[发明专利]可原位标定探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及方法

说明书

本发明公开一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统，及基于该系统的测量方法。测量系统及方法能够减小探针间距变化导致的热特性参数测量误差。系统包括加热探针、底座、加热装置、数据处理装置和至少一个温度探针，底座用于固定加热探针和温度探针，加热探针内设置加热丝，加热探针的长度与内径的比值大于预设的数值，加热探针经由加热装置进行加热，每个温度探针内沿其轴向设置有至少三个测温元件，数据处理装置连接测温元件，用于获取加热探针和温度探针插入待测物质后，测温元件采集到的温度响应数据，根据温度响应数据得到每个测温元件和加热探针之间的实际间距，然后根据实际间距，拟合得到待测物质的热特性参数。

技术领域

本发明涉及热特性测量技术领域，具体涉及一种可原位自我校正探针间距的双针热脉冲热特性测量系统及基于该系统的测量方法。

背景技术

目前，单针热脉冲方法和双针热脉冲方法被广泛用于测量土壤、岩石、食物、可燃冰等材料的热特性。单针热脉冲方法只能测定物质的热导率，无法同时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，因而，在目前的实际测定和应用中，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的两个或多个平行不锈钢探针，其中一个是装有加热丝的加热探针，另一个或者多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间距用热特性已知的物质标定。将探针插入或者放入待测物质中，通电后加热探针放出的热量经由待测介质传导到温度探针，由温度探针感应出并记录下温度随时间的变化。目前，基于普遍采用的无限长线状热源(ILS)的假设，可得到持续时间为t₀的热脉冲信号引发的距离加热针距离为r处的温度探针的温度变化的解析解(de Vries,1952；Kluitenberg et al.,1993)：

其中，-Ei(-x)是指数积分函数；q′是加热强度；t₀是加热时间；ρ是密度，并满足ρc＝λ/α。可对上述方程通过非线性参数回归来得到待测样品的热导率、比热等热特性参数。

此外，如下的单点法也可用于热特性的计算：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：

其中，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。

在上述双针热脉冲方法中，探针间距r是一个非常重要的参数，r的测量误差对于热特性测量结果的准确性影响很大。探针一度夹角的误差就会引起超过14％的比热测量误差(Liu et al.,2008；Wen et al.,2015)。Campbell等(1991)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。然而，在实际应用中，尤其是应用于野外时，由于存在碎石，空间异质性，植物地下根系的发育，土壤原生动物的活动，以及所测物质涨缩，冻融交替等作用，很容易导致安放于待测物质中的探针发生弯曲变形。探针在发生弯曲后，探针间距会发生改变，由于双针方法的比热/热扩散率测量误差对间距变化非常敏感，最终导致测出的比热/热扩散率存在很大的误差。

为了消除由于探针弯曲变形导致的比热和热扩散系数测量误差,需要解决探针间距的原位实地标定问题。这个问题困扰了地球物理科学，土壤科学，气象科学相关研究多年。到目前为止主流的处理方法是消极保守的：假设探针在安放在野外之后的间距不再发生变化，或者即使发生了由于弯曲形变导致的间距变化也假设间距没有改变，依然沿用实验室用琼脂等热特性已知的材料给出的标定值。