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论文介绍作者以映像法模型为基础研制开发的一种测量原状散状材料热导率的方法（映像法）及相关仪器（专利申请号201510717362.7； 201520845065.6），并以此为基础进一步研究出在线监测表面热流的方法及仪器（专利申请号：201510711511.9）；热导率监测仪可以用于温室墙体尤其是土墙、砂石墙及各种地表土壤的热导率参数的在线监测，对被测物原状态较少扰动；热流率监测仪可监测温室墙表（尤其是土墙墙体）和地表热流连续数据，对地表热流较少扰动。仪器也可为材料热物性、地表太阳能蓄放热规律、农业水土热质传输、地质热状况等多领域研究提供数据支持。
前言
热导率又称“导热系数”，反映材料导热能力的大小，是热物理特性的一个重要指标。获得材料的热导率可以按照原理不同分为稳态导热和非稳态导热两大类。前者可以在试样的温度场达到稳定以后，直接测量获得试样的热导率。后者是在试样的非稳态导热过程中测定热扩散系数a，并在已知试样的密度ρ和试样的比热容c的条件下，利用λ=a/cρ，计算得到试样的热导率λ。
大自然环境中的现场原状材料如土壤、沙石的热导率通常与其成分、密度、含水率、温度等有关，因其散乱无规则，受多参数影响极难测量。目前，通常需要取样在实验室模拟测试，取样过程影响土壤的密度和含水率，对原状材料产生人为干扰，不能准确测定原状材料的热导率。
随着中国日光温室的大面积推广建设，温室墙体越来越多建造在非耕地如砂石、盐碱地等，建筑材料多就地取材，如用土墙、砂石等材料建造北墙与山墙，墙体厚度及热物性指标是其蓄放热性能的主要参数，建筑材料的随机性其物性差异性很大。为科学合理高效建造日光温室，获得这些随机建材的主要热物性参数—热导率并能监测墙体热流和地表热流，无疑有助于摸清各地日光温室太阳能热利用效率及改进途径和方法。
热导率监测仪及热流率监测仪研制原理、过程及相关数据
研制原理
为克服传统方法中如非稳态平面热源法、稳态圆柱法、防护板法等方法不适宜现场在线监测的缺陷，依据映像法原理开发了在线测热导率和表面热流的新方法。假定细杆垂直埋在某均匀介质中，在稳态条件下，其温度场分布与热导率呈确定关系。经检测如能获得温度场、加热量，稳定后在一定误差范围内即可在线获得热导率λ值（一种热导率测量仪及测量方法，专利申请号201510717362.7；一种热导率测量仪，专利申请号201520845065.6），其原理及传感器埋设方法如图1、图2所示。当热导率数据获得后可以在等待被测对象恢复原场（如1 天后）可以进行热流率监测，其方法及原理见专利（一种热流率测量仪与测量方法，专利申请号：201510711511.9）。
研制过程及相关照片
2012年3月至2015年10月，研制开发过程经历主要三个阶段。
第一阶段（2012年3月～2013年9月）：数学物理模型筛选—试制测试元件—热导率数据范围是否在可信范围—标准土槽比对测试（图3、图4）
图4（d）反映不同含水率下映像法测热导率的变化趋势，质量含水率从19.8%至20.65%变化，热导率则从1.45（W/mK）至1.60（W/mK）的变化，符合粘土热导率随水份含量变化规律。图4（e）反映某日测试过程数据，设置4点开始，8点输出值已趋于平稳，8点后的数据有所下降但很缓慢，并且8点后的数值显示当时当地测得热导率数值在1.55±0.25变化，则最后结果可取1.55输出，但是如何快速收敛输出结果需要进一步研究改进。
对不同容重，采用传统的非稳态平面热源法取样在实验室测量结果与在线监测结果对比如表1。
表1数据表明，按映像法测得土壤的热导率较实验室常功率非稳态平面热源法测出的数据大，分析主要原因是：现场映像法在线测试时土壤密实，为原样未扰动的土壤（如图4c所示），热导率值应高于取样测试值，为合理的。因从现场取样后对土壤的理化性质产生扰动，人为搭建测试模块会比较松散（热导率变小）；所用常功率非稳态平面热源法要求试样应制成200 mm×200 mm×20 mm一块和200 mm×200 mm×40 mm两块（如图4a、图4b所示），制作的模型与现场土壤有偏离，后者测试原理有先天缺陷。进一步验证鉴定是今后的工作。
第二阶段（2013年10月～2014年5月）：土墙温室热导率实测及热流率对比实测
