利用瞬态热线法测量固体导热系数

1　引　言

导热系数λ是各种物体最基本也是最重要的物性参数。通常,物体的导热系数都是通过实验测定的。按实验的导热过程宏观特性来区分,测定方法可分为两大类:稳态法和瞬态法。其中瞬态法具有实验时间短、测定速度快、准确而且无需测量试件导热量的优点。瞬态热线法是瞬态法的一种,由于它更快捷、准确和方便,故早在二十世纪30至60年代间就被用来测量液体及某些气体的导热系数[1~2]。二十世纪80年代,文献[3]将该方法用于测量流体和某些固体的导热系数。作者在上述研究的基础上,建立了实施本方法的具体装备,并在理论上研究了更准确、简明的导热系数计算公式和误差的定量分析与计算,以推广本方法的实际应用。

2　测量原理

将一根直径很小的金属导线置于初温为T0的试件物体中间,然后通电加热,其热流

式(7)既有理论依据又包含了测量参数,是一个既严格又简便的λ新计算式。

3　实验装置

热线法测量导热系数的实验装置如图1所示,系统分成试件台和测试机箱两部分。在试件台上,将被测材料做成200mm×100mm×50mm的试件叠放在一起。加热线选用半径0·1mm的康铜导线,该线夹在试件中间。在加热线中心表面焊有绝缘型0.3mm的铜-康铜热电偶,其冷端放入冰水桶里。

试件上边压有重块,并用玻璃罩罩上,以保证试件与导线之间紧密接触且避免空气流动。测试机箱由微型计算机测控系统、数字显示窗及加热恒流源组成。其中,A/I模块和D/O模块分别为模拟输入和数字输出接口电路。微机运行中首先根据导热系数估计值(若估计不出试材的导热系数,选中间键),控制恒流源输出相应的恒定电流和加热时间;在2min时间内定时检测电流信号和热电势信号,按式(7)导热系数计算公式,可自动计算出被测试材的导热系数,并显示或打印输出。

4　实验结果

在室温下,利用本文实验装置测试了多种固体保温材料的导热系数,测量重复性误差在3%以内。为了检验仪器测量精度,挑选三种和参照文献中的材料相同的试材进行实验,测试数据如表1所示。结果表明,试材导热系数的实测值和文献[7]中的参照值之间的相对误差在5%左右。

5　误差分析

导热系数测量误差来源于两个方面,一是由数学模型简化处理引起的描述误差,二是测量误差。现分述如下:

5·1　描述误差

(1)由理论模型简化到实际模型所产生的模型误差为

由上述分析可见,在模型简化处理的描述过程中,除模型误差外,因忽略导线热容产生的误差较大,故应尽可能选择线径小的加热丝线;而模型误差δMX≤0·5%,一般可满足科研和工程测量的精确度要求。

5·2　测量误差

对加热丝电流I和试件温度T的测量要经过传感器、变送器及I/O模块多级转换。若每级检测引入的标准误差为δ,则系统的合成标准误差[8]为

6　结　论

该实验装置已运行多年,基本上满足了教学和科研中对材料导热系数测量的要求。它具有结构简单、工作稳定、操作方便、测试周期短、测量误差小等特点。因此,本文所介绍的实验装置的结构、瞬态热线建模方法和导热系数的新计算式及误差分析对研制材料导热系数测量装置具有一定的参考价值。