一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法及系统

1.本发明涉及工程热物性测量领域，涉及液体导热系数的测试，尤其涉及一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法及系统。


背景技术：

2.导热系数是最基本的热物理性质之一，在能源、动力、化工、制冷等领域有着重要的应用，是许多应用工程中必不可少的基础数据。其测量方法主要有稳态法和非稳态法，瞬态法是非稳态法的一种，其测量时间短、装置简单，典型的有瞬态热线法、瞬态热源法、瞬态热带法等。目前，在导热系数测量中瞬态热线法使用最为广泛，其装置的设计得到了不断地完善，主要是电路系统和数据采集系统的改进。但是，很多研究需要的测量设备成本较高，测量效率低等缺点。自行研制的瞬态热线法导热系数测量系统，采用集成式双电桥电路模式，具有低成本，操作简单，测量效率高等优点。
3.瞬态热线法是一种用来测量流体和固体的导热系数方法，后来经过一些学者的不断研究和总结，瞬态热线法导热系数的测量精确度有了很大提高，装置的设计更加精细，做工更加完善，比如热线表面可以采用阳极氧化的方法，电路噪音可以增加数据采集频率或数学处理；同时随着科学技术的进步，准确短时间内获取大量数据采集点成为可能。
4.目前，瞬态热线法热线材料的选取有很多，主要选用康铜丝、钽丝和铂丝等。康铜丝的电阻温度系数小，一般是在其表面焊接热电偶来记录温度变化；钽丝造价较贵，国内技术尚不能使其直径达到微米级，且表面绝缘技术较为复杂，所以使用较少；待测电阻温度温度系数较大，化学性质稳定，延展性较好，容易加工成细丝，因此使用范围最为广泛。随着社会技术的不断发展，测试装置的可靠性越来越好，数据采集的精度也越来越高，但实际情况与理想模型的偏差只能无限减小，但不可避免，只能以相对法进行修正。总体来说，瞬态热线法测量的物质种类最多，范围最广，时间最少，并且能够根据热线温升和对数时间的线性关系判断自然对流是否发生，是一种理想的溶液导热系数测试方法。
5.而相应的，一般的导热测试装置成本较高，测试效率低，数据采集效率有限，为此我们提出一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法及系统。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种能够最大程度获取更多的输出信号、缩短测量时间的集成式双电桥液体导热系数数据采集方法及系统。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
8.所述的集成式双电桥液体导热系数数据采集方法，包括如下步骤：
9.s1、将待测待测电阻作为单桥电路中的一个桥臂，配合另外两个定值电阻以及一个可调电阻构成单桥电路，将两个并联的所述单桥电路与直流稳压电源以及数据采集仪接通构成测试回路；
10.s2、对电桥回路进行电桥平衡；
11.s3、将直流稳压电源配合并联式的驱动继电器接入电桥回路，调节直流稳压电源电压以对待测电阻通电加热，待测电阻阻值随温度变化，通过数据采集仪收集不同温度下每一单桥电路中电势差；
12.s4、将s3中所收集数据结合瞬态热线法的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。
13.进一步地，所述步骤s2中，电桥平衡的具体步骤为，
14.调节直流稳压电源输出电流至2ma；
15.通过数据采集仪检测每一电桥电路输出电势差，而后一边调整可调电阻电阻值，一边观察输出电势差；
16.直到每一单桥电路电势差在-10μv-10μv范围波动，认为电桥平衡。
17.进一步地，所述步骤s3中调节直流稳压电源电压值为12v。
18.一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，包括：
19.电桥电路，由两个并联式的单桥电路构成，每一单桥电路中以电流分流方向分为四个桥臂，分别为ab-bc以及ad-dc，其中，ab、bc、ad、dc依次对应两个定值电阻、一个待测电阻与一个可变电阻，
20.数据采集模块，用以接入每一单桥电路中bd两端并对每一单桥电路bd两端电势差进行采集；
21.直流稳压电源，通过并联式的驱动继电器接入电桥电路，用以待测电阻加热。
22.进一步地，桥电路中包括对应ab臂和bc臂的定值电阻r9、r8；对应ad臂的待测电阻r11以及串接在ad臂上的定值电阻r10；对应dc臂的可变电阻r6以及串接在cd臂上的定值电阻r7，则bd两端电压分别为，
