CN109738484A - 基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法，装置包括片状平面热源、数据采集装置和计算机数据处理系统；数据采集装置包括温度传感器、AD模数转换芯片和数据采集卡，温度传感器连接AD模数转换芯片，AD模数转换芯片连接数据采集卡，数据采集卡与计算机数据处理系统相连。本发明将瞬态平面热源法应用于多孔材料中异质含量的测试中，采用片状平面热源和温度传感器预先永久粘合的方式置入多孔材料内部测量异质含量。发热体与测温元件贴合布置，所需的加热量较之前的热学法大大减小，也不存在热源体与测温元件间距离变化影响测试精度的问题。该发明可实现多孔材料内异质含量的小型化精确测量，方法简单、快速准确。

Description

基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法

技术领域

本发明属于材料检测分析领域，涉及一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法。

背景技术

多孔材料内若含有异质成分，将影响多孔材料的热物性，对多孔材料的保温性和耐久性也有很大的影响。例如，在湿环境下多孔保温材料内积聚的水分不仅恶化保温效果，由此而滋生的霉菌等微生物，还对材料造成腐蚀。多孔材料中异质成分含量的检测目前有电学法、热学法、射线法等。其中热学法较为简便廉价，且水分含盐含酸等成分对热学法的测试精度影响不大。热学法在被测多孔材料中设置线状或柱状热源，监测距热源固定距离的材料内某点的瞬态温升，而解算被测多孔材料体积热容在吸收异质前后的变化量，进而推断出异质的含量。

当前的热学法测量材料异质含量存在以下缺点：(1)由于发热体与温度测点分离布置，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，而由于被测材料的多孔属性，大发热量将在材料内部诱生自然对流和辐射传热，对测试精度有较大的影响。(2)目前的热学法要求发热体与测温点之间距离固定，而在实际操作过程中，任何操作偏差或者发热体与支撑测温点之间支撑结构的微小形变，都影响着所测得的异质含量的精度。

本发明提出将发热体与测温元件置于一体的片状平面热源法，来测试多孔材质内的异质含量。该方法采用薄片状电加热器件(例如电热膜)作为热源，其通电加热后产生的瞬态温升由贴附于热源表面的薄膜状测温元件(例如膜状热电偶或热电阻)测量，根据记录的温升响应推断出材料在异质侵入前后的热物性参数变化，进而解算出材料所含有的异质含量。由于发热体与测温元件贴合布置，所需的加热量大大减小，也不存在热源体与测温元件间距离变化的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于片状热源测量多孔材料中异质含量的装置及方法，解决现有技术中异质测量结果不稳定，测试精度差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案：

一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，包括片状平面热源、数据采集装置和计算机数据处理系统；片状平面热源与加热电路相连；数据采集装置包括温度传感器、AD模数转换芯片和数据采集卡，温度传感器连接AD模数转换芯片，AD模数转换芯片连接数据采集卡，数据采集卡与计算机数据处理系统相连。或者类似的可将温度传感器采集的电信号转换为温度数据的处理装置。

片状平面热源内部由排列后的电阻线组成，材料可为镍合金，呈薄片状；热源接通加热电路后以恒定功率产生稳定的低热流密度，对多孔材料内部进行加热；温度传感器呈薄片状，可为薄膜热电偶或热电阻，温度传感器与平面热源预先粘合，成一体化置入多孔材料内进行异质含量测量。计算机数据处理系统包括在线记录多孔材料内测温点的温升数据，数据后处理程序以及计算多孔介质异质含量的算法。

