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[資源]
【資源】熱物性的瞬態(tài)測(cè)量
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熱物性的瞬態(tài)測(cè)量 陳昭棟 (西南科技大學(xué)理學(xué)院 四川 綿陽(yáng) 621002) 材料的熱物理性質(zhì),簡(jiǎn)稱(chēng)熱物性.它一般是指描述材料熱物理性質(zhì)的基本參數(shù):如熱導(dǎo)率,熱擴(kuò)散系數(shù),比熱容,密度,蓄熱系數(shù)等.材料熱物性的測(cè)量和掌控,在工程技術(shù)中,特別是熱力工程中,有非常重要的實(shí)踐意義;此外,在開(kāi)發(fā)研究絕熱保溫材料,高散熱材料等功能材料方面,也有重要的現(xiàn)時(shí)意義. 關(guān)于熱物性的測(cè)量,目前,一般采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行.即經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間,在熱平衡狀態(tài)下,物體的溫度不隨時(shí)間而變化.此時(shí),測(cè)量出均勻材料兩點(diǎn)間的溫度差和間隔距離,以及通過(guò)該兩點(diǎn),且垂直于熱流方向的平行平面的熱流強(qiáng)度,用付里葉定律,即可以計(jì)算出材料的熱導(dǎo)率.防護(hù)熱板法,測(cè)量材料的熱導(dǎo)率,即是這種穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法的代表儀器和代表測(cè)量方法. 材料熱物性的穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法,目前已經(jīng)非常成熟,也獲得廣泛應(yīng)用.但這種測(cè)量方法,也存在一些固有的缺陷:首先是容易受環(huán)境條件的影響,不容易實(shí)現(xiàn)真正的恒溫環(huán)境,測(cè)量的準(zhǔn)確度不高,一般在3%左右;其次是測(cè)量費(fèi)時(shí)長(zhǎng),耗費(fèi)高,難于推廣應(yīng)用.當(dāng)今的大多數(shù)數(shù)情況下,測(cè)量只能在一些大型實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行.例如,中國(guó)測(cè)試研究院,河南建筑設(shè)計(jì)研究院等.因此,造成現(xiàn)時(shí)存在的情況,是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,實(shí)際上很少采用測(cè)量獲得數(shù)據(jù),而是滿(mǎn)足于查資料,采用過(guò)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)付工程技術(shù)的一般性需要;第三是不能測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù),只能測(cè)量熱導(dǎo)率.不適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展,對(duì)熱物性測(cè)量提出的需求. 材料熱物性的瞬態(tài)測(cè)量方法,是相對(duì)穩(wěn)態(tài)測(cè)量而言的.所謂瞬態(tài)測(cè)量,是指在材料加熱升溫或散熱降溫的過(guò)程中,測(cè)量出材料的熱物理性質(zhì). 眾所周知,在傳熱過(guò)程中,物體的溫度在空間各點(diǎn)的值,都是隨時(shí)間而變化的.因此,在這一過(guò)程中測(cè)量材料的熱物理性質(zhì),就意味著要測(cè)量材料中溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律.相對(duì)穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法,這是有一定難度的.這也是瞬測(cè)量方法,遲遲未能得到充分發(fā)展的原因之一. 對(duì)于實(shí)際情況,只要存在溫度差,就一定存在熱傳導(dǎo).空間各點(diǎn)的溫度,都會(huì)隨著時(shí)間延續(xù)而發(fā)生變化.這一類(lèi)傳熱問(wèn)題,由于邊界條件和初值條件的多樣性,使得能夠精確求解的傳方程并不多.很多都需要用數(shù)值計(jì)算方法求近似解.這個(gè)難度是很大的.一般不宜用于材料熱物性的測(cè)量.