本发明涉及大温差热流计法导热仪测试技术领域，尤其涉及一种大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法。
背景技术：
在大温差热流计法导热仪中，为了实现300mm×300mm截面尺寸的样品在100mm×100mm中心计量区域内的温度均匀性，样品上方的平板加热器采取了从中心到四周逐渐加密的宫形结构以补偿样品侧壁面的热损失。该措施虽然有效提高了中心计量区内的温度均匀性，但是无法完全实现均温，1000℃的高温试验表明该区域内的温度不均性在2％～3％之间。试验表明，试样热面内的温度不均性较大，而冷面的温度和热流密度的不均匀性较小。可见热面温度的不均匀性最为显著。如何对该不均匀性提供修正算法，以提高热导率的测量精度，目前尚缺少有效的算法。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，用以解决现有技术中由于热面温度不均性大导致的热导率测量精度较低的问题。
本发明实施例提供了一种大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，包括如下步骤：
步骤s1：利用保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试，拟合得到表征标准试样温度与热导率之间函数关系的系数；
步骤s2：利用大温差热流计法导热仪对标准试样进行大温差条件下的测试，基于获取的标准试样在不同热面中心点温度下通过标准样本厚度方向的热流密度、热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值以及所述系数，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；
步骤s3：利用大温差热流计法对待测试样进行测试，基于所述权重系数修正所述待测试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值，得到修正后的热面温度。
在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：
进一步，在所述步骤s1中，
所述标准试样温度与热导率之间函数关系为：
λ(ti)＝a0 a1ti a2ti2 … amtim(1)
其中，ti表示第i次测试时的标准试样温度，i＝1,2,3,…,p，p表示保护热板法导热仪的测试次数；λ(ti)表示标准试样温度为ti时的热导率，a0、a1、a2、…、am为表征标准试样温度与热导率之间多项式型函数关系的m个系数，m≤p。
进一步，基于采集的p次标准试样温度和热导率及公式(1)，拟合得到所述系数a0、a1、a2、…、am。
进一步，所述步骤s2包括：
步骤s21：基于获取的标准试样在不同热面中心点温度下通过标准样本厚度方向的热流密度、热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值以及所述系数，得到相应热面中心点温度下的试样热面的温度平均值：
其中，l表示待测试样的厚度；qj表示第j次测试时通过标准样本厚度方向的热流密度，j＝1,2,3,…,n，n表示大温差热流计法导热仪的测试次数；tj表示第j次测试时标准试样冷面温度的平均值；tj表示第j次测试时热面中心点温度下的试样热面的温度平均值；
步骤s22：基于标准试样在不同热面中心点温度下的热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、试样热面的温度平均值，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；
其中，y＝[t1,t2,…，tj,…,tn,1]′；
进一步，所述标准试样冷面温度的平均值，由冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值求平均值得到。
进一步，当中心计量区域为正方形时，分别在热面、冷面的以下位置布设测温热电偶：
试样中心点、中心计量区域的四个顶点、中心计量区域四条边的中点。
进一步，所述试样的截面尺寸为300mm×300mm，所述中心计量区域为所述试样中心100mm×100mm的区域。
进一步，所述小温差指所述标准试样热面、冷面的温差不超过30℃。
进一步，利用保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试时，标准试样温度的温度不超过600℃。
进一步，所述大温差指所述标准试样热面、冷面的温差超过50℃，且标准试样冷面的中心点温度保持在30℃±10℃。
与现有技术相比，本发明中的方案具备如下有益效果：
1、在常规的热导率计算方法中，若直接取热面中心点的温度参与热导率计算，则没有考虑热面中心计量区域内温度不均匀的影响；若直接取中心区域不同点温度的简单平均值作为热面温度参与计算，虽然考虑了温度不均匀性的影响，但未考虑不同位置处的温度值对热导率计算的影响程度是不同的。而本发明提供的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，充分考虑了布设于热面不同位置的热电偶所采集温度的权重系数，提出了一种可靠性更高的热面温度的修正方法，能够满足实际的测试需求，便于得到精确度更高的热导率；