本发明提供一种基于平面热源测量多孔材料中异质含量的方法,步骤为：

a、使温度传感器与片状平面热源两者粘合为一体；

b、将粘合为一体的温度传感器与片状平面热源布置于被测多孔材料内部；

c、启动数据采集装置，待被测多孔材料内部温度稳定后，记录此时温度作为被测多孔材料的初始温度；

d、接通加热电路，由数据采集装置在线记录片状平面热源的温升变化；

e、关闭加热电路和数据采集装置，数据处理系统对测温数据进行后处理；

f、利用预设计算程序计算热物性参数并解算得到异质含量。

与现有的非稳态热线法测量材料中异质含量方法和装置相比，本发明的进一步改进在于：

1.由于片状平面热源与测温元件一体化布置，热源所需的加热量大大减小，减少了发热引起的自然对流与辐射传热对测试结果的干扰；

2.一体化布置的片状平面热源与测温元件，也使温度测量的灵敏度和精确度得到了很大的提升；

3.片状平面热源与温度传感器作预粘合处理，避免了多次测量时片状平面热源与温度传感器距离不固定所造成的误差。

本发明将瞬态平面热源法应用于多孔材料中异质含量的测试中，采用片状平面热源和温度传感器预先粘合的方式置入多孔材料内部测量异质含量，可实现多孔材料内异质含量的小型化一体化测量，测量方法简单廉价、快速准确。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置的示意图；图中；1为片状平面热源；2为温度传感器；3为被测多孔材料；4为加热电路；5为AD模数转换芯片；6为数据采集卡；7为计算机数据处理系统；

图2为本发明提供的一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合实例来具体说明本发明。

如图1所示，为本发明提供的一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置的示意图。在被测多孔材料中布置预先粘合的片状平面热源1与温度传感器2，片状平面热源1采用电热片，温度传感器2采用薄膜热电偶，片状平面热源面积比温度传感器面积尺寸大得多，一体化置入被测多孔材料3中；开始测试时，将温度传感器2与AD模数转换芯片5相连，AD模数转换芯片5与数据采集卡6相连，实现电压信号向数字信号的转换，并将采集的温度数据传送至计算机数据处理系统7；观察温度数据，待被测多孔材料内部温度稳定后，记录此时温度作为被测多孔材料的初始温度；打开加热电路4，使片状平面热源1产生恒定均匀热流，并由温度传感器2监测测温点位置温升变化，经计算机数据处理系统读取、存储和计算匹配，最终得到多孔材料内异质含量。

本发明所提供的装置测试对应的一维导热微分方程、边界条件以及初始条件为：

当

当

当t＝0，T＝T₀ (4)

其中，T为被测多孔材料的温度，K；T₀为被测多孔材料的初始温度，K；λ为被测多孔材料的导热系数，Wm^-1K^-1；ρ为被测多孔材料的密度，kgm^-3；c为被测多孔材料的比热容，Jkg^{- 1}K^-1；ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3K^-1)；为对称传热情况下片状平面热源的单侧散热热流密度，W/m²；Q为平面热源输入总功率，W；A为片状平面热源面积，m²；l为被测多孔材料的厚度，m；

参考H.S.Carlslaw,J.C.Jaeger.Conduction of Heat in Solids.2ndEdition.Oxford Clarendon Press,1986:89-112中的方法求解上述偏微分方程组，得到被测多孔材料x＝l边界的温升解析解为:

其中，α为热扩散率，m²/s；

代入假定的被测多孔材料的导热系数λ和被测多孔材料的容积热容ρc，则可计算出对应时刻测温点的温升ΔT_M,i，温升的计算可借助相关软件如Matlab。其中被测多孔材料的假定导热系数值，是以干燥时多孔材料的导热系数值和水分的导热系数值作为上下限，通过穷举方法取值；被测多孔材料的容积热容同理取得值，即可以得到被测多孔材料可能的导热系数和容积热容的组合。

将某一假定导热系数和容积热容组合下由分析解计算所得温升ΔT_M,i与所测温升ΔT_E,i进行对比，利用公式(6)得计算的温升与实测温升的差异值，

其中，D为计算的温升与实测温升的均方根差异值(℃)，ΔT_M,i为通过公式计算得到的i时刻的温升值(℃)，ΔT_E,i为通过实验测得的i时刻的温升值(℃)，n为实验测得的温度数据数目。以可接受的差异阈值D_accept为选择标准，则可得D≤D_accept时，被测多孔材料的容积热容范围，其中(ρc)_min为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的下限最小值，(ρc)_max为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的上限最大容积热容。

容积热容与异质含量(水分为例)关系如下：

ρ_dryc_dry+ρ_wc_wx_w＝ρc (7)

其中，ρ_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm^-3)，c_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_dryc_dry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm^-3·K^-1)，ρ_w为水分的密度(kgm^-3)，ρ_w为水分的比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_wc_w为水分的容积热容(Jm^-3·K^-1)，x_w为水分的体积分数，ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3·K^-1)。

根据容积热容的上下限，求水分的体积分数的上下限：

其中，x_max为异质体积含量的最大值，x_min为异质体积含量的最小值。

被测多孔材料中水分的质量分数的范围：

其中，y_max为异质质量含量的最大值，y_min为异质质量含量的最小值。

即(x_min，x_max)为求解所得含水量体积含量的范围，(y_min，y_max)为求解所得含水量质量含量的范围。

Claims (6)

