專利名稱：諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種利用交流加熱和諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系 數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置，特別是應(yīng)用于納米流體、液態(tài)金屬等導(dǎo)電和非導(dǎo)電 液體熱物性參數(shù)測(cè)試的裝置。
背景技術(shù)：
納米顆粒功能流體(納米懸浮液)和液態(tài)金屬等作為一種強(qiáng)化換熱工 質(zhì)在微型加熱、冷卻設(shè)備和微型反應(yīng)器中逐漸得到應(yīng)用。上述特殊流體的 熱參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和描述對(duì)于上述設(shè)備的熱設(shè)計(jì)及熱控制具有重要作用。 目前一般采用瞬態(tài)熱線法(THW)，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法和短熱線法等測(cè)量 液體的導(dǎo)熱系數(shù)， 一般采用直流電加熱，利用信號(hào)的時(shí)域特性測(cè)量。由于 熱線自身的熱容以及可能引起液體的自然對(duì)流作用，可能使實(shí)際的測(cè)試系 統(tǒng)偏離理論模型。并且在采用直流電加熱情況下，如果測(cè)試時(shí)間大于3s -6s，熱線和液體之間的溫差可能引起液體的自然對(duì)流，因此必須控制測(cè)量 時(shí)間。2005年Vadasz比較了熱線法和瞬態(tài)熱帶法，認(rèn)為采用瞬態(tài)熱線法 (THW)測(cè)試的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)偏高可能是熱波對(duì)流造成的?；谥C波 探測(cè)的3G)測(cè)量技術(shù)雖然已經(jīng)提出了十幾年，但目前未見利用該方法測(cè)量 納米流體、液態(tài)金屬等液體導(dǎo)熱系數(shù)的研究報(bào)導(dǎo)。分析該測(cè)量方法特點(diǎn)發(fā) 現(xiàn)，該方法可實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)部的熱量傳遞，微型加熱膜(線)通過微弱交流信號(hào)加熱介質(zhì)，由加熱線的lco、 2co和3co諧波得到溫度波動(dòng)信號(hào)。利用 交流鎖相放大技術(shù)可以克服瞬態(tài)熱線法(THW)很難得到高精度快速信號(hào) 響應(yīng)的問題。釆用很小的時(shí)間常數(shù)就可以快速探測(cè)到穩(wěn)定的三次諧波，包 含與流體熱參數(shù)有關(guān)的豐富信息。在頻域內(nèi)，通過增大加熱頻率可以減小 熱作用深度，進(jìn)而減弱對(duì)流產(chǎn)生的干擾。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型解決現(xiàn)有液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法在時(shí)域內(nèi)測(cè)量易引起液 體自然對(duì)流以及允許的測(cè)試短和絕緣困難等的技術(shù)缺陷，提供一種諧波探 測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置。此裝置允許測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、能 有效減弱液體自然對(duì)流影響、易于絕緣，可用于納米流體、液態(tài)金屬等導(dǎo) 電和非導(dǎo)電液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等多個(gè)熱參數(shù)同時(shí)測(cè)量。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置，其包括 一微型交流加熱/溫度探測(cè)器，所述微型交流加熱/溫度探測(cè)器表面整體沉積一層導(dǎo)熱絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層；一儲(chǔ)液容器， 一真空腔，儲(chǔ)液容器置于真空腔內(nèi)，儲(chǔ)液容器側(cè)及下外表面由保溫層包覆，儲(chǔ)液容器與保溫層之間有間距，保溫層底部由大金屬支架支撐；微型交流加熱/溫度探測(cè)器位于儲(chǔ)液容器內(nèi)；
