一種熱對流斑圖測試儀及其測量方法
2023-07-27 20:58:36
專利名稱：一種熱對流斑圖測試儀及其測量方法
技術領域：
本發明涉及流體力學，具體涉及一種熱對流斑圖測試儀及其測量方法。
背景技術：
耗散結構理論討論一個遠離平衡的開放系統，當描述系統離開平衡態的參數達到一定閾值，系統將會出現分岔行為，越過分岔點後，系統將離開原來無序的熱力學分支，發生突變進入到一個全新的穩定有序狀態，若將系統拉開到離平衡態更遠的地方，系統可能出現更多新的穩定有序狀態。耗散結構理論不僅能解釋許多物理、化學、生物等自然科學問題，近年還被引入哲學、社會學、經濟學等諸多領域，成為當代少數幾個能橫跨自然與人文社會科學的重要科學理論之一。研究熱對流斑圖有利于于了解和掌握耗散結構理論及其相關的重要的基本概念。由於流體內密度壓力分布不均勻而產生的梯度力，也是導致流體運動的原因之一，所以因熱力作用而使流體狀態(如密度、壓力等)發生的差異，引起流體運動，此種由熱力作用驅動的流體運動稱作熱對流(thermal flow)。熱對流是自然界中常見的現象。在熱對流中出現的規則的有序的圖案或花紋即為熱對流斑圖。通過觀測熱對流斑圖來研究熱對流現象的物理性質。然而，由於產生熱對流的條件複雜苛刻，而斑圖又很難用肉眼觀察到，因此產生並直接觀測熱對流斑圖一直是科學界感興趣的研究對象。
發明內容
針對以上現有技術中存在的問題，提出本發明。本發明的一個目的在於提出一種熱對流斑圖測試儀。本發明的熱對流斑圖測試儀包括樣品腔；在樣品腔的上表面安裝製冷系統；在樣品腔的下表面安裝加熱系統；以及用來觀測熱對流斑圖的光學觀測系統，包括光源、半透半反鏡、接收屏、攝像頭和計算機。製冷系統包括與樣品腔的上表面緊密接觸並具有進水孔和出水孔的冷卻板；冷水機通過水管連接至冷卻板的進水孔；冷卻板通過與出水孔連接的水管連接至小型水泵；小型水泵放置在緩衝池中；小型水泵通過水管連接至冷水機。冷水機、冷卻板與小型水泵通過水管串聯在一起構成環路。通過冷水機的溫度設置可實現對冷卻板的溫度控制。冷卻板採用透明的材料製成，內部中空並設置有進水孔和出水孔以連接水管，從而流經冷卻水，對其下面的樣品腔進行冷卻。冷卻板進一步包括安裝在其下表面的藍寶石片，藍寶石具有良好的導熱性能，能有效散熱，從而精確控制對流層上表面的溫度。在環路的水管上安裝閥門，調節製冷水的水流速度。由於普通的冷卻水循環機體積大、噪音大、以及水流壓力和震動大，在本發明中採用小型水泵和冷水機相結合以實現循環製冷，從而能夠降低噪音，且製冷水流平穩。加熱系統包括與樣品腔的下表面緊密接觸的加熱板；以及與加熱板相連接的溫控電路。溫控電路控制加熱板的加熱功率。加熱板進一步包括與溫控電路相連的加熱片以及放置在加熱片上的紫銅片。由於紫銅具有良好的導熱性能，能夠將由溫控電路控制加熱的加熱片上的熱量有效地傳導到樣品腔的下表面，從而精確的控制樣品腔下表面的溫度。在紫銅片上鍍金，以提高反射率，從而紫銅片可作為反射鏡。在冷卻板和加熱板之間，通過膠圈密封，內部通有樣品液體，形成樣品腔。改變膠圈的厚度，可以獲得不同的樣品腔的厚度。膠圈採用耐熱且導熱率低的材料製成。膠圈的厚度在8mm以內，內徑在8cm以內。通過冷水機的溫度設置控制冷卻板的溫度，以及溫控電路控制加熱板的加熱功率，樣品腔的上表面和下表面能夠較快地獲得不同的溫差，並保持穩定，形成熱對流。本發明利用陰影法來觀察樣品腔內的斑圖。