一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置與方法，包括原專利的主施力裝置、受力定位裝置、數(shù)碼攝像裝置、光測量裝置、腔內(nèi)氣壓測量裝置、數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動(dòng)與控制電路以及數(shù)據(jù)采集處理與界面控制模塊與計(jì)算機(jī)，還包括改進(jìn)的推筒測量腔、纖維塞筒、下測量腔、加熱控制裝置、熱測試裝置及與此相連的數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)采集處理模塊組成。該裝置的測試方法是對(duì)纖維體施加力的作用，使其密度及密度分布產(chǎn)生變化，同時(shí)對(duì)纖維體施加熱作用，使其兩端產(chǎn)生一定的溫度差，測試通過纖維體兩端的溫差及熱流，并求得纖維體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。該方法和裝置測量精度高、制樣方便、測試時(shí)間短、適用范圍廣、可適用纖維體變密度條件下的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量。
【專利說明】一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種纖維體傳熱性質(zhì)的穩(wěn)態(tài)原位測量技術(shù)，該技術(shù)可用于測試各種纖維體在變密度條件下的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維體即纖維狀物質(zhì)的集合體通常用作服用保暖材料、建筑隔熱層、航天飛機(jī)及運(yùn)載火箭的隔熱防護(hù)層等，在實(shí)際使用中，低密度的填充絮狀纖維集合體通常受到外界作用力而產(chǎn)生密度與密度分布的變化，從而引起其傳熱性質(zhì)的變化；另外，在設(shè)計(jì)纖維體時(shí)，通常需要選取佳密度值獲得最佳隔熱效果，而獲得不同密度的試樣進(jìn)行測試時(shí)程序非常復(fù)雜。因此，研究變密度纖維體的傳熱性質(zhì)是非常有必要的。
[0003]目前對(duì)纖維材料傳熱性質(zhì)測試最常用的方法是穩(wěn)態(tài)法。測試熱傳遞性質(zhì)常用的標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D 1518-85、IS0 8302和GB 11048-89，除了這些標(biāo)準(zhǔn)的方法之外，還有靜態(tài)平板法(0.Jirsak et al.comparing dynamic and static methods for measuring thermalconductive properties of textiles.Textile Research Journal.1998,68(1)47-56.)和保護(hù)熱板法(Guard Hot Plate Instrument (Model GHP-200), Holometric, 25 WigginsAvenue, Bedford, MA01730-2323, U.S.A.)等。
[0004]這些方法主要有幾個(gè)問題:第一，對(duì)纖維材料的測試往往是靜態(tài)的，無法測試外力作用下纖維材料變密度條件下的傳熱性質(zhì)；第二，不同密度的纖維材料是通過制取各種密度的試樣獲得，這樣制樣一致性差、可比性差；第三，原有裝置一般是針對(duì)成型的紡織品(織物或毛氈)進(jìn)行測試，無法直接測得填充絮料的傳熱性質(zhì)，這需要復(fù)雜的制樣程序。
[0005]由此可見，目前缺少一臺(tái)裝置能夠原位測試各種纖維體變密度條件下的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置與方法，該裝置和方法能夠測試實(shí)際使用中，外力作用下纖維體變密度條件下的傳熱性質(zhì)，另外可以方便地對(duì)各種類型的纖維體進(jìn)行測試。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的原理是:對(duì)纖維體施加力的作用，使其密度及密度分布產(chǎn)生變化，同時(shí)對(duì)纖維體施加熱作用，使其兩端產(chǎn)生一定的溫度差，測試通過纖維體兩端的溫差及熱流，并求得纖維體的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是對(duì)原專利(ZL200510024967.4)進(jìn)行原理性的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)能平穩(wěn)施壓實(shí)時(shí)跟蹤測纖維塞壓縮力及密度分布的裝置及測量方法，具體是提供了一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，主施力裝置、受力定位裝置、數(shù)碼攝像裝置、光測量裝置，其特征在于:還包括推筒測量腔、纖維塞筒、下測量腔、加熱控制裝置及熱測試裝置，內(nèi)設(shè)有纖維塞的纖維塞筒卡套在下測量腔上，下測量腔設(shè)于受力定位裝置上，在纖維塞筒的外側(cè)設(shè)有數(shù)碼攝像裝置及光測量裝置，推筒測量腔懸掛于主施力裝置上，由主施力裝置驅(qū)動(dòng)推筒測量腔上升及下降，推筒測量腔在下降過程中形成對(duì)纖維塞的壓力，該壓力經(jīng)由下測量腔傳遞至受力定位裝置，由加熱控制裝置從上、下兩端以設(shè)定溫度對(duì)纖維塞加熱，使纖維塞的兩端產(chǎn)生一定的溫度差，再通過熱測試裝置獲取纖維塞兩端的的溫度與熱流信號(hào)，腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)連接推筒測量腔及下測量腔，由置于主施力裝置和受力定位裝置內(nèi)的力傳感器感應(yīng)纖維塞在受力壓縮的過程中其兩端力值的變化。
