CN111487282A - 一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置及方法，包括热激励侧探头、绝热边界侧探头、变压控制器、数据采集装置和计算机数据处理***；热激励侧探头包括测温发热薄片、温度传感器、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片等；绝热边界侧探头包括绝热边界侧热流探头、绝热边界侧发热薄片等；变压控制器设置有主控制器、热流数据处理&变压供电模块、电源等结构；可实现远程长期异质含量监测。本发明提供两种探头布置形式：(1)热激励侧探头与绝热边界侧探头对应布置在被测材料两侧；(2)两个热激励侧探头对称的布置在被测材料两侧。所述热激励侧探头、绝热边界侧探头外部形状为薄片状，由于为多层结构紧密贴合，具有一定的刚度，不易变形。与目前的平面热源非稳态导热法相比，由于使用在被测材料的边界处进行热流量补偿控制、布置对称热源的方法，创造了绝热边界，对被测材料的厚度要求大幅度降低。
Description
技术领域
本发明属于材料检测分析领域，涉及一种基于平面热源非稳态导热原理测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置及方法。
背景技术
多孔材料中异质成分的侵入会改变材料本身的特性，使其保温消声性能大幅下降，并诱发霉变、腐蚀等现象，进而导致其使用寿命缩短。所以多孔材料中异质含量的测量是一项极其必要的手段和技术。材料异质含量的测量，尤其是材料含水量的测量方法及相关研究较多，但都存在一定理论上和使用上的局限性。现有测量方法一般为通过测定其它与多孔材料中异质成分含量有着某种对应关系的物理量来计算出被测材料中的异质含量，根据测量原理不同，可以分为电学法、热学法、射线法等。由于热学法有着简便、廉价、对水分中含盐量不敏感等特性，而被广泛研究。热学法依据测量距离被布置于被测材料中的线状或柱状热源某一固定位置处的温度动态响应信号，计算出被测材料中的异质含量。
目前的研究多为使用基于热学法的热脉冲法以及热盘法测量多孔材料异质含量。热脉冲法根据线热源瞬时作用在无限大均匀介质的温度场分析解，使用温度传感器获取的最大温升推算体积热容数值，进而得到异质含量。热盘法根据对双螺旋排列的线热源在平面内以恒定功率作用在无限大均匀介质的温度场分析解，使用线热源电阻阻值变化获取其温度变化推算体积热容数值，进而得到异质含量。以上两种方法由于理论公式均使用了无限大均匀介质假设，只能在被测材料外形尺寸足够大、边界不存在散热的条件下使用，故限制了其实际使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置及方法，解决现有技术中异质测量设备易受被测材料厚度以及测量环境影响、发热量大、不可长期布置于被测材料内进行测量等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，包括两种布置形式：
第一种布置形式包括热激励侧探头、绝热边界侧探头、变压控制器、数据采集装置和计算机数据处理***；第二种布置形式包括两套热激励侧探头、变压控制器、数据采集装置和计算机数据处理***；
在第一种布置形式中所述热激励侧探头、绝热边界侧探头分别布置在被测多孔材料两侧，两者中心位置保持一致，沿被测材料厚度方向的投影重合。在第二种布置形式中两个相同的热激励侧探头对称的布置在被测材料两侧，沿被测材料厚度方向的投影重合。
所述热激励侧探头包括测温发热薄片、温度传感器、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片、电源等构成。温度传感器、测温发热薄片、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片依序紧密贴合形成热激励侧探头主体部分。
所述绝热边界侧探头包括绝热边界侧热流探头、绝热边界侧发热薄片、电源等。绝热边界侧热流探头与绝热边界侧发热薄片紧密贴合形成绝热边界侧探头主体部分。
所述变压控制器设置有主控制器、热流数据处理&变压供电模块、电源等结构。主控制器直接与电源和热流数据处理&变压供电模块相连。热流数据处理&变压供电模块处理由热激励侧热流探头、绝热边界侧热流探头传入的热流信号，并将其传入主控制器。主控制器经由热流数据处理&变压供电模块传出控制热激励侧发热薄片、绝热边界侧发热薄片发热功率的控制信号。
主控制器用于控制热激励发热薄片以及绝热边界侧发热薄片的供电电压，使得由热激励侧以及绝热边界侧热流探头的热流值为零。热流数据处理&变压供电模块根据主控制器指令，控制热激励侧发热薄片、绝热边界侧发热薄片的供电电压；热流数据处理&变压供电模块处理热流探头的传入信号，并将处理后的信号反馈至主控制器。
