測量物料熱功率的量熱計物理設計

王燕伶 王思佳 劉紅娟

摘 要：量熱計是用來測量物料熱功率的工具，主要通過牛頓冷卻定律中發(fā)熱物體的表面與周圍恒溫環(huán)境的溫度差在弛豫時間后會固定達到平衡狀態(tài)，來確定物體的發(fā)熱功率。量熱計的設計工作必須要在量熱計各部件能夠實現(xiàn)需要的功能的前提下展開，因此，先要進行一個物理設計，對量熱計的各部分功能原理進行討論，對大體結構做出大概規(guī)劃，有利于下一步量熱計設計的工作的展開。

關鍵詞：熱功率;量熱腔;導熱壁

量熱測量法可測量多種含钚物料：金屬、合金、氧化物、氟化物、鈾钚混合氧化物、混合氧化物燃料、廢物、廢料等，量熱法可測量的放射性核素有：A、钚同位素B、HEU（幾千克級）C、233U，D、237Np，E、242，244，245Cm，F(xiàn)、250，252Cf，G、241，242m，243AmH、氚I、裂變產(chǎn)物。量熱鑒定法非常精確，尤其對于氚和241Am，可為其他NDA方法提供次級參考標準。量熱鑒定法可對樣品熱量進行全覆蓋測量，避免取樣誤差。當樣品的同位素構成相同時，則peff相同而不需考慮樣品基質。量熱計的精確度很高，準確度的誤差很小，誤差可在刻度中被量化出來，只要樣品沒有密集到發(fā)生臨界反應，則無論多大量都可被測量（測量范圍內）。

1 量熱計的結構

量熱計的大體結構如下圖所示，量熱計大致由四部分構成，分別是發(fā)熱物料、導熱壁、隔熱層和環(huán)境浴，這四部分組成了同軸圓桶，層層嵌套。

在隔熱層內放置恒功率發(fā)熱物料，測量其外表面溫度T;環(huán)境浴內充滿溫度為T0的恒溫水，使整個量熱系統(tǒng)形成穩(wěn)定的散熱環(huán)境。恒功率發(fā)熱物料釋放的粒子動能被導熱壁吸收后轉化為熱能，從而使導熱壁的溫度逐漸升高，導熱壁熱量又會傳遞給溫度較低的隔熱層，隨著測量時間的進行，隔熱層與恒溫環(huán)境浴將形成穩(wěn)定的溫差，根據(jù)牛頓冷卻定律

公式（3）的意義就是如果樣品腔和環(huán)境浴之間存在熱阻，那么對于一個發(fā)熱功率是常數(shù)的樣品，傳輸?shù)江h(huán)境的熱量與樣品中新產(chǎn)生的熱量相等時，整個測量系統(tǒng)就會達到平衡（即導熱壁與恒溫環(huán)境浴將形成穩(wěn)定溫差）。平衡時物料的放熱功率與樣品腔和環(huán)境之間的溫度差成正比，比例系數(shù)即熱導系數(shù)K（熱阻RTh的倒數(shù)），K的大小取決于熱傳導路徑長度、材料和表面形狀。K常數(shù)是我們最終要獲得的熱功率與已測得溫度差之間的重要比例系數(shù)，需要通過精確刻度獲得。

因此式（3）就是熱流量熱計能夠測量物料產(chǎn)熱功率的原理和依據(jù)。

2 量熱計核心

量熱計核心是量熱系統(tǒng)的核心部分，功能是盛放被測量物料，測量物料功率，并將功率信息轉化為溫度信息。雙橋式量熱計有兩個結構完全一樣的量熱計核心（樣品側和參考側），選取一個核心為例來進行結構說明。

量熱計核心的結構（如下圖所示）從外到內分別是：a.用于放置樣品的鋁罐;b.量熱腔導熱壁;c.內置電加熱器;d.環(huán)氧樹脂層;e.溫度傳感器;f.隔熱層;g.不銹鋼外殼;h.上下絕熱塞;i.兩端其余空間的塑料端塞。

2.1 樣品罐

樣品鋁罐的功能就是盛放待測樣品，在量熱腔的正中心位置，一般使用導熱性較好的鋁材料制成，采用圓桶狀或立方體狀，體積則在保證能夠精確測量樣品功率的前提下越小越好，厚度會影響到量熱計系統(tǒng)的平衡時間。根據(jù)待測樣品大小，初步將樣品罐定為內徑為Φ20cm×30cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到1.2cm。