图5是映像法用于土墙温室北墙（a）及地表（b）热导率及热流在线监测的过程图片及数据曲线（c）（d）。
图5c反映截取段输出热导率示值趋势，数据输出稳定后按10 min截取数据计算获得平均热导率，可以看出第三段后输出值在1.51±0.12变化，因此可取1.51为最后测试结果。图5d反映用映像法测得热导率再输入热导率值并开始监测表面与地表下某处温度信号获得表面热流，并与市售表面热流计比对值的趋势。图5d表明， q（0，20）表示映像法测得距地表20 cm土层的热流变化趋势，与贴于地表（如图5d）传统商品表面热流计的数据趋势有相同的变化趋势，但也有差异。白天，太阳辐照于地表，q（0，20）数据高于商品表面热流示值，可以理解为：映像法测试仅采用两根0.2 mm直径温度传感器，而商品表面热流计有测试板遮挡太阳辐射，会有较小的示值；夜间地表向温室空气环境释热，热流为负值，映像法较少遮挡，而商品表面热流计有热流板遮挡，前者较易释热，绝对值较大，后者受阻，绝对值较小。而且也说明，映像法比商品热流计所测数值更接近实际状况。
第三阶段（2014年6月～2015年10月）：成套样机试制
包括热导率监测仪试制，热流率监测仪电路设计，软件设计编程，机箱设计，整机安装，测试调试过程（图6）。
图6a为仪器机箱及面板与测试调试过程照片；图6b为计算机人机界面图，可以观察各点温度变化及热导率输出示值；图6c左图测试了某日现场热导率示值变化趋势，从开始至稳定用了44.7 min，之后的示值基本维持不变，在1.02±0.1变动，可取1.02输出，图6c右图测试了某日夜间和第二天（阴天）表面热流数值，有合理的变化趋势。
结论
土壤砂石等散状材料因取样导致扰动（如空气渗入，密度，孔隙度、含水量变化），采用常规取样方法都难以测得原状材料的热导率。本文尝试采用映像法原理，通过测得插入被测材料的细杆加热棒功率获得加热热流以及周围温度场反推热导率，可以消除大的扰动及环境变化对热导率测定带来的影响。
从开发测试研制过程来看，热导率数据趋势与常规方法（非稳态平面热源法）是一致的，在某种程度，数据似乎更接近真实；基于该原理基础上测得地表热流率与市售热流计规律也是一致的，差异性也在合理范围。
无大扰动，对被测试样无需取样，可现场直接测得热导率值及热流率，比如太阳辐照下地表蓄热及夜间放热规律，尤其是温室内地表蓄放热规律在线监测将很方便获得。该方法也可辅助用于地热勘探、建筑材料热导率测试、农田土壤在不同含水条件下土壤热导率变化及随之获得热流规律的研究。应用领域及可靠性、收敛时间及人机界面需要进一步使用反馈、积累与改进。
前言
热导率又称“导热系数”，反映材料导热能力的大小，是热物理特性的一个重要指标。获得材料的热导率可以按照原理不同分为稳态导热和非稳态导热两大类。前者可以在试样的温度场达到稳定以后，直接测量获得试样的热导率。后者是在试样的非稳态导热过程中测定热扩散系数a，并在已知试样的密度ρ和试样的比热容c的条件下，利用λ=a/cρ，计算得到试样的热导率λ。
大自然环境中的现场原状材料如土壤、沙石的热导率通常与其成分、密度、含水率、温度等有关，因其散乱无规则，受多参数影响极难测量。目前，通常需要取样在实验室模拟测试，取样过程影响土壤的密度和含水率，对原状材料产生人为干扰，不能准确测定原状材料的热导率。
随着中国日光温室的大面积推广建设，温室墙体越来越多建造在非耕地如砂石、盐碱地等，建筑材料多就地取材，如用土墙、砂石等材料建造北墙与山墙，墙体厚度及热物性指标是其蓄放热性能的主要参数，建筑材料的随机性其物性差异性很大。为科学合理高效建造日光温室，获得这些随机建材的主要热物性参数—热导率并能监测墙体热流和地表热流，无疑有助于摸清各地日光温室太阳能热利用效率及改进途径和方法。
热导率监测仪及热流率监测仪研制原理、过程及相关数据
研制原理
为克服传统方法中如非稳态平面热源法、稳态圆柱法、防护板法等方法不适宜现场在线监测的缺陷，依据映像法原理开发了在线测热导率和表面热流的新方法。假定细杆垂直埋在某均匀介质中，在稳态条件下，其温度场分布与热导率呈确定关系。经检测如能获得温度场、加热量，稳定后在一定误差范围内即可在线获得热导率λ值（一种热导率测量仪及测量方法，专利申请号201510717362.7；一种热导率测量仪，专利申请号201520845065.6），其原理及传感器埋设方法如图1、图2所示。当热导率数据获得后可以在等待被测对象恢复原场（如1 天后）可以进行热流率监测，其方法及原理见专利（一种热流率测量仪与测量方法，专利申请号：201510711511.9）。
