一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置及方法

1.本发明属于热学测量领域，特别是涉及一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置及方法。


背景技术：

2.市场上现有的用于实验室测量热学特性的设备，其中利用稳态法测量的较少，测量原理大致可分为热流计法、保护平板法和双平板法；应用瞬态法测量的设备较多，其测量原理多为瞬态平面法和激光导热法。
3.而现有的热物性测量设备测量范围难以满足模拟星壤的测量需求，并且测量环境与真实环境差距较大，无法模拟星壤在低温、真空环境下的实际传热形式。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置及方法，以解决现有测量热学特性的设备无法在低温、真空环境下测量含冰星壤模拟物热学特性的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置，它包括环境预制模块、测量模块、加热模块和温度数据采集模块，所述环境预制模块包括制冷机、样品舱和真空泵，所述制冷机设置在样品舱内，所述真空泵与样品舱相连，所述测量模块包括样品架、加热线和感热线，所述样品架固定在样品舱的内部，所述样品架与制冷机相连，所述样品架内设置有被测星壤模拟物，所述加热线和感热线平行布置在样品架内，所述加热线和感热线上均设置有温度传感器，所述加热模块与加热线相连，所述所述温度数据采集模块与温度传感器相连。
6.更进一步的，所述制冷机与温控仪相连。
7.更进一步的，所述样品架通过样品架盖与制冷机相连，所述样品架盖为黄铜材质。
8.更进一步的，所述加热模块为可控直流电源。
9.更进一步的，所述温度数据采集模块包括温度变送器和计算机，所述温度变送器与温度传感器信号传输相连，所述温度变送器与计算机通讯相连。
10.更进一步的，所述温度传感器采用胶粘的方式固定在加热线和感热线上。
11.更进一步的，所述样品架为聚四氟乙烯材质。
12.更进一步的，所述加热线和感热线均为镍铬合金丝。
13.更进一步的，所述温度传感器为铂电阻。
14.本发明还提供了一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量方法，它包括以下步骤：
15.步骤1：将被测星壤模拟物放置在样品架内，调整环境预制模块使样品舱内的温度和气压达到设定范围，等待被测星壤模拟物达到热稳态；
16.步骤2：设置可控直流电源的输出电流和输出电压，保证恒电流输出，对被测星壤
模拟物进行加热，通过温度数据采集模块观察温升曲线；
17.步骤3：停止加热，等待感热线达到最大温升，导出实验数据；
18.步骤4：待被测星壤模拟物恢复至初始温度，重复步骤2和步骤3多次，计算结果取平均值。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够在低温、真空条件下测量含冰星壤模拟物的热学特性，测量速度快，测量时间5分钟左右，具有良好的测量精度，标定后可进一步提高测量精度，测量温度范围较广，可达-200℃-100℃，测量真空度大，气压最低可至0.75pa，为含冰星壤热学特性研究提供了有利帮助。
附图说明
20.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1为本发明所述的一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置结构示意图；
22.图2为本发明所述的测量模块结构示意图；
23.图3为本发明所述的测量模块工作原理示意图；
24.图4为本发明所述的不同导热系数反演导热系数系统误差图；
25.图5为本发明所述的不同比热容反演导热系数系统误差图；
26.图6为本发明所述的不同导热系数反演比热容系统误差图。
27.1-制冷机，2-样品舱，3-样品架，4-样品架盖，5-真空泵，6-温控仪，7-可控直流电源，8-温度变送器，9-计算机，10-加热线，11-感热线，12-温度传感器，13-被测星壤模拟物。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
29.参见图1-6说明本实施方式，一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量装置，它包括环境预制模块、测量模块、加热模块和温度数据采集模块，环境预制模块包括制冷机1、样品舱2和真空泵5，制冷机1设置在样品舱2内，真空泵5与样品舱2相连，测量模块包括样品架3、加热线10和感热线11，样品架3固定在样品舱2的内部，样品架3与制冷机1相连，样品架3内设置有被测星壤模拟物13，加热线10和感热线11平行布置在样品架3内，加热线10和感热线11上均设置有温度传感器12，加热模块与加热线10相连，温度数据采集模块与温度传感器12相连。
30.本实施例环境预制模块用于提供低温、真空的测量环境。制冷机1与温控仪6相连，通过温控仪6对制冷机进行温度控制。样品架3通过样品架盖4与制冷机1相连，测量模块通过样品架盖4采用螺纹连接的方式固定在样品舱2内，同时进行热交换并对被测星壤模拟物13进行制冷，温度传感器12采用胶粘的方式固定在加热线10和感热线11上。加热模块为可控直流电源7，用于使加热线10通过一个恒定的电流，使其以一个恒定功率对被测星壤模拟物13进行加热。温度数据采集模块包括温度变送器8和计算机9，温度变送器8与温度传感器
12信号传输相连，温度变送器8与计算机9通讯相连，用于监测并记录温度传感器12的温度数据，通过对温度数据的解译进行被测星壤模拟物13的热学特性反演。
