[發明專利]多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201710028405.X
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN107064207B
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 王金濤;劉翔;張竟月;許常紅;李占宏;時文才;佟林
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18;G01N35/00
• 代理公司: 北京知舟專利事務所(普通合伙) 11550
• 代理人: 郭韞

技術領域

本發明屬于液體熱傳播時間常數測量領域，具體涉及一種多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置及方法。

背景技術

恒溫容器廣泛應用于科研和生產環節，大部分恒溫容器中采用液體介質作為傳導和恒溫介質，在很多高精度溫度控制領域，為了實現mk級別的溫度恒溫控制，需要使用多重恒溫容器，每層恒溫容器之間采用液體介質連接進行熱傳導平衡。溫控系統一般對最外層的液體介質溫度進行調節，經過多層液體傳導最終實現內層容器中液體環境的溫度穩定。如何確定多層恒溫容器之間的熱傳播時間常數對于高精度恒溫控制具有重要現實意義。

現有測量方法主要是直接測量法：在每層液體中安裝溫度傳感器，測量出每層液體溫度隨時間變化數據曲線，計算出每層液體溫度傳播時間常數。這種方法的優點是建立在直接測量數據上，精度高，系統易于實現。但是對于封閉式多層恒溫控制容器，由于內層液體無法安裝溫度傳感器，因此這種方法難以應用；而且對于mk級別高精度恒溫系統，溫度傳感器的熱阻效應產生的熱量會改變液體本身的溫度場分布，從而影響測量精度。

所以，需要研究一種能夠滿足封閉式多層恒溫容器間液體熱傳播時間常數的非接觸測量方法。

發明內容

本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置及方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置，所述多重恒溫容器包括內層容器和外層容器，在內層容器內盛有內層液體，在外層容器內盛有外層液體，所述內層容器放置在外層容器中的外層液體中，所述外層容器和內層容器中相對的兩面安裝有透明的觀察窗，所述測量裝置包括工控機、恒溫水浴設備、壓力控制器、圖像采集系統和懸浮物；

所述懸浮物懸浮于內層液體中；

所述恒溫水浴設備通過保溫管路與外層容器相連通，與外層液體循環實現溫度精密控制；

所述壓力控制器通過管路與所述內層容器連通，通過壓力控制器改變內層容器中的內層液體所受的壓強；

所述圖像采集系統設置在外層容器的外部，正對內層容器和外層容器的觀察窗，用于采集懸浮物的運動狀態；

所述恒溫水浴設備、壓力控制器、圖像采集系統分別與工控機連接。

所述懸浮物為規則幾何體，其密度與內層液體的密度的相對差值小于等于1×10^-5。

所述恒溫水浴設備、壓力控制器和圖像采集系統通過RS232串口與工控機連接，工控機采集圖像采集系統采集到的懸浮物的運動狀態、調節恒溫水浴設備的溫度和調節壓力控制器的輸出壓強。

所述恒溫水浴設備的控制精度為±10mk，調節范圍(10-50)℃。

所述圖像采集系統的分辨率為10μm，采樣頻率大于30fps，圖像采集矩形區域不大于4mm×3mm。

所述壓力控制器的控制精度為±50Pa，調節范圍(0.1-1)Mpa，響應時間小于0.1s。

所述工控機的采樣速率大于1KHz。

所述內層容器的材料選用1Cr18Ni9Ti，表面經過研磨處理。

利用上述多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置實現的多重恒溫容器隔層間熱傳播時間常數測量方法，包括：

(1)通過工控機調節恒溫水浴設備的溫度，使懸浮物穩定地懸浮在內層液體中，然后恒溫N個小時；

(2)通過工控機調節壓力控制器的壓強輸出，產生壓強激勵δ(t)，懸浮物緩慢下降，外層液體與內層液體之間進行熱交換平衡，懸浮物又上升回到原位；通過工控機控制壓力控制器的壓強輸出，使懸浮物始終停留在某一空間高度位置，記錄壓強值隨時間變化的數據曲線P(t)，記錄間隔時間不大于0.05秒，測量時間不小于60分鐘；

(3)使用一階數學模型P(t)＝e^-t/T/T用最小二乘原理擬合計算出時間常數T。

所述步驟(1)中的N為24。

所述步驟(2)中的產生壓強激勵δ(t)是這樣實現的：

在0.1秒內將內層容器內原有壓強瞬間增加0.3Mpa，然后又還原為原有壓強，產生壓強激勵δ(t)。

所述步驟(2)中通過工控機控制壓力控制器的壓強輸出是這樣實現的：

所述工控機是采用PID算法控制壓力控制器的壓強輸出的。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明的裝置結構簡單、自動化程度高，易于操作，適合密閉式多層恒溫容器間熱傳播時間常數測量。