[发明专利]一种材料导热系数的测量装置以及测量方法

说明书

技术领域：

本发明涉及测定材料导热系数领域，具体涉及一种测量材料导热系统的装置，同时还涉及一种基于该装置进行测量导热系统的测量方法。

背景技术：

导热系数反映了物质传导热量的能力，与传热过程密切相关，是物质非常重要的热物理性能参数，也是进行绝热设计和分析计算不可或缺的关键参数；在能源、化工、制冷、生物、食品等行业有着广泛的应用。

导热系数的测量方法一般可分为稳态法和非稳态法两大类，稳态法指的是在试样达到热稳定后，通过测量流过试样的热量、温度梯度等由傅立叶定律确定试样材料的导热系数，其分析的出发点是稳态的导热微分方程，其特点是实验公式简单，实验时间长，测试中需要大尺寸的试样，需要测量导热量(直接或间接)和若干点的温度。

非稳态法指的是实验测量过程中试样温度随时间变化，其分析的出发点是不稳态导热微分方程。测量原理是对处于热平衡状态的试样施加某种热干扰，同时测量试样对热干扰的响应(温度随时间的变化)，然后根据响应曲线确定试样材料导热系数的数值。对于非稳态测定方法，热线法应用较为广泛，但是在实际应用中，由于热丝的直径极小，很难直接插入有一定硬度的样品材料内，限制了热丝法的应用。

中国专利CN 101320007A公开了一种基于线热源原理的探针法材料导热系数测量装置，该装置包括探针、微机处理系统和稳压电源，其中探针包括电加热丝、探针管和热电偶，热电偶和加热丝置于探针管的内部，插入被测材料测量材料的探针将温度电势信号送入微机处理系统内，进行处理、变换和显示；稳压电源给电加热丝提供恒定电压使加热功率恒定，其电压范围值由微机处理系统控制。该技术方案是通过测量随时间变化的探针温升和加热功率来得到所测材料的导热系数。测试中，要求使用热电偶进行测温，热电偶的测温点布置在探针管中间的小孔内，增加了制作难度，且使用中容易出现接触不良等故障，不利于数据的稳定性和准确性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于非稳态法的测量材料导热系数的装置，用于解决现有测量装置样品需要量大、测试范围小以及测试精度低等问题。

本发明的另一个目的在于提供一种测量材料导热系数的方法，该测量方法基于上述测量装置实施，用于解决现有测量方法测试时间长以及操作步骤复杂等问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种材料导热系数的测量装置，该装置包括探针、稳压电源、计算机处理系统；所述测量装置还包括惠斯登电桥和数据测试采集系统，所述探针用于加热和测温，插入待测材料样品中，所述稳压电源通过惠斯登电桥对热探针施以稳压电源，所述数据测试采集系统采集惠斯登电桥的输出电压差，并经放大转换后传输至计算机处理系统，所述计算机处理系统根据接收的数值信号计算得到待测材料样品的导热系数。

所述探针包括漆包铜丝和探针管，所述漆包铜丝涂有绝缘层，并均匀布满于探针管内部，中间填充绝缘的导热硅脂，所述探针管的管头和管尾用环氧树脂胶密封。

所述惠斯登电桥包括三个可调电阻箱。

一种材料导热系统的测量方法，该测量方法基于上测量装置实施，其包括如下步骤：

(1)在恒温箱中放入已知导热系数的物质，将探针插入，并恒温到所需测试的温度；

(2)调节稳压电源的输出电压和惠斯登电桥中电阻箱的阻值，控制电路输出电压信号到预定值；

(3)闭合电路，对探针进行加热一段时间后断开电路，采集惠斯登电桥的输出电压差与加热时间的变化量，对采集的输出电位差与时间的对数进行线性时段拟合处理，按相关度最大的原则，得到输出电压差随时间自然对数的线性变化关系；

(4)根据步骤(3)得到的输出电压差随时间自然对数的线性变化关系计算得到探针的仪器常数；

(5)将待测物质按照步骤(1)至步骤(3)进行测试，得到相应的输出电压差随时间自然对数的线性变化关系，再根据步骤(4)得到的仪器常数值，求得待测物质的导热系数。

所述步骤(2)中稳压电源的输出电压为2-8V，所述电路输出电压信号＜10^-5V。

所述步骤(3)中对探针进行加热时间为20-40S，并以0.5秒每点的速度采集惠斯登电桥的输出电压差与加热时间的变化量。

为了进一步提高测量方法的精度，所述步骤(4)可进行多次测量，得到多组数值，并以多组数值的均值为探针的仪器常数。再进行多次测量时，每次测量的时间间隔为5min以上。