一種基于物性匹配快速測(cè)定材料中異質(zhì)含量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料檢測(cè)分析領(lǐng)域，設(shè)及一種基于物性匹配快速測(cè)定材料中異質(zhì)含量 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合物中異質(zhì)成分的含量對(duì)材料本身的特性有很大的影響，例如建筑墻體內(nèi)保溫 材料水分的聚集會(huì)引起保溫性能的下降，導(dǎo)致能耗增加；同時(shí)水分聚集還會(huì)誘發(fā)腐蝕、發(fā)霉 等現(xiàn)象，縮短材料的使用壽命?；旌衔镏挟愘|(zhì)成分含量的測(cè)量，特別是材料中含水量測(cè)試的 研究較多，但是難W兼具廉價(jià)、準(zhǔn)確、對(duì)被測(cè)材料檢測(cè)無損傷、且簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn)。目前，在 被測(cè)材料中設(shè)置發(fā)熱體，監(jiān)測(cè)材料中某點(diǎn)的溫度變化，W得到材料的熱物性參數(shù)如導(dǎo)熱系 數(shù)和容積熱容，從而得知其含水量的熱線法或熱脈沖法，得到科研工作者的廣泛關(guān)注。
[000引"測(cè)定±壤比熱容的熱脈沖探針法"（CampbellGS,化lissendo;rffC,Williams JH.Probeformeasuringsoilspecificheatusingaheat-pulsemethod[J].Soil ScienceSocietyofAmericaJournal, 1991, 55(1): 291-293.)，該篇文章提出雙針熱脈沖 法，雙針中的一根為發(fā)熱針，作為熱源，另外一根為感溫元件，用于監(jiān)控溫度的變化。測(cè)試 時(shí)，給發(fā)熱針短時(shí)間通電，記錄溫升的最大值及其出現(xiàn)的時(shí)刻，利用忽略了發(fā)熱針的尺寸及 熱物性參數(shù)的公式，求得上壤的容積熱容值，從而根據(jù)上壤容積熱容值的改變，得到上壤的 含水量。由于此研究將發(fā)熱針理想化為線熱源，所W結(jié)果與實(shí)際相比會(huì)有所偏差。
[0004] "基于脈沖無限線源理論并利用后期溫度時(shí)間數(shù)據(jù)W提高±壤熱特性測(cè)試的熱脈 沖法"（LuY,WangY,RenT.Usinglatetimedataimprovestheheat-pulsemethod forestimatingsoilthermalpropertieswiththepulsedinfinitelinesource theo;ry[J].VadoseZoneJournal, 2013, 12 (4).)，提出利用短暫加熱后測(cè)溫點(diǎn)溫度下降階 段某一時(shí)刻的溫變值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，計(jì)算被測(cè)材料的容積熱容，從而求得含水量。計(jì)算結(jié) 果顯示，此方法與使用溫升最大值及其出現(xiàn)的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算相比，得到的含水量準(zhǔn)確度有 所提高。此方法在一定程度上減小了忽略熱源尺寸和熱慣性對(duì)容積熱容計(jì)算的影響，但是 由于測(cè)試時(shí)間較短，不能完全消除其對(duì)容積熱容計(jì)算的影響。
[0005] "探針有限特性對(duì)熱脈沖技術(shù)測(cè)定±壤熱特性的影響"（付永威，盧奕 麗，任圖生.探針有限特性對(duì)熱脈沖技術(shù)測(cè)定±壤熱特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào)，2014, 30 (19) : 71-77)，通過短時(shí)間對(duì)熱源提供恒定熱流，根據(jù)考慮熱源直徑及熱容量與 不考慮熱源直徑該兩種情況下的傳熱公式，利用非線性擬合算法對(duì)短時(shí)間加熱后的溫度數(shù) 據(jù)進(jìn)行擬合，分別求出±壤的容積熱容，比較兩種情況計(jì)算得到的含水量，結(jié)果顯示考慮熱 源直徑及熱容量后所得含水量與實(shí)際含水量更為接近。此研究中，將熱源的熱導(dǎo)率視為無 限大與實(shí)際情況是不符的，所W計(jì)算結(jié)果與實(shí)際仍然存在偏差。