TEC連續(xù)加熱和冷卻模塊位于儲(chǔ)液容器與保溫層之間的間距內(nèi)，布于 儲(chǔ)液容器外側(cè)面，使儲(chǔ)液容器內(nèi)待測(cè)液體的溫度從-l(TC到200。C之間變 化；一諧波分離電路模塊和一諧波探測(cè)電路模塊，通過電壓引線與微型交 流加熱/溫度探測(cè)器一端連接，所述諧波分離電路將特定的lco、 2co和3co 諧波相互分離，使鎖相放大器能夠探測(cè)到不同諧波的幅值和相位。所述的裝置，其所述微型交流加熱/溫度探測(cè)器，包括微型加熱絲、金 屬支架、導(dǎo)熱絕緣膜，其中，加熱絲兩端分別固定在兩金屬支架上，兩金 屬支架的自由端，接有電源引線和電壓引線，其電壓引線接諧波探測(cè)系統(tǒng)， 加熱絲和兩金屬支架表面覆有導(dǎo)熱絕緣層，加熱絲中間設(shè)有兩個(gè)諧波測(cè)量 點(diǎn)；微型加熱絲的直徑在5 5(Him范圍內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1~10^im 范圍內(nèi)，加熱絲的總長(zhǎng)度在2 100mm范圍內(nèi)；兩個(gè)諧波測(cè)量點(diǎn)間距在 2 80mm范圍內(nèi)，加熱絲兩端固定的金屬支架直徑在0.5~5mm范圍內(nèi)，兩 個(gè)金屬支架之間的距離在2~80mm范圍內(nèi)。所述的測(cè)量裝置，其所述儲(chǔ)液容器與保溫層之間的間距，在l-100mm范圍內(nèi)；TEc模塊為-icrc 2ocrc范圍內(nèi)連續(xù)變溫；諧波分離模塊中，諧波分離采用電橋電路，運(yùn)算放大器采用AD或AMP系列元件，電路中所有匹配電阻的電阻溫度系數(shù)小于5PPM。所述的測(cè)量裝置，其所述加熱絲采用豎直或水平放置。 所述的測(cè)量裝置，其所述諧波分離電路模塊和諧波探測(cè)電路模塊采用前置放大器提高諧波的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。所述的測(cè)量裝置，其在電橋電路中采用阻值小于5Q的電阻補(bǔ)償加熱
絲引線的接觸電阻。所述的測(cè)量裝置，其所述加熱絲，在選擇合理的基波電壓時(shí)，加熱絲外膜兩端的三次諧波接近基波的1/500-1/1000。所述的測(cè)量裝置，其用于測(cè)量納米流體、液態(tài)金屬、導(dǎo)電和非導(dǎo)電微 量液體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率參數(shù)。本實(shí)用新型能在很大程度上解決目前液體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法遇到的 液體自然對(duì)流和允許的測(cè)試時(shí)間短以及難于測(cè)量液態(tài)金屬等導(dǎo)電液體的 問題，可以在比較大的溫度范圍內(nèi)(-10°C~200°C)快速而準(zhǔn)確探測(cè)所需 的各次諧波，保證液體熱參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。加熱絲的直徑在5~5(Him范圍內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1~10,范 圍內(nèi)，可以在低頻下直接測(cè)量液體的導(dǎo)熱系數(shù)，而不必考慮加熱絲自身熱 容的影響。絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)大于60Wm"K'1，厚度小于10,，可以忽略絕緣 層自身的溫度變化。加熱絲中間兩個(gè)諧波測(cè)量點(diǎn)間距在2~80mm范圍內(nèi)可以有效消除加熱絲端部散熱的影響。與瞬態(tài)熱線法相比，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、并利用鎖相放大技術(shù)快速而準(zhǔn)確的 測(cè)試交流加熱作用產(chǎn)生的三次諧波；利用該方法在真空中測(cè)量液體的熱參 數(shù)可有效減弱對(duì)流產(chǎn)生的影響。由于熱作用深度隨交流信號(hào)頻率的增大而 減小，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以測(cè)量納米流體、液態(tài)金屬等導(dǎo)電和非導(dǎo)電微量 液體的熱參數(shù)。

圖1是本實(shí)用新型的帶有特殊絕緣層的微型加熱/測(cè)溫器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實(shí)用新型諧波法液體容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置系 統(tǒng)圖。
具體實(shí)施方式
-見圖1, 2和3為組成諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的 裝置；其中圖2和3中的加熱絲放大結(jié)構(gòu)見圖1;加熱絲的具體位置見圖 2;圖2中的諧波探測(cè)引線接圖3加熱絲對(duì)應(yīng)位置。其中，電流引線接點(diǎn)l、 諧波探測(cè)引線2、熱電偶3、金屬支架4、 TEC加熱/冷卻器5、儲(chǔ)液容器6、 保溫層7、恒溫真空腔8、大金屬支架9、加熱絲10 (其放大結(jié)構(gòu)見圖1)。在待測(cè)液體內(nèi)部布置一定尺度和形狀的帶有絕緣層的微型加熱絲10， 采用具有直流偏移分量的周期微弱電流加熱，同時(shí)作為溫度傳感器，然后 根據(jù)熱波振動(dòng)頻率與溫度變化的關(guān)系同時(shí)確定液體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散 率等多個(gè)熱參數(shù)。因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量將以lco和2co的頻率對(duì)金屬絲和 液體加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波。