混凝土熱擴散率的測定裝置的製作方法

2023-05-18 08:40:46

專利名稱：混凝土熱擴散率的測定裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種混凝土熱擴散率的測定裝置，屬物理中通過應用熱方法 測試材料的技術領域。
背景技術：
熱擴散率(或稱熱擴散係數)是材料的一種熱物理性質，表示材料被加熱或冷卻 時，其內部溫度趨於一致的能力，由公式α = λ/p c表示，式中α表示材料的熱擴散率， λ表示導熱係數，P表示密度，c表示熱容。熱擴散率越大，表示物體內部溫度趨於一致的 能力越強，同時熱擴散率也是材料傳播溫度變化能力大小的指標，因而有導溫係數之稱。目前測量混凝土熱擴散率的常用方法，如中華人民共和國行業水利行業標準《水 工混凝土試驗規程》(SL352-2006)中公開的，是(1)把混凝土澆製成高徑比為2 1的圓柱體作為測量混凝土熱擴散率的試件，並 在試件中心放置溫度傳感器或溫度計用於測量試件的中心溫度，按規定的養護條件完成試 件的養護(通常是試件成型後在恆溫保溼的環境中放置一定的時間)。(2)把混凝土試件安放在支架上，連支架一起放入具有密封隔熱、加熱和攪拌功能 的桶中，加水至整個試件浸沒在水中(沒過試件頂面5cm以上)，啟動加熱器和攪拌器將 桶中的水加熱至預定的溫度(通常為60°C 70°C，如要測量不同溫度的熱擴散率，可分別 加熱至所需的溫度)後保持水溫不變，待試件中心溫度與水溫相等(通常為測得溫差小於 0. rc)時停止加熱和攪拌。從而使整個試件的溫度均衡，獲得同溫體試件。(3)再迅速把混凝土試件放到不斷流過的溫度保持相對恆定的常溫水中冷卻降 溫，冷卻過程中要求試件的表面溫度即環境溫度始終保持相對恆定，同時測量並記錄整個 降溫過程中試件中心溫差隨時間的變化關係，直到測得試件中心溫差小於3V 6°C為止。(4)按以下步驟計算被測試件的熱擴散率(導溫係數)以冷卻過程時間t為橫坐標，以試件中心溫差θ的自然對數In θ為縱坐標繪製 冷卻過程試件中心溫差隨時間變化曲線圖；根據物理學熱傳導定律可得，在實驗條件下試 件的中心溫度差θ的自然對數In θ在穩定降溫階段隨時間的變化呈一下降直線。選取變化曲線圖中的直線部分，即試件內部形成穩定的溫度梯度場分布後的兩組 數據(θ a，ta)和(θ b，tb)，按下式計算熱擴散率α
In^-In^1冷卻過程中試件表面保持恆溫是試驗中心溫度變化規律滿足上述熱擴散率算式 的必要條件，冷卻水水溫的變動值將直接影響試驗結論的準確性，因此對冷卻水水溫的變 化範圍有嚴格的技術要求。如中華人民共和國建築工業行業標準《混凝土熱物理參數測定 儀》(徵求意見稿)要求水溫變動值不應大於士0.5°C。而為滿足這種對冷卻水水溫的嚴格 要求，上述混凝土熱擴散率的測定方法以如下所使用的試驗裝置來保證。1、傳統的試驗裝置[0013]如中華人民共和國水利行業標準《水工混凝土試驗規程》(SL352-2006)中描述的 混凝土導溫係數測定裝置就是一種的傳統試驗裝置。傳統的試驗裝置由加熱桶、冷卻桶兩 個獨立部分組成。加熱桶、冷卻桶內都安裝有試件架及測溫計，另外加熱桶有保溫外殼，桶 內安裝加熱器和攪拌器。冷卻桶內有對準試件噴水的噴嘴。加熱桶是用來製作同溫體試件 的，在其中將水加熱到指定溫度後放入試件，使試件同溫。