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[資源]
【資源】熱物性的瞬態(tài)測量
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熱物性的瞬態(tài)測量 陳昭棟 (西南科技大學(xué)理學(xué)院 四川 綿陽 621002) 材料的熱物理性質(zhì),簡稱熱物性.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,有非常重要的實踐意義;此外,在開發(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)時意義. 關(guān)于熱物性的測量,目前,一般采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行.即經(jīng)過足夠長的時間,在熱平衡狀態(tài)下,物體的溫度不隨時間而變化.此時,測量出均勻材料兩點間的溫度差和間隔距離,以及通過該兩點,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,即可以計算出材料的熱導(dǎo)率.防護(hù)熱板法,測量材料的熱導(dǎo)率,即是這種穩(wěn)態(tài)測量方法的代表儀器和代表測量方法. 材料熱物性的穩(wěn)態(tài)測量方法,目前已經(jīng)非常成熟,也獲得廣泛應(yīng)用.但這種測量方法,也存在一些固有的缺陷:首先是容易受環(huán)境條件的影響,不容易實現(xiàn)真正的恒溫環(huán)境,測量的準(zhǔn)確度不高,一般在3%左右;其次是測量費(fèi)時長,耗費(fèi)高,難于推廣應(yīng)用.當(dāng)今的大多數(shù)數(shù)情況下,測量只能在一些大型實驗室里進(jìn)行.例如,中國測試研究院,河南建筑設(shè)計研究院等.因此,造成現(xiàn)時存在的情況,是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,實際上很少采用測量獲得數(shù)據(jù),而是滿足于查資料,采用過時數(shù)據(jù)應(yīng)付工程技術(shù)的一般性需要;第三是不能測量熱擴(kuò)散系數(shù),只能測量熱導(dǎo)率.不適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展,對熱物性測量提出的需求. 材料熱物性的瞬態(tài)測量方法,是相對穩(wěn)態(tài)測量而言的.所謂瞬態(tài)測量,是指在材料加熱升溫或散熱降溫的過程中,測量出材料的熱物理性質(zhì). 眾所周知,在傳熱過程中,物體的溫度在空間各點的值,都是隨時間而變化的.因此,在這一過程中測量材料的熱物理性質(zhì),就意味著要測量材料中溫度場隨時間變化的規(guī)律.相對穩(wěn)態(tài)測量方法,這是有一定難度的.這也是瞬測量方法,遲遲未能得到充分發(fā)展的原因之一. 對于實際情況,只要存在溫度差,就一定存在熱傳導(dǎo).空間各點的溫度,都會隨著時間延續(xù)而發(fā)生變化.這一類傳熱問題,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)值計算方法求近似解.這個難度是很大的.一般不宜用于材料熱物性的測量.數(shù)學(xué)上的這一困難, 也是瞬測量方法,遲遲未能得到充分發(fā)展的又一原因. 目前,瞬態(tài)法測量材料的熱物理性質(zhì),一般都選用一維傳熱的簡單模型.這種簡單模型有可能容易求得其精確解.這類簡單模型有兩個:一是在大塊均勻介質(zhì)中,用一塊平面恒流熱源加熱,構(gòu)成一個沿垂直于平面熱源方向的一維半無限大傳熱模型.該模型是可以精確求解.由此精確解發(fā)展了脈沖法測量材料的熱物性和恒流法測量材料熱物性的兩種測量方法. 二是在均勻大塊介質(zhì)中,放置一根長直細(xì)熱線源,在保持熱線的發(fā)熱不隨時間變化的情況下,也可以構(gòu)造成一個以熱線為軸,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)展了熱線法測量材料的熱導(dǎo)率的測量儀器和測量方法;還能夠證明,將這個精確解變形,改寫成溫度變化與測量時間對數(shù)的線性方程,用最小二乘法作線性擬合，計算出擬合直線的斜率和截距，也可以獲得材料的熱物性。這一方法也是實際可行的. 實現(xiàn)上述兩類測量的關(guān)鍵，一是要有采樣頻率較高，溫度測量分辨率較高的溫度適時采集卡。用之測量出溫度隨時間而變化的溫度時間曲線。目前，我們已經(jīng)開發(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)的測量操作系統(tǒng)，制成了SHT-20熱物性瞬態(tài)自動測量儀，能夠用脈沖法，恒流法測量材料的熱物性；在該儀器上，也可以用熱線法測量材料的熱懷率，還能用線性擬合測量材料的熱物性。在國內(nèi)率先實現(xiàn)了材料熱物性的瞬態(tài)自動測量。 實現(xiàn)這一測量的另一關(guān)鍵,是要研制一種高穩(wěn)定性的穩(wěn)流電源.保證在測量進(jìn)行的時間范圍內(nèi),加熱電流不會因測量進(jìn)行而發(fā)生改變.保持熱源的熱流強(qiáng)度在測量過程中恒定不變.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).滿足了測量需要. SHT-20熱物性瞬態(tài)自動測量儀，已經(jīng)成功地用于科研，教學(xué)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對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)行了測量，測量結(jié)果，與穩(wěn)態(tài)測量方法得到的數(shù)據(jù)符合得很好。 SHT-20熱物性瞬態(tài)自動測量儀，不需要恒溫環(huán)境，設(shè)備簡單可靠，運(yùn)行成本低廉，測量時間極短，熱測量可以在10分鐘之內(nèi)完成.測量準(zhǔn)確度高，其不確定度可以控制在1%以內(nèi)。可以測量熱導(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)測量儀器的升級換代產(chǎn)品。 熱物性的瞬態(tài)測量,正在成為材料熱物性測量的主導(dǎo)方法. 地 址：四川省綿陽市 西南科技大學(xué)理學(xué)院 姓 名：陳昭棟 電 話：0816-6687980 0816-6088335 Email：czd19432001@yahoo.com.cn |
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