樣品腔內出現熱對流後，各處密度呈現不均勻分布，導致光在各處的折射率不同，因此光通過內有熱對流的樣品腔，平行光的光強分布不再是均勻的，而是依賴於樣品腔的折射率亦是密度分布了，此即為陰影法。經過樣品腔的光的光強分布反映了熱對流斑圖的信息。 從而，本發明的光學觀測系統包括光源、半透半反鏡、接收屏、攝像頭和計算機。光源採用雷射器，從雷射器發射的光束，經半透半反鏡反射，經冷卻板投射到樣品腔，經紫銅片的鍍金表面反射後，從半透半反鏡透射，由接收屏接收，再利用攝像頭將圖像採集到計算機，從而分析不同條件下獲得的熱對流斑圖的圖像。本發明的另一個目的在於提供一種熱對流斑圖測試儀的測量方法。本發明的熱對流斑圖測試儀的測量方法包括以下步驟I)確認膠圈形成的樣品腔密封；2)開啟冷水機及小型水泵，控制製冷溫度；3)開啟溫控電路，控制加熱溫度；4)調整光路，使得接收屏上接收到圖像；5)攝像頭採集由接收屏接收到的圖像並傳送至計算機，計算機分析圖像，獲得熱對流的物理性質。本發明的優點本發明在冷卻板和加熱板之間，通過膠圈密封，內部通有樣品液體,形成樣品腔，並通過冷水機的溫度設置控制冷卻板的溫度，以及溫控電路控制加熱板的加熱功率，樣品腔的上表面和下表面能夠較快地獲得不同的溫差，形成熱對流，以及利用陰影法來觀察樣品腔內的斑圖。此種設計，能夠精確地控制樣品腔的上和下表面的溫度，並且樣品腔內無氣泡。本發明的測試儀，直觀、簡單、易於操作。
圖I為本發明的熱對流斑圖測試儀的結構示意圖；圖2為本發明的製冷系統及加熱系統的展開的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例詳細描述本發明的實施方式。如圖I所示，本發明的熱對流斑圖測試儀包括樣品腔I ;在樣品腔I的上表面安裝製冷系統2 ;在樣品腔I的下表面安裝加熱系統3 ;以及包括光源41、半透半反鏡42、接收屏43、攝像頭44和計算機45的光學觀測系統。如圖2所示，製冷系統2包括具有進水孔和出水孔的冷卻板21 ;冷水機23通過水管連接至冷卻板21的進水孔；冷卻板21通過與出水孔連接的水管連接至小型水泵24 ；小型水泵24放置在緩衝池25中；小型水泵24通過水管連接至冷水機23。冷卻板進一步包括安裝在其下表面的藍寶石片22。 冷水板21由透明的有機玻璃製成。優選的，閥門安裝在連接冷水機23與冷卻板21的進水孔的水管上。如圖2所示，加熱系統包括加熱片31、紫銅片32以及與加熱板相連接的溫控電路33。如圖2所示，形成樣品腔I的膠圈11採用耐熱橡膠，可變換不同的膠圈獲得不同的樣品腔的厚度。樣品液體可以採用去離子水。樣品腔的注水方式採用在膠圈的直徑方向埋植兩根直徑Imm的細不鏽鋼管，使用注射器可將水或其他液體從一邊細不鏽鋼管處注入到膠圈，膠圈內氣體從另一根細不鏽鋼管排出，樣品液體將充滿膠圈內的空間。保持外部兩根細不鏽鋼管的長度相同，這樣，樣品液體就會靜止於紫銅片和藍寶石片的夾層之間，從而形成穩定的樣品腔。此種設計直觀、簡單、易於製作。用雷射器做光源41，經擴束鏡擴束，再經凸透鏡形成準平行光束，半透半反鏡42將準平行光投到樣品腔，經紫銅片的鍍金表面反射後，經樣品腔出射，經半透半反鏡透射，由接收屏43接收。再利用攝像頭44將熱對流斑圖的圖像採集到計算機45。最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例中所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1.一種熱對流斑圖測試儀，其特徵在於，所述測試儀包括樣品腔(I);在樣品腔的上表面安裝製冷系統(2);在樣品腔的下表面安裝加熱系統(3);以及用來觀測熱對流斑圖的光學觀測系統，所述光學觀測系統包括光源(41)、半透半反鏡(42)、接收屏(43)、攝像頭(44)和計算機(45)。