[0023][0024][0025]
其中，v为测量时输入的恒定电压，r
11
为铂丝为273.15k时的电阻值，dr为待测电阻加热过程增加的电阻值。
[0026]
进一步地，集模块包括数据采集仪与计算机，所述数据采集仪为aglient34970a型，所述计算机用以接收所述数据采集仪采集到的数据并显示。
[0027]
进一步地，所述待测电阻种类包括铂丝、硅油、甘油、正己烷和水。
[0028]
进一步地，所述电桥电路平衡时，每一所述单桥电路中r
11
＝r6。
[0029]
进一步地，所述直流稳压电源还连接有定值电阻r5，所述定值电阻r5用以与直流稳压电源构成单独的保护回路。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明独立开发了双电桥导热测试系统，使所有电器元件集成化，具有操作简单、成本低，测试效率高等优点，在满足数据测量的需求下，最大程度地获取更多的输出信号，是一般测试系统导热系数数据获取的两倍，能够极大地缩短测量时间。
附图说明
[0031]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0032]
图1为本发明实施例中数据采集系统的结构示意图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034]
本发明所述的集成式双电桥液体导热系数数据采集方法，主要包括如下步骤：
[0035]
s1、将待测待测电阻作为单桥电路中的一个桥臂，配合另外两个定值电阻以及一个可调电阻构成单桥电路，将两个并联的所述单桥电路与直流稳压电源以及数据采集仪接通构成测试回路；
[0036]
s2、对电桥回路进行电桥平衡；
[0037]
s3、将直流稳压电源配合并联式的驱动继电器接入电桥回路，调节直流稳压电源电压以对待测电阻通电加热，待测电阻阻值随温度变化，通过数据采集仪收集不同温度下每一单桥电路中电势差；
[0038]
s4、将s3中所收集数据结合瞬态热线法的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。
[0039]
以下根据本发明的一实施方式结合图1示出。
[0040]
电路系统采用双电桥的设计模式，将铂丝电阻11设计成电桥的一个臂，通电后根据桥路电压差的变化，得到对应的铂丝电阻11变化，然后根据铂丝电阻11与温度的线性关系，进而得到铂丝的温度变化情况。开始测量前要对电桥进行调平，直流稳压电源1接入调平电路，闭合开关3，调节电源1输出电流至2ma，打开电脑，使用数据采集仪12检测电桥输出电势差，然后一边调整阻值，一边观察电桥输出电势差，直到电势差值在-10μv-10μv范围波动，即可认为电桥平衡。电桥调平后，将直流稳压电源1接入测试回路，电源电压调至12v，驱动继电器4与电桥构成回路，铂丝通电加热，温度升高，电阻值变大，引起电桥电势差增大。加热时间不易过长，尽量避免自然对流对导热系数测试的影响。测试完后断开开关2，电源1与定值电阻5构成回路，起保护电路的作用。
[0041]
电桥a、b两端接入aglient 34970a型数据采集仪12，记录两端之间的电压差(记为)，测量时输入的恒定电压为v，则
[0042][0043][0044]
其中r
11
为铂丝为273.15k时的电阻值，dr为铂丝电阻加热过程增加的电阻值。
[0045]
调节电桥平衡时有r
11
＝r6,则电桥a、b两端电势差为
[0046][0047]
由于式(3)中分母dr变化较小，所以
[0048][0049]
铂丝电阻r
11
与温度t之间关系为
[0050]rpt
＝r
11
[1+α(t-273.15)]
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
其中α为铂丝电阻温度系数,r
pt
为铂丝电阻随温度的变化结果。
[0052]
故有
[0053]
dr＝r
11
αδt
ꢀꢀꢀ
(6)
[0054]
将式(6)代入式(4)中得
[0055][0056]
加热功率q的表达式为
[0057][0058]
其中l为铂丝长度，m。
[0059]
将式(7)(8)代入式(1)得导热系数的计算模型为
[0060][0061]
利用该导热测试装置对硅油、甘油、正己烷和水四种液体在常温常压下的导热系数进行了测试，并与现有的参考文献导热系数进行对比，如下表所示为四种液体导热系数的测量结果，可以看出该测试装置的测量结果相对误差绝对值在1.5％以内，其测量结果较好。
