平行双线热源对称点测温的液体热物性装置及测量方法与流程

1.本发明涉及液体热物性测量装置及方法，具体涉及平行双线热源对称点测温的同时测量液体热导率和热扩散系数装置及方法。


背景技术：

2.液体热导率和热扩散系数是重要的热物理性质，是流体换热设备设计的关键基础数据。同时测量热导率和热扩散系数的方法都是基于瞬态热传导理论，其原理都是将被测液体置于特定的初始条件和加热激励的边界条件下，测定通过被测液体的热流量以及特征点或面上的温度或温度变化率，再根据在该边界条件下热传导方程的解析解或数值解计算出热导率和热扩散系数。
3.理论上测量固体材料的瞬态测量方法，包括正规工况平板法、准稳态圆管法、瞬态热线法、激光脉冲热源法以及由瞬态平面热源法都可以用来同时测量热导率和热扩散系数，但由于液体的流动性以及出于抑制自然对流方面的考虑，比较常用的是瞬态热线法及其改进的方法。瞬态热线法的基本原理为，热导率为λ、热扩散系数为a的无限大介质中，在单位长度发热功率为q
l
的恒功率线热源作用下，t时刻距离热线r处的介质温度为
[0004][0005]
其中当很小时，其近似解为
[0006][0007]
瞬态热线法的主要缺陷是要避开测量的初始温升阶段，在足够长的时间后才能满足近似解的要求，这将会导致过高的温升而引起流体的自然对流，而为了缩短测试时间，则要将测温点尽量靠近热源，常见的做法是将热线本身同时作为温度计，例如用通电铂丝作为线热源，同时利用铂丝的电阻与温度的关系来测量温度，这又将导致测量过程中加热器电阻的变化而偏离的恒功率热线的理论假设。
[0008]
因此，对于液体热物性测量而言，需要一种严格按照理论模型要求，无附加假设条件限制，又能在温升初始阶段完成测量的方法。