[0009]優(yōu)選地，所述推筒測量腔的底板包括位于中心的主加熱板、位于主加熱板外圍的輔助加熱板及處于主加熱板與輔助加熱板之間的橡膠墊片；主加熱板與輔助加熱板的材料均為金屬銅。
[0010]優(yōu)選地，所述纖維塞筒具有呈凸卡槽的底板，其凸卡槽中心部位開有圓形凹孔槽；圓形凹孔槽的直徑與所述主加熱板的直徑相同；底板的材料為金屬銅。
[0011]優(yōu)選地，在所述下測量腔的下測量腔腔壁上開有入水口與出水口。
[0012]優(yōu)選地，所述加熱控制裝置包括固定于所述主加熱板上表面的主加熱絲、置于所述主加熱板上表面的中心溫度傳感器、與主加熱絲和中心溫度傳感器連接的第一溫度控制器、固定于所述輔助加熱板上表面的輔助加熱絲、置于所述輔助加熱板上表面的外環(huán)溫度傳感器、與輔助加熱絲和外環(huán)溫度傳感器連接的第二溫度控制器、向下測量腔提供恒溫循環(huán)水浴以控制所述纖維塞筒的底板溫度的恒溫水浴槽；
[0013]主加熱絲、輔助加熱絲、中心溫度傳感器、外環(huán)溫度傳感器與主加熱板和輔助加熱板的接觸面間存在導(dǎo)熱硅膠，保證兩者之間的良好接觸；第一溫度控制器控制主加熱絲對(duì)主加熱板進(jìn)行加熱，中心溫度傳感器將測得的主加熱板的溫度送到溫度控制器，由溫度控制器控制主加熱絲是否加熱；第二溫度控制器控制輔助加熱絲對(duì)輔助加熱板進(jìn)行加熱，外環(huán)溫度傳感器將測得的輔助加熱板的溫度送到第二溫度控制器，由第二溫度控制器控制輔助加熱絲是否加熱；恒溫水浴槽內(nèi)的循環(huán)水泵控制通入下測量腔的循環(huán)水浴的流速。
[0014]優(yōu)選地，所述溫度測試裝置包括置于所述主加熱板內(nèi)的推筒底中心溫度傳感器、置于所述輔助加熱板內(nèi)的推筒底外環(huán)溫度傳感器、置于所述纖維塞筒的底板的圓形凹孔槽內(nèi)的熱流傳感器；推筒底中心溫度傳感器及推筒底外環(huán)溫度傳感器分別置于主加熱板與輔助加熱板的內(nèi)部中心位置，并與主加熱板及輔助加熱板底部平面接近；熱流傳感器的上表面和所述纖維塞筒的底板上表面平齊，其直徑和圓形凹孔槽凹孔槽直徑相同；熱流傳感器內(nèi)部有和推筒底中心溫度傳感器、推筒底外環(huán)溫度傳感器相同類型的下溫度傳感器；推筒底中心溫度傳感器、推筒底外環(huán)溫度傳感器與熱流傳感器和主加熱板、輔助加熱板與底板接觸的表面都涂有導(dǎo)熱硅膠，以保持良好的接觸。
[0015]優(yōu)選地，所述推筒底中心溫度傳感器、推筒底外環(huán)溫度傳感器、熱流傳感器均連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接數(shù)據(jù)采集處理與界面模塊，可實(shí)現(xiàn)溫度與熱流數(shù)據(jù)的采集與處理、曲線和特征值的顯示、存儲(chǔ)及打印。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)具體技術(shù)方案是提供了一種應(yīng)用上述的變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置的測量方法，其特征在于，步驟為:
[0017]步驟一、先將纖維集合體放置在溫度為20±0.2°C、相對(duì)濕度為65±5%的恒溫恒濕條件下預(yù)置24h，從中取一定質(zhì)量的纖維塞以均勻、自然狀態(tài)地放入纖維塞筒內(nèi)，或按一定排列方式及高度置入纖維塞筒內(nèi)；接著將纖維塞筒卡套在下測量腔上，并將二者置于受力定位裝置上，推筒測量腔懸掛于主施力裝置上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔至最高位置，使推筒測量腔和纖維塞筒分離；
[0018]步驟二、通過第一溫度控制器及第二溫度控制器設(shè)置主加熱板和輔助加熱板的溫度，所設(shè)置的輔助加熱板溫度略高于主加熱板0.2°C左右；打開電源，由主加熱絲和輔助加熱絲對(duì)主加熱板與輔助加熱板進(jìn)行加熱；通過水浴槽設(shè)置循環(huán)水浴的溫度并以一定的流速通入下測量腔；待推筒底中心溫度傳感器、推筒底外環(huán)溫度傳感器與熱流傳感器、熱流傳感器內(nèi)的下溫度傳感器顯示的溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；
