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木質(zhì)材料熱物理性質(zhì)測(cè)試裝置的研制
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
木質(zhì)材料和人造板材料目前廣泛用于建筑工程和室內(nèi)裝飾工程上, 其導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)等熱物理性質(zhì)是反映材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。測(cè)試材料熱物理性質(zhì)主要有穩(wěn)態(tài)法和熱脈沖法兩種。穩(wěn)態(tài)法達(dá)到熱平衡的時(shí)間很長, 而且試件有可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熱脈沖法可以同時(shí)測(cè)量材料的多種熱物理性質(zhì),且實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短。目前研究較多的熱脈沖測(cè)試技術(shù)是利用高速高溫計(jì)或激光偏振儀來測(cè)量加熱過程中試件內(nèi)部溫度, 設(shè)備價(jià)格昂貴。我們根據(jù)熱脈沖法的基本原理,自行研制了一種測(cè)試木質(zhì)材料熱學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)備簡(jiǎn)單可靠,實(shí)驗(yàn)時(shí)間短,測(cè)試精度較高。[1]
1 實(shí)驗(yàn)原理
設(shè)有一半無限大物體(如圖 1 所示),其在y,z方向的尺寸為無限大。在x>0方向也為無限大物體的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、定壓比熱及密度分別λ、α、С p、ρ。物體的初始溫度均勻一致為 t0。如從τ =0 刻開始在 X=0平面處用一個(gè)恒定功率的平面熱源進(jìn)行短時(shí)間加熱,則在加熱期間,物體各點(diǎn)溫度將持續(xù)上升。如在τ= τ 1 時(shí)刻停止加熱,則加熱面的溫度將持續(xù)下降。設(shè)停止加熱時(shí)(即τ=τ1時(shí)),物體內(nèi)部點(diǎn) X 處的溫度為 t(x,τ 1),停止加熱后某一時(shí)刻,τ = τ 2 時(shí),加熱面(即 X=0平面)的溫度為t(x,τ2),則根據(jù)理論推導(dǎo)
根據(jù)式(1),(2)可知,只要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得溫度 t0、t(x,τ 1)、t(0,τ 2)和熱流密度q 的具體值, 即可由式(1 )求得 B ( y ), 并由附錄 3 查出 y2值,進(jìn)而算出導(dǎo)溫系數(shù)α;然后再代入式(2 ), 即可求出導(dǎo)熱系數(shù)λ;如能進(jìn)一步測(cè)算出材料的密度ρ,即可由下式求出材料的定壓比熱С p;[2]
2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程
主要由夾緊裝置、加熱器、溫度傳感器、可調(diào)穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集系。
統(tǒng)組成為了便于放置加熱器和測(cè)量溫度的熱電偶,須將試件分為三塊,中間一塊試件比較薄,兩邊的試件比較厚,試件1和試件2之間放置加熱器。加熱器采用高電阻康銅箔平面加熱器,康銅箔厚度僅為 20 μ m,加上保護(hù)箔的絕緣薄膜,總共只有 70 μ m。其電阻值穩(wěn)定,在 0~100℃范圍內(nèi)幾乎不變。加熱器的面積和試件的端面積相同, 也是 1 0 0 m m ×100mm 的正方形。兩個(gè)加熱器的電阻值應(yīng)盡量相同,相差在0.1% 以內(nèi)。
夾緊裝置的作用是給試件施加壓力,使得試件之間緊密接觸。夾緊裝置采用螺桿導(dǎo)向壓板旋緊式結(jié)構(gòu), 主要由上、下壓板、導(dǎo)向定位螺桿、蝶形螺母等組成。旋緊位于上壓板上的四個(gè)蝶形螺母即可將試件夾緊。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、多通道信號(hào)巡檢儀和微機(jī)組成。測(cè)溫傳感器采用直徑為 0.1 m m 的銅-康銅熱電偶制成。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),熱電偶的測(cè)溫端布置在試件中心部位。巡檢儀采集試件內(nèi)部的溫度信號(hào),通過 RS232 接口傳輸給計(jì)算機(jī)。我們用 V B 語言開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件,實(shí)驗(yàn)過程中自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析計(jì)算。
用于實(shí)驗(yàn)的試件要求表面平整、厚度一致,對(duì)于木材,最好取樹的同一部位,同是弦向或徑向,以使密度及含水率均勻一致。試件尺寸不可能為半無限大。但只要使試件的尺寸保持一定的比例并且合理控制實(shí)驗(yàn)時(shí)間就可將有限厚度的試件作為半無限大物體處理。一般要求試件的長和寬是薄試件厚度的8~10倍,厚試件的厚度是薄試件的 3 倍以上。實(shí)驗(yàn)應(yīng)在試件初始溫度均勻一致的條件下進(jìn)行。因此,在未通電加熱之前,必須保證薄試件上下表面的溫度差小于0.1℃。
在實(shí)驗(yàn)過程中,只有當(dāng)加熱器發(fā)出的熱量尚未傳到厚試件的上、下兩表面時(shí), 試件才能作為“半無限大”處理, 因此實(shí)驗(yàn)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹,熱脈沖法實(shí)驗(yàn)控制時(shí)間τ k 可用 k 值進(jìn)行控制：
K 值為試件內(nèi)熱源面發(fā)出的熱流強(qiáng)度 q在τ時(shí)刻引起距離熱源面 X 處的溫度變化的特征值。在厚試件(x=d)處,當(dāng) k 值很大時(shí),說明溫度升高(d,τ)很小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況,k=1000 已能滿足試驗(yàn)要求?？刂茣r(shí)間與材料導(dǎo)溫系數(shù)有關(guān),對(duì)于厚度為 40mm 左右的木質(zhì)材料一般可取τ 1=7 分鐘,τ 2=12 分鐘。
開始實(shí)驗(yàn)時(shí),先將試件放入夾緊裝置,正確放置加熱器和熱電偶,然后運(yùn)行數(shù)據(jù)采集軟件,接通加熱器電源。7 分鐘后,停止加熱,再過 12 分鐘結(jié)束實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集軟件自動(dòng)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3 測(cè)試實(shí)例
利用本實(shí)驗(yàn)裝置, 對(duì)常見樹種楊木、云杉、泡桐的熱物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)材料基本參數(shù)見表 1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表 2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法(GB10294-88 絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻有關(guān)特性的測(cè)定-防護(hù)熱板法裝置)相比準(zhǔn)確度較高。實(shí)踐表明,本實(shí)驗(yàn)裝置造價(jià)低,測(cè)試時(shí)間短,測(cè)量精度和可重復(fù)性高,足以滿足工程上應(yīng)用的需要。是測(cè)試木質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理性質(zhì)的理想裝置。
摘自：中國計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