技术实现要素：

[0009]
发明目的：本发明的目的是，提供一种平行双线热源对称点测温的液体热物性装置及测量方法，能够按照严格的理论模型，实现液体热物性参数的快速测量。
[0010]
技术方案：本发明所述的平行双线热源对称点测温的液体热物性装置，包括第一电加热器(1)、第二电加热器(2)和一个温度传感器(3)。所述第一电加热器(1)和第二电加热器(2)均采用细长的几何形状，尺寸一致，电阻相同，平行布置在同一平面内；两个电加热器分别具有两根高电导率的引出电极(11)、(12)和(21)、(22)，其中第一电加热器(1)的引
出电极(12)与第二电加热器(2)的引出电极(21)之间通过高电导率的导体连接(4)连接，将第一电加热器(1)与第二电加热器(2)构成串联电加热器；第一电加热器(1)的引出电极(11)与第二电加热器(2)的引出电极(22)作为供电电源接入点。所述温度传感器(3)布置在第一电加热器(1)与第二电加热器(2)的形心，其引出电极(31)和(32)与两个加热器布置同一平面上，从两个加热器中间平行引出。所述第一电加热器(1)的引出电极(12)、第二电加热器(2)的引出电极(21)、高电导率的导体(4)、温度传感器(3)的引出电极(31)和(32)固定在转接pcb电路板(5)上，方便外部加热电源和测温仪表接入；所述第一电加热器(1)、第二电加热器(2)，温度传感器(3)和pcb电路板(5)一起固定在定位支架(6)上。
[0011]
一般而言，引出电极(31)和(32)与两个加热器布置同一平面上，从两个加热器中间平行引出。
[0012]
本发明提出的用所述热物性传感器测量液体热物性的方法是利用在平行双线热源作用瞬态热传导方程的理论解以及对称点温升速率的极值点，通过测量温升和温升速率，并根据温升速率极值点对应的时间和温升，直接计算出热扩散系数和热导率。
[0013]
为了使被测热物性与测量数据之间有明确的数学解析关系而无需标定及节约成本，所述第一电加热器(1)及其引出电极(11)和(12)、第二电加热器(2)及其引出电极(21)和(22)均为电阻对温度不敏感的漆包康铜丝或箔制成。所述温度传感器(3)及其引出电极(31)和(32)由k型热电偶丝在一端熔焊，另外一端直接引出。连接第一电加热器(1)的引出电极(12)与第二电加热器(2)引出电极(21)的高电导率导体(4)在pcb电路板(5)上的覆铜制成。所述pcb电路板(5)采用基材为玻纤的覆铜板制成。连接导体或铜镀银导线制作而成。所述传感器支架(6)采用低热导率的聚四氟乙烯机械加工成型。
[0014]
本发明所述的平行双线热源对称点测温的液体热物性传感器的测量方法，包括下列步骤：
[0015]
(a)将传感器的转接pcb电路板(5)以下部分垂直插入被测液体，静置20～30分钟以恢复热平衡，通过温度测量显示记录仪(8)记录被测试件的初始温度t0；
[0016]
(b)调整具有电流计量功能的可调加热电源(7)的输出电压以保证输出所需的加热功率为1.0～10.0w，对由第一加热器(1)和第二加热器(2)的串联加热器通电且保持电压不变，检测通过的电流i，则电加热功率p＝2i2r(r是每个加热器侵入液体部分的电阻)；加热同时开始计时，温度测量显示记录仪(8)每间隔δt检测各个时刻温度传感器(4)的温度ti；当达到总测量时长时，停止加热和温度测量。
[0017]
(c)从温度测量显示记录仪(8)中检索温度记录，找到前后两次温差δti＝t
i 1-ti最大的时刻，该时刻为特征时间tc，根据温度传感器与两个加热器之间的间距h、特征时间tc计算出热扩散系数
[0018]
(d)计算热导率其中，δtc＝t
c-t0，tc是温度传感器自开始，加热后前后两次测量温差达到最大值时所对应的时间，tc是与该时间相对应的传感器测量的温度，l是每个加热器的长度。
[0019]
有益效果：本发明所述的传感器结构简单，测量所依据的是加热初期温度场的理
论解，无附加的简化假设，方法和原理可靠、算法简单；能够实现液体热导率和热扩散系数的快速测量，制造成本低。
附图说明
[0020]
图1是本发明的结构示意图；
[0021]
图2是采用本发明测量液体热物性时的系统示意图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0023]
如图1-2所示，平行双线热源对称点测温的液体热物性传感器，包括第一电加热器(1)、第二电加热器(2)和一个温度传感器(3)。所述第一电加热器(1)和第二电加热器(2)均采用细长的几何形状，尺寸一致，电阻相同，平行布置在同一平面内；两个电加热器分别具有两根高电导率的引出电极(11)、(12)和(21)、(22)，其中第一电加热器(1)的引出电极(12)与第二电加热器(2)的引出电极(21)之间通过高电导率的导体连接(4)连接，将第一电加热器(1)与第二电加热器(2)构成串联电加热器；第一电加热器(1)的引出电极(11)与第二电加热器(2)的引出电极(22)作为供电电源接入点。所述温度传感器(3)布置在第一电加热器(1)与第二电加热器(2)的形心，其引出电极(31)和(32)与两个加热器布置同一平面上，从两个加热器中间平行引出。所述第一电加热器(1)的引出电极(12)、第二电加热器(2)的引出电极(21)、高电导率的导体(4)、温度传感器(3)的引出电极(31)和(32)固定在转接pcb电路板(5)上，方便外部加热电源和测温仪表接入；所述第一电加热器(1)、第二电加热器(2)，温度传感器(3)和pcb电路板(5)一起固定在定位支架(6)上。其中包括第一电加热器(1)、第二电加热器(2)的尺寸范围为直径在0.03mm～0.08mm之间，长度在40～80mm之间，半间距在5～10mm之间，电阻值在5.0～10.0ω之间；温度传感器(3)及其引出电极(31)和(32)的尺寸范围为直径在0.03mm～0.08mm之间；高电导率的导体连接(4)的宽度在3～5mm之间，厚度为0.1～0.2mm之间；pcb电路板(5)的基材厚度为1.2～1.6mm之间，外形宽度为10～20mm之间，长度在80～120mm之间；定位支架(6)的高度在100～120mm之间，宽度在80～100mm之间，厚度在3～5mm之间。
[0024]
在使用本发明的装置测量过程中，将本发明的将传感器的转接pcb电路板(5)以下部分垂直插入被测液体中，用将固定pcb电路板(5)上的第一电加热器(1)的引出电极(11)与第二电加热器(2)的引出电极(22)用导线与具有电流计量功能的可调压加热电源(7)连接，构成电加热计量回路；将固定pcb电路板(5)上的温度传感器(3)的引出电极(31)和(32)用k型热电偶丝与温度测量显示记录仪(8)相连，构成测温回路。
[0025]
其中，所述第一电加热器(1)及其引出电极(11)和(12)、第二电加热器(2)及其引出电极(21)和(22)均为电阻对温度不敏感的漆包康铜丝制成。所述温度传感器(3)及其引出电极(31)和(32)由k型热电偶丝在一端熔焊，另外一端直接引出。连接第一电加热器(1)的引出电极(12)与第二电加热器(2)引出电极(21)的高电导率导体(4)在pcb电路板(5)上的覆铜制成。所述pcb电路板(5)采用基材为玻纤的覆铜板制成。连接导体或铜镀银导线制作而成。所述传感器支架(6)采用低热导率的聚四氟乙烯机械加工成型。
[0026]
在测试时，可调压直流电源(7)可以采用精密直流稳压电源，如owon的pld-3603
m-1
k-1
；tc是两根热线加热器中心点处自开始加热后温升速率达到最大值时所对应的时间，单位为s；p是线热源加热器的功率，单位为w；i是通过线热源加热器的电流，单位为a；r是每个热线的电阻，单位为m。r是每个热线的电阻，单位为ω；h和l分别是两根热线半间距和热线的长度，单位为m。
[0039]
本发明是基于以上原理的测量热导率和热扩散系数的，测试的方法具体包括下列步骤：
[0040]
(a)将传感器的转接pcb电路板(5)以下部分垂直插入被测液体，静置20～30分钟以恢复热平衡，通过温度测量显示记录仪(8)记录被测试件的初始温度t0；
[0041]
(b)调整具有电流计量功能的可调加热电源(7)的输出电压以保证输出所需的加热功率为1.0～10.0w，对由第一加热器(1)和第二加热器(2)的串联加热器通电且保持电压不变，检测通过的电流i，则电加热功率p＝2i2r；加热同时开始计时，温度测量显示记录仪(8)每间隔δt检测各个时刻温度传感器(4)的温度ti；当达到总测量时长时，停止加热和温度测量。
[0042]
(c)从温度测量显示记录仪(8)中检索温度记录，找到前后两次温差δti＝t
i 1-ti最大的时刻，该时刻为特征时间tc，根据温度传感器与两个加热器之间的间距h、特征时间tc计算出热扩散系数
[0043]
(d)计算热导率其中，δtc＝t
c-t0，tc是温度传感器自开始，加热后前后两次测量温差达到最大值时所对应的时间，tc是与该时间相对应的传感器测量的温度，l是每个加热器的长度。