料高溫端緊貼加熱墊片，低溫端與標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端貼合，標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端與安裝平臺(tái)上的制冷器貼合；將隔熱結(jié)構(gòu)底端與安裝平臺(tái)固定。步驟2 :裝置部分與監(jiān)控部分的連接；在待測(cè)棒體材料高溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)a，在待測(cè)棒體材料低溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)b，同樣在標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)C，在標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端處外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)d，測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)上的走線孔與監(jiān)控部分中的溫度采集模塊相連；并且通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)上的走線孔將主加熱器與輔加熱器以及監(jiān)控部分中的可控硅調(diào)功模塊相連。步驟3 :加熱待測(cè)棒體材料；當(dāng)待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值為已知時(shí)，通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為最大值，直至待測(cè)棒體材料高溫端處的測(cè)溫點(diǎn)a的溫度值達(dá)到估計(jì)值，通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；當(dāng)待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值為未知時(shí)，則通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；上述過(guò)程中，通過(guò)控制模塊控制可控硅調(diào)功模塊實(shí)時(shí)調(diào)整輔加熱器的功率，始終控制熱保護(hù)墊片的溫度值保持在測(cè)溫點(diǎn)a處溫度與測(cè)溫點(diǎn)b處溫度的平均值。步驟4 :待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量；在監(jiān)測(cè)模塊中輸入主加熱器的額定功率與環(huán)境溫度，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊在測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變時(shí)接收到的測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d的溫度，得到待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)Xb為
......^^ tC^abΛ _ Λ ~
κ-h ^xCd0020]式中，λ 3為標(biāo)準(zhǔn)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)；ta、tb、te、td*別為測(cè)溫點(diǎn)a、b、C、d處的溫度，Δ Xab為測(cè)溫點(diǎn)a、b間距離，Λ xcd為測(cè)溫點(diǎn)C、d間距離。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于I、本發(fā)明測(cè)量裝置通過(guò)熱保護(hù)加熱器，有效提高隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果，減小待測(cè)棒體材料徑向熱損失；2、本發(fā)明測(cè)量方法通過(guò)熱保護(hù)加熱器以及主動(dòng)熱控，提高了棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精度，擴(kuò)大了測(cè)量裝置的測(cè)量范圍；3、本發(fā)明測(cè)量裝置成本低，操作方便簡(jiǎn)單。


圖I是本發(fā)明測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明測(cè)溫裝置中隔熱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明測(cè)量方法流程圖。圖中I-裝置部分 2-監(jiān)控部分3-裝待測(cè)棒體材料 4-標(biāo)準(zhǔn)試樣101-隔熱結(jié)構(gòu) 102-安裝平臺(tái)103-主加熱器 104-熱保護(hù)組件105-散熱片106-制冷器107-加熱墊片1011-內(nèi)隔熱層1012-外隔熱層 1013-隔熱上蓋 1041-輔加熱器 1042-熱保護(hù)墊片201-控制模塊 202-可控硅調(diào)功模塊 203-溫度采集模塊204-監(jiān)測(cè)模塊
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明為一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，如圖I所示，包括裝置部分I與監(jiān)測(cè)控制2部分，裝置部分I用來(lái)安裝待測(cè)棒體材料3，通過(guò)監(jiān)控部分2實(shí)現(xiàn)待測(cè)棒體材料3導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。其中，裝置部分I包括隔熱結(jié)構(gòu)101、安裝平臺(tái)102、主加熱器103、熱保護(hù)組件104、散熱器105、制冷器106，如圖I所示，在安裝平臺(tái)102上設(shè)置有頂部封閉的筒狀隔熱結(jié)構(gòu)101，隔熱結(jié)構(gòu)101采用尼龍材料，由此既可保證隔熱效果，又具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且為測(cè)量裝置節(jié)省了成本。