可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置及方法

摘要

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置及方法。该测量装置包括可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在所述底座上的温度探针和加热探针，其特征在于，所述温度探针和加热探针的长度/内径都大于25，在所述温度探针内沿所述温度探针轴线方向设置有两个测温元件，所述两个测温元件和加热探针分别与外接设备连接。本发明中提供的测量装置和测量方法通过采用两个测温元件，减少了在实际应用中由于探针弯曲变形而产生的比热测量误差。此外，该装置结构简单，造价低廉，使用方便、测量快速准确。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，主要涉及一种可实地自我校正弯曲变 形的探针间距的双针热脉冲热特性测量装置及测量方法。

背景技术

目前，测量土壤、岩石、食物、可燃冰等材料热特性的方法主要 是单针热脉冲方法和双针热脉冲方法。单针热脉冲方法只能测定物质 的热导率，无法直接得到待测物质的比热和热扩散率。双针热脉冲方 法可同时测定热导率、热扩散率及比热，目前在实际测定和应用中使 用更多的是双针热脉冲方法。

双针热脉冲方法的测量装置包括间距为r的两个平行不锈钢探针， 其中一个是装有加热丝的加热探针，另一个是装有测温元件的温度探 针，加热探针与温度探针之间的初始间距用热特性已知的物质标定。 将探针插入待测物质中，通电后加热探针放出的热量传导到温度探针， 由温度探针感应出并记录下温度随时间的变化。温度探针所测得的温 度随时间变化的曲线可以由以下方程表示(de Vries,1952;Kluitenberg  et al.,1993)：

$\mathrm{\Delta T}(r,t)=\left(\begin{array}{c}\frac{-q^{\prime }}{4\mathrm{\pi \alpha \rho c}}\mathrm{Ei}\left[\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\alpha t}}\right],t<t_0\\ \frac{q^{\prime }}{4\mathrm{\pi \alpha \rho c}}\left\{\mathrm{Ei}\right[\frac{-r^2}{4\alpha (t-t_0)}]-\mathrm{Ei}[\frac{{-r}^2}{4\mathrm{\alpha t}}\left]\right\},t>t_0\end{array}\right)---\left[1\right]$

其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q’是加热强度；ρ是密度，满足ρc=λ/α。

Bristow et al.(1994)根据公式[1]对温度t求偏导数并使结果等于 零，得到热扩散率α和比热c，具体表达式如下：

$\alpha =\frac{r^2}{4}\left\{\frac{1/(t_m-t_0)-1/t_m}{1n[t_m/(t_m-t_0)]}\right\}---\left[2\right]$

$c=\frac{q^{\prime }}{4\mathrm{\pi \rho \alpha \Delta }{T}_m}\left\{\mathrm{Ei}\right[\frac{{-r}^2}{4\alpha (t_m-t_0)}]-\mathrm{Ei}\left(\frac{{-r}^2}{4\alpha t_m}\right)\}---\left[3\right]$

其中，t₀是加热时间，ΔT_m是温度上升的最大值，t_m是温度上升到 最大值ΔT_m时所对应的时间。热导率λ可以根据热扩散率α和比热c 求出，即λ=ρc·α。

然而，在实际应用中，尤其是应用于野外时，由于所测物质涨缩， 冻融交替，及其它物质的阻碍等应力作用，很容易导致插入待测物质 中的探针发生弯曲，例如冻土在冬季很容易发生胀缩；土壤中存在石 块，根系等杂物，易导致探针弯曲变形。探针在发生弯曲后，探针间 距发生改变，最终导致测出的热特性存在很大的误差。研究表明，探 针间距2%的偏差就会导致测量待测物质的比热有4%的误差。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种减小测量误差的，可实地自我校正探针 间距的，双针热脉冲热特性测量装置及其测量方法。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种可实地自我校正间距的双 针热脉冲热特性测量装置，包括底座以及固定在所述底座上的温度探 针和加热探针，其特征在于，所述温度探针和加热探针的长度/内径都 大于25，在所述温度探针内沿所述温度探针轴线方向设置有两个测温 元件，所述两个测温元件和加热探针分别与外接设备连接。

优选地，所述两个测温元件之间的距离大于等于5mm，靠近所述 温度探针顶端的第一测温元件到所述温度探针顶端的距离大于或等于 10mm，靠近所述底座的第二测温元件距离所述底座的距离大于或等于 10mm。

优选地，所述温度探针和所述加热探针由可固化的密封材料灌装 在所述底座上。

优选地，所述密封材料为环氧树脂。

本发明还提供了利用上述技术方案所提供的双针热脉冲热特性测 量装置测量热特性的方法，其包括以下步骤：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针内的两个测温元件和 加热探针之间的初始间距；