[0019]步驟三、由主施力裝置驅(qū)動(dòng)推筒測量腔下降壓縮纖維塞至設(shè)定高度hO后停止，待推筒底中心溫度傳感器、推筒底外環(huán)溫度傳感器與熱流傳感器、熱流傳感器內(nèi)的下溫度傳感器顯示的溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明纖維塞的傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時(shí)的溫度與熱流信號(hào)；啟動(dòng)數(shù)碼攝像裝置的CCD數(shù)碼攝像器下降至纖維塞高度hO所在的范圍內(nèi)，觀察纖維塞的密度分布圖像，結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像特征提取與分析得到密度分布，由光測量裝置的測量狹縫光源在第一個(gè)位置配合透射測量光敏元件完成透射測量，并在第二個(gè)位置配合反射測量光敏原件完成反射測量，得到纖維塞在高度hO時(shí)的透射光密度及反射光密度；
[0020]步驟四、由主施力裝置驅(qū)動(dòng)推筒測量腔繼續(xù)下降壓縮纖維塞至高度hl，重復(fù)步驟三，將得到纖維體高度為hi時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)；纖維塞在高度hi時(shí)的密度分布圖像；纖維塞在高度hi時(shí)的透射光密度及反射光密度；不斷重復(fù)步驟四，從而將得到纖維塞在不同壓縮高度時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)、密度分布圖像；
[0021]步驟五、關(guān)閉加熱電源及水浴槽開關(guān)，由主施力裝置帶動(dòng)推筒測量腔上升到最高位置，旋下推筒測量腔，同時(shí)將纖維塞筒和下測量腔旋開分離，并取出纖維塞筒中的纖維塞，將三者置于水平試驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；
[0022]步驟六、根據(jù)測得的溫度與熱流數(shù)據(jù)，計(jì)算表達(dá)纖維塞傳熱性質(zhì)的參數(shù)-導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，獲得纖維塞在不同高度下的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻；通過密度分布圖像，獲得纖維塞在不同高度下的密度以及密度分布。
[0023]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種上述的變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置的應(yīng)用，其特征在于:用于變密度纖維體的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量。
[0024]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種上述的測量方法的應(yīng)用，其特征在于:用于變密度纖維體的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量。
[0025]由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:(1)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量，能夠較好的測試?yán)w維體在使用情況下由于密度變化而引起的傳熱性質(zhì)的變化，符合纖維塞的實(shí)際使用狀態(tài)；(2)該裝置適用范圍廣，可以測試各種類型纖維體的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)，如絮狀纖維體、織物等；(3)通過將纖維體按照一定的排列方式(如隨機(jī)、豎直、成團(tuán)、分層等)放入纖維塞筒制成不同高度或密度的纖維試樣，所以不同纖維試樣的獲得較為方便；(4)測試時(shí)間短，僅需幾分鐘的時(shí)間；測試精度高，操作簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明裝置的正視剖面結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖2A是本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；
[0028]圖2B是圖2A的A-A向視圖；
[0029]圖3A是本發(fā)明推筒測量腔的底板圖；
[0030]圖3B是本發(fā)明纖維塞筒的底板圖；
[0031 ] 圖4是本發(fā)明的電路框圖；
[0032]圖5是木棉、滌綸和羽絨纖維體的導(dǎo)熱系數(shù)與其高度的關(guān)系圖；
[0033]圖6是木棉、滌綸和羽絨纖維體的熱阻與其高度的關(guān)系圖；
[0034]圖7是木棉、滌綸和羽絨纖維體的導(dǎo)熱系數(shù)與其密度的關(guān)系圖；
[0035]圖8是木棉、滌綸和羽絨纖維體的熱阻與其密度的關(guān)系圖；
[0036]圖中:
[0037]1、推筒測量腔，其包括11-上半腔、111-頂部孔槽、112-可調(diào)節(jié)平衡重錘、113-平衡桿、114-凸頭端、12-下半腔、141-主加熱板、142-輔助加熱板、143-橡膠墊片；
[0038]2-纖維塞筒、其包括22-帶有凸卡槽的底板、221-圓形凹孔槽、23-纖維塞；