增加的金屬絲電阻與周期電流共同作 用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。不同頻率諧波包含豐富的熱參數(shù)信息。利用 本實(shí)用新型提出的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以同時(shí)測(cè)量納米流體、液態(tài) 金屬等導(dǎo)電和非導(dǎo)電液體導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率等多個(gè)熱參數(shù)。本實(shí)用新型的一種實(shí)現(xiàn)上述方法的專用諧波探測(cè)液體導(dǎo)熱系數(shù)系統(tǒng) 裝置——包括一微型交流加熱/溫度探測(cè)器，所述微型交流加熱/溫度探測(cè) 器表面整體沉積一層高導(dǎo)熱系數(shù)絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層ll;連續(xù)對(duì)液體的冷卻和加熱的TEC模塊，可以連續(xù)使液體從-IO'C變化到200°C; 諧波分離和探測(cè)電路模塊，所述諧波分離電路可以將特定的lco、 2co和3co 諧波相互分離，以使鎖相放大器能夠探測(cè)到不同諧波的幅值和相位。上述微型交流加熱/溫度探測(cè)器中的微型加熱絲10的直徑在5~50pm 范圍內(nèi)，表面絕緣層11的厚度在0.1 10^m范圍內(nèi)，加熱絲10的總長(zhǎng)度 在2 100mm范圍內(nèi)。絕緣層11的導(dǎo)熱系數(shù)與加熱絲10的導(dǎo)熱系數(shù)接近， 大于60Wm"K"。加熱絲10中間兩個(gè)諧波測(cè)量點(diǎn)12、 13的間距在2 80mm范圍內(nèi)，加 熱絲10兩端固定的金屬支架4直徑在0.5 5mrn范圍內(nèi)。 加熱絲io與金屬支架4之間采用壓焊連接。 加熱絲IO豎直或水平放置。兩個(gè)金屬支架4之間的距離在2~80mm范圍內(nèi)，液體下部的金屬支架 9距離液體容器底部距離在1 100mm范圍內(nèi)。TEC模塊實(shí)現(xiàn)變溫范圍為-10'C 20(TC，精度為0.5 rC。 諧波分離采用電橋電路，運(yùn)算放大器采用AD或AMP系列元件。 諧波探測(cè)精度小于O.lKiV。電路中所有匹配電阻的電阻溫度系數(shù)小于5PPM。本實(shí)用新型通過帶有直流偏移分量的周期微弱電流加熱微細(xì)加熱絲 10，加熱絲10同時(shí)用做加熱器和溫度測(cè)量元件，由于加熱絲10內(nèi)部電流 的有效值很小，產(chǎn)生的加熱功率只有幾個(gè)毫瓦，在加熱周圍液體的過程中
加熱絲10的溫升必須小于3 5K，同時(shí)釆用的周期電流的頻率范圍比較大， 從幾Hz變化到幾KHz，在上述條件下液體的溫升和加熱作用深度很小， 同時(shí)鎖相放大器采用比較小的時(shí)間常數(shù)，可以有效減弱液體內(nèi)部的自然對(duì) 流作用，也可以使得液體容器比較容易滿足半無限大邊界的假設(shè)條件，進(jìn) 而可以使得測(cè)量所需的液體體積很小。容器內(nèi)壁采用防靜電涂層，可以有 效避免液體中納米顆粒的吸附和團(tuán)聚。整個(gè)液體容器置于一個(gè)真空度接近 0.15Pa的真空腔8內(nèi)，諧波探測(cè)系統(tǒng)可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量各次諧波的幅值 和相位。由于加熱絲10表面的絕緣涂層厚度小，導(dǎo)熱系數(shù)比較大，同時(shí) 具備比較好的抗腐蝕能力，可以忽略絕緣層11的溫度改變的影響，可以 測(cè)量的液體的導(dǎo)熱系數(shù)的范圍比較寬，液體導(dǎo)熱系數(shù)在0.02-25 Wm"K" 之間，導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量不確定度小于1.5%，液體導(dǎo)熱系數(shù)在25 65 Wm'K'1 之間，導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量不確定度小于3.5%，熱擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量不確定度小 于6%。測(cè)試開始前，調(diào)節(jié)串聯(lián)的可調(diào)電阻14接近或略微大于測(cè)量過程中加 熱器可能達(dá)到的最大電阻。為了防止金屬加熱絲IO有比較明顯的溫升， 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器或鎖相放大器的輸出電壓，使得可調(diào)電阻14兩端的電壓 接近10mV，微調(diào)可調(diào)電阻14，通過鎖相放大器的差動(dòng)輸入監(jiān)測(cè)，使得電 橋平衡，可調(diào)電阻14的阻值就等于加熱器的冷態(tài)電阻。在頻率30Hz附近， 采用交流電壓表或示波器測(cè)量?jī)蓚€(gè)單增益運(yùn)算放大器的輸出電壓，以檢查 是否出現(xiàn)直流漂移。在測(cè)量給定溫度和某一頻率下加熱絲10兩端的三次 諧波時(shí)，應(yīng)適當(dāng)選擇合理的基波電壓，使得加熱絲10外膜兩端的三次諧波接近基波的1/500~1/1000<
