一種瞬態平面熱源法測試材料導熱系數的裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種瞬態平面熱源法測試材料導熱系數的裝置，主要包括探頭、電橋測試系統、數據采集及分析系統，在所述電橋測試系統中，電橋的供電電源應在0-20V范圍內調節，最大電流不超過1A。本實用新型可以測量多種樣品如：塊狀樣品、單軸各向異性樣品、薄片樣品、薄膜樣品，且控制精度高、檢測周期短、測試結果準確。
【專利說明】一種瞬態平面熱源法測試材料導熱系數的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬材料性能檢測領域，主要是利用平面熱源測試方法對建筑用材料導熱系數和熱擴散系數進行檢測。
【背景技術】
[0002]熱擴散系數和導熱系數是主要的熱物性參數之一，目前在已建立的各種測試方法中，根據其傳熱特點大致可歸納為穩態法和瞬態法。
[0003]穩態法是指當待測試樣上溫度分布達到穩定后，即試樣內溫度分布是不隨時間變化的穩定的溫度場時，通過測定流過試樣的熱量和溫度梯度等參數來計算材料的導熱系數的方法。它是利用穩定傳熱過程中，傳熱速率等于散熱速率的平衡條件來測量導熱系數。穩態法具有原理清晰、模型簡單、可準確直接地獲得熱導率絕對值等優點，并適于較寬溫區的測量；缺點是實驗條件苛刻、測量時間較長；穩態法中，為了獲得準確的熱流，需要嚴格保證測試系統的絕熱條件，附設補償加熱器并增加保溫措施，以減小邊緣熱損失；另外穩態法主要用于測量固體材料的導熱系數，而要把它用于研究濕材料會遇到很大困難，因為試樣會由于長時間保證一定的溫度場而引起含濕量的變化，這將導致導熱系數的測量結果不正確。
[0004]隨著新材料的發展，對測試速度的要求大大提高，而且因為新材料的多樣性，傳統的方法獲得的參數并不能準確反映材料的性質，傳統的模型也不能準確反映所要研究的過程，因此廣泛應用瞬態法。瞬態法是指實驗測量過程中試樣溫度隨時間變化，通過測量試樣內某些點溫度變化的情況以及其他一些需要的參數，從而確定試樣導熱系數的方法，其分析的出發點是非穩態導熱微分方程。本實用新型主要依據瞬態平面熱源法測試。在瞬態測試方法中，試樣內的溫度分布是隨時間變化的非穩態溫度場，借助測試試樣溫度變化的速率，就可以測量試樣的熱擴散率，從而得到試樣的導熱系數。由于采用具有熱阻性的材料同時作為熱源和溫度傳感器，瞬態平面熱源技術能夠覆蓋較大的熱導率范圍，因而可以同時適用于各種不同類型的材料。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種可以測量多種樣品如:塊狀樣品、單軸各向異性樣品、薄片樣品、薄膜樣品，且控制精度高、檢測周期短、測試結果準確的材料導熱系數和熱擴散系數的測試裝置。
[0006]本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現:
[0007]本實用新型主要包括探頭、電橋測試系統、數據采集及分析系統(見圖1);所述探頭內部是雙螺旋結構，電阻值為1Ω-50Ω之間，由10 (±2) μ m厚的金屬薄片刻蝕而成，兩側由厚度為7 μ m-100 μ m的絕緣薄膜包裹，直徑D在4_-100_之間。金屬薄片選擇電阻率溫度系數高、穩定性好的鎳和鑰；絕緣薄膜應根據使用溫度選擇聚酰亞胺、云母、氮化鋁和氧化鋁等可忽略熱容量的材料。探頭的測溫裝置可以準確感應被測樣品的溫度信息。雙螺旋結構螺旋線源的寬度應與其間距相等，探頭直徑為4mm-15mm之間的雙螺旋結構的間距應為(0.2±0.03)mm;其他直徑探頭的雙螺旋結構的間距應為(0.35±0.05)mm。
[0008]將探頭放置于兩個樣品中間，形成類似三明治的結構，給探頭施加恒定直流電，探頭放熱后樣品內部產生動態溫度場，同時探頭表面產生溫升，此時探頭電阻增加，使電橋測試系統中原平衡電橋失衡，產生電位變化量。通過記錄測試期間不同時刻電參數的變化量，計算得出溫度增值隨時間變化的函數。通過對函數曲線的擬合和計算得出樣品的導熱系數和熱擴散系數。