[0062][0063]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽
管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将待测待测电阻作为单桥电路中的一个桥臂，配合另外两个定值电阻以及一个可调电阻构成单桥电路，将两个并联的所述单桥电路与直流稳压电源以及数据采集仪接通构成测试回路；s2、对电桥回路进行电桥平衡；s3、将直流稳压电源配合并联式的驱动继电器接入电桥回路，调节直流稳压电源电压以对待测电阻通电加热，待测电阻阻值随温度变化，通过数据采集仪收集不同温度下每一单桥电路中电势差；s4、将s3中所收集数据结合瞬态热线法的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。2.根据权利要求1所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法，其特征在于：所述步骤s2中，电桥平衡的具体步骤为，调节直流稳压电源输出电流至2ma；通过数据采集仪检测每一电桥电路输出电势差，而后一边调整可调电阻电阻值，一边观察输出电势差；直到每一单桥电路电势差在-10μv-10μv范围波动，认为电桥平衡。3.根据权利要求1所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法，其特征在于：所述步骤s3中调节直流稳压电源电压值为12v。4.一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于，包括：电桥电路，由两个并联式的单桥电路构成，每一单桥电路中以电流分流方向分为四个桥臂，分别为ab-bc以及ad-dc，其中，ab、bc、ad、dc依次对应两个定值电阻、一个待测电阻与一个可变电阻，数据采集模块，用以接入每一单桥电路中bd两端并对每一单桥电路bd两端电势差进行采集；直流稳压电源，通过并联式的驱动继电器接入电桥电路，用以待测电阻加热。5.根据权利要求4所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于：每一所述单桥电路中包括对应ab臂和bc臂的定值电阻r9、r8；对应ad臂的待测电阻r11以及串接在ad臂上的定值电阻r10；对应dc臂的可变电阻r6以及串接在cd臂上的定值电阻r7，则bd两端电压分别为，bd两端电压分别为，其中，v为测量时输入的恒定电压，r
11
为铂丝为273.15k时的电阻值，dr为待测电阻加热过程增加的电阻值。6.根据权利要求4所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块包括数据采集仪与计算机，所述数据采集仪为aglient34970a型，所述计算机用以接收所述数据采集仪采集到的数据并显示。7.根据权利要求4所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于：所述待测电阻种类包括铂丝、硅油、甘油、正己烷和水。
8.根据权利要求4所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于：所述电桥电路平衡时，每一所述单桥电路中r
11
＝r6。9.根据权利要求4所述的一种集成式双电桥液体导热系数数据采集系统，其特征在于：所述直流稳压电源还连接有定值电阻r5，所述定值电阻r5用以与直流稳压电源构成单独的保护回路。

技术总结
本发明提出了一种集成式双电桥液体导热系数数据采集方法及系统，解决了常规导热测试装置成本高，测试效率低，数据采集效率有限等问题，其主要步骤包括：S1、将待测待测电阻作为单桥电路中的一个桥臂，配合另外两个定值电阻以及一个可调电阻构成单桥电路，将两个并联的所述单桥电路与直流稳压电源以及数据采集仪接通构成测试回路；S2、对电桥回路进行电桥平衡；S3、将直流稳压电源配合并联式的驱动继电器接入电桥回路，调节直流稳压电源电压以对待测电阻通电加热，待测电阻阻值随温度变化，通过数据采集仪收集不同温度下每一单桥电路中电势差；S4、将S3中所收集数据结合瞬态热线法的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。的导热模型计算出每种待测电阻的导热系数。


技术研发人员：杨书伟 袁月
受保护的技术使用者：郑州商学院
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/20