CN102288642B - 混凝土热扩散率测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，在恒温循环水供给装置中有大、小功率电加热器[27]和小功率电制冷器[26]各一套，其中大功率电加热器的加热功率大于在5min以内使循环水升温至恒温热扩散环境温度所需要的热量；小功率电加热(制冷)器连接温度控制装置中的功率控制机构[F11、F21]；恒温循环水供给装置对环境水温的控制误差小于测定装置的最小允许起始温差的1％。与现有技术相比，本发明可以快速提升环境水温而实现多温段测定；可以在低于装置环境温度的热扩散环境温度点进行测定，实现全温段测定。同时提高了环境水温的控制精度，从而虽然缩小了起始温差仍能达到测定标准所要求的测定误差最小值。

Description

混凝土热扩散率测定装置

技术领域

本发明涉及的是一种混凝土热扩散率测定装置。

背景技术

目前公开的混凝土热扩散率的测定方法有两种，分别是由中华人民共和国水利行业标准《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）规定的测定方法（简称为SL352法）和由公开号为CN101915776的中国发明专利申请“混凝土热扩散率的测定方法及试验装置”公开并载入中华人民共和国建筑行业产品标准《混凝土热物理参数测定仪》（JG/T329-2011）的测定方法（简称为BYR法）。它们分别是在同温体试件外营造一个温度更低或更高的恒温水环境，使同温体试件自中心向表面形成一个稳定的正向或逆向的热扩散过程，从而通过对该热扩散过程中试件中心的温度差-时间关系的测定并对测定结果进行处理后计算出热扩散率。所说同温体试件是将试件置于某一环境温度下经热扩散的作用使其中心温度与表面温度（与其所处环境温度相同）趋同时形成的，此时其中心温度和表面温度接近，并分别是试件中温度场分布的两个极限值。测定时试件所处的环境水温所要控制达到的恒温温度称作热扩散环境温度，同温体试件的温度与热扩散环境温度的差值为该测定的初始温差。

为配合所提供的测定方法，发明专利申请CN101915776还提出了相应的测定装置，该“测定装置中有试验桶、恒温循环水槽和温度测控***，其中同温体试件制装置是其中介质温度为30℃以下的腔室或水槽；恒温循环水槽是为实现测定环境的热恒温循环水槽，试验桶与热恒温循环水槽之间通过水管和水泵连接成水循环***；所说温度测控***包括水循环***中安装的测定环境温度传感器和与电加热器、测定环境温度传感器电信号连接的恒温控制电路，还包括试件中心埋设的温度传感器与试件中心温度传感器电信号连接的温度-时间记录装置。”

发明专利申请CN101915776所公开的方法和装置的主要优点是克服传统测定方法（SL352方法）因高温同温体试件在较低温度的恒温环境温度进行热扩散测定而所要采用的恒温循环水的测定装置的实现受制于制冷方式对恒温热扩散温度的误差控制所存在的诸多不足以实现节能、节水、省时、提高测量精度和降低成本等目标。

研究表明，在不同恒温温度下的热扩散过程中，混凝土的热扩散率有所不同。同时，在一定温度范围内（10℃～70℃）的热扩散过程中热扩散率与温度可呈现较好的线性关系。因此对于需要获得较高精度的热扩散率时，就需要在不同恒温温度下、多次进行热扩散过程的测定以获得混凝土应用温度段（通常为10℃～70℃）的热扩散率特性，如在15℃、30℃、45℃、60℃4个温度点、每个温度点重复进行3次测定。

但由于现有两种测定方法，即SL352法和BYR法都要求被测试件保持足够大的起止温差，即同温体试件的温度和测定时恒温环境的温度之间的差值要足够大，以保证测定结果的准确性。这是因为，温差θ的误差Δθ所引起的被测混凝土的热扩散率的相对误差Δα/α为：

$\frac{\mathrm{\Δa}}{\mathrm{\α}}\≈\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\θ}},$