冷卻桶是用來測定的，將同溫體 試件放入冷卻桶後，由噴嘴向同溫體試件噴淋冷卻水，使試件形成穩定溫度梯度場分布而 受測定。所說噴嘴通過水管連接至溫度恆定的水源(通常是足夠大容量的水箱作溫度緩衝 並且或連接自來水管道供水或直接從河流、湖泊等水源抽取)。但這種傳統的試驗裝置存在試驗過程需人工操作、冷卻水的溫度取決於水源溫 度、不易滿足試驗方法所要求的恆溫條件和試驗的冷卻過程需耗費大量用水等不足。隨著 技術進步，為節約用水和實現測定試驗的自動化，提出了採用循環水的試驗裝置。2、採用循環水的試驗裝置試驗裝置由試驗桶、包括熱和冷兩個恆溫循環水槽和溫度測控系統組成。試驗桶 是保溫的，內有試件架用於放置被測混凝土試件。熱循環水槽和冷循環水槽內分別裝有電 加熱器和有致冷裝置。溫度測控系統由微電腦、布置在試件中心和裝置不同部位的溫度傳 感器以及相應的機電執行機構組成，實現試驗相關溫度的檢測、記錄和試驗裝置的自動運 行控制。試驗桶與熱循環水槽、冷循環水槽通過管道及水泵相連接，管路上安裝有控制電磁 閥。試驗裝置根據試驗程序實施熱擴散率測定方法所要求的「恆溫加熱」實現同溫體試件 和「恆溫冷卻」實現試件穩態熱擴散的過程。採用循環水的試驗裝置與傳統的試驗裝置相比，具有以下優點(1)只有一個試 驗桶，且試驗過程實現自動運行；(2)採用水循環方式，最大限度地節約水資源；(3)冷熱水 的水溫可以按不同的試驗條件要求進行設定。然而該試驗裝置提高了實現的技術難度和綜合成本，主要體現在冷卻水的恆溫控 制的實現上在試驗的試件冷卻穩態熱擴散過程中，循環冷卻水吸收了試件的熱量回流到冷水 槽中，使冷水槽中的水溫提高。為了保持冷水槽中的水溫處於規定的變化範圍內，需通過制 冷系統對冷水槽的水實時製冷。為實現冷卻水溫度實時控制，保證的溫度變動值滿足穩定 性要求，需要通過實時可調節製冷量的製冷系統來實現。也即在現有製冷技術條件下，必須 採用變頻製冷系統。而與普通製冷系統相比，變頻製冷系統技術難度大，實現成本高。而採 用半導體製冷技術，則所需成本更高。同時，在冷卻初始階段，混凝土試件向冷卻水釋放的熱量較大且波動大，導致水溫 的變化速率大。為了實現恆溫控制，(1)要麼通過增大製冷功率加快溫度調節的速度，但受 到製冷系統的響應速度相對較慢的限制；(2)要麼增大循環水的總量減低溫度波動幅度， 但需要冷卻的總水量也同時增加，最終還是需要通過提高製冷功率加以實現。而製冷系統 的功率越大，其成本就越高。可見，雖然採用循環水的試驗裝置比傳統的試驗裝置在水資源利用上有所節約並 可以實現自動、靈活的試驗，但設備的成本及能耗增加許多。發明創造內容針對上述不足，本實用新型就是要提出一種既可節約用水量又成本和能耗較低的 混凝土熱擴散率的測定裝置。本實用新型提供的混凝土熱擴散率的測定裝置，有同溫體製作裝置和測定裝置， 測定裝置中有試驗桶、恆溫循環水槽和溫度測控系統；其中同溫體試件製作裝置是一腔室 或水槽；恆溫循環水槽為熱水恆溫循環水槽，試驗桶與恆溫循環水槽之間通過水管和水泵 連接成水循環系統；所說溫度測控系統包括水循環系統中安裝的測定環境溫度傳感器和與 電加熱器、測定環境溫度傳感器電信號連接的恆溫控制電路，還包括試件中心埋設的溫度 傳感器與試件中心溫度傳感器電信號連接的溫度_時間記錄裝置。作為同溫體製作裝置的腔室或水槽是有保溫措施的封閉腔室或有保溫措施的封 閉水槽；也可以是混凝土試件養護用的恆溫腔室或恆溫水槽。