[發明專利]一種基于摩擦納米發電機的壓力式溫度計及其測溫方法

有效

• 申請號: 201910920165.3
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110823408B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 張穎;占濤濤;何茂剛
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01K11/04
• 分類號: G01K11/04;G01K1/02;G01K15/00;H02N1/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

1.一種基于摩擦納米發電機的壓力式溫度計，包括感溫工質、液體摩擦介質、隔離介質、氣體緩沖介質、感溫殼體、固體摩擦介質、電極層、外部保護殼體，其特征在于，所述感溫殼體與所述固體摩擦介質直接相連，所述外部保護殼體包裹所述固體摩擦介質并與所述固體摩擦介質與所述感溫殼體的接觸點相連，所述感溫殼體、所述固體摩擦介質、所述外部保護殼體共同構成封閉空間，所述感溫工質充滿所述感溫殼體內部空間，在所述感溫工質之后依次是所述液體摩擦介質、所述隔離介質、所述氣體緩沖介質，所述氣體緩沖介質充滿所述外部保護殼體的內部空間，所述電極層置于所述固體摩擦介質外表面。

2.如權利要求1所述一種基于摩擦納米發電機的壓力式溫度計，其特征在于，所述感溫殼體的材料可為紫銅、不銹鋼、硼硅酸鹽玻璃導熱材料；所述感溫工質的材料可為正戊烷、異戊烷、二氯甲烷流體；所述液體摩擦介質與所述感溫工質不互溶，可為水、乙醇、汞流體材料；所述固體摩擦介質與所述液體摩擦介質的材料在摩擦電序列上存在差異，可為硼硅酸鹽玻璃、聚酰胺、聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚烯醇、聚氯醚、聚氨酯、聚丙烯腈絕緣材料；所述隔離介質與所述液體摩擦介質不互溶，可為甲基苯基硅油、四氯化碳、苯流體材料；所述氣體緩沖介質與所述隔離介質不互溶，可為氮氣、二氧化碳和空氣流體材料；所述電極層可為銅、銀、金導電材料；所述外部保護殼體可為紫銅、不銹鋼、硼硅酸鹽玻璃、聚四氟乙烯剛性材料。

3.采用如權利要求1所述一種基于摩擦納米發電機的壓力式溫度計的測溫方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：在制備過程中將所述感溫工質注入所述感溫殼體內，改變所述感溫殼體所處溫度，同時調整外界壓力為所述感溫工質的飽和壓力，當所述感溫工質全部為飽和液態和飽和氣態時分別將所述感溫殼體所處的溫度記為測溫下限溫度和測溫上限溫度，所述液體摩擦介質的用量等于所述感溫工質從測溫下限溫度時的飽和液態到測溫上限溫度時的飽和氣態的體積變化量，所述電極層的長度等于所述液體摩擦介質的長度，所述電極層的位置應滿足當所述感溫殼體處于測溫下限溫度時所述液體摩擦介質剛好能從所述感溫工質的方向接觸所述電極層包裹著的所述固體摩擦介質區域，根據當所述感溫工質全部為飽和氣態時所述感溫工質的壓力與所述氣體緩沖介質的壓力相等，確定所述氣體緩沖介質的用量，在依次注入所述感溫工質、所述液體摩擦介質、所述隔離介質和所述氣體緩沖介質后，對所述外部保護外殼進行密封處理；

步驟二：將所述感溫殼體所處的溫度從所述測溫下限溫度T_min緩慢升至所述測溫上限溫度T_max，期間所述液體摩擦介質漸漸充滿所述電極層包裹著的所述固體摩擦介質區域，記錄標定過程中所述液體摩擦介質的位移量以及對應的所述電極層電勢實驗數據，可由公式(1)擬合得到所述液體摩擦介質位移量與所述電極層電勢的函數關系：

x＝au (1)

式中：x為所述液體摩擦介質相對于所述感溫殼體處于測溫下限溫度T_min時的位移量，a為擬合參數，u為電極層電勢；

步驟三：確定待測物質溫度的測量值，在測溫過程中，保證所述固體摩擦介質內始終存在所述氣體緩沖介質，根據質量守恒定律，所述氣體緩沖介質的密度滿足公式(2)：

式中：ρ_gas為當所述感溫工質與待測物質處于熱平衡時所述氣體緩沖介質的密度，ρ_gas,0為當所述感溫殼體處于測溫下限溫度T_min時所述氣體緩沖介質的密度，V_gas,out為所述外部保護殼體與所述固體摩擦介質之間所述氣體緩沖介質的體積，L_gas,0為當所述感溫殼體處于測溫下限溫度T_min時所述固體摩擦介質內所述氣體緩沖介質的長度，S為所述固體摩擦介質橫截面面積，X為所述固體摩擦介質內所述氣體緩沖介質的位移量，與所述液體摩擦介質位移量相等；

當所述感溫殼體處于測溫下限溫度T_min時，所述氣體摩擦介質的位移量為0，此時所述氣體緩沖介質的密度滿足公式(3)：

ρ_gas,0＝f₂[T₀,f₁(T_min)] (3)

式中：T₀為環境溫度，T_min為測溫下限溫度，函數f₁代表已知所述感溫工質飽和溫度求飽和壓力的關系式，函數f₂代表已知所述氣體緩沖介質溫度和壓力求密度的關系式；

當所述感溫殼體處于測溫上限溫度T_max時，所述外部保護殼體與所述固體摩擦介質之間所述氣體緩沖介質的體積應滿足公式(4)：

V_gas,out＝ρ_gas,0L_gas,0S-ρ_gas,e(L_gas,0-L_electrode)S (4)

式中：ρ_gas,e為當所述感溫殼體處于測溫上限溫度T_max時所述氣體緩沖介質的密度，L_electrode為所述電極層的長度；

根據所述感溫工質的相平衡數據和所述氣體緩沖介質的狀態方程，經過測溫數據處理過程可得最終的測溫方程(5)：

式中：T為待測物質溫度的測量值，函數f₃代表已知所述氣體緩沖介質溫度和密度求壓力的關系式，函數f₄代表已知所述感溫工質飽和壓力求飽和溫度的關系式。