即：测量结果的相对误差由Δθ/θ决定。由于：⑴试件中心温差θ随时间减小，在Δθ不变的前提下，测定结果的最大相对误差的由测定终止时温差所决定；⑵根据测定方法的测量原理，对于同一试件，其从同温体试件放入恒温热扩散环境起到形成稳定热扩散状态所需的时间相同，而与试验温差无关；而对于满足测定方法所需的稳定热扩散状态的（最短）持续时间也基本相同；⑶测定结果的计算涉及中心温差的自然对数曲线在稳定热扩散状态下形成的直线段的斜率的计算，必须有一定的持续时间才能保证其足够的计算精度；⑷而对于相同的持续时间其试验的终止温差与试验的起始温差成近似正比关系。因此，若保持现有技术所确定的热扩散测定装置的温度测量误差值和恒温热扩散阶段水温控制误差值，则缩小测量的起始温差，将降低测定结果的测量精度。

所以现有两种测定方法的试验起始温度差都要求在30℃以上。并且，由于上述现有的两种测定方法对同温体试件的温度状态要求试件中心温度与表面等都相同，即在现有技术的温度测量误差下的温度测量值相同，而一次测定的终止条件是其试件的中心与试件表面的温差为3℃～6℃，因此某次测定试验终止时试件的状态并不满足该两种测定方法的同温体试件的状态条件。这样按照现有的两种测定方法和测定装置难以在对一个恒温热扩散温度的测定试验结束后立即开始进行另一个恒温温度的测定而实现同一次连续试验中进行多个恒温热扩散环境温度的测定，而只能是分别在不同的环境温度下进行多次试验测定，并且还不能包含热扩散温度在30℃～50℃温度段的测定。

针对上述两种方法存在的不足，舟山市博远科技开发有限公司（中国浙江）提出了一种要点为“所用同温体试件的初始条件为试件中心与试件表面形成温度差小于5℃的均匀分布的稳定温度梯度场，测定时控制环境水温相对热扩散环境温度的误差小于测定装置的最小允许起始温差的1%，结束当前段测定的终止条件为试件中心与热扩散环境温度的温差小于0.1θ₀～0.2θ₀（θ₀为本次测定的初始温差），该状态并为后续段测定的同温体试件条件，每个温度段试验中所说环境水温按快速进入、稳定热扩散形成、稳定热扩散三个阶段进行控制。”的“混凝土热扩散率多温段测定方法”。该方法用放宽同温体试件的形成条件和提高环境温度的控制精度实现了测定相对误差不变的条件下实现更小起始温差和连续多温度段的测定。

但该方法中，在做较低温度（指热扩散环境温度低于装置环境温度）下的热扩散率测定时，要运用SL352法。而使用SL352法做低温段测定则由于制冷效率限制，两端温度相同时降温比升温耗能更高，其降温和控温需比制热方式更大的能量消耗；由于制冷响应速度限制，获得相同的恒温精度需要比制热方式更多的循环水量，而多的循环水量将更加大制冷的能耗；并且制冷恒温控制***的实现要大大高于制热方式的实现成本。

而如果仅采用BYR法来在全部温度范围内的任何一个点上测定热扩散率则将受最低温度限制。这是由于BYR法采用加热恒温控制方式，即通过控制加热功率等量补偿循环水在测定过程中散失的热能而实现恒温控制，只有在试验装置所处的环境温度低于恒温热扩散温度时，温度控制装置才能通过加热的办法来维持环境水温保持在热扩散温度的要求范围内。更何况循环水的流动也要导致升温，这个升温须由试验装置对环境的散热来抵消，才能实现恒温控制，而如果测定装置所处环境的温度高于或等于热扩散温度，则测定时的环境水温无法维持所要求的恒温水平。也就是说采用发明专利申请CN101915776中所提出的测定装置无法测定比环境温度更低的温度区域的热扩散率。

总之，现有技术中的混凝土热扩散率测定装置，如不结合SL352法，将不能实现全温段，即在混凝土适用温度的全部范围内（10℃～70℃）不同恒温温度下、连续多次进行热扩散率的测定；而结合SL352法实现将不能避免该方法存在的消耗大、实现成本昂贵的不足。。