所說恆溫控制電路是根據檢測水溫的溫度傳感器所反饋的溫度信號與預設的恆 溫溫度相比較後調節電加熱器制熱功率的電路；所說溫度_時間記錄裝置是內有時鐘發生 器的定時測量和記錄預埋於試件中的溫度傳感器所反饋的溫度信號的計算機。本實用新型提供的混凝土熱擴散率的測定裝置，分別設置同溫體試件的製作部分 和測定部分，而同溫體試件的製作部分僅是一腔室或水槽，測定部分是恆溫熱水循環系統， 使應用本實用新型裝置進行的混凝土熱擴散率測定方法與現有技術有相反的熱擴散方向， 即以採用先常溫(或混凝土養護溫度)恆溫後高溫恆溫熱擴散的順序代替了現有技術中先 高溫恆溫再常溫(低溫)恆溫熱擴散的順序。與現有技術相比，本實用新型省卻了現有技 術中的冷恆溫水循環槽及其所配套的製冷裝置，使技術難度和耗能較高的通過實時調節制 冷量的製冷系統實現試件熱擴散狀態的環境恆溫的控制改變為技術難度和耗能較低的通 過電加熱器制熱實現試件穩態熱擴散狀態的環境恆溫的控制。另外也可以省卻專門的用於 同溫體製作的腔室或水槽，因為即便測定所需的同溫體溫度與養護溫度不同或其他原因要 對已經保養完成的試件重新進行同溫處理，也可利用養護裝置中的腔室或水槽而不必另外 配備專門的腔室或水槽。

圖1為本發明裝置一實施例的結構示意圖，圖中1_試驗桶，2-試件，3-循環水入 水管，4-試件架，5-電磁閥，6-循環水出水管，7-熱恆溫循環水槽，8-電加熱器，9-水泵。
具體實施方式
本例詳細介紹本發明提供的混凝土熱擴散率的測定方法所使用的試驗裝置本裝置有兩個部分，一部分是同溫體試件準備裝置，是一腔室或水槽，是提供常溫 水平的供試件內外溫度進行平衡的環境，但最好是利用試件必需的養護環境，即同溫體試 件準備裝置是作混凝土製件養護的恆溫養護腔室或恆溫養護水槽。另一部分是提供恆溫 的測定環境，使試件在恆溫測定環境中實現穩態熱擴散測量並記錄試件中心溫度隨時間變 化關係的測定裝置，包括試驗桶、熱恆溫循環水槽和溫度測控系統。試驗桶與熱恆溫循環 水槽之間通過管道和水泵連接成循環系統，即熱恆溫循環水槽經循環入水管連接試驗桶上 部，試驗桶底部經循環出水管連接熱恆溫循環水槽，為了提升水位在循環水管中可以安裝水泵，為了控制流量在循環水管中可以安裝閥。所說溫度測控系統包括溫度測量和恆溫控 制兩部分，溫度測量是指對循環水溫度和試件中心溫度的測量，由安裝在熱恆溫循環水槽 中及預埋於試件中心的溫度傳感器及其信號接收處理裝置執行。恆溫控制由熱恆溫循環 水槽內安裝的電加熱器、安裝於熱水系統(試驗桶水體和/或熱水管和/或熱恆溫循環水 槽)中的溫度傳感器及其信號接收處理裝置，和根據熱水溫度調節電加熱器功率的裝置執 行。溫度測控系統中的信號處理、電加熱器功率調節信號的產生都是由計算機執行的，該計 算機還是試件中心溫度、時間的記錄裝置，定時將記錄預埋於試件中的溫度傳感器所反饋 的電信號轉化為溫度數據並記錄成溫度_時間關係。具體的提供測定環境的裝置結構如圖1所示，試驗桶1和熱恆溫循環水槽7上下 安裝，試驗桶中底部有試件架4，試驗時試件2放置在試件架上。熱恆溫循環水槽內安裝電 加熱器8，熱恆溫循環水槽底部引出循環水入水管3後經水泵9接到試驗桶上部。試驗桶底 部到熱恆溫循環水槽頂部有循環水出水管6，循環水出水管上安裝有電磁閥5。試驗開始前，也是常溫水平下的同溫體試件製作將完成時，在熱恆溫循環水槽中 注滿水，開啟試驗裝置，把循環水槽內的水加熱到試驗預定溫度並保持恆溫。