[發(fā)明專利]一種強磁場環(huán)境下的熱聲學(xué)溫度測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110061821.6
• 申請日: 2021-01-18
• 公開（公告）號: CN112880863B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張曉青;習(xí)中立;江漢
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01K11/22
• 分類號: G01K11/22
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發(fā)明屬于溫度測量相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種強磁場環(huán)境下的熱聲學(xué)溫度測量裝置，該裝置包括強磁場環(huán)境區(qū)、熱聲發(fā)生器、恒溫冷源及聲波接收器，熱聲發(fā)生器用于承載實驗樣品，實驗樣品位于強磁場環(huán)境區(qū)內(nèi)；恒溫冷源連接于熱聲發(fā)生器；聲波接收器設(shè)置在熱聲發(fā)生器遠(yuǎn)離實驗樣品的一端；熱聲發(fā)生器包括熱端換熱器、工質(zhì)氣體、熱聲板疊、冷端換熱器及諧振管，熱聲板疊相背的兩端分別連接于熱端換熱器及冷端換熱器，諧振管連接于冷端換熱器遠(yuǎn)離熱端換熱器的一側(cè)；工質(zhì)氣體收容在熱端換熱器與熱聲板疊所形成的密封腔體內(nèi)；恒溫冷源連接于冷端換熱器。本發(fā)明具有穩(wěn)定性好、可靠性高、測溫范圍廣等優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于溫度測量相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種強磁場環(huán)境下的熱聲學(xué)溫度測量裝置。

背景技術(shù)

強磁場通常是指磁場強度超過3T(特斯拉)的磁場，有穩(wěn)態(tài)式和脈沖式兩種，中國在武漢依托華中科技大學(xué)成立的脈沖強磁場科學(xué)中心成功實現(xiàn)了90.6T的超高磁場強度，在合肥依托中國科學(xué)院成立的穩(wěn)態(tài)強磁場科學(xué)中心也實現(xiàn)了40T的超高磁場強度。在強磁場環(huán)境下展開基礎(chǔ)科學(xué)的研究，探索新現(xiàn)象、新特性是近十多年來科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，其中很多研究和應(yīng)用都與溫度密切相關(guān)，比如在強磁場環(huán)境下測量材料的熱傳輸特性、研究金屬冶金相變與溫度關(guān)系、研究材料在強磁場下的溫度與壓強變化、研究高溫超導(dǎo)磁體、研究高分子液晶材料的熱效應(yīng)和磁響應(yīng)特性、利用強磁場和高溫條件對石油進(jìn)行產(chǎn)物分離以及磁約束核聚變等。在強磁場環(huán)境下對實驗樣品溫度進(jìn)行測量是一項具有挑戰(zhàn)性的課題，因為目前常用的各種熱電溫度計，由于磁阻效應(yīng)或磁熱效應(yīng)，其電阻值或熱電勢不僅隨溫度的變化而變化，還隨著磁場的變化而變化，從而導(dǎo)致這類溫度計在強磁場環(huán)境使用時產(chǎn)生較大測量誤差，且磁場越強，誤差越大。

目前，在強磁場環(huán)境中使用的溫度計通常采用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)，通過減小感溫材料的載流子遷移率，盡可能降低磁阻效應(yīng)或磁熱效應(yīng)，再通過實驗對感溫材料在不同溫度和磁場環(huán)境下的磁阻行為進(jìn)行標(biāo)定和修正從而實現(xiàn)對溫度的測量，如摻硫砷化鎵溫度計、滲氮玻璃溫度計等。上述溫度計雖然盡可能降低了磁場的影響，但隨著磁場強度的不斷提高，其測溫誤差仍然較大，且制造成本高，標(biāo)定難度極大，此外由于長時間暴露在強磁場環(huán)境下，感溫元件的可靠性和使用壽命將大幅降低，給強磁場環(huán)境下的科學(xué)實驗帶來很大困難。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種強磁場環(huán)境下的熱聲學(xué)溫度測量裝置，其所要解決的技術(shù)問題是克服強磁場環(huán)境下現(xiàn)有熱電溫度計因磁阻效應(yīng)或者磁熱效應(yīng)引起的測溫失效等問題，所述測溫裝置在實驗樣品端和冷端換熱器之間形成溫差，利用溫差使得諧振管管內(nèi)氣體產(chǎn)生熱致聲效應(yīng)，通過采集聲壓幅值大小來測量樣品溫度，從而解決了強磁場環(huán)境下的溫度測量難題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種強磁場環(huán)境下的熱聲學(xué)溫度測量裝置，所述溫度測量裝置包括強磁場環(huán)境區(qū)、熱聲發(fā)生器、恒溫冷源及聲波接收器，所述熱聲發(fā)生器用于承載實驗樣品，所述實驗樣品位于所述強磁場環(huán)境區(qū)內(nèi)；所述恒溫冷源連接于所述熱聲發(fā)生器；所述聲波接收器設(shè)置在所述熱聲發(fā)生器遠(yuǎn)離所述實驗樣品的一端；

所述熱聲發(fā)生器包括熱端換熱器、工質(zhì)氣體、熱聲板疊、冷端換熱器及諧振管，所述熱聲板疊相背的兩端分別連接于所述熱端換熱器及所述冷端換熱器，所述諧振管連接于所述冷端換熱器遠(yuǎn)離所述熱端換熱器的一側(cè)；所述工質(zhì)氣體收容在所述熱端換熱器與所述熱聲板疊所形成的密封腔體內(nèi)；所述恒溫冷源連接于所述冷端換熱器。

進(jìn)一步地，所述強磁場環(huán)境區(qū)為穩(wěn)態(tài)或者脈沖磁場區(qū)域，其磁場強度大于3T。

進(jìn)一步地，所述熱端換熱器與所述實驗樣品相接觸，其接收所述實驗樣品傳遞的熱流和溫度信號T_H。

進(jìn)一步地，所述工質(zhì)氣體為高純氦氣、氮氣或者氬氣，其氣體純度大于99.9％。

進(jìn)一步地，所述工質(zhì)氣體為高純氦氣，其壓力為1MPa～3MPa。

進(jìn)一步地，所述熱聲板疊分別通過法蘭與所述熱端換熱器及所述冷端換熱器相連接。