隔熱結(jié)構(gòu)101底端面與安裝平臺(tái)102貼合，可使隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部形成密封的用來(lái)放置待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4的空腔。隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部頂面上固定安裝有主加熱器103，主加熱器103用來(lái)對(duì)待測(cè)棒體材料高溫端(待測(cè)棒體材料3頂端)加熱。由于主加熱器103的形狀很難做成與待測(cè)棒體材料3橫截面相同，且很難使主加熱器103的加熱面各點(diǎn)溫度相同，因此本發(fā)明中在主加熱器103的加熱面(主加熱器底面)上安裝有銅質(zhì)加熱墊片107，銅質(zhì)加熱墊片107具有良好的導(dǎo)熱性，可將主加熱器103產(chǎn)生的熱量在加熱墊片107底面形成均一的溫度，使待測(cè)棒體材料3上部體積內(nèi)熱流均勻，形成一維的導(dǎo)熱。隔熱結(jié)構(gòu)101上開(kāi)有走線用的走線孔。由于在棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量時(shí)，待測(cè)棒體材料3的溫度由待測(cè)棒體材料高溫端到待測(cè)棒體材料低溫端(待測(cè)棒體材料3低端)逐漸降低，通常待測(cè)棒體材料高溫端的溫度會(huì)高于待測(cè)棒體材料低溫端很多，在隔熱結(jié)構(gòu)101相同的情況下,待測(cè)棒體材料3不同軸向位置上的徑向熱損失不同，待測(cè)棒體材料高溫端由于與環(huán)境溫度間的溫差最大，熱損失也最大，如散熱量計(jì)算不準(zhǔn)，會(huì)直接影響導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量值。因此本發(fā)明中通過(guò)熱保護(hù)組件104和制冷器106的加入，減小待測(cè)棒體材料3與隔熱結(jié)構(gòu)101之間的溫差，從而減小待測(cè)棒體材料3徑向散熱損失，提高測(cè)量精度。所述制冷器106固定安裝在安裝平臺(tái)102上，制冷器106與隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部頂面相對(duì)，用來(lái)對(duì)待測(cè)棒體材料低溫端進(jìn)行制冷降溫，使待測(cè)棒體材料低溫端的溫度與環(huán)境溫度相同，由此使待測(cè)棒體材料3下部與隔熱結(jié)構(gòu)101之間的溫差較小。通過(guò)調(diào)節(jié)制冷器106的制冷溫度使待測(cè)棒體材料低溫端的溫度維持在環(huán)境溫度，保證低溫端溫度恒定，提高測(cè)量精度。制冷器106 通過(guò)安裝在安裝平臺(tái)102底面上的散熱片105進(jìn)行散熱。本發(fā)明中制冷器106采用半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制冷片可以得到低于環(huán)境的溫度，且體積小、使用方便，在工程中已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明中由于主加熱器103產(chǎn)生并通過(guò)待測(cè)棒體材料3、標(biāo)準(zhǔn)式樣4的熱量和制冷器106產(chǎn)生的熱量最終都要通過(guò)散熱片105散失到環(huán)境中，因此主加熱器103的功率和散熱片105的散熱效果就決定了散熱片105的溫度(即制冷器106熱端的溫度)，而制冷器106冷熱端的溫差決定了制冷器106所需的功率。為了使待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4與空氣的對(duì)流換熱作用很小，需使隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部待測(cè)棒體材料3、標(biāo)準(zhǔn)試樣4與隔熱結(jié)構(gòu)101間不存在明顯間隙，由此本發(fā)明中隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)徑與待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4的內(nèi)徑相等，并且將主加熱器103嵌入到隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部頂面中，使主加熱器103底面與隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部頂面齊平；制冷器106嵌入到安裝平臺(tái)102內(nèi)部，使制冷器106頂面與安裝平臺(tái)102頂面齊平；加熱墊片107設(shè)計(jì)為與隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部橫截面形狀相同。為了使待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4間具有良好的接觸，保證測(cè)量過(guò)程中系統(tǒng)的熱通路正常，因此在主加熱器103與待測(cè)棒體材料3、待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4、標(biāo)準(zhǔn)試樣4與制冷器106之間的接觸面上涂抹導(dǎo)熱硅脂。所述熱保護(hù)組件104包括輔加熱器1041和熱保護(hù)墊片1042。熱保護(hù)墊片1042為筒狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部周向上，熱保護(hù)墊片1042頂端面與待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面，底端面與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面；所述待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)均選取在待測(cè)棒體材料3外壁周向上；其中，待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面與待測(cè)棒體材料3頂端面垂直距離為IOmm O. 5L, L為待測(cè)材料棒體3的長(zhǎng)度，待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面與待測(cè)棒體材料3底端面垂直距離為5_ O. 5L，由此使待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)可避開(kāi)待測(cè)棒體材料3上溫度熱流不均勻的體積。