低溫液體工質瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀測系統的製作方法
2023-07-25 00:00:26 1
專利名稱：低溫液體工質瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在低溫環境下液體工質瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀察系統。
本發明還涉及一種利用上述裝置進行觀察的方法。
背景技術：
超導體在很多方面已經逐漸進入到實用化階段，如超導發電、超導輸電、磁懸浮列車、核磁共振成像技術、超導集成電路晶片技術等等。在超導體工作中，其所處的低溫環境(液氮、液氦)有可能受到瞬時高熱流的衝擊，使其產生很高的溫升速率，從而導致爆發沸騰的發生，甚至影響到超導體的安全、穩定工作。低溫爆發沸騰的汽泡生長過程很快，且數量很多，用常規的辦法難以觀測到該沸騰狀態下氣泡的生長過程與相應的溫度變化。
發明內容
本發明的目的在於提供一種關於低溫液體工質(液氮)瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀測系統。
為實現上述目的，本發明提供的系統組成為一盛有低溫液體的液池，採用內外兩層不鏽鋼管套封而成，內外兩層鋼管之間為真空狀態。為保持內部真空恆定，兩夾層之間放置有活性炭吸附劑。兩層鋼管之間還包裹一層鋁箔，從而更有效的防止輻射漏熱損失。液池內設置有安放鉑電阻的底座。在液池的兩側面上，沿直徑方向分別各設置一個圓形窗，以供攝像和電火花光源照明使用。
一鉑電阻，安置在液池內，是在石英玻璃柱的一個端面上鍍一層鉑金而成，石英玻璃柱的兩側塗有銀漿作為導線引線。
一信號轉換器，將鉑電阻的電阻信號轉換為電壓信號。
一數字示波器，與信號轉換器相連接，以記錄脈衝雷射照射下鉑電阻的電壓變化信號。
一計算機，將數字示波器記錄的電壓變化信號轉換為溫度信號。
一脈衝雷射器，產生一雷射照射於鉑電阻表面。
一雷射控制臺，用於控制和調節雷射器的輸出參數。
一觀察與攝影系統，由顯微放大照相系統、高壓電火花光源組成，其中顯微放大照相系統的鏡頭與高壓電火光源分別設置在液池兩側，並與液池兩側的圓形窗對應。
一高壓電火花控制延時器，用於控制高壓火花光源的閃光延遲時間。
利用上述裝置進行觀察時，在雷射器控制臺上設置好雷射器的輸出參數，通過控制臺來控制雷射器的輸出參數，並在高壓電火花控制延遲器上設置好閃光延遲時間。由於本發明的雷射波長為1.06μm，實驗工質液氮對該波長下雷射幾乎不吸收，雷射穿過低溫(液氮)工質直接照射到鉑薄膜電阻的表面，其中大部分能量被鉑薄膜表面的金屬電子反射，少部分能量用於加熱鉑電阻，鉑電阻受熱升溫後對液體工質進行加熱，所以鉑膜電阻既是測溫元件又是液體工質的加熱元件，直接測量本身的溫度變化，從而消除了測量滯後。常溫下鉑膜電阻的阻值為一定值，在脈衝雷射作用下其阻值隨鉑膜表面溫度的變化而變化，從而使其兩端的電壓也隨之發生變化，通過數字示波器來記錄其電壓的變化歷程，再通過電壓與溫度的依變關係可以得到鉑膜表面(也即與其緊密接觸的液體工質)的溫度變化。在雷射器輸出雷射的同時發出二路觸發信號，一路觸發數字示波器記錄鉑電阻的溫度變化信號，另一路觸發高壓電火花裝置並根據預設的延遲時間引發閃光，此時照相機處於T門(室內為暗室)，攝影膠捲因電火花閃光而曝光，從而完成一次對脈衝雷射照射下液體工質爆發沸騰的拍攝與溫度測量。在實驗工況相對穩定的情況下，將一次在脈衝雷射加熱下超急速沸騰的全過程分成距雷射照射起始時間不同時刻(通過改變高壓電火花的閃光延遲時間來實現)進行單次拍攝，然後用依次拍攝的系列照片反映超急速沸騰的全過程。