S2：将所述温度探针和所述加热探针插入待测物质中测量得出温 度-时间响应曲线；

S3：由所述两个测温元件的温度变化差异判断探针是内倾还是外 倾；

S4：求出理论倾斜角度，并计算出探针倾斜后所述两个测温元件 到所述加热探针之间的实际间距；

S5：根据实际间距通过非线性参数拟合计算出待测物质的热特性 参数。

（三）有益效果

上述技术方案所提供可实地自我校正间距的双针热脉冲热特性测 量装置，包括底座以及固定在底座上的温度探针和加热探针，该温度 探针和加热探针的长度/内径>25，在温度探针内通过设置两个测温元件 来准确地得出探针在测量时的实际间距，以减少双针热脉冲方法在实 际应用中由于探针弯曲而产生的测量误差，该装置不仅提高了双针热 脉冲方法在野外应用测量物质热特性的精确度，而且推动了双针热脉 冲方法的发展。此外，该装置结构简单、测量快速准确、造价低。

附图说明

图1是本发明可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量 装置的一个优选实施例的结构示意图；

图2是图1中可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量 装置的探针外倾示意图；

图3是图1中可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量 装置的探针内倾示意图。

其中：1-温度探针；2-加热探针；3-底座；4-第一测温元件；5-第 二测温元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。 以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1所示为本发明可实地自我校正探针间距的双针热脉冲热特性 测量装置的一个优选实施例。根据该实施例，该热特性测量装置包括 固定在底座3上的温度探针1和加热探针2，温度探针1和加热探针2 均采用不锈钢的空心针管制成。加热探针2内设置有镍铬合金的加热 丝。其中温度探针1和加热探针2需满足长度/内径>25，在温度探针1 内设置有两个测温元件：第一测温元件4和第二测温元件5，加热探针 1和两个测温元件分别与外部设备（例如数采仪和加热装置）连接。需 要说明的是，该测温元件可以是热敏电阻或热电偶，当然也可以是其 它适合的测温元件。该热特性测量装置通过在温度探针1中设置两个 测温元件，以两个测温元件到加热探针的相对几何关系，能够准确得 出在实地应用中探针发生弯曲之后的实际间距，并通过非线性参数拟 合准确地计算出土壤的热特性。

为了增加信噪比，第一测温元件4和第二测温元件5在温度探针1 的方向上的距离要足够远。两个测温元件在温度探针的轴线方向上放 置的位置满足如下条件：测温元件距离探针顶端以及底座的距离都应 大于或等于10mm，即靠近所述温度探针顶端的第一测温元件4距离 温度探针1顶端的距离大于或等于10mm，靠近底座3的第二测温元件 距离底座3的距离大于或等于10mm。此外，两个测温元件之间间距至 少大于5mm，从而导致从探针的底端或者顶端开始放置的测温元件所 测温度与探针中间位置所测得温度的相对偏差要达到小于1%。如此放 置即可以增加信噪比又能准确测量。

进一步地，温度探针1和加热探针2用热导率较高和电绝缘性较 好的可固化的密封材料灌装固定在底座3上，以确保加热丝和测温元 件固定在准确位置并与周围环境绝缘，优选该密封材料为环氧树脂。

本发明还提供了利用上述双针热脉冲热特性测量装置测量热特性 的方法，其包括以下步骤：

S1：用热特性参数已知的材料标定温度探针1内的两个测温元件（即 第一测温元件4和第二测温元件5）到加热探针2之间的初始间距。用 已知热导率和比热的材料进行两个测温元件与加热探针2之间的初始 间距标定，得出初始间距r₁₀和r₂₀；

S2：将温度探针1和加热探针2插入待测物质中测量得出温度-时 间响应曲线ΔT-t。将探针插入待测物质中，通电后由加热探针2放出 的热量传导到温度探针1，由温度探针1内的两个测温元件分别感应出 并记录下温度随时间的变化。

具体地，首先定义δ₁和δ₂，由公式[2]可以得出δ₁和δ₂:

$\frac{\frac{1}{(t_{m1}-t_0)}-\frac{1}{t_{m1}}}{\ln \left[\frac{t_{m1}}{(t_{m2}-t_0)}\right]}={\delta }_1;\frac{\frac{1}{(t_{m2}-t_0)}-\frac{1}{t_{m2}}}{\ln \left[\frac{t_{m2}}{(t_{m2}-t_0)}\right]}={\delta }_2---\left[4\right]$

假如所测物质是均质的，温度探针1中的两个测温元件测得的热扩 散率α₁和α₂应该是相同的，由此可以得到δ₁和δ₂的关系式，定义ξ：

$\frac{r_1}{r_2}=\sqrt{\frac{{\delta }_2}{{\delta }_1}}=\xi ---\left[5\right]$

S3：由两个测温元件的温度变化差异判断探针是内倾还是外倾。如 果第一测温元件4所测温度上升到最大值时所对应的时间t_m1比第二测 温元件5所测温度上升到最大值对应的时间t_m2大，则为外倾，反之则 为内倾。