試驗開始時，也是常溫水平下的同溫體試件製作完成時，把要測量的混凝土同溫 體試件放入試驗桶後，蓋上蓋；立即開啟水泵把熱恆溫循環水槽的水泵送到試驗桶頂部，待 水沒過試件後開啟電磁閥，使試驗桶的水流經被測量試件的表面後再回流到水槽，形成了 「試驗桶——循環水槽」水循環；實時檢測熱恆溫循環水槽內的水溫，通過溫度控制系統使水槽中的水溫不變(水 溫變動值小於相關標準的規定士0. 5°C )，以達到試件表面溫度保持不變的目的；實時檢測 試件中心溫度並記錄溫度-時間關係，直到試件中心溫度與水溫相差3°C 6°C為止。為減小環境對試驗過程的影響和節省能源，試驗桶、熱恆溫循環水槽、循環水管、 電磁閥及水泵都進行隔熱處理。本裝置計算機系統除進行自動運行控制、溫度採樣、循環水恆溫控制以及數據記 錄、處理、顯示等外，還設置有人機界面用於試驗裝置人機互動控制。計算機系統還具有自 動計算或通過人機互動計算出被測混凝土試件的熱擴散係數的程序以及試驗數據文件存 儲、傳輸、交換等功能。另外，製作同溫體試件所用的裝置如不是養護所用裝置，則可是一件箱子或水槽， 箱子或水槽都可有密封結構並作保溫處理，以消除外界熱量對小環境內部體系中試件與其 所處小環境之間的熱平衡過程。
權利要求一種混凝土熱擴散率的測定裝置，有同溫體製作裝置和測定裝置，測定裝置中有試驗桶、恆溫循環水槽和溫度測控系統；其特徵是同溫體試件製作裝置是一腔室或水槽；恆溫循環水槽為熱水恆溫循環水槽，試驗桶與恆溫循環水槽之間通過水管和水泵連接成水循環系統；所說溫度測控系統包括水循環系統中安裝的測定環境溫度傳感器和與電加熱器、測定環境溫度傳感器電信號連接的恆溫控制電路，還包括試件中心埋設的溫度傳感器與試件中心溫度傳感器電信號連接的溫度 時間記錄裝置。
2.如權利要求1所述的混凝土熱擴散率的測定裝置，其特徵是作為同溫體製作裝置的 腔室或水槽是有保溫措施的封閉腔室或有保溫措施的封閉水槽；也可以是混凝土試件養護 用的恆溫腔室或恆溫水槽。
3.如權利要求1所述的混凝土熱擴散率的測定裝置，其特徵是所說恆溫控制電路是根 據檢測水溫的溫度傳感器所反饋的溫度信號與預設的恆溫溫度相比較後調節電加熱器制 熱功率的電路；所說溫度_時間記錄裝置是內有時鐘發生器的定時測量和記錄預埋於試件 中的溫度傳感器所反饋的溫度信號的計算機。
專利摘要本實用新型提供的混凝土熱擴散率的測定裝置，有以腔室或水槽為試件製作裝置，有以由試驗桶[1]、熱水恆溫循環水槽[7]、水管[3、6]和水泵[9]連接成的水循環系統和溫度測控系統測定裝置。與現有技術相比，本實用新型省卻了現有技術中的冷恆溫水循環槽及其所配套的製冷裝置，使技術難度和耗能較高的通過實時調節製冷量的製冷系統實現試件熱擴散狀態的環境恆溫的控制改變為技術難度和耗能較低的通過電加熱器制熱實現試件穩態熱擴散狀態的環境恆溫的控制。另外也可以省卻專門的用於同溫體製作的腔室或水槽，因為即便要對已經保養完成的試件重新進行同溫處理，也可利用養護裝置中的腔室或水槽而不必另外配備專門的腔室或水槽。
文檔編號G01N25/18GK201716276SQ20102025550
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者周嶽年, 諸華豐, 邱偉明 申請人:舟山市博遠科技開發有限公司