发明内容

针对上述不足，本发明所要解决的技术问题是如何设计混凝土热扩散率测定装置中的恒温循环水供给装置，从而提供一种在保持BYR法节能、节水优势的同时可以在结束一个热扩散环境温度下的测定后迅速使循环水达到一个更高的热扩散环境温度和可以维持循环水的热扩散环境温度恒定在装置的环境温度以下的混凝土热扩散率测定装置以实现全温段的热扩散率测定。

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，测定装置中有试验桶、恒温循环水供给装置、温度测控与运行控制***；所说试验桶是放置被测试件并使试件表面形成循环水包裹的恒温热扩散环境的容器；所说恒温循环水供给装置是向试验桶提供测试过程所需的恒温循环水的装置，有安装有电致热交换装置的循环水槽和循环水泵，恒温循环水供给装置连接有温度测控与运行控制***；所说的温度测控与运行控制***是包括埋设在试件中心的温度传感器、设置于试验桶中的环境水温传感器、安装在试验桶出水口的循环水温传感器、安装在循环水槽内的水槽水温传感器、包含温度-时间记录装置、温度控制装置和水循环控制装置的计算机的计算机控制***；各温度传感器连接在计算机的温度信号输入端，计算机的温度控制信号输出端经温度控制装置与电致热交换装置连接，计算机的运行控制信号经水循环控制装置与循环水泵连接，水循环控制装置是一个由计算机发出的水泵启动与停止指令控制的开关；其中各传感器为计算机控制***的数据输入装置，温度-时间记录装置为计算机控制***的存储器的一部分，温度控制装置、水循环控制装置为计算机控制***的执行机构，计算机控制***中还有人工数据输入装置用以人工输入预定的恒温热扩散环境温度；

所说恒温循环水供给装置中的电致热交换装置由一套大功率电加热器、一套小功率电加热器和一套小功率电制冷器组成，其中大功率电加热器连接温度控制装置中的开关机构，其加热功率大于在5min以内使循环水升温至恒温热扩散环境温度所需要的热量；小功率电加热器和小功率电制冷器连接温度控制装置中的功率控制机构，小功率电加热器的最大加热功率大于测定过程中试件最大吸热功率、循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率之和，小功率电制冷器的最大制冷功率大于测定过程中循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率、循环水流动的动能转换成热能的放热功率之和；恒温循环水供给装置对试验桶内循环水的温度控制误差小于测定装置的最小允许起始温差的1%，开关机构的灵敏度在测定装置的最小允许起始温差的0.3。℃

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，可以对环境水温按如下方案进行控制而满足作多温段或全温段下的混凝土热扩散率的测定：⑴当同温体试件从一个环境水温向另一个更高温度的环境水温转换时，也就是在多温段测定中当前段测定开始时，开启大功率电加热器对循环水进行加热，使环境水温在5min以内达到当前恒温热扩散温度（误差±0.3℃）后关闭；随后开启恒温控制***，控制小功率电加热器的功率使循环水温保持在当前恒温热扩散温度±0.3℃以内，并在15min内使恒温控制误差小于测定装置的最小允许起始温差的1%。⑵当由于试验装置所处的环境温度较高，试件的吸热功率、循环水与试验装置环境的热交换功率和循环水流动的动能转换成热能的功率之和为正值或接近正值，通过调节加热功率的方法将无法实现循环水的恒温温度的控制时，同时开启制冷装置并控制其制冷功率保持一定值，使试件的吸热功率、循环水与试验装置环境的热交换功率、循环水动能转换成热能的功率和制冷装置的制冷功率之和为一定的负值，以可通过控制小功率电加热器制热功率的方法实现循环水的恒温控制。