所述热激励侧探头通过调节热激励侧发热薄片的发热量，维持热流探头所测的热流值为零。测温发热薄片以恒定功率发热，发热量全部传至被测材料中。
所述绝热边界侧探头通过调节绝热边界侧发热薄片的发热量，维持流经绝热边界侧热流探头的热流值为零，使得此处被测材料边界绝热。
所述热激励侧探头与绝热边界侧探头形状一致呈片状且有一定刚度，与被测多孔材料边界紧密贴合。
所述温度传感器为热电偶或热电阻。为获得测温端发热薄片表面平均温度，可在发热薄片上布置一个或多个温度传感器。
使用该装置测量异质含量包括以下步骤：
a、测量被测材料厚度δ；
b、将该装置布置在被测材料两侧；
c、待被测材料中温度场分布稳定后，接通加热电路，启动变压控制器与数据采集装置；
d、温度传感器检测测温发热薄片表面温升，数据采集装置记录此温升并将测量结果传入计算机；
e、计算机求解温升随时间的变化率，当此变化率稳定后结束测量并记录此变化率，关闭加热电路、变压控制器以及数据采集装置；
f、利用所记录的温升变化率计算热物性参数并解算得到异质含量。
与现有的非稳态热学法测量材料中异质含量方法和装置相比，本发明的有益效果为：
1.传感器探头可长期布置在被测材料处，直接附着于被测材料的表面，不会对被测材料造成任何破坏，实现远程在线监测；
2.通过控制补偿端发热薄片的发热量，制造绝热边界，可以对厚度较薄的板状材料进行准确测量；
3.热激励侧探头、绝热边界侧探头都为多层结构，不易变形，有利于减小使用过程中发热薄片与温度传感器距离变化或探头外形变化所造成的误差。
4.基于温升速率而非温度位值来解算异质含量的计算方法，可以排除接触热阻对测试的干扰可实现长期远程在线的异质含量监测，测量方法简单快速。
本发明将平面热源非稳态导热原理以及附加热源制造绝热边界原理应用于有限厚度多孔材料中异质含量的测试中，测试传感器置于被测材料之外，可以实现探头非侵入式地无损伤测量。本发明采取了将发热元件与测温传感器置于一体的设计，来防止发热元件与测温传感器间可能存在的形变问题。这种一体化布置的方式，使得发热片所需的发热功率更小，还能减小多孔材料内对流和辐射传热对测试结果的干扰。测量设备探头结构紧凑，占用体积小，无需其他辅助设备，可应用于各类狭窄测试环境。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于平面热源非稳态导热原理的有限厚度多孔材料异质成分探测传感器的示意图；图1(a)为热激励侧探头，图1(b)为绝热界面侧探头；图中；1为电源；2为热激励侧发热薄片；3为热激励端热流探头；4为测温发热薄片；5为温度传感器；6为绝热边界侧热流探头；7为绝热边界侧发热膜薄片；
图2为本发明提供的有限厚度多孔材料异质成分探测传感器探头的两种布置形式示意图；图2(a)为第一种布置形式，图2(b)为第二种布置形式；图中；8为热激励侧探头；9为绝热界面侧探头；10为被测材料；11为变压控制器；
图3为本发明提供的变压控制器内部工作原理示意图；
图4为使用本发明测量异质成分时的操作流程图。
具体实施方式
以下结合附图来具体说明本发明。
如图1所示，本发明测量多孔材料中异质含量的装置，包括热激励侧探头、绝热边界侧探头与变压控制器；
所述热激励端探头包括温度传感器3、测温发热薄片4、热激励侧热流探头2、热激励侧发热薄片1，并按照由内至外的顺序紧密贴合。温度传感器3测量结果传至数据采集器，测温发热薄片4与恒压电源相连，热激励侧热流探头2、热激励侧发热薄片1分别通过与变压控制器进行信号传输；
所述绝热边界侧探头包括绝热边界侧热流探头5、绝热边界侧发热膜6，与变压控制器进行信号传输；
所述变压控制器设置有主控制器、热流数据处理&变压供电模块、电源等结构。
本发明提供一种基于热学法测定有限厚度多孔材料异质含量的方法，步骤为：
a、将本装置的测量探头按照图1所示布置在被测材料两侧，使其与被测材料表面紧密接触，测量被测材料的厚度。
b、将布置好测量探头的被测材料静置一段时间，待其中温度分布均匀一致后，接通加热电路，启动变压控制器以及数据采集器，开始测试。测温发热薄片以恒定功率发热，在第一种布置形式中主控制器控制热激励侧发热薄片与绝热边界侧发热薄片以变化的功率发热，在第二种布置形式中主控制器控制两个热激励侧发热薄片以变化的功率发热。
c、温度传感器检测测温发热膜片表面温升，数据采集装置记录此温升并将测量结果传入计算机。
d、计算机求解温度升高随发热时间的变化率，当此变化率稳定后结束测量并记录此变化率，关闭加热电路、变压控制器以及数据采集装置；
e、利用利用所记录的变化率计算被测材料容积热容
计算被测材料容积热容的方法如下，本发明所提供的测试装置对应的一维导热微分方程、边界条件以及初始条件为：
当
当
当t＝0，T＝T0 (4)
其中，T为被测多孔材料内部任意一点温度，K；T0为被测多孔材料初始温度，K；λ为被测多孔材料导热系数，Wm-1K-1；ρ为被测多孔材料密度，kgm-3；c为被测多孔材料比热容，Jkg-1K-1；ρc为被测多孔材料的容积热容，Jm-3K-1；