熱保護(hù)墊片1042外壁周向上均布有至少2個(gè)輔加熱器1041，輔加熱器1041用來(lái)加熱熱保護(hù)墊片1042，提高熱保護(hù)墊片1042的溫度，通過(guò)輔加熱器1041產(chǎn)生的熱量在熱保護(hù)墊片1042內(nèi)壁形成均一的溫度，從而提高熱保護(hù)墊片1042頂端與低端所在平面間的隔熱結(jié)構(gòu)101的溫度，使得待測(cè)棒體材料3與隔熱結(jié)構(gòu)101之間的溫差較小，由此減小熱損失，提高測(cè)量精度。待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱流不均勻段的長(zhǎng)度越短。熱保護(hù)墊片1042與待測(cè)棒體材料3側(cè)壁間隔熱結(jié)構(gòu)101的厚度為15mm 25mm，從而防止輔加熱器1041對(duì)待測(cè)棒體材料高溫端與低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面間的待測(cè)棒體材料3增加額外的熱量輸入，影響測(cè)量結(jié)果。 為了便于熱保護(hù)組件104加工和安裝，如圖2所示，本發(fā)明中隔熱結(jié)構(gòu)101分為內(nèi)隔熱層1011、外隔熱層1012和隔熱上蓋1013，內(nèi)隔熱層1011為筒狀結(jié)構(gòu)，外部安裝熱保護(hù)組件104，即將熱保護(hù)墊片1042套接在內(nèi)隔熱層1011外壁周向上。外隔熱層1012同樣為筒狀結(jié)構(gòu)，外隔熱層1012的內(nèi)徑與內(nèi)隔熱層1011的外徑相等，通過(guò)將外隔熱層1012套接在內(nèi)隔熱層1011外部，從而將熱保護(hù)組件104在內(nèi)隔熱層1011與外隔熱層1012間定位。所述內(nèi)隔熱層1011與外隔熱層1012高度相等，通過(guò)隔熱上蓋1013將內(nèi)隔熱層1011頂端與外隔熱層1012頂端固定，實(shí)現(xiàn)內(nèi)隔熱層1011與外隔熱層1012間的定位，由此實(shí)現(xiàn)了熱保護(hù)組件104位于隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部周向上的位置關(guān)系。
由于在導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量過(guò)程中，輔加熱器1041和主加熱器103的功率需經(jīng)常調(diào)整，因此為簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，本發(fā)明中通過(guò)監(jiān)控部分2，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)棒體材料3、標(biāo)準(zhǔn)式樣4以及輔加熱器1041上的測(cè)溫點(diǎn)的溫度，并調(diào)整主加熱器103與輔加熱器1041的功率，以保證測(cè)量過(guò)程中所需要的溫度值，最終使待測(cè)棒體材料3的溫度盡快達(dá)到設(shè)定值，縮短測(cè)量裝置整體達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間，并且根據(jù)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，最終得出待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)。所述監(jiān)控部分2包括控制模塊201、可控硅調(diào)功模塊202、溫度采集模塊203、監(jiān)測(cè)模塊204。其中，控制模塊201用來(lái)向可控硅調(diào)功模塊202發(fā)送主加熱器103與輔加熱器1041的功率控制信號(hào)，從而控制可控硅調(diào)功模202塊調(diào)節(jié)主加熱器103與輔加熱器1041的輸出功率。所述溫度采集模塊203通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)101上開(kāi)有的走線孔與待測(cè)棒體材料3、標(biāo)準(zhǔn)式樣4上的測(cè)溫點(diǎn)連接，通過(guò)溫度采集模塊203實(shí)時(shí)采集待測(cè)棒體材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4上的各測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給監(jiān)測(cè)模塊204。監(jiān)測(cè)模塊204用來(lái)對(duì)接收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存，且根據(jù)測(cè)量裝置整體達(dá)到熱平衡時(shí)接收到的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，以及在監(jiān)測(cè)模塊204中輸入的環(huán)境溫度與主加熱器103額定功率得出待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)?；谏鲜鰧?dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，如圖3所示，通過(guò)下述步驟來(lái)完成步驟I :設(shè)置待測(cè)棒狀材料3與標(biāo)準(zhǔn)試樣4 ；將待測(cè)棒狀材料3放置在隔熱結(jié)構(gòu)101內(nèi)部，同時(shí)為了得到通過(guò)待測(cè)棒體材料3的熱流量，將一個(gè)與待測(cè)棒體材料3橫截面均相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣4置于待測(cè)棒體材料3下部，使標(biāo)準(zhǔn)試樣4與待測(cè)棒體材料3通過(guò)相同的熱流量。