2.如權利要求I所述的測試儀，其特徵在於，所述製冷系統包括與樣品腔的上表面緊密接觸並具有進水孔和出水孔的冷卻板(21);冷水機(23)通過水管連接至冷卻板(21)的進水孔；冷卻板(21)通過與出水孔連接的水管連接至小型水泵(24);小型水泵(24)放置在緩衝池(25)中；小型水泵(24)通過水管連接至冷水機(23)。
3.如權利要求2所述的測試儀，其特徵在於，所述冷卻板(21)進一步包括安裝在其下表面的藍寶石片(22)。
4.如權利要求2所述的測試儀，其特徵在於，所述冷卻板(21)採用透明的材料製成，內部中空並設置有進水孔和出水孔。
5.如權利要求2所述的測試儀，其特徵在於，所述加熱系統包括與樣品腔的下表面緊密接觸的加熱板；以及與加熱板相連接的溫控電路(33)。
6.如權利要求5所述的測試儀，其特徵在於，所述加熱板進一步包括與溫控電路相連的加熱片(31)以及放置在加熱片上的紫銅片(32)，在所述紫銅片(32)上鍍金。
7.如權利要求5所述的測試儀，其特徵在於，在所述冷卻板和加熱板之間，通過膠圈(11)密封，內部通有樣品液體，形成樣品腔(I)。
8.如權利要求7所述的測試儀，其特徵在於，所述膠圈(11)採用耐熱且導熱率低的材料製成，所述膠圈的厚度在8mm以內，內徑在8cm以內。
9.如權利要求6所述的測試儀，其特徵在於，所述光學觀測系統中，光源(41)採用雷射器，從雷射器發射的光束，經半透半反鏡(42)反射，經冷卻板投射到樣品腔，經紫銅片(32)的鍍金表面反射後，從半透半反鏡(42)透射，由接收屏(43)接收，再利用攝像頭(44)將圖像採集到計算機(45)。
10.一種熱對流斑圖測試儀的測量方法，其特徵在於，所述測量方法包括以下步驟 1)確認膠圈形成的樣品腔密封； 2)開啟冷水機及小型水泵，控制製冷溫度； 3)開啟溫控電路，控制加熱溫度； 4)調整光路，使得接收屏上接收到圖像； 5)攝像頭採集由接收屏接收到的圖像並傳送至計算機，計算機分析圖像，獲得熱對流的物理性質。
全文摘要
本發明公開了一種熱對流斑圖測試儀及其測量方法。本發明的測試儀包括樣品腔；在樣品腔的上表面安裝製冷系統；在樣品腔的下表面安裝加熱系統；以及用來觀測熱對流斑圖的光學觀測系統。本發明在冷卻板和加熱板之間，通過膠圈密封，內部通有樣品液體，形成樣品腔，並通過冷水機的溫度設置控制冷卻板的溫度，以及溫控電路控制加熱板的加熱功率，樣品腔的上表面和下表面能夠較快地獲得不同的溫差，形成熱對流，以及利用陰影法來觀察樣品腔內的斑圖。此種設計，能夠精確地控制樣品腔的上和下表面的溫度，並且樣品腔內無氣泡。本發明的測試儀，直觀、簡單、易於操作。
文檔編號G01N21/41GK102621094SQ201210058539
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月7日 優先權日2012年3月7日
發明者冉書能, 周路群, 賈春燕 申請人:北京大學