木質材料熱物理性質測試裝置的研制
發布時間：2017-09-01
木質材料和人造板材料目前廣泛用于建筑工程和室內裝飾工程上, 其導熱系數、導溫系數等熱物理性質是反映材料質量的重要指標。測試材料熱物理性質主要有穩態法和熱脈沖法兩種。穩態法達到熱平衡的時間很長, 而且試件有可能發生化學反應。熱脈沖法可以同時測量材料的多種熱物理性質,且實驗時間較短。目前研究較多的熱脈沖測試技術是利用高速高溫計或激光偏振儀來測量加熱過程中試件內部溫度, 設備價格昂貴。我們根據熱脈沖法的基本原理,自行研制了一種測試木質材料熱學性質的實驗裝置。設備簡單可靠,實驗時間短,測試精度較高。[1]
1 實驗原理
設有一半無限大物體(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熱系數、導溫系數、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平面處用一個恒定功率的平面熱源進行短時間加熱,則在加熱期間,物體各點溫度將持續上升。如在τ= τ 1 時刻停止加熱,則加熱面的溫度將持續下降。設停止加熱時(即τ=τ1時),物體內部點 X 處的溫度為 t(x,τ 1),停止加熱后某一時刻,τ = τ 2 時,加熱面(即 X=0平面)的溫度為t(x,τ2),則根據理論推導
根據式(1),(2)可知,只要在實驗中測得溫度 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,進而算出導溫系數α;然后再代入式(2 ), 即可求出導熱系數λ;如能進一步測算出材料的密度ρ,即可由下式求出材料的定壓比熱С p;[2]
2 實驗裝置與實驗過程
主要由夾緊裝置、加熱器、溫度傳感器、可調穩壓電源、數據采集系。
統組成為了便于放置加熱器和測量溫度的熱電偶,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,加上保護箔的絕緣薄膜,總共只有 70 μ m。其電阻值穩定,在 0~100℃范圍內幾乎不變。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。兩個加熱器的電阻值應盡量相同,相差在0.1% 以內。
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向壓板旋緊式結構, 主要由上、下壓板、導向定位螺桿、蝶形螺母等組成。旋緊位于上壓板上的四個蝶形螺母即可將試件夾緊。
數據采集系統由傳感器、多通道信號巡檢儀和微機組成。測溫傳感器采用直徑為 0.1 m m 的銅-康銅熱電偶制成。進行實驗時,熱電偶的測溫端布置在試件中心部位。巡檢儀采集試件內部的溫度信號,通過 RS232 接口傳輸給計算機。我們用 V B 語言開發了數據采集軟件,實驗過程中自動對數據進行實時采集、存儲、分析計算。
用于實驗的試件要求表面平整、厚度一致,對于木材,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驗時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。實驗應在試件初始溫度均勻一致的條件下進行。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℃。
在實驗過程中,只有當加熱器發出的熱量尚未傳到厚試件的上、下兩表面時, 試件才能作為“半無限大”處理, 因此實驗必須在規定的時間內完成。根據有關文獻介紹,熱脈沖法實驗控制時間τ k 可用 k 值進行控制：
K 值為試件內熱源面發出的熱流強度 q在τ時刻引起距離熱源面 X 處的溫度變化的特征值。在厚試件(x=d)處,當 k 值很大時,說明溫度升高(d,τ)很小。根據實驗的實際情況,k=1000 已能滿足試驗要求。控制時間與材料導溫系數有關,對于厚度為 40mm 左右的木質材料一般可取τ 1=7 分鐘,τ 2=12 分鐘。
開始實驗時,先將試件放入夾緊裝置,正確放置加熱器和熱電偶,然后運行數據采集軟件,接通加熱器電源。7 分鐘后,停止加熱,再過 12 分鐘結束實驗。數據采集軟件自動計算出實驗結果。
3 測試實例
利用本實驗裝置, 對常見樹種楊木、云杉、泡桐的熱物理性質進行了測試。實驗材料基本參數見表 1,實驗結果見表 2。實驗結果與穩態法(GB10294-88 絕熱材料穩態熱阻有關特性的測定-防護熱板法裝置)相比準確度較高。實踐表明,本實驗裝置造價低,測試時間短,測量精度和可重復性高,足以滿足工程上應用的需要。是測試木質材料導熱系數等熱物理性質的理想裝置。
摘自：中國計量測控網