所述且標(biāo)準(zhǔn)試樣4的導(dǎo)熱系數(shù)與待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)間相差I(lǐng)個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)；且隨溫度的變化較小，對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)不高的材料，標(biāo)準(zhǔn)試樣4通常選取在0-100°C范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)比較穩(wěn)定的不銹鋼lCrl8Ni9Ti。標(biāo)準(zhǔn)試樣4的長(zhǎng)度可以與待測(cè)棒體材料3長(zhǎng)度相同。待測(cè)棒體材料高溫端緊貼加熱墊片107，其低溫端與標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端(標(biāo)準(zhǔn)試樣4頂端)貼合，標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端(標(biāo)準(zhǔn)試樣4底端)與安裝平臺(tái)102上的制冷器106貼合。將隔熱結(jié)構(gòu)101底端與安裝平臺(tái)102固定。步驟2 :裝置部分I與監(jiān)控部分2的連接；在待測(cè)棒體材料高溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)a，在待測(cè)棒體材料低溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)b，同樣在標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)C，在標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端處外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)d，測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)101上的走線孔與監(jiān)控部分2中的溫度采集模塊203相連。并且通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)101上的走線孔將主加熱器103與輔加熱器1041與監(jiān)控部分2中的可控硅調(diào)功模塊202相連。步驟3 :待測(cè)棒體材料3的熱控；
當(dāng)待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值(通常取理論計(jì)算值或與待測(cè)棒體材料3同類材料的導(dǎo)熱系數(shù)平均值)為已知時(shí)，通過(guò)控制模塊201向可控硅調(diào)功模塊202發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊202將主加熱器103的功率調(diào)節(jié)為最大值，直至待測(cè)棒體材料高溫端處的測(cè)溫點(diǎn)a的溫度值達(dá)到估計(jì)值(即通過(guò)待測(cè)棒體材料3導(dǎo)熱系數(shù)的估計(jì)值、主加熱器103額定功率和環(huán)境溫度值計(jì)算得出)，再通過(guò)控制模塊201向可控硅調(diào)功模塊202發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊202將主加熱器103的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；上述過(guò)程中，通過(guò)控制模塊201控制可控硅調(diào)功模塊202實(shí)時(shí)調(diào)整輔加熱器1041的功率，始終控制熱保護(hù)墊片1042的溫度值保持在測(cè)溫點(diǎn)a處溫度與測(cè)溫點(diǎn)b處溫度的平均值。
當(dāng)待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值為未知時(shí)(即待測(cè)棒體材料3為新材料)，則通過(guò)控制模塊201向可控硅調(diào)功模塊202發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊202將主加熱器103的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；上述過(guò)程中，同樣通過(guò)控制模塊201控制可控硅調(diào)功模塊202實(shí)時(shí)調(diào)整輔加熱器1041的功率，始終控制熱保護(hù)墊片1042的溫度值保持在測(cè)溫點(diǎn)a處溫度與測(cè)溫點(diǎn)b處溫度的平均值。步驟4 :待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量；在監(jiān)測(cè)模塊204中輸入主加熱器103的額定功率與環(huán)境溫度，并且通過(guò)在測(cè)量裝置整體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)接收到的測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d的溫度，得到待測(cè)棒體材料3的導(dǎo)熱系數(shù)XbS:
權(quán)利要求
1.一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，包括裝置部分與監(jiān)測(cè)控制部分；裝置部分用來(lái)安裝待測(cè)棒體材料，通過(guò)監(jiān)控部分實(shí)現(xiàn)待測(cè)棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量；其特征在于 裝置部分包括隔熱結(jié)構(gòu)、安裝平臺(tái)、主加熱器、熱保護(hù)組件、散熱器與制冷器；在安裝平臺(tái)上設(shè)置有頂部封閉的筒狀隔熱結(jié)構(gòu)；隔熱結(jié)構(gòu)底端面與安裝平臺(tái)貼合，使隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成密封的用來(lái)放置待測(cè)棒體材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣的空腔；隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面上固定安裝有主加熱器，主加熱器用來(lái)對(duì)待測(cè)棒體材料高溫端加熱；主加熱器的加熱面上安裝有加熱墊片，用來(lái)將主加熱器產(chǎn)生的熱量在加熱墊片底面形成均一的溫度,使待測(cè)棒體材料上部體積內(nèi)熱流均勻；制冷器固定安裝在安裝平臺(tái)上，制冷器與隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面相對(duì)，制冷器通過(guò)安裝在安裝平臺(tái)底面上的散熱片進(jìn)行散熱； 