[0009]所述電橋測試系統(見圖2)，電橋的供電電源應在(0-20) V范圍內調節，最大電流不超過1A。電橋系統中探頭及其引線與電阻Rs相串聯，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值(Ro+RL)相近，且在測試過程中保持不變。數字電壓表接于探頭與電阻Rs之間，且電阻應大于探頭電阻與Rs電阻值和的100倍，分辨率應達到6.5數位，是電源周期變化的整數倍。
[0010]所述數據采集及分析系統能夠顯示、自動采集、分析各電參數、時間參數，并能夠擬合出時間-溫升曲線圖，最終計算測試結果，此系統包含試驗操作及數據分析軟件。在測試中測量探頭電阻隨溫度的變化，確定試樣的熱擴散系數和導熱系數的計算過程由軟件自動完成。在處理數據之前需舍去一些時間所對應的數據，舍去點的個數和探頭保護層的厚度及試樣與探頭的接觸熱阻的大小有關，依據實際情況酌情選取，但是點的數目不能小于100個，以保證熱擴散系數和導熱系數的一般性。通過最小二乘法擬合測量過程中試樣表面溫度增值隨時間變化的函數和無量綱特征時間函數的線性關系(見圖3)，最終得出導熱系數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為整體系統構造簡圖，其中1-主機(包括電橋回路、輸出電源、計算機和數字電壓表)；2_試樣架；3_樣品倉；4_探頭；5-樣品；6_恒溫控制器；
[0012]圖2為電橋測試系統圖，其中Rs-串聯電阻凡-探頭引線的總電阻；Rcr探頭初始電阻AR-探頭在測試中增加的電阻;Λυ_電位變化量;W_電位計；
[0013]圖3為溫度增值與時間線性關系圖。
【具體實施方式】
[0014]下面根據實施例對本實用新型作進一步詳細說明。
[0015]本實用新型主要包括探頭、電橋測試系統、數據采集及分析系統，所述探頭內部是雙螺旋結構，電阻值為1Ω-50Ω之間，電橋系統中探頭及其引線與電阻Rs相串聯，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值(Ro+RL)相近，且在測試過程中保持不變。電橋測試系統中電橋的供電電源應在(0-20) V范圍內調節，最大電流不超過1A。
[0016]將探頭放置于兩個樣品中間，形成類似三明治的結構，根據總測試時間及輸出功率，給探頭施加恒定直流電，探頭放熱后樣品內部產生動態溫度場，同時探頭表面產生溫升，此時探頭電阻增加，使電橋測試系統中原平衡電橋失衡，產生電位變化量。通過記錄測試期間不同時刻電參數的變化量，計算得出溫度增值隨時間變化的函數。通過對函數曲線的擬合和計算得出樣品的導熱系數和熱擴散系數，測試過程中電位計的滑動觸點不應調整。
【權利要求】
1.一種瞬態平面熱源法測試材料導熱系數的裝置，包括探頭、電橋測試系統、數據采集及分析系統，其特征在于，電橋測試系統中，探頭及其引線與電阻Rs相串聯，其中Rs電阻值與探頭及其引線的初始電阻值Ro+&相近，數字電壓表接于探頭與電阻Rs之間；探頭內部是雙螺旋結構，電阻值為1Ω-50Ω之間，由10 (±2) μ m厚的金屬薄片刻蝕而成，兩側由厚度為7 μ m-100 μ m的絕緣薄膜包裹,直徑D在4mm-100mm之間。
【文檔編號】G01N25/20GK203502367SQ201320384779
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月1日 優先權日:2013年7月1日
【發明者】任靜, 張金花, 段愷, 王永艷, 崔新陽, 朱劍飛 申請人:北京中建建筑科學研究院有限公司, 北京市建設工程質量第六檢測所有限公司
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