[发明专利]一种测量多孔材料中异质含量的装置及方法

权利要求书

1.一种测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于，包括手持刺入式薄片异质成分探测传感器探头与便携式设备主机两部分；

所述手持刺入式薄片异质成分探测传感器探头包括发热薄片、温度传感器、外壳、导线、引线、手柄等构成，发热薄片与温度传感器紧密贴合，发热薄片与温度传感器外部包裹有外壳，发热薄片的导线和温度传感器的引线置于手柄之内，发热薄片与温度传感器探头通过线缆与便携式设备主机相连；

所述便携式设备主机设置有主控制器、温度采集及电压输出模块、显示屏、控制按键、传感器插拔接口及供电电路结构；主控制器分别与温度采集及电压输出模块、显示屏及控制按钮直接连接；供电电路与显示屏及主控制器等组件连接，为组件供电；温度采集及电压输出模块与传感器插拔接口连接；

主控制器用于对主机进行整体控制与数据处理，包括显示屏显示控制，测量启停控制，测量过程控制，数据采集时序控制等，并将传感器探头采集的数据转换为温度，计算求解异质含量；

温度采集及电压输出模块根据主控制器指令输出恒定电压，为传感器探头的发热薄片供电；同时，采集传感器探头的温度信号并反馈至主控制器。

显示屏用于显示测量进程与测量结果；控制按键供使用者操纵设备主机启停测量。

2.根据权利要求1所述测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述探测传感器探头总体外观呈尖头状的薄片。

3.根据权利要求1所述测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述探测传感器探头外壳为硬质外壳。

4.根据权利要求1所述测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述探测传感器探头的发热薄片外形同探头一致，呈薄片状。

5.根据权利要求1所述测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述探测传感器探头的温度传感器为热电偶或热电阻；温度传感器与发热薄片紧密贴合，为获得发热薄片表面平均温度，可在发热薄片上布置一个或多个温度传感器。

6.根据权利要求1所述测量多孔材料中异质含量的装置，其特征在于：所述传感器插拔接口为探测传感器探头与便携式设备主机的连接接口，设备主机的连接接口可以有多个，使得设备主机可连接多个探测传感器，实现异质含量的多位置监测。

7.一种测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，使用权利要求1所述装置测量异质含量，包括以下步骤：

a、将手持刺入式薄片异质成分探测传感器探头刺入被测材料中；

b、待被测材料中温度场分布稳定后，按动控制按钮，发热薄片开始发热；

c、温度传感器检测发热薄片表面温度变化，温度采集&直流电输出模块采集数据；

d、测量结束后，发热薄片终止发热，主控制器对测温数据进行处理；

e、主控制器根据预设计算程序求解热物性参数，得到异质含量；

f、主机显示屏上显示异质含量计算结果。

8.根据权利要求7所述的测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，所述步骤e采用的异质含量计算方法，将被测介质的传热过程简化为一维非稳态纯固体导热过程，所采用的导热微分方程、边界条件以及初始条件为：

当x＝l，

当x＝0，

当t＝0，T＝T₀ (4)

其中，T为被测多孔材料内部任意一点温度，K；T₀为被测多孔材料初始温度，K；λ为被测多孔材料导热系数，Wm^-1K^-1；ρ为被测多孔材料密度，kgm^-3；c为被测多孔材料比热容，Jkg^-1K^-1；ρc为被测多孔材料的容积热容，Jm^-3K^-1；为对称传热情况下片状平面热源的单侧散热热流密度，W/m²；Q为平面热源输入总功率，W；A为片状平面热源面积，m²；l为被测多孔材料的厚度，m。

9.根据权利要求8所述的测量多孔材料中异质含量的方法，其特征在于，使用被测多孔材料x＝l边界处的温升解析解：

其中，α为热扩散率，m²/s；上述公式中仅热物性参数λ和ρc未知。

代入假定的被测多孔材料导热系数λ、容积热容ρc和热流密度可计算出单位热流密度下对应i时刻测温点的理论温升ΔT_q＝1,i，通过枚举所有可能的被测材料热物性参数λ和ρc搭配组合作为假定热物性参数进行温升计算，可得到一组单位热流密度下温升数据库；其中被测多孔材料的假定导热系数值，是以干燥时多孔材料的导热系数值和纯异质成分的导热系数值作为上下限；被测多孔材料的容积热容同理取值；将测量过程中发热薄片的实际发热功率与ΔT_q＝1,i相乘，得到理论计算温升ΔT_M,i；

将某一假定导热系数和容积热容组合下由理论计算温升ΔT_M,i与所测温升ΔT_E,i进行对比，利用公式(6)得到理论计算温升与测量温升的均方根差异值：

其中，D为计算的温升与测量温升的均方根差异值℃，ΔT_M,i为通过公式计算得到的i时刻的温升值(℃)，ΔT_E,i为通过测量得到的i时刻的温升值(℃)，n为单次测量中温度传感器采样总数；对于每一对被枚举的热物性参数λ和ρc搭配组合，计算其对应的理论计算温升与测量温升的逐时平均差异值D，当D值最小时其对应的ρc值为被测多孔材料容积热容ρc。

容积热容与异质含量关系如下：

ρ_dryc_dry+ρ_wc_wx_w＝ρc (7)

其中，ρ_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥密度(kgm^-3)，c_dry为被测多孔材料异质侵入前的干燥比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_dryc_dry为被测多孔材料异质侵入前干燥时的容积热容(Jm^-3·K^-1)，ρ_w为纯异质成分的密度(kgm^-3)，c_w为纯异质成分的比热容(Jkg^-1K^-1)，ρ_wc_w为纯异质成分的容积热容(Jm^-3·K^-1)，x_w为纯异质成分的体积分数，ρc为被测多孔材料的容积热容(Jm^-3·K^-1)；

根据被测多孔材料异质侵入前后容积热容之差，求解纯异质成分含量的体积分数：

其中，x为异质含量体积分数。