數(shù)學(xué)上的這一困難, 也是瞬測(cè)量方法,遲遲未能得到充分發(fā)展的又一原因. 目前,瞬態(tài)法測(cè)量材料的熱物理性質(zhì),一般都選用一維傳熱的簡(jiǎn)單模型.這種簡(jiǎn)單模型有可能容易求得其精確解.這類(lèi)簡(jiǎn)單模型有兩個(gè):一是在大塊均勻介質(zhì)中,用一塊平面恒流熱源加熱,構(gòu)成一個(gè)沿垂直于平面熱源方向的一維半無(wú)限大傳熱模型.該模型是可以精確求解.由此精確解發(fā)展了脈沖法測(cè)量材料的熱物性和恒流法測(cè)量材料熱物性的兩種測(cè)量方法. 二是在均勻大塊介質(zhì)中,放置一根長(zhǎng)直細(xì)熱線(xiàn)源,在保持熱線(xiàn)的發(fā)熱不隨時(shí)間變化的情況下,也可以構(gòu)造成一個(gè)以熱線(xiàn)為軸,在垂直于軸的徑向方向上,一維園柱面?zhèn)鳠崮Ｐ?該模型也可以求出其精確解.由此,也發(fā)展了熱線(xiàn)法測(cè)量材料的熱導(dǎo)率的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量方法;還能夠證明,將這個(gè)精確解變形,改寫(xiě)成溫度變化與測(cè)量時(shí)間對(duì)數(shù)的線(xiàn)性方程,用最小二乘法作線(xiàn)性擬合，計(jì)算出擬合直線(xiàn)的斜率和截距，也可以獲得材料的熱物性。這一方法也是實(shí)際可行的. 實(shí)現(xiàn)上述兩類(lèi)測(cè)量的關(guān)鍵，一是要有采樣頻率較高，溫度測(cè)量分辨率較高的溫度適時(shí)采集卡。用之測(cè)量出溫度隨時(shí)間而變化的溫度時(shí)間曲線(xiàn)。目前，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了采樣頻率1赫茲左右，溫度變化分辨率為百分之一度的溫度采集卡，以及相應(yīng)的測(cè)量操作系統(tǒng)，制成了SHT-20熱物性瞬態(tài)自動(dòng)測(cè)量?jī)x，能夠用脈沖法，恒流法測(cè)量材料的熱物性；在該儀器上，也可以用熱線(xiàn)法測(cè)量材料的熱懷率，還能用線(xiàn)性擬合測(cè)量材料的熱物性。在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了材料熱物性的瞬態(tài)自動(dòng)測(cè)量。 實(shí)現(xiàn)這一測(cè)量的另一關(guān)鍵,是要研制一種高穩(wěn)定性的穩(wěn)流電源.保證在測(cè)量進(jìn)行的時(shí)間范圍內(nèi),加熱電流不會(huì)因測(cè)量進(jìn)行而發(fā)生改變.保持熱源的熱流強(qiáng)度在測(cè)量過(guò)程中恒定不變.目前,我們自制的一款直流穩(wěn)流電源,輸出直流電壓36V,直流電流在0.1~1A之間精密可調(diào),輸出電流可以精確穩(wěn)定在正負(fù)1毫安范圍內(nèi).滿(mǎn)足了測(cè)量需要. SHT-20熱物性瞬態(tài)自動(dòng)測(cè)量?jī)x，已經(jīng)成功地用于科研，教學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)大量固體非金屬材料，粉體材料，顆粒材料，纖維材料等的熱物性進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，與穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)符合得很好。 SHT-20熱物性瞬態(tài)自動(dòng)測(cè)量?jī)x，不需要恒溫環(huán)境，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，運(yùn)行成本低廉，測(cè)量時(shí)間極短，熱測(cè)量可以在10分鐘之內(nèi)完成.測(cè)量準(zhǔn)確度高，其不確定度可以控制在1%以?xún)?nèi)。可以測(cè)量熱導(dǎo)率，熱擴(kuò)散系數(shù)等多種材料的熱物理性質(zhì)。是穩(wěn)態(tài)測(cè)量?jī)x器的升級(jí)換代產(chǎn)品。 熱物性的瞬態(tài)測(cè)量,正在成為材料熱物性測(cè)量的主導(dǎo)方法. 地 址：四川省綿陽(yáng)市 西南科技大學(xué)理學(xué)院 姓 名：陳昭棟 電 話(huà)：0816-6687980 0816-6088335 Email：czd19432001@yahoo.com.cn |
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