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(I为电流,R为电阻)。于是在被测试件中形成了以加热导线为轴心的长圆柱体瞬态温度场。该方法就是根据导热逆(反)问题原理,利用所测得的温度值T反算试件的导热系数。当热扩散系数a为常数且忽略热流沿加热导线的轴向传播时,该定解问题的数学表达式[5,6]为

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