S4：求出理论倾斜角度θ，并计算出探针倾斜后两个测温元件到加 热探针2之间的实际间距r₁和r₂。

在野外条件下，探针受到应力作用而发生弧线形的弯曲，当探针弯 曲夹角θ<10°时，弧线状弯曲可以近似为直线弯曲。理论倾斜角度θ的 计算分为以下几种情况。

（1）探针外倾

如图2所示，假定温度探针1和加热探针2在同一平面内都外倾， 其中，温度探针1倾角为θ₁，加热探针2倾角为θ₂，通常情况下，θ₁<5°， θ₂<5°，其中两个探针倾斜的角度均为正值。第一测温元件4和第二测 温元件5倾斜的距离（如图2所示）：

Δr₁₁=l₁sinθ₁     Δr₁₂=l₁cosθ₁tanθ₂

Δr₂₁=l₂sinθ₁     Δr₂₂=l₂cosθ₁tanθ₂

所以

r₁=r₁₀+Δr₁₁+Δr₁₂=r₁₀+l₁sinθ₁+l₁cosθ₁tanθ₂

r₂=r₂₀+Δr₂₁+Δr₂₂=r₂₀+l₂sinθ₁+l₂cosθ₁tanθ₂

$\xi =\frac{r_1}{r_2}=\frac{r_{10}+l_1\sin {\theta }_1+l_1\cos {\theta }_1\tan {\theta }_2}{r_{20}+l_2\sin {\theta }_1+l_2\cos {\theta }_1\tan {\theta }_2}$

因为θ₁<5°，θ₂<5°

所以cosθ₁≈1，cosθ₂≈1

$\xi =\frac{r_1}{r_2}\approx \frac{r_{10}+l_1\sin ({\theta }_1+{\theta }_2)}{r_{20}+l_2\sin ({\theta }_1+{\theta }_2)}$

从而求得探针的理论倾斜角度θ：

$\theta ={\theta }_1+{\theta }_2={\sin }^{-1}\left((-1)\frac{r_{10}-\xi \times r_{20}}{l_1-l_2\times \xi }\right)---\left[6\right]$

探针倾斜后第一测温元件4和第二测温元件5到加热探针2的实际 间距为：

r₁=r₁₀+l₁sinθ；   r₂=r₂₀+l₂sinθ        [7]

对于双针不共面外倾，且倾角小于5°的情况，均可近似简化为探 针共面外倾的情况进行计算。

（2）探针内倾

如图3所示，假定温度探针1和加热探针2在同一平面内都内倾， 其中，温度探针倾角为θ₁，加热探针倾角为θ₂，同样，θ₁<5°，θ₁<5°， 第一测温元件4和第二测温元件5倾斜的距离（如图3所示）：

Δr₁₁=l₁sinθ₁     Δr₁₂=l₁cosθ₁tanθ₂

Δr₂₁=l₂sinθ₁Δr₂₂=l₂cosθ₁tanθ₂

所以

r₁=r₁₀-Δr₁₁-Δr₁₂=r₁₀-l₁sinθ₁-l₁cosθ₁tanθ₂

r₂=r₂₀-Δr₂₁-Δr₂₂=r₂₀-l₂sinθ₁-l₂cosθ₁tanθ₂

$\xi =\frac{r_1}{r_2}=\frac{r_{10}-l_1\sin {\theta }_1-l_1\cos {\theta }_1\tan {\theta }_2}{r_{20}-l_2\sin {\theta }_1-l_2\cos {\theta }_1\tan {\theta }_2}$

因为θ₁<5°，θ₂<5°

所以cosθ₁≈1，cosθ₂≈1

$\xi =\frac{r_1}{r_2}\approx \frac{r_{10}-l_1\sin ({\theta }_1+{\theta }_2)}{r_{20}-l_2\sin ({\theta }_1+{\theta }_2)}$

从而求得探针的理论倾斜角度θ：

$\theta ={\theta }_1+{\theta }_2={\sin }^{-1}\left(\frac{r_{10}-\xi \times r_{20}}{l_1-l_2\times \xi }\right)---\left[8\right]$

探针倾斜后第一测温元件4和第二测温元件5到加热探针2的实际 间距为：

r₁=r₁₀-l₁sinθ；   r₂=r₂₀-l₂sinθ      [9]

对于双针不共面内倾，且倾角小于5°的情况，均可近似简化为探针 共面内倾的情况进行计算。

S5：根据实际间距通过非线性参数拟合计算出土壤的热特性参数， 例如，比热和热导率。

通过测量土壤热特性的实验表明，当探针外倾3.2°<θ<3.5°时，双 针热脉冲法测量土壤的比热c的误差在22.9%～38.8%范围内，通过实 地标定探针间距后，误差减小到-3.8%～7.8%。实验结果证明，实地标 定探针间距的技术可以减少双针热脉冲方法测量土壤、岩石等多孔介 质热特性时所产生的误差。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技 术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围情况下，还可 以做出其他的改变，但所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。