[0006] 中國發(fā)明專利申請(qǐng)，公開號(hào)CN103630569A，公開了一種基于容積熱質(zhì)測(cè)定材料中 異質(zhì)含量的方法，給熱源提供持續(xù)的恒定熱流，對(duì)溫升與對(duì)數(shù)時(shí)間呈線性關(guān)系段的數(shù)據(jù)進(jìn) 行線性擬合，W計(jì)算被測(cè)材料的容積熱容，從而求得異質(zhì)材料含量。為減小將熱源理想化為 線熱源對(duì)異質(zhì)含量計(jì)算帶來的影響，此方法需要增加測(cè)試時(shí)間。據(jù)"熱線法測(cè)試多孔材料中 的含水量''狂hangTT,ShenR,LinCH,etal.MeasuringMoistureContentinaPorous InsulationMaterialUsingaHotWire[J].BuildingandEnvironment, 2014.)描述，上 述方法的測(cè)試時(shí)間長達(dá)20分鐘左右。
[0007]WWW,decagon,com關(guān)于氷分測(cè)試設(shè)備的使用指導(dǎo)邸2P:ro的熱性能分析中，雙熱針 法獲得的溫度數(shù)據(jù)的處理方式有兩種，一種是給熱源短時(shí)間供熱，對(duì)熱源加熱階段測(cè)溫點(diǎn) 的溫度響應(yīng)進(jìn)行擬合得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)熱源停止加熱后的測(cè)溫點(diǎn)的溫度響應(yīng)進(jìn)行擬 合得到材料的導(dǎo)溫系數(shù)；另一種是對(duì)熱源持續(xù)供熱，根據(jù)在線熱源情況下溫升與對(duì)數(shù)時(shí)間 成線性關(guān)系的簡(jiǎn)化公式，基于測(cè)得的所有溫升數(shù)據(jù)，擬合得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù) 值；然后通過熱物性參數(shù)與含水量的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，求得材料的含水量。
[000引通過分析W上研究可W看出，通過監(jiān)測(cè)材料中某處的溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，得 到材料的導(dǎo)熱系數(shù)或容積熱容，進(jìn)而根據(jù)異質(zhì)含量與導(dǎo)熱系數(shù)或容積熱容的一一對(duì)應(yīng)關(guān) 系，求得材料的異質(zhì)含量的方法已獲得廣泛研究，但是還存在如下幾個(gè)方面的問題：
[0009] 一、目前所使用的熱脈沖法，均把熱源進(jìn)行了簡(jiǎn)化，尚未完整地考慮熱源的半徑和 熱物性參數(shù)的影響，從而造成對(duì)異質(zhì)含量估算的偏差；
[0010] 二、通過延長測(cè)試時(shí)間來減小忽略熱源自身的尺寸和熱物性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響， 會(huì)使得測(cè)試的時(shí)間過長而難W接受。
[0011] S、由于溫度儀器的測(cè)試誤差及模型匹配的誤差，在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的異質(zhì)含量 應(yīng)當(dāng)均能呈現(xiàn)出類似的溫度響應(yīng)，因而，被測(cè)定出來的異質(zhì)含量應(yīng)當(dāng)為某個(gè)區(qū)間范圍值而 非單個(gè)數(shù)值。但是W上方法僅能提供異質(zhì)的單個(gè)含量值而非異質(zhì)含量的范圍區(qū)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明旨在利用較短時(shí)間所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)考慮了熱源半徑及其導(dǎo)熱系數(shù) 和容積熱容的溫升分析解，匹配得到被測(cè)材料的容積熱容范圍，從而推斷被測(cè)材料的異質(zhì) 含量范圍。提出了一種無損傷、低成本、簡(jiǎn)便易行的快速測(cè)定異質(zhì)成分含量的檢測(cè)方法，適 用于異質(zhì)材料與本體材料容積熱容有差異的情況。
[0013] 一種基于物性匹配快速測(cè)定材料中異質(zhì)含量的方法，步驟如下：
[0014]a、在被測(cè)材料中布置溫度傳感器與長柱狀發(fā)熱體（如發(fā)熱針），溫度傳感器和發(fā) 熱體平行設(shè)置于被測(cè)材料內(nèi)部，測(cè)定兩者的中屯、距離，并記錄發(fā)熱體的半徑、導(dǎo)熱系數(shù)和容 積熱容，布置情況如圖2。
[0015]b、記錄溫度傳感器處的數(shù)據(jù)。
[0016] 發(fā)熱體未通電前，待被測(cè)材料內(nèi)部溫度穩(wěn)定后，記錄此時(shí)溫度作為被測(cè)材料的初 始溫度Te,。；