1.一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，包括片状平面热源、数据采集装置和计算机数据处理系统；片状平面热源与加热电路相连；数据采集装置包括温度传感器、AD模数转换芯片和数据采集卡，温度传感器连接AD模数转换芯片，AD模数转换芯片连接数据采集卡，数据采集卡与计算机数据处理系统相连。或者类似的可将温度传感器采集的电信号转换为温度数据的处理装置来代替上述数据采集装置。

2.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：片状平面热源内部由排列后的电阻线组成，材料可为镍合金，呈薄片状。

3.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述温度传感器为薄膜热电偶或热电阻，呈薄片状。

4.根据权利要求1所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述温度传感器与片状平面热源预先粘合，成一体化置入多孔材料内进行异质含量测量。

5.一种基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，步骤为：

a、使温度传感器与片状平面热源两者粘合为一体；

b、将粘合为一体的温度传感器与片状平面热源布置于被测多孔材料内部；

c、启动数据采集装置，待被测多孔材料内部温度稳定后，记录此时温度作为被测多孔材料的初始温度；

d、接通加热电路，由数据采集装置在线记录片状平面热源的温升变化；

e、关闭加热电路和数据采集装置，数据处理系统对测温数据进行后处理；

f、利用预设计算程序计算热物性参数并解算得到异质含量。

6.根据权利要求5所述基于片状平面热源测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，所述步骤e数据处理，该一维传热过程的导热微分方程、边界条件以及初始条件为：

当x＝l，

当x＝0，

当t＝0，T＝T₀ (4)

其中，T为被测多孔材料的温度，K；T₀为被测多孔材料的初始温度，K；λ为被测多孔材料的导热系数，Wm^-1K^-1；ρ为被测多孔材料的密度，kgm^-3；c为被测多孔材料的比热容，Jkg^-1K^-1；ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3K^-1)；为对称传热情况下片状平面热源的单侧散热热流密度，W/m²；Q为平面热源输入总功率，W；A为片状平面热源面积，m²；l为被测多孔材料的厚度，m；

参考H.S.Carlslaw,J.C.Jaeger.Conduction of Heat in Solids.2ndEdition.Oxford Clarendon Press,1986:89-112中的方法求解上述偏微分方程组，得到被测多孔材料x＝l边界的温升解析解为:

其中，α为热扩散率，m²/s；

代入假定的被测多孔材料的导热系数λ和被测多孔材料的容积热容ρc，则可计算出对应时刻测温点的温升ΔT_M,i，温升的计算可借助相关软件如Matlab。其中被测多孔材料的假定导热系数值，是以干燥时多孔材料的导热系数值和水分的导热系数值作为上下限，通过穷举方法取值；被测多孔材料的容积热容同理取得值，即可以得到被测多孔材料可能的导热系数和容积热容的组合。

将某一假定导热系数和容积热容组合下由分析解计算所得温升ΔT_M,i与所测温升ΔT_E,i进行对比，利用公式(6)得计算的温升与实测温升的差异值，

其中，D为计算的温升与实测温升的均方根差异值(℃)，ΔT_M,i为通过公式计算得到的i时刻的温升值(℃)，ΔT_E,i为通过实验测得的i时刻的温升值(℃)，n为实验测得的温度数据数目。以可接受的差异阈值D_accept为选择标准，则可得D≤D_accept时，被测多孔材料的容积热容范围，其中(ρc)_min为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的下限最小值，(ρc)_max为满足匹配要求的被测多孔材料的容积热容的上限最大容积热容。

容积热容与异质含量(水分为例)关系如下：

ρ_dryc_dry+ρ_wc_wx_w＝ρc (7)

其中，ρ_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm^-3)，c_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_dryc_dry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm^-3·K^-1)，ρ_w为水分的密度(kgm^-3)，ρ_w为水分的比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_wc_w为水分的容积热容(Jm^-3·K^-1)，x_w为水分的体积分数，ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3·K^-1)。

根据容积热容的上下限，求水分的体积分数的上下限：

其中，x_max为异质体积含量的最大值，x_min为异质体积含量的最小值。

被测多孔材料中水分的质量分数的范围：

其中，y_max为异质质量含量的最大值，y_min为异质质量含量的最小值。

即(x_min，x_max)为求解所得含水量体积含量的范围，(y_min，y_max)为求解所得含水量质量含量的范围。