所述熱保護(hù)組件包括輔加熱器和熱保護(hù)墊片；熱保護(hù)墊片為筒狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部周向上，熱保護(hù)墊片頂端面與待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面，底端面與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面共面；所述待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)與待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)均選取在待測(cè)棒體材料外壁周向上；熱保護(hù)墊片外壁上安裝有輔加熱器； 所述監(jiān)控部分包括控制模塊、可控硅調(diào)功模塊、溫度采集模塊、監(jiān)測(cè)模塊與控制。其中，控制模塊用來(lái)向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送主加熱器與輔加熱器的功率控制信號(hào)，從而控制可控硅調(diào)功模塊調(diào)節(jié)主加熱器與輔加熱器的輸出功率；所述溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集待測(cè)棒體材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣上的各測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并通發(fā)送給監(jiān)測(cè)模塊；監(jiān)控模塊用來(lái)對(duì)接收的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存，且根據(jù)測(cè)量裝置整體達(dá)到熱平衡時(shí)接收到的各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，以及在監(jiān)測(cè)模塊中輸入的環(huán)境溫度與主加熱器額定功率得出待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述隔熱結(jié)構(gòu)為尼龍材料。
3.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述制冷器為半導(dǎo)體制冷片。
4.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述輔加熱器至少為2個(gè)，均勻分布在熱保護(hù)墊片外部周向上。
5.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)徑與待測(cè)棒體材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣的內(nèi)徑相等，且主加熱器嵌入在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面中，使主加熱器底面與隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部頂面齊平；制冷器嵌入在安裝平臺(tái)內(nèi)部，使制冷器頂面與安裝平臺(tái)頂面齊平；加熱墊片與隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部橫截面形狀相同。
6.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述隔熱結(jié)構(gòu)與待測(cè)棒體材料、標(biāo)準(zhǔn)試樣間涂抹有導(dǎo)熱硅脂。
7.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述待測(cè)棒體材料高溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面與待測(cè)棒體材料頂端面垂直距離為IOmm O. 5L ;待測(cè)棒體材料低溫端的測(cè)溫點(diǎn)所在水平平面與待測(cè)棒體材料底端面垂直距離為5mm O. 5L ；L為待測(cè)材料棒體的長(zhǎng)度。
8.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述熱保護(hù)墊片與待測(cè)棒體材料側(cè)壁間隔熱結(jié)構(gòu)的厚度為15mm 25mm。
9.如權(quán)利要求I所述一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，其特征在于所述隔熱結(jié)構(gòu)分為內(nèi)隔熱層、外隔熱層和隔熱上蓋，內(nèi)隔熱層為筒狀結(jié)構(gòu)，將熱保護(hù)墊片套接在內(nèi)隔熱層外壁周向上；外隔熱層同樣為筒狀結(jié)構(gòu)，外隔熱層的內(nèi)徑與內(nèi)隔熱層的外徑相等，通過(guò)將外隔熱層套接在內(nèi)隔熱層外部，從而將熱保護(hù)組件在內(nèi)隔熱層與外隔熱層間定位；內(nèi)隔熱層1011與外隔熱層高度相等，通過(guò)隔熱上蓋將內(nèi)隔熱層頂端與外隔熱層頂端固定，實(shí)現(xiàn)內(nèi)隔熱層與外隔熱層間的定位。