研制过程及相关照片
2012年3月至2015年10月，研制开发过程经历主要三个阶段。
第一阶段（2012年3月～2013年9月）：数学物理模型筛选—试制测试元件—热导率数据范围是否在可信范围—标准土槽比对测试（图3、图4）
图4（d）反映不同含水率下映像法测热导率的变化趋势，质量含水率从19.8%至20.65%变化，热导率则从1.45（W/mK）至1.60（W/mK）的变化，符合粘土热导率随水份含量变化规律。图4（e）反映某日测试过程数据，设置4点开始，8点输出值已趋于平稳，8点后的数据有所下降但很缓慢，并且8点后的数值显示当时当地测得热导率数值在1.55±0.25变化，则最后结果可取1.55输出，但是如何快速收敛输出结果需要进一步研究改进。
对不同容重，采用传统的非稳态平面热源法取样在实验室测量结果与在线监测结果对比如表1。
表1数据表明，按映像法测得土壤的热导率较实验室常功率非稳态平面热源法测出的数据大，分析主要原因是：现场映像法在线测试时土壤密实，为原样未扰动的土壤（如图4c所示），热导率值应高于取样测试值，为合理的。因从现场取样后对土壤的理化性质产生扰动，人为搭建测试模块会比较松散（热导率变小）；所用常功率非稳态平面热源法要求试样应制成200 mm×200 mm×20 mm一块和200 mm×200 mm×40 mm两块（如图4a、图4b所示），制作的模型与现场土壤有偏离，后者测试原理有先天缺陷。进一步验证鉴定是今后的工作。
第二阶段（2013年10月～2014年5月）：土墙温室热导率实测及热流率对比实测
图5是映像法用于土墙温室北墙（a）及地表（b）热导率及热流在线监测的过程图片及数据曲线（c）（d）。
图5c反映截取段输出热导率示值趋势，数据输出稳定后按10 min截取数据计算获得平均热导率，可以看出第三段后输出值在1.51±0.12变化，因此可取1.51为最后测试结果。图5d反映用映像法测得热导率再输入热导率值并开始监测表面与地表下某处温度信号获得表面热流，并与市售表面热流计比对值的趋势。图5d表明， q（0，20）表示映像法测得距地表20 cm土层的热流变化趋势，与贴于地表（如图5d）传统商品表面热流计的数据趋势有相同的变化趋势，但也有差异。白天，太阳辐照于地表，q（0，20）数据高于商品表面热流示值，可以理解为：映像法测试仅采用两根0.2 mm直径温度传感器，而商品表面热流计有测试板遮挡太阳辐射，会有较小的示值；夜间地表向温室空气环境释热，热流为负值，映像法较少遮挡，而商品表面热流计有热流板遮挡，前者较易释热，绝对值较大，后者受阻，绝对值较小。而且也说明，映像法比商品热流计所测数值更接近实际状况。
第三阶段（2014年6月～2015年10月）：成套样机试制
包括热导率监测仪试制，热流率监测仪电路设计，软件设计编程，机箱设计，整机安装，测试调试过程（图6）。
图6a为仪器机箱及面板与测试调试过程照片；图6b为计算机人机界面图，可以观察各点温度变化及热导率输出示值；图6c左图测试了某日现场热导率示值变化趋势，从开始至稳定用了44.7 min，之后的示值基本维持不变，在1.02±0.1变动，可取1.02输出，图6c右图测试了某日夜间和第二天（阴天）表面热流数值，有合理的变化趋势。
结论
土壤砂石等散状材料因取样导致扰动（如空气渗入，密度，孔隙度、含水量变化），采用常规取样方法都难以测得原状材料的热导率。本文尝试采用映像法原理，通过测得插入被测材料的细杆加热棒功率获得加热热流以及周围温度场反推热导率，可以消除大的扰动及环境变化对热导率测定带来的影响。
从开发测试研制过程来看，热导率数据趋势与常规方法（非稳态平面热源法）是一致的，在某种程度，数据似乎更接近真实；基于该原理基础上测得地表热流率与市售热流计规律也是一致的，差异性也在合理范围。
无大扰动，对被测试样无需取样，可现场直接测得热导率值及热流率，比如太阳辐照下地表蓄热及夜间放热规律，尤其是温室内地表蓄放热规律在线监测将很方便获得。该方法也可辅助用于地热勘探、建筑材料热导率测试、农田土壤在不同含水条件下土壤热导率变化及随之获得热流规律的研究。应用领域及可靠性、收敛时间及人机界面需要进一步使用反馈、积累与改进。