本發明可廣泛用於低溫(液氮)環境下超急速沸騰的溫度測量與汽泡生長動力學過程的觀測與拍照。
圖1為本發明的系統裝置示意圖。
圖2為鉑電阻的示意圖。
圖3為本發明拍攝的液氮爆發沸騰的系列照片。
具體實施例方式
本發明採用的系統如圖1所示。本實施例的熱源為高強度NdYAG可編程脈衝雷射器1，其波長為1.06μm，脈衝寬度為1～30μs，光斑直徑為1～10mm，一次脈衝的功率密度最高可達1.0×104MW/m2，通過雷射控制臺2(PC486計算機)控制開關電源來調節雷射器的輸出參數。鉑電阻3(如圖2所示)是在石英玻璃柱11的一個端面上用真空鍍膜機鍍一層厚度約為1μm的鉑金12而成，石英玻璃柱的兩側塗有銀漿作為導線引線13。測試過程中，鉑電阻3浸沒於盛有低溫液體的液池4內。低溫液池4採用內外兩層不鏽鋼管套封而成，內外兩層鋼管之間採用抽氣手段設定為真空狀態，真空度大約為0.96atm。並放置活性炭吸附劑以保持內部真空恆定。兩層鋼管之間還包裹一層鋁箔，從而更有效的防止輻射漏熱損失。液池內容積約為1升，並設置有安放試件的底座。在液池的側面上，沿直徑方向設置有兩個圓形觀察窗，其有效可視直徑為28cm，完全可以供攝像和電火花光源照明使用。脈衝雷射照射下試件表面的電阻變化信號通過信號轉換器10轉換為電壓信號，再用8通道數字示波器5(DL2700)記錄，其採集速率為500MS/s，再通過計算機6轉換為溫度信號。觀察與攝影系統由顯微放大照相系統7(Nikon SMZ-2T型立體顯微鏡和135 Nikon相機)、高壓電火花光源8組成，高壓電火花閃光裝置的充電電壓為18～20KV，充電時間為50s-60s，放電(曝光)時間小於0.5μs。
測試過程中，先在雷射器控制臺2上設置好雷射器1的輸出參數，通過控制臺來控制雷射器的輸出參數，並在高壓電火花控制延遲器9上設置好閃光延遲時間，在雷射器輸出雷射的同時發出二路觸發信號，一路觸發數字示波器5記錄鉑電阻的溫度變化信號，另一路觸發高壓電火花裝置8並根據預設的延遲時間引發0.5μs的閃光，此時照相機處於T門(室內為暗室)，攝影膠捲(ISO1600 Kodak彩色膠捲)因電火花閃光而曝光，從而完成一次對脈衝雷射照射下液體工質爆發沸騰的拍攝與溫度測量。在實驗工況相對穩定的情況下，將一次在脈衝雷射加熱下超急速沸騰的全過程分成距雷射照射起始時間不同時刻(通過改變高壓電火花的閃光延遲時間來實現)進行單次拍攝，然後用依次拍攝的系列照片反映超急速沸騰的全過程(雷射器開始照射的1～10000μs時間段內)。按照上述方法，用本發明的系統在熱流密度600MW/m2，脈寬5μs的脈衝熱流作用下，於不同時刻拍攝的液氮爆發沸騰的系列照片如圖3所示。
權利要求
1.一種低溫液體工質瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀測系統，其包括有一盛裝低溫液體的液池，為內外兩層不鏽鋼管套封而成，內外兩層鋼管之間為真空狀態；液池內設置有安放鉑電阻的底座；液池的兩側面上，沿直徑方向分別各設置一個圓形窗，以供攝像和電火花光源照明使用；一鉑電阻，安置在液池內，是在石英玻璃柱的一個端面上鍍一層鉑金而成，石英玻璃柱的兩側塗有銀漿作為導線引線；一信號轉換器，將鉑電阻的電阻信號轉換為電壓信號；一數字示波器，與信號轉換器相連接，以記錄脈衝雷射照射下鉑電阻的電壓變化信號；一計算機，將數字示波器記錄的電壓變化信號轉換為溫度信號；一脈衝雷射器，產生一雷射照射於鉑電阻表面，其雷射的波長為1.06μm；一雷射控制臺，用於控制和調節雷射器的輸出參數；一觀察與攝影系統，由顯微放大照相系統、高壓電火花光源組成，其中顯微放大照相系統的鏡頭與高壓電火光源分別設置在液池兩側，並與液池兩側的圓形窗相對應；一高壓火花控制延時器，用於控制高壓火花光源的閃光延遲時間；上述雷射器輸出雷射的同時發出二路觸發信號，一路觸發數字示波器記錄鉑電阻的溫度變化信號，另一路觸發高壓電火花裝置並根據預設的延遲時間引發閃光。