[0017] 給發(fā)熱體提供恒定功率電流，采集被測(cè)材料測(cè)溫點(diǎn)各時(shí)刻的溫度T&i，則可得到各 個(gè)時(shí)刻測(cè)溫點(diǎn)溫度相對(duì)于初始溫度的溫升AT& ;
[001引 C、將測(cè)試溫升與代入假定參數(shù)后利用溫升分析解計(jì)算得到的溫升進(jìn)行對(duì)比，W 匹配得到被測(cè)材料的容積熱容PC范圍；其中代入的假定參數(shù)為被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù) 和被測(cè)材料的容積熱容；使用的溫升分析解為考慮了熱源半徑、導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容的 公式，公式來源于《固體中的導(dǎo)熱》（CarslawHS,JaegerJ〔.Conductionofheatin solids[M]. 2。。.Oxford:ClarendonPress, 1959 ;345-347)的變換形式。
[0019] 在初始溫度均勻分布的無限介質(zhì)中，柱狀發(fā)熱體W恒定功率發(fā)熱，周圍溫度的分 析解為：
[0020]
[0027]其中，A T為測(cè)溫點(diǎn)處的計(jì)算溫升rc)，r為測(cè)溫點(diǎn)與發(fā)熱體的中屯、距離（m)，T為時(shí)間（s)，q為發(fā)熱體的單位長度熱功率（WnTi)，k為被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)（WnTiri)，P 為被測(cè)材料的密度化gnT3)，C為被測(cè)材料的比熱容（Jkg-iri)，PC為被測(cè)材料的容積熱容 (JnT3iri)，r。為發(fā)熱體的半徑（m)，kE為發(fā)熱體的導(dǎo)熱系數(shù)（WnTiri)，PE為發(fā)熱體材料的密 度化gnr3)，CE為發(fā)熱體材料的比熱容（Jkg-iK-i)，PeCe為發(fā)熱體材料的容積熱容（Jnr3K-i)， J。和Y。分別為第一類和第二類貝塞爾0階函數(shù)，J1和Y1分別為第一類和第二類貝塞爾1階 函數(shù)。
[002引把根據(jù)溫升計(jì)算公式得到的溫升與測(cè)試溫升進(jìn)行對(duì)比，得到兩者之間的差異值D; 設(shè)置可接受的差異闊值D。。。。。,，可W得到滿足D《時(shí)被測(cè)材料的容積熱容PC的區(qū)間 范圍。
[0029] t根據(jù)步驟C匹配的被測(cè)材料的容積熱容的范圍，求得被測(cè)材料中異質(zhì)材料的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)y的范圍；由于被測(cè)材料的容積熱容與異質(zhì)材料含量是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，詳見具體 實(shí)施方式部分，因此可W根據(jù)被測(cè)材料容積熱容的范圍，計(jì)算出被測(cè)材料的異質(zhì)含量的范 圍。
[0030] 本發(fā)明的方法簡(jiǎn)便易行，考慮了發(fā)熱體的半徑、有限導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容的溫升 分析解，將被測(cè)材料在不同的容積熱容和導(dǎo)熱系數(shù)組合下，計(jì)算所得的溫升數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所 得的溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到溫升差異小于所設(shè)定的闊值下的被測(cè)材料的容積熱容范圍， 從而求得異質(zhì)材料的體積或質(zhì)量含量范圍。
【附圖說明】
[0031] 圖1是被測(cè)材料中異質(zhì)含量的求解步驟示意圖。其中：ATc為測(cè)量所得測(cè)溫點(diǎn)的 溫升（°C) ;r為溫度傳感器與熱源的中屯、距離（m) ;T為時(shí)間（S);ATm為計(jì)算所得測(cè)溫點(diǎn) 的溫升（°c) ;pc為被測(cè)材料的容積熱容（jnr3ri) ;k為被測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)（WnTiri) ;r。 為發(fā)熱體的半徑（m) ;kc為發(fā)熱體材料的導(dǎo)熱系數(shù)（WnTiri) ;PcCc為發(fā)熱體材料的容積熱 容（Jnr3ri) ;D為測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)的溫升與計(jì)算的溫升的差異值（°c) 為通過公式計(jì)算得 到的第i個(gè)時(shí)刻的溫升值；AT&i為通過