2、在修正过程中，本发明首先通过保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试，拟合得到表征标准试样温度与热导率之间函数关系的系数；然后利用大温差热流计法导热仪对同一标准试样进行大温差条件下的测试，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；最后利用大温差热流计法对待测试样进行测试，基于所述权重系数修正所述待测试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值，得到修正后的热面温度。该方法实用性、可操作性强，为本领域人员修正热面温度提供了指导。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
步骤s1：利用保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试，拟合得到表征标准试样温度与热导率之间函数关系的系数；
在所述步骤s1中，基于数学原理，一般的函数关系都可以用泰勒级数展开成高次多项式之和的表达形式。此外隔热材料热导率测试的大量实际经验也表明，在所测的温度范围内，热导率随温度变化的关系可以用高次多项式进行良好的拟合。
因此，在本实施例中，假设标准试样温度与热导率之间函数关系为：
λ(ti)＝a0 a1ti a2ti2 … amtim(1)
其中，ti表示第i次测试时的标准试样温度，i＝1,2,3,…,p，p表示保护热板法导热仪的测试次数；λ(ti)表示标准试样温度为ti时的热导率，a0、a1、a2、…、am为表征标准试样温度与热导率之间多项式型函数关系的m个系数，m≤p；
基于采集的p次标准试样温度和热导率及公式(1)，拟合得到所述系数a0、a1、a2、…、am；在拟合过程中，选用现有拟合方式即可得到上述系数，本实施例不对拟合方式做限制。
由于标样冷面计量区域内不同位置处的热流密度、温度的差别较小，因此直接对这些测量值取平均作为冷面热流密度和温度的平均值。而样品热面计量区域内不同位置处温度的差别较大，因此热面平均温度采用加权平均算法获得，步骤s2介绍了获得加权平均算法权重系数的具体过程：
所述步骤s2具体包括：
步骤s21：利用大温差热流计法导热仪对同一标准试样进行大温差条件下的测试(标样冷面温度在30℃±10℃内，而热面温度设置不同的温度值，最高可到1000℃)；
基于获取的标准试样在不同热面中心点温度下通过标准样本厚度方向的热流密度、热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值以及所述系数，得到相应热面中心点温度下的试样热面的温度平均值：
其中，l表示待测试样的厚度；qj表示第j次测试时通过标准样本厚度方向的热流密度，j＝1,2,3,…,n，n表示大温差热流计法导热仪的测试次数；tj表示第j次测试时标准试样冷面温度的平均值，由冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值求平均值得到；tj表示第j次测试时热面中心点温度下的试样热面的温度平均值；
由于a0,a1,a2,…am为已求得的量，利用不同温度下样品冷面中心计量区域内不同位置处的热流密度和温度测量值通过简单平均计算获得热流密度、冷面温度平均值qj和tj，由式(2)反推计算得到样品热面计量区域内的平均温度tj。
步骤s22：基于标准试样在不同热面中心点温度下的热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、试样热面的温度平均值，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；
假设样品热面中心计量区域内有r个热电偶(r≤n)，在第j次热导率测试时的温度测量值分别为tj1,tj2,…,tjk,…tjr。假设r个热电偶的权重值分别为b1,b2,…，bk,…br，则有
b1 b2 … bk … br＝1
t11b1 t12b2 … t1kbk … t1rbr＝t1
……
tj1b1 tj2b2 … tjkbk … tirbr＝tj
……
tn1b1 tn2b2 … tnkbk … tnrbr＝tn
上述一系列等式写成矩阵形势如下：
y(n 1)×1＝t(n 1)×r·br×1(3)
其中
y＝[t1,t2,…，tj,…,tn,1]′
b＝[b1,b2,…,bk,…,br]′
bk表示试样热面中心计量区域内第k个测温热电偶的权重系数，k＝1,2,...,r，r表示试样热面中心计量区域内测温热电偶的个数，r≤n；
tj,k表示第j次测试时试样热面中心计量区域内第k个测温热电偶的温度测量值。
y和t为已知量，b为待求量。
定义残差平方和s为：
s＝(y-t·b)′·(y-t·b)
当s取极值时，可得到b的最优解
其中tk为矩阵t的第k列列向量。
因此有下式：
求解上式可得到
步骤s3：利用大温差热流计法对待测试样进行测试，基于所述权重系数修正所述待测试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值，得到修正后的热面温度。