[0039]3-下測量腔、其包括31-凹卡槽開口端、32-下測量腔腔壁、33-進(jìn)水孔、34-出水孔；
[0040]加熱控制模塊、其包括41-主加熱絲、42-中心溫度傳感器、43-第一溫度控制器、44-輔助加熱絲、45-外環(huán)溫度傳感器、46-第二溫度控制器；
[0041]溫度測試裝置、其包括51-推筒底中心溫度傳感器、52-推筒底外環(huán)溫度傳感器、53-熱流傳感器、54-下溫度傳感器；
[0042]6-主施力裝置、其包括61-下凸塊、62-壓力傳感器、63-螺釘、64_固定塊、65-上凸塊、66-移動(dòng)梁、67-主施力裝置滑塊、68-固定架、69-步進(jìn)電機(jī)；
[0043]7-受力定位裝置、71-受力傳感器、72-上板塊、73-下板塊、74-螺釘、75-基座、76-固定塊、77-定位螺栓、78-實(shí)驗(yàn)臺(tái)；
[0044]8-數(shù)碼攝像裝置、其包括81-導(dǎo)軌、82-CXD數(shù)碼攝像器、83-數(shù)碼攝像滑塊、84-攝像器位移機(jī)構(gòu)、85-攝像器步進(jìn)電機(jī)；
[0045]9-光測量裝置、其包括91-狹縫光源(位置I透射，位置II反射)、92_透射測量光敏元件、93-反射測量光敏原件；
[0046]腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)、其包括101-U型壓差管、102-氣阻針閥。
【具體實(shí)施方式】
[0047]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0048]以下實(shí)施列均使用了如圖1至圖4所示的一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，主施力裝置6、受力定位裝置7、數(shù)碼攝像裝置8、光測量裝置9、推筒測量腔1、纖維塞筒2、下測量腔3、腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)、加熱控制裝置及熱測試裝置。內(nèi)設(shè)有纖維塞23的纖維塞筒2卡套在下測量腔3上，下測量腔3設(shè)于受力定位裝置7上，在纖維塞筒5的外側(cè)設(shè)有數(shù)碼攝像裝置8及光測量裝置9，推筒測量腔I懸掛于主施力裝置6上，由主施力裝置6驅(qū)動(dòng)推筒測量腔I上升及下降，推筒測量腔I在下降過程中形成對(duì)纖維塞23的壓力，該壓力經(jīng)由下測量腔3傳遞至受力定位裝置7，由加熱控制裝置從上、下兩端以設(shè)定溫度對(duì)纖維塞23加熱，使纖維塞23的兩端產(chǎn)生一定的溫度差，再通過熱測試裝置獲取纖維塞23兩端的的溫度與熱流信號(hào)，腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)連接推筒測量腔I及下測量腔3，由置于主施力裝置6和受力定位裝置7內(nèi)的力傳感器感應(yīng)纖維塞53在受力壓縮的過程中其兩端力值的變化，主要包括U型壓差管101及氣阻針閥102的腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)連接推筒測量腔I。
[0049]推筒測量腔I，其外徑為5.4cm,內(nèi)徑為5.2cm,高度為9cm，包括上半腔11及與上半腔11密封配合的下半腔12，在上半腔11的頂部設(shè)有頂部孔槽111，在上半腔31的側(cè)邊設(shè)有用于調(diào)節(jié)推筒測量腔3平衡的平衡桿113，在平衡桿113上設(shè)有可移動(dòng)調(diào)節(jié)的平衡重錘112，上半腔11的底部為保持密封的凸頭端114。結(jié)合圖3A，其與原專利的區(qū)別在于:推筒測量腔I的底板，直徑為9cm，厚度為1cm，其包括位于中心的主加熱板141 (直徑為1.2cm)、位于主加熱板141外圍的輔助加熱板142 (徑向厚度為4cm)及處于主加熱板141與輔助加熱板142之間的橡膠墊片143 (徑向厚度為0.2cm);主加熱板141與輔助加熱板142的材料均為金屬銅。
[0050]結(jié)合圖3B，纖維塞筒2具有帶有凸卡槽的底板22，其凸卡槽中心部位開有圓形凹孔槽221 ;圓形凹孔槽221的直徑與所述主加熱板141的直徑相同；纖維塞筒2的底板22的材料為金屬銅。
[0051]在下測量腔3的下測量腔腔壁32上開有入水口 33與出水口 34。
[0052]加熱控制模塊包括固定于主加熱板141上表面的主加熱絲41、置于主加熱板141上表面的中心溫度傳感器42、與主加熱絲41和中心溫度傳感器42連接的溫度控制器43、固定于輔助加熱板142上表面的輔助加熱絲44、置于輔助加熱板142上表面的外環(huán)溫度傳感器45、與輔助加熱絲44和外環(huán)溫度傳感器45連接的溫度控制器46、向下測量腔3提供恒溫循環(huán)水浴48的控制凸卡槽22溫度的恒溫水浴槽(水浴槽溫度控制范圍為5°C?100°C，溫度波動(dòng)范圍為±0.03°C);所述的主加熱絲41、輔助加熱絲44(兩種加熱絲均為鐵鉻鉻高電阻電熱合金加熱絲，功率為10W)、中心溫度傳感器42、外環(huán)溫度傳感器45 (兩種溫度傳感器均為點(diǎn)接觸式K型熱電偶，接觸點(diǎn)為0.1mm,測試溫度范圍為_50+250°C，精度為±0.TC，響應(yīng)時(shí)間小于0.2s)與主加熱板141和輔助加熱板142的接觸面間存在導(dǎo)熱硅膠，保證兩者之間的良好接觸；所述的溫度控制器43控制主加熱絲41對(duì)主加熱板141進(jìn)行加熱，中心溫度傳感器42將測得的主加熱板141的溫度送到溫度控制器43，由溫度控制器43控制主加熱絲41是否加熱；所述的溫度控制器46控制輔助加熱絲44對(duì)輔助加熱板142進(jìn)行加熱，外環(huán)溫度傳感器45將測得的輔助加熱板142的溫度送到溫度控制器46，由溫度控制器45控制輔助加熱絲44是否加熱(溫度控制器采用單片機(jī)控制，控制方式采用人工智能調(diào)節(jié)PID控制算法，溫度控制器的測量精度為量程的±0.2%，響應(yīng)時(shí)間為0.5s);所述的水浴槽內(nèi)的循環(huán)水泵控制通入下測量腔3的循環(huán)水浴的流量，循環(huán)泵流速為15L/min。
[0053]所述的溫度測試裝置5，其主要包括置于主加熱板141內(nèi)的推筒底中心溫度傳感器51、置于輔助加熱板142內(nèi)的推筒底外環(huán)溫度傳感器52 (兩種溫度傳感器和42與45類型相同，均為點(diǎn)接觸式K型熱電偶)、置于纖維塞筒2凸卡槽底板22的圓形凹孔槽221內(nèi)的熱流傳感器53 (法國進(jìn)口的熱電堆式熱流傳感器，其直徑為1.2cm,厚度為0.4mm,響應(yīng)時(shí)間為0.3s。)；所述的推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52分別置于主加熱板141與輔助加熱板142的內(nèi)部中心位置，其與加熱板底部平面接近；所述的熱流傳感器53的上表面和凸卡槽底板22上表面平齊，其直徑和凹孔槽221直徑相同；所述的熱流傳感器53內(nèi)部有和推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52相同類型的下溫度傳感器54 (和上面提到的溫度傳感器類型相同)；所述的推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52與熱流傳感器53和主加熱板141、輔助加熱板142與凸卡槽底板22接觸的表面都涂有導(dǎo)熱硅膠，以保持良好的接觸。
[0054]主施力裝置6包括與用于懸掛推筒測量腔I的下凸塊61，下凸塊61設(shè)于壓力傳感器62的下表面，壓力傳感器62通過螺釘63與固定塊64固定連接，移動(dòng)梁66通過上凸塊65與固定塊64卡套，主施力裝置滑塊67連接移動(dòng)梁66，主施力裝置滑塊67卡套在固定架68上，由步進(jìn)電機(jī)69驅(qū)動(dòng)主施力裝置滑塊67在固定架68上移動(dòng)。
[0055]受力定位裝置7包括位于上板塊72和下板塊73之間的受力傳感器71，受力傳感器71通過螺釘74固定，由基座75穩(wěn)定托住下板塊73，在基座75上設(shè)有防止受力傳感器71水平移位的固定塊76，基座75由位于其底部的水平螺栓77支撐在實(shí)驗(yàn)臺(tái)78上，通過水平螺栓77調(diào)節(jié)基座水平。
[0056]數(shù)碼攝像裝置8包括導(dǎo)軌81，在導(dǎo)軌81上設(shè)有與其配合的數(shù)碼攝像滑塊83，CXD數(shù)碼攝像器82固定在數(shù)碼攝像滑塊83上，由攝像器步進(jìn)電機(jī)85通過攝像器位移機(jī)構(gòu)84驅(qū)動(dòng)CXD數(shù)碼攝像器82上下移動(dòng)。
[0057]光測量裝置9包括測量狹縫光源91、位于測量狹縫光源91對(duì)側(cè)的透射測量光敏元件92及位于測量狹縫光源91同側(cè)的反射測量光敏原件93，測量狹縫光源91在第一個(gè)位置I配合透射測量光敏元件92完成透射測量，并在第二個(gè)位置II配合反射測量光敏原件93完成反射測量。
[0058]本發(fā)明的電連接框圖如圖4所示，在圖4中，壓力傳感器62及受力傳感器71經(jīng)由各自的濾波傳感器連接A/D轉(zhuǎn)換單元。光測量裝置9則與濾波傳感器連接后又連接一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元。數(shù)碼攝像裝置8中的C⑶數(shù)碼攝像器82則連接圖像采集卡。推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52、熱流傳感器53連接各自的濾波傳感器又連接一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元。所有A/D轉(zhuǎn)換單元均連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的圖像采集與處理模塊，又都受到參數(shù)設(shè)置與控制模塊的控制，參數(shù)設(shè)置與控制模塊還控制步進(jìn)電機(jī)69。
[0059]應(yīng)用變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置的測量原理與方法的實(shí)現(xiàn)步驟是:
[0060]步驟一、先將纖維塞23放置在溫度為20 ± 0.2°C、相對(duì)濕度為65 ±5%的恒溫恒濕條件下預(yù)置24h，從中取一定質(zhì)量的纖維塞23以均勻、自然狀態(tài)地放入纖維塞筒2內(nèi)，或按一定排列方式及高度置入纖維塞筒2內(nèi)；接著將纖維塞筒2卡套在下測量腔3上，并將二者置于受力定位裝置7上，推筒測量腔I懸掛于主施力裝置6上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔I至最高位置，使推筒測量腔I和纖維塞筒2分離。
[0061]步驟二、通過第一溫度控制器43及第二溫度控制器46設(shè)置主加熱板141和輔助加熱板142的溫度，所設(shè)置的輔助加熱板142溫度略高于主加熱板0.2°C左右；打開電源，主加熱絲41和輔助加熱絲44對(duì)主加熱板141與輔助加熱板142進(jìn)行加熱；通過水浴槽設(shè)置循環(huán)水浴48的溫度并以15L/min的流速通入下測量腔3 分鐘后，待推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52與熱流傳感器53、熱流傳感器53內(nèi)的下溫度傳感器54顯示的溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
[0062]步驟三、啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)69，推筒測量腔I下降壓縮纖維塞23至設(shè)定高度h0后停止，待推筒底中心溫度傳感器51、推筒底外環(huán)溫度傳感器52與熱流傳感器53、熱流傳感器53內(nèi)的下溫度傳感器54，顯示的溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明纖維塞23的傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)操作界面，記錄此時(shí)的溫度與熱流信號(hào)；啟動(dòng)CCD數(shù)碼攝像器81下降至纖維體高度h0所在的范圍內(nèi)，觀察纖維塞的密度分布圖像，結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像特征提取與分析得到密度分布。由光測量裝置9的測量狹縫光源9在第一個(gè)位置I配合透射測量光敏元件92完成透射測量，并在第二個(gè)位置II配合反射測量光敏原件93完成反射測量，得到纖維塞23在高度h0時(shí)的透射光密度及反射光密度。
[0063]步驟四、啟動(dòng)電機(jī)，推筒測量腔I繼續(xù)下降壓縮纖維塞23至高度hl，重復(fù)步驟三，將得到纖維塞23高度為hi時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)；纖維體在高度hi時(shí)的密度分布圖像；纖維體在高度hi時(shí)的透射光密度及反射光密度；不斷重復(fù)步驟四，從而將得到纖維塞23在不同壓縮高度時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)、密度分布圖像。
[0064]步驟五、關(guān)閉加熱電源及水浴槽開關(guān)，啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)推筒測量腔I上升到最高位置，旋下推筒測量腔1，同時(shí)將纖維塞筒2和下測量腔3旋開分離，并取出纖維塞筒2中的纖維塞23，將三者置于水平試驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
[0065]步驟六、根據(jù)測得的溫度與熱流數(shù)據(jù)，計(jì)算表達(dá)纖維體23傳熱性質(zhì)的參數(shù)-導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，獲得纖維塞23在不同高度下的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻；通過密度分布圖像，獲得纖維塞23在不同高度下的密度以及密度分布。
[0066]表達(dá)纖維體傳熱性質(zhì)的參數(shù)-導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻的計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，主施力裝置￠)、受力定位裝置(7)、數(shù)碼攝像裝置(8)、光測量裝置(9)，其特征在于:還包括推筒測量腔(I)、纖維塞筒(2)、下測量腔(3)、加熱控制裝置及熱測試裝置，內(nèi)設(shè)有纖維塞(23)的纖維塞筒(2)卡套在下測量腔(3)上，下測量腔(3)設(shè)于受力定位裝置(7)上，在纖維塞筒(5)的外側(cè)設(shè)有數(shù)碼攝像裝置(8)及光測量裝置(9)，推筒測量腔(I)懸掛于主施力裝置(6)上，由主施力裝置(6)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔(I)上升及下降，推筒測量腔(I)在下降過程中形成對(duì)纖維塞(23)的壓力，該壓力經(jīng)由下測量腔(3)傳遞至受力定位裝置(7)，由加熱控制裝置從上、下兩端以設(shè)定溫度對(duì)纖維塞(23)加熱，使纖維塞(23)的兩端產(chǎn)生一定的溫度差，再通過熱測試裝置獲取纖維塞(23)兩端的的溫度與熱流信號(hào)，腔內(nèi)氣壓測量機(jī)構(gòu)連接推筒測量腔(I)及下測量腔(3)，由置于主施力裝置(6)和受力定位裝置(7)內(nèi)的力傳感器感應(yīng)纖維塞(53)在受力壓縮的過程中其兩端力值的變化。