为测温端发热薄片的热流密度，W/m2；Q为测温端发热薄片的总输入功率，W；A为测温端发热薄片的面积，m2；l为恒定热流边界与绝热边界之间的距离，m。在第一种布置形式中取l＝δ，在第二种布置形式中取l＝δ/2；其中δ为被测材料的厚度。
参考H.S.Carlslaw,J.C.Jaeger.Conduction of Heat in Solids.2ndEdition.Oxford Clarendon Press,1986:89-112中的方法求解上述偏微分方程组，得到被测多孔材料在恒定热流边界x＝l处的温升解析解为:
其中，α为热扩散率，m2/s；将式(5)对时间项t求导得，
当t足够大时，式(6)可被简化为
即当加热时间t足够大时，温升随时间的变化率与被测多孔材料的容积热容ρc的倒数存在线性关系。即可使用温升随时间的变化率计算出容积热容ρc。
f、预设计算程序根据容积热容ρc与异质含量一一对应的关系，计算异质含量的体积分数。容积热容与异质含量关系如下：
ρdrycdry+ρwcwxw＝ρC (8)
其中，ρdry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm-3)，cdry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg-1K-1)，ρdrycdry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm-3·K-1)，ρw为纯异质成分的密度(kgm-3)，cw为纯异质成分的比热容(Jkg-1K-1)，ρwcw为纯异质成分的容积热容(Jm-3·K-1)，xw为纯异质成分的体积分数，ρC为被测多孔材料的容积热容(Jm-3·K-1)；
根据被测多孔材料异质侵入前后容积热容之差，求解纯异质成分含量的体积分数：
其中，x为异质含量体积分数。
本发明发热薄片与热流探头以及温度传感器在紧密贴合后，形成具有一定刚度的测量探头，可长期布置在需要进行异质含量测量的有限厚度多孔材料两侧。测温端发热薄片通电发热后，变压控制器控制热激励侧发热薄片与绝热边界侧发热薄片的发热功率，制造无热流经过的边界。温度传感器测量测温发热薄片表面的温升响应，数据采集器采集测量数据并传输至计算机。计算机根据预设程序计算出被测材料中的异质含量。由于使用在被测材料的边界处进行热流量补偿控制、布置对称热源的方法，创造了绝热边界，对被测材料的厚度要求大幅度降低；发热体发热量减小，可减少对流传热、辐射传热或者异质成分的相变对测量精度产生的影响；使用温升随时间的变化率计算被测材料容积热容，计算简便测量精度高。
Claims (8)
1.一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于，包括热激励侧探头、绝热边界侧探头、变压控制器、数据采集装置和计算机数据处理***；所述热激励侧探头、绝热边界侧探头分别布置在被测多孔材料两侧，两者中心位置保持一致，沿被测材料厚度方向的投影重合；
所述热激励侧探头包括测温发热薄片、温度传感器、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片及电源；所述温度传感器、测温发热薄片、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片依序紧密贴合形成热激励侧探头主体部分；
所述绝热边界侧探头包括绝热边界侧热流探头、绝热边界侧发热薄片及电源；所述绝热边界侧热流探头与绝热边界侧发热薄片紧密贴合形成绝热边界侧探头主体部分；
所述变压控制器设置包括主控制器、热流数据处理&变压供电模块及电源；主控制器直接与电源和热流数据处理&变压供电模块相连；热流数据处理&变压供电模块处理由热激励侧热流探头、绝热边界侧热流探头传入的热流信号，并将其传入主控制器；主控制器经由热流数据处理&变压供电模块传出控制热激励侧发热薄片、绝热边界侧发热薄片发热功率的控制信号；
所述主控制器用于控制热激励发热薄片以及绝热边界侧发热薄片的供电电压，使得由热激励侧以及绝热边界侧热流探头的热流值为零；热流数据处理&变压供电模块根据主控制器指令，控制热激励侧发热薄片、绝热边界侧发热薄片的供电电压；热流数据处理&变压供电模块处理热流探头的传入信号，并将处理后的信号反馈至主控制器。
2.一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于，包括两套热激励侧探头、变压控制器、数据采集装置和计算机数据处理***；两个相同的热激励侧探头对称的布置在被测材料两侧，沿被测材料厚度方向的投影重合；
