本发明专利技术谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法及装置，涉及利用信号频域特性进行热物性测量的技术。该方法在待测液体内部布置一定尺度和形状带有绝缘层的微型加热丝，采用具有直流偏移分量的周期微弱电流加热，作为加热器和温度传感器，然后根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热扩散率等多个热参数。因焦耳效应产生的热量将以１ω和２ω的频率对金属丝和液体加热，产生频率不同的温度波。增加的金属丝电阻与周期电流共同作用产生频率不同的电压谐波。不同频率谐波包含丰富的热参数信息。微型加热器表面沉积有厚度小于１微米的特殊绝缘高导热膜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和 热扩散率的方法及装置，特别是应用于纳米流体、液态金属等导电和非导 电液体热物性参数测试的方法及装置。
技术介绍
纳米颗粒功能流体(纳米悬浮液)和液态金属等作为一种强化换热工 质在微型加热、冷却设备和微型反应器中逐渐得到应用。上述特殊流体的 热参数的准确测量和描述对于上述设备的热设计及热控制具有重要作用。 目前一般釆用瞬态热线法(THW)，准稳态法，稳态法和短热线法等测量 液体的导热系数， 一般采用直流电加热，利用信号的时域特性测量。由于 热线自身的热容以及可能引起液体的自然对流作用，可能使实际的测试系 统偏离理论模型。并且在采用直流电加热情况下，如果测试时间大于3s-6s，热线和液体之间的温差可能引起液体的自然对流，因此必须控制测量 时间。2005年Vadasz比较了热线法和瞬态热带法，认为采用瞬态热线法 (THW)测试的纳米流体导热系数偏高可能是热波对流造成的。基于谐波 探测的3o测量技术虽然已经提出了十几年，但目前未见利用该方法测量纳米流体、液态金属等液体导热系数的研究报导。分析该测量方法特点发 现，该方法可实现液体内部的热量传递，微型加热膜(线)通过微弱交流信号加热介质，由加热线的lco、 2 和3o)谐波得到温度波动信号。利用 交流锁相放大技术可以克服瞬态热线法(THW)很难得到高精度快速信号 响应的问题。采用很小的时间常数就可以快速探测到稳定的三次谐波，包 含与流体热参数有关的丰富信息。在频域内，通过增大加热频率可以减小 热作用深度，进而减弱对流产生的干扰。
技术实现思路
本专利技术解决现有液体导热系数测试方法在时域内测量易引起液体自 然对流以及允许的测试短和绝缘困难等的技术缺陷，提供一种基于谐波探 测技术的测量方法及其装置。此方法允许测试时间长、能有效减弱液体自 然对流影响、易于绝缘，可用于纳米流体、液态金属等导电和非导电液体 导热系数和热扩散率等多个热参数同时测量。本专利技术的技术方案是一种谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其步骤依次 为①把徼型金属加热丝两端采用压焊工艺分别固定在两金属支架上；② 在加热丝和金属支架表面沉积绝缘层，然后固定在储液容器内部；③把储 液容器放置于恒温真空腔内，在储液容器内部充灌测试液体并启动TEC 加热系统加热到要求温度；④开启真空泵，恒温真空腔的真空度满足要求 后关闭真空泵；⑤把加热丝与采用模块化设计的谐波探测系统接通，测试 不同频率下加热丝两端的谐波；⑥根据测试原理拟合液体的导热系数和热扩散系数。所述的交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方 法，其所述微型金属加热丝釆用含有直流分量的周期交流加热。所述的交流加热和谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其所述微型加热丝的直径在5~50nm范围内，加热丝的总长度在2 100mm范围内；表面绝缘层11的厚度在0.1~l(Him范围内，绝缘层11的导热系数与加热丝的导热系数接近，大于60Wm"K-；加热丝两端固定的金属支架直径在0.5~5mm范围内。一种根据权利要求l所述的方法使用的装置，其包括 一微型交流加热/温度探测器，所述微型交流加热/温度探测器表面整体沉积一层导热绝缘膜，形成耐腐蚀的绝缘层；一储液容器， 一真空腔，储液容器置于真空腔内，储液容器侧及下外表面由保温层包覆，储液容器与保温层之间有间距，保温层底部由大金属支架支撑；微型交流加热/温度探测器位于储液容器内；TEC连续加热和冷却模块位于储液容器与保温层之间的间距内，布于 储液容器外侧面，使储液容器内待测液体的温度从-l(TC到20(TC之间变 化；一谐波分离电路模块和一谐波探测电路模块，通过电压引线与微型交 流加热/温度探测器一端连接，所述谐波分离电路将特定的lco、 2co和3co 谐波相互分离，使锁相放大器能够探测到不同谐波的幅值和相位。