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，在恒温循环水供给装置中有大功率电加热器，且大功率电加热器的功率足以使试验桶在5min内从一个热扩散温度达到另一个热扩散温度，从而可以执行多温段的混凝土热扩散率测定。还有最大功率为能弥补测定装置工作时所有使循环水温度下降的因素的小功率电加热器，和最大功率为能弥补测定装置工作时所有使循环水温度上升的因素的小功率电制冷器，且小功率电加热器和小功率电制冷器连接在温度控制装置上使其能调节加热或制冷功率来控制水温误差在测定装置的最小允许起始温差的1%以内而保证测定误差在允许范围内。与现有技术相比，本发明装置可以快速提升环境水温而实现一个试件、一次试验进行连续多温段测定的目的；可以从冷热两端向热扩散环境温度调整环境水温而在低于装置环境温度的热扩散环境温度点进行测定，实现全温段测定的目的。同时提高了环境水温的控制精度，从而虽然缩小了起始温差仍能达到测定标准所要求的测定误差最小值。

另外，本发明提供的混凝土热扩散率测定装置中安装的小功率电制冷器，还用于制作低温同温体试件，以满足在较低温度段测定热扩散率所要求的起始温差。操作时，将试件放入试验装置后，启动恒温循环水槽中的电制冷器，将试件温度降低至所要求的低温时保持循环水温度，待满足同温体试件形成条件即当环境水温与试件中心温度的温差小于5℃或当前段测定的初始温差的0.1～0.2倍时完成。由于制作同温体试件没有时间上的限定，因此最大制冷功率大于循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率、循环水流动的动能转换成热能的功率之和的小功率电制冷器可以实现试件的降温过程。如热扩散恒温温度为15℃的BYR法测定试验，对于恒温控制误差0.1℃的测定装置，其起始温差要求约为10℃，测定装置用小功率电制冷器将试件环境温度降至4℃并保持，到试件中心温度小于5℃后即可开始该温度段的热扩散率测定。

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，所说小功率电制冷器的最大功率为300W以下。这是由于小功率电制冷器的最大制冷功率只需大于循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率、循环水流动的动能转换成热能的功率之和，因此该小功率电制冷器的制冷功率是可以很小的，从而可选用已实现大批量、高品质工业化生产的低成本的小功率变频制冷***产品实现应用，与现有技术相比大大降低了测定装置的生产、维护等综合成本。

所说测定装置在试验状态下所用恒温循环水的总体积是试验桶容积与标准试件体积之差的2倍以内，以使温度控制所用的能源尽可能的少。此时，大功率电加热器、小功率电加热器是串联的管道电热器，小功率电制冷器的蒸发管覆盖在管道电热器管壁外，蒸发管外包裹绝热层。另一种方案，大功率电加热器是由多个小功率电加热器组成的，温度控制用的小功率电加热器是其中之一。小功率电制冷器的另一个安装位置是将蒸发管置于试验桶内的同温体试件下方。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构简图，图中：1-试验桶，2-恒温水体，3-循环水注水管（循环水槽出水管），4-循环水出水管（循环水槽进水管），5-循环水槽，6-小功率电制冷器，7-小功率电加热器，8-大功率电加热器，9、10-循环水泵，11-试件，a-试件中心温度传感器，b-测定环境水温传感器，c-循环水温传感器，d-循环水槽温度传感器，F1-变频器、F2-功率控制器，J-继电器，J-1-开关（J的触点），P-计算机；

图2为本发明另一实施例的结构简图，图中：21-试验桶，22-恒温水体，23-循环水注水管（热交换室出水管），25-热交换室，26-电致冷装置，27-电致热装置，29-循环水泵，31-试件，a1-试件中心温度传感器，b1-测定环境水温传感器，c1-循环水温传感器，F11-变频器、F21-功率控制器，J1-继电器，J1-1-开关（J1的触点），P1-计算机。

具体实施方式

例1、一混凝土热扩散率测定装置，如图1所示，包括试验桶1、恒温循环水供给装置、温度测控与运行控制***。工作时试验桶内放置同温体试件11，试验桶内有淹过试件顶5cm的恒温水体2，恒温水体是由恒温循环水供给装置提供的。恒温循环水供给装置包括安装有电致热交换装置的循环水槽5，循环水槽经循环水注水管（循环水槽出水管）3、循环水出水管（循环水槽进水管）4和循环水泵9、10构成水循环***。所说电致热交换装置，是以电为能源的与循环水进行热交换的装置，包括电加热器和电制冷器。安装在循环水槽内的电致热交换装置包括大、小功率电加热器各一套和一套小功率电制冷器。其中大功率电加热器8连接温度控制装置中的开关机构，其加热功率大于在5min以内使循环水升温至恒温热扩散环境温度所需要的热量；小功率电加热器7和小功率电制冷器6连接温度控制装置中的功率控制机构。小功率电加热器的最大加热功率大于测定过程中试件最大吸热功率、循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率之和，小功率电制冷器的最大制冷功率大于测定过程中循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率、循环水流动的动能转换成热能的放热功率之和。

