线热源法测导热系数的智能化测试系统

　　物质热物理参数是物质的宏观物理量之一,是各类科学研究和工程设计的重要基础参数。它包括导热系数、导温系数、比热、热膨胀系数和热发射率等,其中导热系数和导温系数是物质热物理参数的主要指标。

　　目前,国内生产的测量固体材料的热物理参数的仪器大多使用电位差计和电流计来测定加热器的热容量和热电偶电势及相关参数,人工计算导热系数和导温系数。其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果受人为因素影响较大。国外生产的导热系数测试仪,结构复杂、价格昂贵、不便于推广使用。因此,迫切需要研制一种自动化程度高、操作方便、实验速度快、精度高、通用性强的测定物质热物理参数的自动化仪器。

　　对物质导热系数和导温系数的测量,有许多测试方法和相应的测试仪器,这些方法和仪器都是为付里叶导热方程的特解提供边界条件而制定的,只是对不同的材料,在不同的仪器中所确定的边界条件和必要的修正方法不同。目前对固体材料的测试方法大致分为两类:稳定热流法和非稳定热流法,稳定热流法原理比较简单,计算方便,但测试时间长、对实验装置要求高,而且对于某些易挥发材料的试样,在建立热平衡状态所需的较长时间内,其湿度及材料特性会发生变化,因而不能采用这种方法;基于非稳定热流法常用的方法有线热源法和平面热源法。平面热源法的主要优点是设备简单,操作维修方便,一次测试中可同时测出材料的导热系数、导温系数和比热,线热源法适用于测定粉末材料、小颗粒状材料和短纤维状材料的导热系数。线热源法的主要特点是测量时间短(约十几分钟),不需要测量试样的尺寸。本文仅讨论智能测试系统采用的测试方法—线热源法的测试原理、测试方法的实现和测试结果。

　　1　测试原理

　　线热源法的基本原理是在试验材料中间,放置一根细长的金属加热丝,加热丝温度升高的速度与试验材料的热物理参数有关。线热源法测试系统结构如图1所示。设试验材料为均值、常物性、具有初始均匀温度的无限大介质,其导热系数λ、导温系数α、比热c、密度ρ。金属加热丝为无限长线热源,并且与Z轴重合,加热丝单位长度上的加热功率为q。当时间τ=0时,接通加热丝瞬间,则时间温长θ(x, y,τ)满足方程[1]:

　　解此方程组得加热丝接通电源瞬间试件温升值

　　若加热丝接通电源后一直保持恒定,那么试件加热至时间τ的温升为:

　　因为:

　　所以当ρ很小时忽略高次项,式(4)可简化为: