多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置及方法

摘要

本发明提供了一种多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置及方法，属于液体热传播时间常数测量领域。该装置包括工控机、恒温水浴设备、压力控制器、图像采集系统和悬浮物；所述悬浮物悬浮于内层液体中；所述恒温水浴设备通过保温管路与外层容器相连通，与外层液体循环实现温度精密控制；所述压力控制器通过管路与所述内层容器连通，通过压力控制器改变内层容器中的内层液体所受的压强；所述图像采集系统设置在外层容器的外部，正对内层容器和外层容器的观察窗，用于采集悬浮物的运动状态；所述恒温水浴设备、压力控制器、图像采集系统分别与工控机连接。

说明书

技术领域

本发明属于液体热传播时间常数测量领域，具体涉及一种多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置及方法。

背景技术

恒温容器广泛应用于科研和生产环节，大部分恒温容器中采用液体介质作为传导和恒温介质，在很多高精度温度控制领域，为了实现mk级别的温度恒温控制，需要使用多重恒温容器，每层恒温容器之间采用液体介质连接进行热传导平衡。温控系统一般对最外层的液体介质温度进行调节，经过多层液体传导最终实现内层容器中液体环境的温度稳定。如何确定多层恒温容器之间的热传播时间常数对于高精度恒温控制具有重要现实意义。

现有测量方法主要是直接测量法：在每层液体中安装温度传感器，测量出每层液体温度随时间变化数据曲线，计算出每层液体温度传播时间常数。这种方法的优点是建立在直接测量数据上，精度高，系统易于实现。但是对于封闭式多层恒温控制容器，由于内层液体无法安装温度传感器，因此这种方法难以应用；而且对于mk级别高精度恒温系统，温度传感器的热阻效应产生的热量会改变液体本身的温度场分布，从而影响测量精度。

所以，需要研究一种能够满足封闭式多层恒温容器间液体热传播时间常数的非接触测量方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置，所述多重恒温容器包括内层容器和外层容器，在内层容器内盛有内层液体，在外层容器内盛有外层液体，所述内层容器放置在外层容器中的外层液体中，所述外层容器和内层容器中相对的两面安装有透明的观察窗，所述测量装置包括工控机、恒温水浴设备、压力控制器、图像采集系统和悬浮物；

所述悬浮物悬浮于内层液体中；

所述恒温水浴设备通过保温管路与外层容器相连通，与外层液体循环实现温度精密控制；

所述压力控制器通过管路与所述内层容器连通，通过压力控制器改变内层容器中的内层液体所受的压强；

所述图像采集系统设置在外层容器的外部，正对内层容器和外层容器的观察窗，用于采集悬浮物的运动状态；

所述恒温水浴设备、压力控制器、图像采集系统分别与工控机连接。

所述悬浮物为规则几何体，其密度与内层液体的密度的相对差值小于等于1×10^-5。

所述恒温水浴设备、压力控制器和图像采集系统通过RS232串口与工控机连接，工控机采集图像采集系统采集到的悬浮物的运动状态、调节恒温水浴设备的温度和调节压力控制器的输出压强。

所述恒温水浴设备的控制精度为±10mk，调节范围(10-50)℃。

所述图像采集系统的分辨率为10μm，采样频率大于30fps，图像采集矩形区域不大于4mm×3mm。

所述压力控制器的控制精度为±50Pa，调节范围(0.1-1)Mpa，响应时间小于0.1s。

所述工控机的采样速率大于1KHz。

所述内层容器的材料选用1Cr18Ni9Ti，表面经过研磨处理。

利用上述多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量装置实现的多重恒温容器隔层间热传播时间常数测量方法，包括：

(1)通过工控机调节恒温水浴设备的温度，使悬浮物稳定地悬浮在内层液体中，然后恒温N个小时；

(2)通过工控机调节压力控制器的压强输出，产生压强激励δ(t)，悬浮物缓慢下降，外层液体与内层液体之间进行热交换平衡，悬浮物又上升回到原位；通过工控机控制压力控制器的压强输出，使悬浮物始终停留在某一空间高度位置，记录压强值随时间变化的数据曲线P(t)，记录间隔时间不大于0.05秒，测量时间不小于60分钟；

(3)使用一阶数学模型P(t)＝e^-t/T/T用最小二乘原理拟合计算出时间常数T。

所述步骤(1)中的N为24。

所述步骤(2)中的产生压强激励δ(t)是这样实现的：

在0.1秒内将内层容器内原有压强瞬间增加0.3Mpa，然后又还原为原有压强，产生压强激励δ(t)。

所述步骤(2)中通过工控机控制压力控制器的压强输出是这样实现的：

所述工控机是采用PID算法控制压力控制器的压强输出的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的装置结构简单、自动化程度高，易于操作，适合密闭式多层恒温容器间热传播时间常数测量。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明通过调节恒温水浴温度和内层容器压力改变内层液体密度，图像采集系统实时采集悬浮物在空间运行的图像信息，当内层液体密度与悬浮物密度一致时，悬浮物就在内层液体某一高度处静止；然后通过压力控制器瞬间加大内层容器内的压强激励δ(t)，在焦耳汤姆逊效益作用下，内层液体温度迅速升高，从而密度变小，悬浮物缓慢下降；外层液体与内层液体之间的温度存在梯度差而进行热交换平衡，通过工控机用PID算法控制内层容器内的压强值，微调内层液体密度，使悬浮物始终停留在某一空间高度位置，记录压强值随时间变化的数据曲线P(t)，测量时间不小于60分钟，使用一阶数学模型P(t)＝e^-t/T/T拟合计算出时间常数T。

如图1所示，本发明装置包括工控机1、图像采集系统2、恒温水浴3、内层液体4、悬浮物5(悬浮物一般为规则几何体，例如球形和正方体)、内层容器6、外层液体7、外层容器8和压力控制器9。内层容器6中存有内层液体4，内层液体4的密度与悬浮物5的密度接近(两者的相对差值小于不超过1×10^-5)，以内层液体4为水举例说明，悬浮物5采用球形空心玻璃体。内层容器6放置在外层容器8中的外层液体7环境中(内层容器直接放置在外层容器的地板上，或者放置在地板的垫块上)，外层液体7通过保温管路与恒温水浴3连接进行循环实现温度精密控制。内层容器6与压力控制器9中间管路相连，通过压力控制器9可以改变内层容器6中内层液体4水所受的压强(压力控制器和内层容器通过管道连接，压力控制室对内层容器的液面施加压力)。恒温水浴3中可以改变外层液体7中的温度，然后经过热传导的方式对内层液体4水进行精密调节，从而改变内层液体4水的密度。当内层液体4水密度发生变化时，与内层液体4水密度相接近的悬浮物5球形空心玻璃体会发生垂直方向运动，其运动状态由图像采集系统2采集。图像采集系统2、恒温水浴3和压力控制器9通过RS232串口与工控机1连接，工控机1采集悬浮物图像、调节恒温水浴温度和压力控制器输出压强。

本发明涉及的恒温水浴控制精度为±10mk，调节范围(10-50)℃；

本发明涉及的图像采集系统分辨率为10μm，采样频率大于30fps，图像采集矩形区域不大于4mm×3mm；

本发明涉及的压力控制器的控制精度为±50Pa，调节范围(0.1-1)Mpa，响应时间小于0.1s；

本发明涉及的工控机数据采集系统采样速率大于1KHz；

本发明涉及的压强值随时间变化数据曲线P(t)测量时间不小于60分钟，使用一阶数学模型P(t)＝e^-t/T/T通过最小二乘原理拟合计算出时间常数T。

本发明涉及的内层容器的材料选用1Cr18Ni9Ti，表面经过研磨处理，可以有效提高容器的防腐、防锈能力，同时具有良好的导热性能。

如图2所示，本发明方法的工作流程是：测试之前需要通过工控机1调节恒温水浴3的温度，使悬浮物5球形空心玻璃稳定的悬浮在内层液体4水中，然后恒温24小时。然后通过工控机1调节压力控制器9的压强输出，在0.1秒内瞬间加大内层容器内的压强0.3Mpa，产生压强激励δ(t)(在原有压力上增加0.3Mpa,然后又还原为原有压力)(仅仅在第一次使用该激励，以后都是用PID控制产生的新的激励)，在焦耳汤姆逊效益作用下，内层液体4水的温度迅速升高，从而密度变小，悬浮物5球形空心玻璃缓慢下降；外层液体7与内层液体4之间的温度存在梯度差而进行热交换平衡，通过工控机1用PID算法控制压力控制器9的压强输出从而改变内层液体4水的压力值，微调内层液体4水的密度，通过图像采集系统2观察使悬浮物始终停留在某一空间高度位置(悬浮物总是先略微下降然后又上升回到原位，图像采集系统采集悬浮物的图像，将这个图像信息传递给工控机，靠工控机上面的图像软件来判断悬浮物的运动状态)，记录压强值随时间变化的数据曲线P(t)，测量时间不小于60分钟，使用一阶数学模型P(t)＝e^-t/T/T(t是压强时间曲线中的时间，T是一阶系统的时间常数)用最小二乘原理拟合计算出时间常数T。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。