恒温循环水供给装置连接有温度测控与运行控制***；所说的温度测控与运行控制***是由埋设在试件中心的温度传感器a、设置于试验桶中的环境水温传感器b、安装在试验桶出水口的循环水温传感器c、安装在循环水槽内的水槽水温传感器d；包含温度-时间记录装置、温度控制装置、水循环控制装置的计算机P，各温度传感器连接在计算机的温度信号输入端，计算机的温度控制信号输出端经温度控制装置与电致热交换装置连接，小功率电加热器经功率控制器F2、小功率电制冷器经变频器F1与计算机连接，功率控制器由温度控制信号控制调节输出功率；计算机的运行控制信号经水循环控制装置与循环水泵连接，水循环控制装置是一个由计算机发出的水泵启动与停止指令控制的开关；大功率电加热器经开关J1-1与电源连接，开关是一继电器J1的触点，而继电器的工作触发信号源中，导通信号源自运行控制信号，截止信号源自温度控制信号，即大功率电加热器的开始于测定（总的测定开始或本温度段测定）开始，结束于环境水温达到热扩散环境温度±0.3；传感器、计算机及各控制装置构成计算机控制***。计算机配置有触摸显示屏，支持人工数据输入。温度传感器、计算机运算过程及温度控制装置、电致热交换装置等的总温度测控误差小于测定装置的最小允许起始温差的1%。大功率电加热器的开关机构的灵敏度在测定装置的最小允许起始温差的0.3℃。

例2、另一混凝土热扩散率测定装置，有试验桶21，试验桶内的恒温水体22中放置同温体试件31，同温体试件内埋设有试件中心温度传感器a1，恒温水体中则设有测定环境水温传感器b1。试验桶内的试件上方及试验桶底的中轴线位置各有注水口及排水口，注水口与排水口之间以循环水水管23和循环水泵29连接，循环水管内设置有循环水温传感器c1。循环水水管上有一段直径较大为热交换室25，热交换室内安装有多个小功率电加热器构成的电加热器27，该电加热器以不同的抽头连接成大小功率电加热器。试验桶底的排水口与试件底部之间安装有小功率电制冷器26（的蒸发管）。恒温循环水的总体积10.0L，试验桶内恒温水体积5.5L，大功率电加热器功率5kW，小功率电加热器功率0.5kW，小功率电制冷器250W。

装置的控制***，有一计算机P1，三处温度传感器接入计算机，有一继电器J1，其一常开触点J1-1为大功率电加热器的开关，小功率电加热器的电源线上安装有功率控制器F21、小功率电制冷器的电源线上安装有变频器F21。继电器、功率控制器、变频器的控制端分别连接计算机。控制过程及控制精度同上例。

例3、同例2，其中小功率电制冷器采用半导体制冷元件贴装在热交换室壁外，采用功率控制器控制制冷功率。

本发明提供的混凝土热扩散率测定装置，比采用循环水SL352方法测定装置更小功率的辅助制冷***（小功率电制冷器）实现用BYR法连续测定多温度段或/和全温度段的混凝土热扩散率。避免了采用SL352法测定将遇到的受制于制冷方式对恒温热扩散温度的误差控制所存在的诸多不足。其恒温控制实现方式为：

当测定恒温温度低于BYR法能实现的最低温度时，由制冷***实现初调：即调节制冷功率，使循环水温度稍低于恒温目标温度；在此基础上由制热温度控制***进行微调，从而实现精确调节。