2.如權(quán)利要求1所述的一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:所述推筒測量腔(I)的底板包括位于中心的主加熱板(141)、位于主加熱板(141)外圍的輔助加熱板(142)及處于主加熱板(141)與輔助加熱板(142)之間的橡膠墊片(143)；主加熱板(141)與輔助加熱板(142)的材料均為金屬銅。
3.如權(quán)利要求2所述一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:所述纖維塞筒(2)具有帶有凸卡槽的底板(22)，其凸卡槽中心部位開有圓形凹孔槽(221)；圓形凹孔槽(221)的直徑與所述主加熱板(141)的直徑相同；纖維塞筒(2)的底板(22)的材料為金屬銅。
4.如權(quán)利要求2所述一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:在所述下測量腔(3)的下 測量腔腔壁(32)上開有入水口(33)與出水口(34)。
5.如權(quán)利要求4所述一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:所述加熱控制裝置包括固定于所述主加熱板(141)上表面的主加熱絲(41)、置于所述主加熱板(141)上表面的中心溫度傳感器(42)、與主加熱絲(41)和中心溫度傳感器(42)連接的第一溫度控制器(43)、固定于所述輔助加熱板(142)上表面的輔助加熱絲(44)、置于所述輔助加熱板(142)上表面的外環(huán)溫度傳感器(45)、與輔助加熱絲(44)和外環(huán)溫度傳感器(45)連接的第二溫度控制器(46)、向下測量腔(3)提供恒溫循環(huán)水浴(48)以控制所述纖維塞筒(2)的底板(22)溫度的恒溫水浴槽； 主加熱絲(41)、輔助加熱絲(44)、中心溫度傳感器(42)、外環(huán)溫度傳感器(45)與主加熱板(141)和輔助加熱板(142)的接觸面間存在導(dǎo)熱硅膠，保證兩者之間的良好接觸;第一溫度控制器(43)控制主加熱絲(41)對(duì)主加熱板(141)進(jìn)行加熱，中心溫度傳感器(42)將測得的主加熱板(141)的溫度送到溫度控制器(43)，由溫度控制器(43)控制主加熱絲(41)是否加熱；第二溫度控制器(46)控制輔助加熱絲(44)對(duì)輔助加熱板(142)進(jìn)行加熱，外環(huán)溫度傳感器(45)將測得的輔助加熱板(142)的溫度送到第二溫度控制器(46)，由第二溫度控制器(46)控制輔助加熱絲(44)是否加熱；恒溫水浴槽內(nèi)的循環(huán)水泵控制通入下測量腔(3)的循環(huán)水浴(48)的流速。
6.如權(quán)利要求4所述一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:所述溫度測試裝置(5)包括置于所述主加熱板(141)內(nèi)的推筒底中心溫度傳感器(51)、置于所述輔助加熱板(142)內(nèi)的推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)、置于所述纖維塞筒(2)的底板(22)的圓形凹孔槽(221)內(nèi)的熱流傳感器(53);推筒底中心溫度傳感器(51)及推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)分別置于主加熱板(141)與輔助加熱板(142)的內(nèi)部中心位置，并與主加熱板(141)及輔助加熱板(142)底部平面接近；熱流傳感器(53)的上表面和所述纖維塞筒(2)的底板(22)上表面平齊，其直徑和圓形凹孔槽凹孔槽(221)直徑相同；熱流傳感器(53)內(nèi)部有和推筒底中心溫度傳感器(51)、推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)相同類型的下溫度傳感器(54);推筒底中心溫度傳感器(51)、推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)與熱流傳感器(53)和主加熱板(141)、輔助加熱板(142)與底板(22)接觸的表面都涂有導(dǎo)熱硅膠，以保持良好的接觸。
7.如權(quán)利要求6所述一種變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置，其特征在于:所述推筒底中心溫度傳感器(51)、推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)、熱流傳感器(53)均連接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接數(shù)據(jù)采集處理與界面模塊，可實(shí)現(xiàn)溫度與熱流數(shù)據(jù)的采集與處理、曲線和特征值的顯示、存儲(chǔ)及打印。