所述热激励侧探头包括测温发热薄片、温度传感器、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片及电源；所述温度传感器、测温发热薄片、热激励侧热流探头、热激励侧发热薄片依序紧密贴合形成热激励侧探头主体部分；
所述变压控制器设置包括主控制器、热流数据处理&变压供电模块及电源；主控制器直接与电源和热流数据处理&变压供电模块相连；热流数据处理&变压供电模块处理由热激励侧热流探头传入的热流信号，并将其传入主控制器；主控制器经由热流数据处理&变压供电模块传出控制热激励侧发热薄片发热功率的控制信号；
所述主控制器用于控制热激励发热薄片的供电电压，使得由热激励侧热流探头的热流值为零；热流数据处理&变压供电模块根据主控制器指令，控制热激励侧发热薄片的供电电压；热流数据处理&变压供电模块处理热流探头的传入信号，并将处理后的信号反馈至主控制器。
3.根据权利要求1或2所述测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述热激励侧探头通过调节热激励侧发热薄片的发热量，维持热流探头所测的热流值为零；测温发热薄片以恒定功率发热，发热量全部传至被测材料中。
4.根据权利要求1所述测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述绝热边界侧探头通过调节绝热边界侧发热薄片的发热量，维持流经绝热边界侧热流探头的热流值为零，使得此处被测材料边界绝热。
5.根据权利要求1或2所述测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述热激励侧探头与绝热边界侧探头形状一致呈片状且有一定刚度，与被测多孔材料边界紧密贴合。
6.根据权利要求1或2所述测量有限厚度多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶或热电阻，数量为一个或多个。
7.一种测量有限厚度多孔材料中异质含量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、测量被测材料厚度δ；
b、按照权利要求1或2所述将该装置布置在被测材料两侧；
c、待被测材料中温度场分布稳定后，接通加热电路，启动变压控制器与数据采集装置；
d、温度传感器检测测温发热薄片表面温升，数据采集装置记录此温升并将测量结果传入计算机；
e、计算机求解温升随时间的变化率，当此变化率稳定后结束测量并记录此变化率，关闭加热电路、变压控制器以及数据采集装置；
f、利用所记录的温升变化率计算热物性参数并解算得到异质含量。
8.根据权利要求7所述测量有限厚度多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，所述步骤f采用的异质含量计算方法，将被测介质的传热过程简化为一维非稳态纯导热；在权利要求1所述装置布置形式中热激励侧为恒定热流边界，绝热补偿侧为绝热边界；在权利要求2所述装置布置形式中热激励侧为恒定热流边界，被测材料厚度方向的中间界面处为绝热边界；恒定热流边界处x＝l，绝热边界处x＝0；x＝l处的温升解析解：
其中，α为热扩散率，m2/s；
将式(5)对时间项t求导得，
当t足够大时，式(6)可被简化为
即当加热时间t足够大时，温升随时间的变化率与被测多孔材料的容积热容ρc的倒数存在线性关系；可使用温升随时间的变化率计算出容积热容ρc；权利要求1所述装置布置形式中，取l＝δ；在权利要求2所述装置布置形式中，取l＝δ/2；
容积热容与异质含量关系如下：
ρdrycdry+ρwcwxw＝ρc (8)
其中，ρdry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm-3)，cdry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg-1K-1)，ρdrycdry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm-3·K-1)，ρw为纯异质成分的密度(kgm-3)，cw为纯异质成分的比热容(Jkg-1K-1)，ρwcw为纯异质成分的容积热容(Jm-3·K-1)，xw为纯异质成分的体积分数，ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm-3·K-1)；
根据被测多孔材料异质侵入前后容积热容之差，求解纯异质成分含量的体积分数：
其中，x为异质含量体积分数。
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2020
- 2020-05-18 CN CN202010421548.9A patent/CN111487282A/zh active Pending
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