10.基于上述導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于通過(guò)下述步驟來(lái)完成步驟I:設(shè)置待測(cè)棒狀材料與標(biāo)準(zhǔn)試樣；將待測(cè)棒狀材料放置在隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將一個(gè)與待測(cè)棒體材料橫截面均相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣置于待測(cè)棒體材料下部；標(biāo)準(zhǔn)試樣的長(zhǎng)度可以與待測(cè)棒體材料長(zhǎng)度相同，且標(biāo)準(zhǔn)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)與待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)間相差I(lǐng)個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)；待測(cè)棒體材料高溫端緊貼加熱墊片，低溫端與標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端貼合，標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端與安裝平臺(tái)上的制冷器貼合；將隔熱結(jié)構(gòu)底端與安裝平臺(tái)固定；步驟2 :裝置部分與監(jiān)控部分的連接；在待測(cè)棒體材料高溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)a，在待測(cè)棒體材料低溫端處選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)b,同樣在標(biāo)準(zhǔn)試樣高溫端外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)c,在標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫端處外壁上選取一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)山測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)上的走線孔與監(jiān)控部分中的溫度采集模塊相連；并且通過(guò)導(dǎo)線穿過(guò)隔熱結(jié)構(gòu)上的走線孔將主加熱器與輔加熱器以及監(jiān)控部分中的可控硅調(diào)功模塊相連；步驟3 :加熱待測(cè)棒體材料；當(dāng)待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值為已知時(shí)，通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為最大值，直至待測(cè)棒體材料高溫端處的測(cè)溫點(diǎn)a的溫度值達(dá)到估計(jì)值，通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；當(dāng)待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)估計(jì)值為未知時(shí)，則通過(guò)控制模塊向可控硅調(diào)功模塊發(fā)送功率控制信號(hào)，控制可控硅調(diào)功模塊將主加熱器的功率調(diào)節(jié)為額定功率，直至測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變；上述過(guò)程中，通過(guò)控制模塊控制可控硅調(diào)功模塊實(shí)時(shí)調(diào)整輔加熱器的功率，始終控制熱保護(hù)墊片的溫度值保持在測(cè)溫點(diǎn)a處溫度與測(cè)溫點(diǎn)b處溫度的平均值；步驟4 :待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量；在監(jiān)測(cè)模塊中輸入主加熱器的額定功率與環(huán)境溫度，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊在測(cè)溫點(diǎn)a的溫度不變時(shí)接收到的測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b、測(cè)溫點(diǎn)c與測(cè)溫點(diǎn)d的溫度，得到待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)Xb為;=/l tC - h ^absK-h ^xCd式中，λ s為標(biāo)準(zhǔn)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)imtd分別為測(cè)溫點(diǎn)a、b、C、d處的溫度，Axab為測(cè)溫點(diǎn)a、b間距離，Λ Xcd為測(cè)溫點(diǎn)C、d間距離。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，通過(guò)在待測(cè)棒體材料高溫端的隔熱層中間加入熱保護(hù)加熱器并對(duì)熱保護(hù)加熱器進(jìn)行溫度控制，同時(shí)在待測(cè)棒體材料冷卻端使用半導(dǎo)體制冷片使得待測(cè)棒體材料低溫端的溫度為環(huán)境溫度，從而減小待測(cè)材料與隔熱層的溫差和待測(cè)材料非測(cè)量方向的熱量傳遞，在測(cè)測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)控制可控硅調(diào)功模塊來(lái)調(diào)節(jié)主加熱器與熱保護(hù)加熱器的功率，并通過(guò)測(cè)溫模塊將各測(cè)溫點(diǎn)的溫度值采集并傳遞給監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)主加熱器額定功率與環(huán)境溫度以及各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度，可得到待測(cè)棒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為有效提高隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱效果，減小待測(cè)棒體材料徑向熱損失；提高了棒體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102621179SQ20121007381
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月20日
發(fā)明者張興娟, 楊春信, 王超, 賈麗 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)