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述低溫液體為液氮。
3.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，液池內外兩層之間的真空度為0.96atm。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，液池內外兩夾層之間放置有活性炭吸附劑，以保持內部真空恆定。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，液池的兩層鋼管之間還包裹一層鋁箔，以防止輻射漏熱損失。
6.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述雷射器的脈衝寬度為1-30μs，光斑直徑為1-10mm，一次脈衝的功率密度最大為10×104MW/m2。
7.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述高壓電火花光源的充電電壓為18-20KV，充電時間為50-60s，放電時間小於0.5μs。
8.一種利用上述權利要求中任一項所述系統進行觀察的方法，其步驟為a)在雷射器控制臺上設置好雷射器的輸出參數，通過控制臺來控制雷射器的輸出參數；b)在高壓電火花控制延遲器上設置好閃光延遲時間；c)將雷射穿過低溫液體直接照射到鉑電阻的表面，使鉑電阻受熱升溫後對低溫液體進行加熱；d)通過數字示波器來記錄鉑電阻的電壓變化，再通過電壓與溫度的依變關係得到低溫液體工質的溫度變化；e)高壓電火花光源引發閃光時，照相機處於T門，完成一次對脈衝雷射照射下低溫液體工質爆發沸騰的拍攝與溫度測量；f)通過改變高壓電火花的閃光延遲時間將一次在脈衝雷射加熱下超急速沸騰的全過程分成距雷射照射起始時間不同時刻進行單次拍攝，然後用依次拍攝的系列照片反映超急速沸騰的全過程。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述低溫液體為液氮。
全文摘要
一種低溫液體工質瞬變溫度測量與汽泡生長過程觀測系統，其包括有一液池，液池內設置有安放鉑電阻的底座；液池的兩側面上，沿直徑方向分別各設置一個圓形觀察窗；一鉑電阻，安置在液池內，是在石英玻璃柱的一個端面上鍍一層鉑金而成，石英玻璃柱的兩側塗有銀漿作為導線引線；一信號轉換器，將鉑電阻的電阻信號轉換為電壓信號；一數字示波器，與信號轉換器相連接；一計算機，將數字示波器記錄的電壓變化信號轉換為溫度信號；一脈衝雷射器，產生一雷射照射於鉑電阻表面；一雷射控制臺，用於控制和調節雷射器的輸出參數；一觀察與攝影系統，由顯微放大照相系統、高壓電火花光源組成，其中顯微放大照相系統的鏡頭與高壓電火光源分別設置在液池兩側，並與液池兩側的圓形窗相對應。
文檔編號G01K1/00GK1609572SQ20031010430
公開日2005年4月27日 申請日期2003年10月24日 優先權日2003年10月24日
發明者淮秀蘭, 董兆一, 劉登瀛, 金仁喜, 張秀麗 申請人:中國科學院工程熱物理研究所