通过上述计算获得热面中心计量区域内r个点温度的权重值
当测试样品的热导率时，热面计量区域内不同点的温度测量值为t＝[t1，t2，t3，…，tr]′，则采用
需要说明的是，由于保护热板法导热仪、大温差热流计法导热仪均为现有技术，因此，本实施例对此不再赘述。
在常规的热导率计算方法中，若直接取热面中心点的温度参与热导率计算，则没有考虑热面中心计量区域内温度不均匀的影响；若直接取中心区域不同点温度的简单平均值作为热面温度参与计算，虽然考虑了温度不均匀性的影响，但未考虑不同位置处的温度值对热导率计算的影响程度是不同的。
而本发明提供的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，充分考虑了布设于热面不同位置的热电偶所采集温度的权重系数，提出了一种可靠性更高的热面温度的修正方法，能够满足实际的测试需求，便于得到精确度更高的热导率。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤s1：利用保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试，拟合得到表征标准试样温度与热导率之间函数关系的系数；
步骤s2：利用大温差热流计法导热仪对标准试样进行大温差条件下的测试，基于获取的标准试样在不同热面中心点温度下通过标准样本厚度方向的热流密度、热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值以及所述系数，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；
步骤s3：利用大温差热流计法对待测试样进行测试，基于所述权重系数修正所述待测试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值，得到修正后的热面温度。
2.根据权利要求1所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，在所述步骤s1中，
所述标准试样温度与热导率之间函数关系为：
λ(ti)＝a0 a1ti a2ti2 … amtim(1)
其中，ti表示第i次测试时的标准试样温度，i＝1,2,3,…,p，p表示保护热板法导热仪的测试次数；λ(ti)表示标准试样温度为ti时的热导率，a0、a1、a2、…、am为表征标准试样温度与热导率之间多项式型函数关系的m个系数，m≤p。
3.根据权利要求2所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
基于采集的p次标准试样温度和热导率及公式(1)，拟合得到所述系数a0、a1、a2、…、am。
4.根据权利要求3所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，所述步骤s2包括：
步骤s21：基于获取的标准试样在不同热面中心点温度下通过标准样本厚度方向的热流密度、热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值以及所述系数，得到相应热面中心点温度下的试样热面的温度平均值：
其中，l表示待测试样的厚度；qj表示第j次测试时通过标准样本厚度方向的热流密度，j＝1,2,3,…,n，n表示大温差热流计法导热仪的测试次数；tj表示第j次测试时标准试样冷面温度的平均值；tj表示第j次测试时热面中心点温度下的试样热面的温度平均值；
步骤s22：基于标准试样在不同热面中心点温度下的热面中心计量区域内多个测温热电偶的温度测量值、试样热面的温度平均值，得到试样热面中心计量区域内多个测温热电偶的权重系数；
其中，y＝[t1,t2,…，tj,…,tn,1]′；
5.根据权利要求4所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
所述标准试样冷面温度的平均值，由冷面中心计量区域多个测温热电偶的温度测量值求平均值得到。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
当中心计量区域为正方形时，分别在热面、冷面的以下位置布设测温热电偶：
试样中心点、中心计量区域的四个顶点、中心计量区域四条边的中点。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
所述试样的截面尺寸为300mm×300mm，所述中心计量区域为所述试样中心100mm×100mm的区域。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
所述小温差指所述标准试样热面、冷面的温差不超过30℃。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
利用保护热板法导热仪对标准试样进行小温差条件下的测试时，标准试样温度的温度不超过600℃。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的的大温差热流计法导热仪测试中热面温度的修正方法，其特征在于，
所述大温差指所述标准试样热面、冷面的温差超过50℃，且标准试样冷面的中心点温度保持在30℃±10℃。
技术总结