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[资源] 【资源】热物性的瞬态测量

热物性的瞬态测量
               陈昭栋
(西南科技大学理学院  四川绵阳 621002)

材料的热物理性质,简称热物性.它一般是指描述材料热物理性质的基本参数:如热导率,热扩散系数,比热容,密度,蓄热系数等.材料热物性的测量和掌控,在工程技术中,特别是热力工程中,有非常重要的实践意义;此外,在开发研究绝热保温材料,高散热材料等功能材料方面,也有重要的现时意义.
关于热物性的测量,目前,一般采用稳态法进行.即经过足够长的时间,在热平衡状态下,物体的温度不随时间而变化.此时,测量出均匀材料两点间的温度差和间隔距离,以及通过该两点,且垂直于热流方向的平行平面的热流强度,用付里叶定律,即可以计算出材料的热导率.防护热板法,测量材料的热导率,即是这种稳态测量方法的代表仪器和代表测量方法.
材料热物性的稳态测量方法,目前已经非常成熟,也获得广泛应用.但这种测量方法,也存在一些固有的缺陷:首先是容易受环境条件的影响,不容易实现真正的恒温环境,测量的准确度不高,一般在3%左右;其次是测量费时长,耗费高,难于推广应用.当今的大多数数情况下,测量只能在一些大型实验室里进行.例如,中国测试研究院,河南建筑设计研究院等.因此,造成现时存在的情况,是在工农业生产领域,实际上很少采用测量获得数据,而是满足于查资料,采用过时数据应付工程技术的一般性需要;第三是不能测量热扩散系数,只能测量热导率.不适应当今科学技术蓬勃发展,对热物性测量提出的需求.
材料热物性的瞬态测量方法,是相对稳态测量而言的.所谓瞬态测量,是指在材料加热升温或散热降温的过程中,测量出材料的热物理性质. 众所周知,在传热过程中,物体的温度在空间各点的值,都是随时间而变化的.因此,在这一过程中测量材料的热物理性质,就意味着要测量材料中温度场随时间变化的规律.相对稳态测量方法,这是有一定难度的.这也是瞬测量方法,迟迟未能得到充分发展的原因之一.
对于实际情况,只要存在温度差,就一定存在热传导.空间各点的温度,都会随着时间延续而发生变化.这一类传热问题,由于边界条件和初值条件的多样性,使得能够精确求解的传方程并不多.很多都需要用数值计算方法求近似解.这个难度是很大的.一般不宜用于材料热物性的测量.数学上的这一困难, 也是瞬测量方法,迟迟未能得到充分发展的又一原因.
目前,瞬态法测量材料的热物理性质,一般都选用一维传热的简单模型.这种简单模型有可能容易求得其精确解.这类简单模型有两个:一是在大块均匀介质中,用一块平面恒流热源加热,构成一个沿垂直于平面热源方向的一维半无限大传热模型.该模型是可以精确求解.由此精确解发展了脉冲法测量材料的热物性和恒流法测量材料热物性的两种测量方法.
二是在均匀大块介质中,放置一根长直细热线源,在保持热线的发热不随时间变化的情况下,也可以构造成一个以热线为轴,在垂直于轴的径向方向上,一维园柱面传热模型.该模型也可以求出其精确解.由此,也发展了热线法测量材料的热导率的测量仪器和测量方法;还能够证明,将这个精确解变形,改写成温度变化与测量时间对数的线性方程,用最小二乘法作线性拟合，计算出拟合直线的斜率和截距，也可以获得材料的热物性。这一方法也是实际可行的.
实现上述两类测量的关键，一是要有采样频率较高，温度测量分辨率较高的温度适时采集卡。用之测量出温度随时间而变化的温度时间曲线。目前，我们已经开发了采样频率1赫兹左右，温度变化分辨率为百分之一度的温度采集卡，以及相应的测量操作系统，制成了SHT-20热物性瞬态自动测量仪，能够用脉冲法，恒流法测量材料的热物性；在该仪器上，也可以用热线法测量材料的热怀率，还能用线性拟合测量材料的热物性。在国内率先实现了材料热物性的瞬态自动测量。
实现这一测量的另一关键,是要研制一种高稳定性的稳流电源.保证在测量进行的时间范围内,加热电流不会因测量进行而发生改变.保持热源的热流强度在测量过程中恒定不变.目前,我们自制的一款直流稳流电源,输出直流电压36V,直流电流在0.1~1A之间精密可调,输出电流可以精确稳定在正负1毫安范围内.满足了测量需要.
SHT-20热物性瞬态自动测量仪，已经成功地用于科研，教学和工农业生产中，对大量固体非金属材料，粉体材料，颗粒材料，纤维材料等的热物性进行了测量，测量结果，与稳态测量方法得到的数据符合得很好。
SHT-20热物性瞬态自动测量仪，不需要恒温环境，设备简单可靠，运行成本低廉，测量时间极短，热测量可以在10分钟之内完成.测量准确度高，其不确定度可以控制在1%以内。可以测量热导率，热扩散系数等多种材料的热物理性质。是稳态测量仪器的升级换代产品。
热物性的瞬态测量,正在成为材料热物性测量的主导方法.

地址：四川省绵阳市  西南科技大学理学院             姓名：陈昭栋
电话：0816-6687980  0816-6088335       Email：czd19432001@yahoo.com.cn

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