当测定恒温温度高于BYR法能实现的最低温度时，关闭制冷***，由制热***实现精确恒度控制。

另外，在测定开始前，由于没有时间限定，因此可以只需要采用很小的制冷功率经缓慢降温而实现制作低温的同温体试件的目的，进而进行低温段的测定。

例如首先制作低温等温体试件，降温到中心温度8℃以下开始。第一个恒温温度为20℃，步骤如下：

1、开启小功率电制冷器，把试件温度下降到5℃～7℃，等待同温体条件出现后关闭小功率电制冷器。

2、开启大功率电加热器使环境水温快速提高到20℃，关闭大功率电加热器、开启小功率电加热器进入恒温控制。

3、恒温控制时同时开启小功率电制冷器，实施制冷粗调，制热精调。调整细节如下：

a、根据温差确定一个粗调的制冷的量并保持，然后在此基础上用制热实现高精度温控。

b、然后，当试件温度继续升高时，再逐步（也可以分级）下调粗调的制冷量，以实现最小能耗。最小能耗就是，尽量较小制冷-制热的抵消量。

Claims (6)

1.一种混凝土热扩散率测定装置，测定装置中有试验桶、恒温循环水供给装置、温度测控与运行控制***；所说试验桶是放置被测试件并使试件表面形成循环水包裹的恒温热扩散环境的容器；所说恒温循环水供给装置是向试验桶提供测试过程所需的恒温循环水的装置，有安装有电致热交换装置的循环水槽和循环水泵，恒温循环水供给装置连接有温度测控与运行控制***；所说的温度测控与运行控制***是包括埋设在试件中心的温度传感器、设置于试验桶中的环境水温传感器、安装在试验桶出水口的循环水温传感器、安装在循环水槽内的水槽水温传感器、包含温度-时间记录装置、温度控制装置和水循环控制装置的计算机的计算机控制***；各温度传感器连接在计算机的温度信号输入端，计算机的温度控制信号输出端经温度控制装置与电致热交换装置连接，计算机的运行控制信号经水循环控制装置与循环水泵连接，水循环控制装置是一个由计算机发出的水泵启动与停止指令控制的开关；其中各传感器为计算机控制***的数据输入装置，温度-时间记录装置为计算机控制***的存储器的一部分，温度控制装置、水循环控制装置为计算机控制***的执行机构，计算机控制***中还有人工数据输入装置用以人工输入预定的恒温热扩散环境温度；

其特征是所说恒温循环水供给装置中的电致热交换装置由大功率与小功率两套电加热器和一套小功率电制冷器组成，其中大功率电加热器连接温度控制装置中的开关机构，其加热功率大于在5min以内使循环水升温至恒温热扩散环境温度所需要的热量；小功率电加热器和小功率电制冷器连接温度控制装置中的功率控制机构，小功率电加热器的最大加热功率大于测定过程中试件最大吸热功率、循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率之和，小功率电制冷器的最大制冷功率大于测定过程中循环水对装置及环境的热交换的最大放热功率、循环水流动的动能转换成热能的放热功率之和；恒温循环水供给装置对试验桶内循环水的温度控制误差小于测定装置的最小允许起始温差的1%，开关机构的灵敏度在测定装置的最小允许起始温差的0.3℃。

2.如权利要求1所述的混凝土热扩散率测定装置，其特征是大功率电加热器是由多个小功率电加热器组成的，温度控制用的小功率电加热器是其中之一。

3.如权利要求1所述的混凝土热扩散率测定装置，其特征是小功率电制冷器的蒸发管置于试验桶内的同温体试件下方。

4.如权利要求1或3所述的混凝土热扩散率测定装置，其特征是所说小功率电制冷器的最大功率为300W以下。

5.如权利要求1所述的混凝土热扩散率测定装置，其特征是工作状态下所用恒温循环水的总体积是试验桶容积与标准试件体积之差的2倍以内。

6.如权利要求5所述的混凝土热扩散率测定装置，其特征是大功率电加热器、小功率电加热器是串联的管道电热器，小功率电制冷器的蒸发管覆盖在管道电热器管壁外，蒸发管外包裹绝热层。

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