8.一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置的測量方法，其特征在于，步驟為: 步驟一、先將纖維集合體放置在溫度為20±0.2°C、相對(duì)濕度為65±5%的恒溫恒濕條件下預(yù)置24h，從中取一定質(zhì)量的纖維塞(23)以均勻、自然狀態(tài)地放入纖維塞筒(2)內(nèi)，或按一定排列方式及高度置入纖維塞筒(2)內(nèi)；接著將纖維塞筒(2)卡套在下測量腔(3)上，并將二者置于受力定位裝置(7)上，推筒測量腔(I)懸掛于主施力裝置(6)上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔(I)至最高位置，使推筒測量腔(I)和纖維塞筒(2)分離； 步驟二、通過第一溫度控制器(43)及第二溫度控制器(45)設(shè)置主加熱板(141)和輔助加熱板(142)的溫度，所設(shè)置的輔助加熱板(142)溫度略高于主加熱板0.2°C左右；打開電源，由主加熱絲(41)和輔助加熱絲(44)對(duì)主加熱板(141)與輔助加熱板(142)進(jìn)行加熱；通過水浴槽設(shè)置循環(huán)水浴(48)的溫度并以一定的流速通入下測量腔(3);待推筒底中心溫度傳感器(51)、推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)與熱流傳感器(53)、熱流傳感器(53)內(nèi)的下溫度傳感器(54)顯示的 溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)； 步驟三、由主施力裝置(6)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔(I)下降壓縮纖維塞(23)至設(shè)定高度hO后停止，待推筒底中心溫度傳感器(51)、推筒底外環(huán)溫度傳感器(52)與熱流傳感器(53)、熱流傳感器(53)內(nèi)的下溫度傳感器(54)顯示的溫度與熱流信號(hào)在某一固定值附近波動(dòng)時(shí)，即表明纖維塞(23)的傳熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此時(shí)的溫度與熱流信號(hào)；啟動(dòng)數(shù)碼攝像裝置(8)的CCD數(shù)碼攝像器(81)下降至纖維塞(23)高度hO所在的范圍內(nèi)，觀察纖維塞(23)的密度分布圖像，結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像特征提取與分析得到密度分布，由光測量裝置(9)的測量狹縫光源(91)在第一個(gè)位置(I)配合透射測量光敏元件(92)完成透射測量，并在第二個(gè)位置(II)配合反射測量光敏原件(93)完成反射測量，得到纖維塞(23)在高度hO時(shí)的透射光密度及反射光密度； 步驟四、由主施力裝置(6)驅(qū)動(dòng)推筒測量腔(I)繼續(xù)下降壓縮纖維塞(23)至高度hl，重復(fù)步驟三，將得到纖維體(23)高度為hi時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)；纖維塞(23)在高度hi時(shí)的密度分布圖像；纖維塞(23)在高度hi時(shí)的透射光密度及反射光密度；不斷重復(fù)步驟四，從而將得到纖維塞(23)在不同壓縮高度時(shí)的溫度與熱流數(shù)據(jù)、密度分布圖像；步驟五、關(guān)閉加熱電源及水浴槽開關(guān)，由主施力裝置(6)帶動(dòng)推筒測量腔(I)上升到最高位置，旋下推筒測量腔(I)，同時(shí)將纖維塞筒(2)和下測量腔(3)旋開分離，并取出纖維塞筒(2)中的纖維塞(23)，將三者置于水平試驗(yàn)臺(tái)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束； 步驟六、根據(jù)測得的溫度與熱流數(shù)據(jù)，計(jì)算表達(dá)纖維塞(23)傳熱性質(zhì)的參數(shù)-導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，獲得纖維塞(23)在不同高度下的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻；通過密度分布圖像，獲得纖維塞(23)在不同高度下的密度以及密度分布。
9.一種如權(quán)利要求1所述的變密度纖維體穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)原位測量的裝置的應(yīng)用，其特征在于:用于變密度纖維體的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量。
10.一種如權(quán)利要求8所述的測量方法的應(yīng)用，其特征在于:用于變密度纖維體的穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的原位測量。`
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK103454305SQ201310390490
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】于偉東, 宋文芳, 潘寧, 陳魯鐵 申請(qǐng)人:東華大學(xué)