2.2 量熱腔導熱壁

在樣品罐外緊挨著一層導熱壁，用于將樣品鋁罐和其他后續(xù)結構進行物理隔離，同時也將物料產(chǎn)生的熱量快速向外擴散。導熱壁的材料可為鋁或銅。材料的厚度應該盡可能薄。初步將導熱壁定為內徑為Φ20.4～22.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

2.3 內置電加熱器

在導熱壁外部是電加熱器，電加熱器用于加熱樣品腔內溫度，使量熱計系統(tǒng)可用于補償測量法。內置電加熱器是一根均勻環(huán)繞在更外部的環(huán)氧樹脂層內側上的線圈，并且兩個量熱計核心中的電加熱器采用串聯(lián)方式連接，以保證兩個電加熱器電流相等。初步將放置內置電加熱器的空間間隔定為0.3cm到1cm。

2.4 環(huán)氧樹脂層

在電加熱器外部是一層環(huán)氧樹脂層，環(huán)氧樹脂層用于將電加熱器和其他后續(xù)結構進行物理隔離。環(huán)氧樹脂層也應盡量薄。初步將環(huán)氧樹脂層定為內徑為Φ21～24.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

2.5 溫度傳感器

溫度傳感器用于將樣品腔和環(huán)境浴之間在達到熱平衡后，最終形成的溫度差探測出來，將溫度信息轉化為電壓信息?，F(xiàn)溫度傳感器分為兩大類：惠斯通電橋和熱電堆。

2.6 隔熱層

事實上溫度傳感器與隔熱層處于同一空間，空氣隔熱層的作用是為量熱腔保溫，便于量熱腔與更外層的水浴形成明顯的溫度梯度，方便測量?？諝飧魺釋拥拇笮α繜嵊嬱`敏度影響極大。初步將空氣隔熱層的空間間隔定為0.3cm～2cm。

2.7 不銹鋼外殼

在空氣隔熱層外就是不銹鋼外殼，不銹鋼外殼是量熱計核心的最外層構造，用于隔絕水浴中水對量熱計核心的直接接觸。初步將不銹鋼外殼定為內徑為Φ21.6～28.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

2.8 上下絕熱塞

在量熱計核心的上下兩端，還有絕熱塞，用來防止熱量從軸向流失，材料一般是環(huán)氧樹脂，要求保溫性極好。初步將上下絕熱塞定為內徑為Φ20.4～22.4cm×40cm的圓柱體。

3 水浴

水浴被用來向量熱計系統(tǒng)提供恒溫環(huán)境溫度，以便量熱計系統(tǒng)在熱平衡后形成穩(wěn)定的溫度差。水浴由以下部分組成：保溫箱體、去離子水、加熱冷卻裝置、水循環(huán)裝置、測量水溫的溫度計和控制調節(jié)水溫的比例、積分、微分程序。

3.1 保溫箱體、去離子水、加熱冷卻裝置

保溫箱體、去離子水、加熱冷卻裝置構成了水浴的主體部分，保溫箱體要求保溫性能良好，不易受室溫波動影響。加熱冷卻裝置也應該選用功率適中，輸出穩(wěn)定不波動的裝置。水浴的保溫箱初步定為內徑為Φ100cm～150cm×130～140cm的圓筒狀。

3.2 水循環(huán)裝置、測量水溫的溫度計

水循環(huán)電機是保證水浴溫度均勻的裝置，要求與水浴體積相配適，輸出穩(wěn)定。溫度計用來檢測水浴溫度。

3.3 控制調節(jié)水溫的比例、積分、微分程序

比例、積分、微分程序是配合加熱冷卻裝置使用的程序，用于精確計算加熱冷卻裝置的功率。

4 結構尺寸的設計方案

以下是上述討論的各結構尺寸的總結得到的設計方案。

A樣品罐：定為內徑為Φ20cm×30cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到1.2cm。

B量熱腔導熱壁：定為內徑為Φ20.4～22.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

C內置電加熱器所需空間：空間間隔定為0.3cm到1cm。

D環(huán)氧樹脂層：定為內徑為Φ21～24.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

E溫度傳感器與隔熱層所需空間：空間間隔定為0.3cm～2cm

F不銹鋼外殼：定為內徑為Φ21.6～28.4cm×120cm的圓筒狀，厚度為0.2cm到0.5cm。

G上下絕熱塞：定為內徑為Φ20.4～22.4cm×40cm的圓柱體

H兩端其余空間的塑料端塞：將量熱計核心兩端的其他空余使用塑料端塞封堵。

I水浴保溫箱體：定為內徑為Φ100cm～150cm×130～140cm的圓筒狀。