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熱物體的表面與周圍恒溫環境的溫度差在弛豫時間后會固定達到平衡狀態，來確定物體的發熱功率。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、250，252Cf，G、241，242m，243AmH、氚I、裂變產物。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，分別是發熱物料、導熱壁、隔熱層和環境浴，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熱物料，測量其外表面溫度T;環境浴內充滿溫度為T0的恒溫水，使整個量熱系統形成穩定的散熱環境。恒功率發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，隔熱層與恒溫環境浴將形成穩定的溫差，根據牛頓冷卻定律

公式（3）的意義就是如果樣品腔和環境浴之間存在熱阻，那么對于一個發熱功率是常數的樣品，傳輸到環境的熱量與樣品中新產生的熱量相等時，整個測量系統就會達到平衡（即導熱壁與恒溫環境浴將形成穩定溫差）。平衡時物料的放熱功率與樣品腔和環境之間的溫度差成正比，比例系數即熱導系數K（熱阻RTh的倒數），K的大小取決于熱傳導路徑長度、材料和表面形狀。K常數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，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熱功率的原理和依據。

2 量熱計核心

量熱計核心是量熱系統的核心部分，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的平衡時間。根據待測樣品大小，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結構進行物理隔離，同時也將物料產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，使量熱計系統可用于補償測量法。內置電加熱器是一根均勻環繞在更外部的環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 環氧樹脂層

在電加熱器外部是一層環氧樹脂層，環氧樹脂層用于將電加熱器和其他后續結構進行物理隔離。環氧樹脂層也應盡量薄。初步將環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。現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。空氣隔熱層的大小對量熱計靈敏度影響極大。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提供恒溫環境溫度，以便量熱計系統在熱平衡后形成穩定的溫度差。水浴由以下部分組成：保溫箱體、去離子水、加熱冷卻裝置、水循環裝置、測量水溫的溫度計和控制調節水溫的比例、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 水循環裝置、測量水溫的溫度計

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

3.3 控制調節水溫的比例、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。