31.测量模块的工作原理如图3所示，在处于热平衡状态的被测星壤模拟物13环境中，对加热线10施加恒定功率，加热线10及周围被测介质便会产生温升，采用瞬态热线法中单线法和双线法对加热线10和感热线11的温度数据进行反演，从而获得被测星壤模拟物13的热学特性。
32.环境预制模块采用超低温星壤水冰物性测量系统，由温控系统和真空系统组成，可以在60mm
×
60mm
×
60mm的样品空间内，温度控制范围在10k-300k之间，可覆盖月球极区温度至室温区间；气压控制范围在10-2
pa-105pa之间。通过特定的样品架3固定在制冷机1的冷头上，可以在该系统内进行热、力、电、光、磁学等物性参数的测量实验。
33.测量模块采用黄铜材质的样品架3及样品架盖4，加热线10和感热线11均采用直径0.15mm的镍铬合金丝，温度传感器12选用pt100-m213a铂电阻
34.加热模块选用可控直流电源ms-155d提供恒定电流。其电压的输出范围为0-15v，电流的输出范围为0-5a，满足含冰星壤模拟物热物性测量实验需求。
35.温度数据采集模块采用thma无纸记录仪读取温度数据，再传输到计算机9进行实时显示和监控。
36.本实施例为一种低温真空含冰星壤模拟物热学特性测量方法，它包括以下步骤：
37.步骤1：将被测星壤模拟物13放置在样品架3内，调整环境预制模块使样品舱2内的温度和气压达到设定范围，等待被测星壤模拟物13达到热稳态；
38.步骤2：设置可控直流电源7的输出电流和输出电压，保证恒电流输出，对被测星壤模拟物13进行加热，通过温度数据采集模块观察温升曲线；
39.步骤3：停止加热，等待感热线11达到最大温升，导出实验数据；
40.步骤4：待被测星壤模拟物13恢复至初始温度，重复步骤2和步骤3多次，计算结果取平均值。
41.测量模块的重点在于材料的选取以及测量误差的控制。样品架3为聚四氟乙烯材质，样品架盖4为黄铜材质，加热线10和感热线11均为镍铬合金丝，温度传感器12为铂电阻(pt100)，将以上材料选择作为仿真输入，对不同热学特性的被测介质进行仿真研究。
42.首先，对不同导热系数的被测介质进行仿真，计算导热系数反演系统差。导热系数范围在0.001-1w/(m
·
k)，密度为1.6
×
103kg/m3，比热容为1000j/(kg
·
℃)。图4为系统误差计算结果。通过图像可以分析出：1.分别对加热线10和感热线11和加热线10和感热线11上粘贴的铂电阻进行测温，反演后的导热系数误差相近，可用铂电阻温升代替热线温升；2.单线法测量误差小于双线法。针对较低导热系数和较小尺寸的模拟月壤样本，感热线11与铂电阻的热容不可忽略，其温度变化与理论测温点的温度变化存在一定差异，导致双线法测量误差较大。
43.接着，对不同比热容的被测介质进行仿真，计算导热系数反演系统误差。比热容范围在300-1100j/(kg
·
℃)，导热系数为0.01w/(m
·
k)，密度为1.6
×
103kg/m3。图5为系统误差计算结果。通过图像可以分析出：随着被测介质比热容的增大测量误差不断增大，双线法更为明显，其原因仍是因为比热容增大，导温系数减小，导致感热线11的铂电阻温度变化先于感热线11，故感热线11和其上的铂电阻温度变化与理论测温点的温度变化差异变大，从
而带来较大误差。
44.最后，对不同导热系数的被测介质进行仿真，计算比热容反演系统误差。导热系数范围在0.001-0.1w/(m
·
k)，密度为1.6
×
103kg/m3，比热容为1000j/(kg
·
℃)。图6为系统误差计算结果。通过图像可以分析出：对于被测试样比热容的测量，双线法精度高于单线法，其原因是加热线10一部分加热功率用于热线自身的加热，单线法反演比热容精度受加热线10本身热容影响较大，而双线法反演与整个加热过程有关，受加热线热容影响较小，故单线法反演的比热容误差较双线法大。
45.综上，对于已搭建好的瞬态热线法实验台，单线法反演导热系数误差小于双线法，且在被测介质导热系数为0.01w/(m
·
k)左右时，测量误差较小；双线法反演比热容误差较小，且误差变化较小。因此，通过对测量模块的测量误差仿真研究，确定了单线法反演导热系数，双线法反演比热容的反演策略。
46.通过标定实验可进一步提高测量精度，标定实验过程为：选择水(5％琼脂)和气凝胶毡作为标定材料，气凝胶毡导热系数采用hotdisk导热系数仪测定，比热容采用dsc蓝宝石法测定。其在20℃室温、101kpa下的热学参数如表1所示。以上两种标定材料的导热系数覆盖了10-2-10-1
w/(m
·
k)的范围，并且无对流影响。
47.表1标定材料热学参数(20℃、101kpa)
[0048][0049]
标定实验设置三种加热参数：加热线10温升10k、加热线铂电阻温升10k、加热线铂电阻温升5k。通过仿真，确定6组实验的加热功率和加热时间。标定实验在20℃、101kpa条件下进行。每种材料3组标定实验热物性反演平均结果见表2。标定方程组如下：
[0050]
λ
标
＝0.9152λ
单-0.0022
[0051]c标
＝0.8911c
双-0.1106
[0052]
表2标定实验结果
[0053][0054]
本实施例为含冰月壤模拟物热学特性测量实验，设置两种含冰率的月壤模拟物：干燥月壤模拟物和含冰率10％的月壤模拟物；设置了两种极端的测量环境：80k、10-1
pa(低温低压)和300k、105pa(常温常压)。制备样本时，控制含冰月壤模拟物的密度为1.5
×
103kg/m3。含冰月壤模拟物的热学特性测量反演结果如表3所示，标定后的热学参数如表4所示。
[0055]
表3含冰月壤模拟物热学特性测量结果
[0056][0057]
表4含冰月壤模拟物热学特性标定结果
[0058][0059]
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。