所述的装置，其所述微型交流加热/温度探测器，包括微型加热丝、金属支架、导热绝缘膜，其中，加热丝两端分别固定在两金属支架上，两金 属支架的自由端，接有电源引线和电压引线，其电压引线接谐波探测系统， 加热丝和两金属支架表面覆有导热绝缘层，加热丝中间设有两个谐波测量点；微型加热丝的直径在5 5(Him范围内，表面绝缘层的厚度在O.l-lO^im 范围内，加热丝的总长度在2~100mm范围内；两个谐波测量点间距在 2 80mm范围内，加热丝两端固定的金属支架直径在C).5 5mm范围内，两 个金属支架之间的距离在2~80mm范围内。所述的测量装置，其所述储液容器与保温层之间的间距，在l~100mm 范围内；TEC模块为-10'C 20(TC范围内连续变温；在谐波分离电路模块 中，谐波分离采用电桥电路，运算放大器采用AD或AMP系列元件，电 路中所有匹配电阻的电阻温度系数小于5PPM。所述的测量装置，其所述加热丝采用竖直或水平放置。所述的测量装置，其所述谐波分离电路模块和谐波探测电路模块采用 前置放大器提高谐波的强度和稳定性。所述的测量装置，其在电桥电路中采用阻值小于5Q的电阻补偿加热 丝引线的接触电阻。所述的测量装置，其用于测量纳米流体、液态金属、导电和非导电微 量液体的导热系数和热扩散率参数。本专利技术能在很大程度上解决目前液体导热系数测量方法遇到的液体 自然对流和允许的测试时间短以及难于测量液态金属等导电液体的问题， 可以在比较大的温度范围内(-10°C~200°C)快速而准确探测所需的各次 谐波，保证液体热参数测量的准确性。加热丝的直径在5~50nm范围内，表面绝缘层11的厚度在0.1~10pm 范围内，可以在低频下直接测量液体的导热系数，而不必考虑加热丝自身 热容的影响。绝缘层11的导热系数大于60\^!11—1 :-1，厚度小于10^m，可以忽略绝 缘层11自身的温度变化。加热丝中间两个谐波测量点间距在2~80mm范围内可以有效消除加热丝端部散热的影响。与瞬态热线法相比，测试时间长、并利用锁相放大技术快速而准确的 测试交流加热作用产生的三次谐波；利用该方法在真空中测量液体的热参 数可有效减弱对流产生的影响。由于热作用深度随交流信号频率的增大而 减小，利用该实验系统可以测量纳米流体、液态金属等导电和非导电微量 液体的热参数。附图说明图1是本专利技术的带有特殊绝缘层11的微型加热/测温器结构示意图； 图2是本专利技术谐波法液体容器结构示意图；图3是本专利技术谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的装置系统图。具体实施例方式见图1， 2和3为组成谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的 装置；其中图2和3中的加热丝放大结构见图1;加热丝的具体位置见图2;图2中的谐波探测引线2接图3加热丝对应位置。其中，电流引线接 点l、谐波探测引线2、热电偶3、金属支架4、 TEC加热/冷却器5、储液 容器6、保温层7、恒温真空腔8、大金属支架9、加热丝10 (其放大结 构见图1)。在待测液体内部布置一定尺度和形状的带有绝缘层11的微型加热丝 10，采用具有直流偏移分量的周期微弱电流加热，同时作为温度传感器， 然后根据热波振动频率与温度变化的关系同时确定液体的导热系数和热 扩散率等多个热参数。因焦耳效应产生的热量将以lco和2co的频率对金属丝和液体加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种谐波探测技术测量液体导热系数和热扩散率的方法，其特征在于，其步骤依次为：①把微型金属加热丝两端采用压焊工艺分别固定在两金属支架上；②在加热丝和金属支架表面沉积绝缘层，然后固定在储液容器内部；③把储液容器放置于恒温真空腔内，在储液容器内部充灌测试液体并启动ＴＥＣ加热系统加热到要求温度；④开启真空泵，恒温真空腔的真空度满足要求后关闭真空泵；⑤把加热丝与采用模块化设计的谐波探测系统接通，测试不同频率下加热丝两端的谐波；⑥根据测试原理拟合液体的导热系数和热扩散系数。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：唐大伟，王照亮，郑兴华，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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