權(quán)利要求1、一種諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置，其特征在于，包括一微型交流加熱/溫度探測(cè)器，所述微型交流加熱/溫度探測(cè)器表面整體沉積一層導(dǎo)熱絕緣膜，形成耐腐蝕的絕緣層；一儲(chǔ)液容器，一真空腔，儲(chǔ)液容器置于真空腔內(nèi)，儲(chǔ)液容器側(cè)及下外表面由保溫層包覆，儲(chǔ)液容器與保溫層之間有間距，保溫層底部由大金屬支架支撐；微型交流加熱/溫度探測(cè)器位于儲(chǔ)液容器內(nèi)；TEC連續(xù)加熱和冷卻模塊位于儲(chǔ)液容器與保溫層之間的間距內(nèi)，布于儲(chǔ)液容器外側(cè)面，使儲(chǔ)液容器內(nèi)待測(cè)液體的溫度從-10℃到200℃之間變化；一諧波分離電路模塊和一諧波探測(cè)電路模塊，通過電壓引線與微型交流加熱/溫度探測(cè)器一端連接，所述諧波分離電路將特定的1ω、2ω和3ω諧波相互分離，使鎖相放大器能夠探測(cè)到不同諧波的幅值和相位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述微型交流加熱/溫 度探測(cè)器，包括微型加熱絲、金屬支架、導(dǎo)熱絕緣膜，其中，加熱絲兩端 分別固定在兩金屬支架上，兩金屬支架的自由端，接有電源引線和電壓引 線，其電壓引線接諧波探測(cè)系統(tǒng)，加熱絲和兩金屬支架表面覆有導(dǎo)熱絕緣 層，加熱絲中間設(shè)有兩個(gè)諧波測(cè)量點(diǎn)；微型加熱絲的直徑在5 5(Him范圍 內(nèi)，表面絕緣層的厚度在0.1 10pm范圍內(nèi)，加熱絲的總長(zhǎng)度在2 100mm 范圍內(nèi)；兩個(gè)諧波測(cè)量點(diǎn)間距在2 80mm范圍內(nèi)，加熱絲兩端固定的金屬 支架直徑在0.5~5mm范圍內(nèi)，兩個(gè)金屬支架之間的距離在2~80mm范圍 內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述儲(chǔ)液容器與 保溫層之間的間距，在l 100mm范圍內(nèi)；TEC模塊為-10。C 200。C范圍 內(nèi)連續(xù)變溫；
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述加熱絲采用 豎直或水平放置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述諧波分離電 路模塊和諧波探測(cè)電路模塊采用前置放大器提高諧波的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量裝置，其特征在于，在電橋電路中采 用阻值小于5 Q的電阻補(bǔ)償加熱絲引線的接觸電阻。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的測(cè)量裝置，其特征在于，所述加熱絲， 在選擇合理的基波電壓時(shí)，加熱絲外膜兩端的三次諧波接近基波的 1/500~1/1000。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6所述的測(cè)量裝置，其特征在于， 用于測(cè)量納米流體、液態(tài)金屬、導(dǎo)電和非導(dǎo)電微量液體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò) 散率參數(shù)。
專利摘要本實(shí)用新型諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量液體導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率的裝置，涉及利用信號(hào)頻域特性進(jìn)行熱物性測(cè)量的技術(shù)。該裝置在待測(cè)液體內(nèi)部布置一定尺度和形狀帶有絕緣層的微型加熱絲，采用具有直流偏移分量的周期微弱電流加熱，作為加熱器和溫度傳感器，然后根據(jù)熱波振動(dòng)頻率與溫度變化的關(guān)系同時(shí)確定液體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率等多個(gè)熱參數(shù)。因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量將以1ω和2ω的頻率對(duì)金屬絲和液體加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波。增加的金屬絲電阻與周期電流共同作用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。不同頻率諧波包含豐富的熱參數(shù)信息。本實(shí)用新型的微型加熱器表面沉積有厚度小于1微米的特殊絕緣高導(dǎo)熱膜，在真空中的高精度諧波探測(cè)電路模塊以及諧波分離電路模塊是專用技術(shù)。
文檔編號(hào)G01N25/20GK201041558SQ20072010382
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者唐大偉, 王照亮, 鄭興華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所