多重恆溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置及方法與流程

2023-11-07 07:36:57

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

背景技術：

恆溫容器廣泛應用於科研和生產環節，大部分恆溫容器中採用液體介質作為傳導和恆溫介質，在很多高精度溫度控制領域，為了實現mk級別的溫度恆溫控制，需要使用多重恆溫容器，每層恆溫容器之間採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。如何確定多層恆溫容器之間的熱傳播時間常數對於高精度恆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，系統易於實現。但是對於封閉式多層恆溫控制容器，由於內層液體無法安裝溫度傳感器，因此這種方法難以應用；而且對於mk級別高精度恆溫系統，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恆溫容器間液體熱傳播時間常數的非接觸測量方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決上述現有技術中存在的難題，提供一種多重恆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：

一種多重恆溫容器隔層間熱傳播時間常數測量裝置，所述多重恆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、恆溫水浴設備、壓力控制器、圖像採集系統和懸浮物；

所述懸浮物懸浮於內層液體中；

所述恆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；

所述圖像採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，用於採集懸浮物的運動狀態；

所述恆溫水浴設備、壓力控制器、圖像採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於等於1×10-5。

所述恆溫水浴設備、壓力控制器和圖像採集系統通過rs232串口與工控機連接，工控機採集圖像採集系統採集到的懸浮物的運動狀態、調節恆溫水浴設備的溫度和調節壓力控制器的輸出壓強。

所述恆溫水浴設備的控制精度為±10mk，調節範圍(10-50)℃。

所述圖像採集系統的解析度為10μm，採樣頻率大於30fps，圖像採集矩形區域不大於4mm×3mm。

所述壓力控制器的控制精度為±50pa，調節範圍(0.1-1)mpa，響應時間小於0.1s。

所述工控機的採樣速率大於1khz。

所述內層容器的材料選用1cr18ni9ti，表面經過研磨處理。

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

(1)通過工控機調節恆溫水浴設備的溫度，使懸浮物穩定地懸浮在內層液體中，然後恆溫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)，記錄間隔時間不大於0.05秒，測量時間不小於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，然後又還原為原有壓強，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：

所述工控機是採用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，易於操作，適合密閉式多層恆溫容器間熱傳播時間常數測量。

附圖說明

圖1是本發明的原理圖；

圖2是本發明的工作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：

本發明通過調節恆溫水浴溫度和內層容器壓力改變內層液體密度，圖像採集系統實時採集懸浮物在空間運行的圖像信息，當內層液體密度與懸浮物密度一致時，懸浮物就在內層液體某一高度處靜止；然後通過壓力控制器瞬間加大內層容器內的壓強激勵δ(t)，在焦耳湯姆遜效益作用下，內層液體溫度迅速升高，從而密度變小，懸浮物緩慢下降；外層液體與內層液體之間的溫度存在梯度差而進行熱交換平衡，通過工控機用pid算法控制內層容器內的壓強值，微調內層液體密度，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)，測量時間不小於60分鐘，使用一階數學模型p(t)＝e-t/t/t擬合計算出時間常數t。

如圖1所示，本發明裝置包括工控機1、圖像採集系統2、恆溫水浴3、內層液體4、懸浮物5(懸浮物一般為規則幾何體，例如球形和正方體)、內層容器6、外層液體7、外層容器8和壓力控制器9。內層容器6中存有內層液體4，內層液體4的密度與懸浮物5的密度接近(兩者的相對差值小於不超過1×10-5)，以內層液體4為水舉例說明，懸浮物5採用球形空心玻璃體。內層容器6放置在外層容器8中的外層液體7環境中(內層容器直接放置在外層容器的地板上，或者放置在地板的墊塊上)，外層液體7通過保溫管路與恆溫水浴3連接進行循環實現溫度精密控制。內層容器6與壓力控制器9中間管路相連，通過壓力控制器9可以改變內層容器6中內層液體4水所受的壓強(壓力控制器和內層容器通過管道連接，壓力控制室對內層容器的液面施加壓力)。恆溫水浴3中可以改變外層液體7中的溫度，然後經過熱傳導的方式對內層液體4水進行精密調節，從而改變內層液體4水的密度。當內層液體4水密度發生變化時，與內層液體4水密度相接近的懸浮物5球形空心玻璃體會發生垂直方向運動，其運動狀態由圖像採集系統2採集。圖像採集系統2、恆溫水浴3和壓力控制器9通過rs232串口與工控機1連接，工控機1採集懸浮物圖像、調節恆溫水浴溫度和壓力控制器輸出壓強。

本發明涉及的恆溫水浴控制精度為±10mk，調節範圍(10-50)℃；

本發明涉及的圖像採集系統解析度為10μm，採樣頻率大於30fps，圖像採集矩形區域不大於4mm×3mm；

本發明涉及的壓力控制器的控制精度為±50pa，調節範圍(0.1-1)mpa，響應時間小於0.1s；

本發明涉及的工控機數據採集系統採樣速率大於1khz；

本發明涉及的壓強值隨時間變化數據曲線p(t)測量時間不小於60分鐘，使用一階數學模型p(t)＝e-t/t/t通過最小二乘原理擬合計算出時間常數t。

本發明涉及的內層容器的材料選用1cr18ni9ti，表面經過研磨處理，可以有效提高容器的防腐、防鏽能力，同時具有良好的導熱性能。

如圖2所示，本發明方法的工作流程是：測試之前需要通過工控機1調節恆溫水浴3的溫度，使懸浮物5球形空心玻璃穩定的懸浮在內層液體4水中，然後恆溫24小時。然後通過工控機1調節壓力控制器9的壓強輸出，在0.1秒內瞬間加大內層容器內的壓強0.3mpa，產生壓強激勵δ(t)(在原有壓力上增加0.3mpa,然後又還原為原有壓力)(僅僅在第一次使用該激勵，以後都是用pid控制產生的新的激勵)，在焦耳湯姆遜效益作用下，內層液體4水的溫度迅速升高，從而密度變小，懸浮物5球形空心玻璃緩慢下降；外層液體7與內層液體4之間的溫度存在梯度差而進行熱交換平衡，通過工控機1用pid算法控制壓力控制器9的壓強輸出從而改變內層液體4水的壓力值，微調內層液體4水的密度，通過圖像採集系統2觀察使懸浮物始終停留在某一空間高度位置(懸浮物總是先略微下降然後又上升回到原位，圖像採集系統採集懸浮物的圖像，將這個圖像信息傳遞給工控機，靠工控機上面的圖像軟體來判斷懸浮物的運動狀態)，記錄壓強值隨時間變化的數據曲線p(t)，測量時間不小於60分鐘，使用一階數學模型p(t)＝e-t/t/t(t是壓強時間曲線中的時間，t是一階系統的時間常數)用最小二乘原理擬合計算出時間常數t。

上述技術方案只是本發明的一種實施方式，對於本領域內的技術人員而言，在本發明公開了應用方法和原理的基礎上，很容易做出各種類型的改進或變形，而不僅限於本發明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優選的，而並不具有限制性的意義。