专利名称：固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字测量装置，特别是一种固-液相变材料常压下热膨胀率 和作功量数字测量装置，属于物理测量技术领域。
背景技术：
固一液相变材料在温度变化下的体积膨胀率及其作功量大小，是科学研究的 重要数据。通常，固一液相变材料在温度变化下的体积膨胀率是通过人工读数、 手工记录进行测量的，既不能保证测量的精度，又不能与计算机连接以进行数字 化处理，更不能对测量环境做出自动控制以提高测量工作的效率，使相变材料重 要性能数据的测量发生困难。已有技术中，申请号为02277190.5、名称为"一 种测量混凝土收縮率的装置"实用新型专利，主要完成测量水泥、水泥砂浆、混 凝土浇注零时起的变形，即可测量浇注后一天内的收縮率，不能完成相变材料在 不同温度下体积变化的测定，也不能完成体积变化引起的作功效果的测定，无法 为数字采集系统提供数字化信息。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种固-液相变材料常压下热膨胀率 和作功量数字测量装置。该装置不但能够自动采集常压下热膨胀率的试验信息并 进行数字处理，又可以对测量的加热环境进行自动控制，还可以对热膨胀过程的 容积变化信号和压力信号同时进行处理和运算，获得作功量的精确数据，为固-液相变材料的性能测量提供了方便、可靠的途径。
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明包括内胆、外胆、放气塞、压力传感器、水位计密封座、水位计、泄 水阀、补水阀、采样控制单元、热电偶和自动电加热器。
内胆包括压盖、压环、内胆筒体和乳胶薄膜。内胆筒体是一个由不锈钢材料 制成、两端带有内凸肩的圆筒体，压盖通过橡胶密封圈与内胆筒体一端螺纹连接， 乳胶薄膜置放在内胆筒体另一端的内凸肩上，压环与内胆筒体另一端螺纹连接，
O型胶圈置于乳胶薄膜与压环之间，使乳胶薄膜周边不泄漏工质。压盖是一个由 不锈钢材料制成的带有凸肩的回旋体，顶部外侧的柱面加工成滚花，以便于手工 旋紧压盖。压环是一个由不锈钢材料制成的带凸肩的环状回旋体，其顶部外侧柱 面加工成滚花。乳胶薄膜具有足够的弹性和伸縮性，并具有足够的强度，使表面 充分扩大也不破裂。放气塞与压力传感器分别安装在内胆筒体外表面的两个螺孔 内。放气塞是一个由不锈钢材料加工成带有T型孔道的螺钉，底部的孔口与内胆 内部相通。当放气塞向外旋动时，水平孔道与外界相通，可释放出内胆中的气体。 当放气塞向内旋紧时，内胆与外界隔绝，形成密闭空腔。
外胆是一个由不锈钢板焊接而成的长方体密闭空腔，在0. 5MPa试压时不泄 漏。在外胆前后两面安装有透明的水密观察窗，以方便测量，在外胆的左侧面安 装有水密门，便于内胆的取出和装入。两只由不锈钢板材制作、上边沿为凹半圆 形的支架安装在外胆内的底面上，内胆横置于支架上。补水阀通过管路与外胆的 顶面连通，以补充水量；泄水阀通过管路与外胆的底面相通，以便排泄外胆内的 水。热电偶插入外胆内以测量外胆内的水温。水位计通过水位计密封座安装在外 胆的顶面上，自动电加热器安装在外胆的右侧内底部，以便加热外胆内容纳的水 以达到设定的温度。
水位计包括外管、内管、干式舌簧管、精密电阻和磁性浮环。多个干式舌簧 管自下而上叠置在水位计内管内，每两个干式舌簧管之间的间隔为4mm，干式舌 簧管的数目根据水位变化范围确定，干式舌簧管由两片或多片铁镍合金簧片封装 在小玻璃管内制成，每个干式舌簧管都与一个精密电阻连接组成串联电路。磁性 浮环套在内管外侧，漂浮在水面上，当磁性浮环随水位高低上下游动时，磁性浮 环所带有的磁性磁化了相对应的干式舌簧管舌簧的复原力矩，从而使被控电路闭 合，串联电路的电阻值对应着磁性浮环所处的高度，输出液位高度的数据信号。 在外管和内管之间，与水位计密封座对应位置的外胆顶面上开有两个小孔穿过水 位计密封座，使外胆内水可以溢出并进入内管和外管之间，其水位的高度反映 工质的体积膨胀率。
水位计和热电偶的输出端均与采样控制单元的输入端电连接，分别提供液位 信号即体积膨胀信号和温度信号；压力传感器的输出端通过安装在外胆顶部的密
封接头与采样控制单元的输入端电连接，提供压力信号。采样控制单元的控制输
出端与自动电加热器的控制信号输入端电连接。采样控制单元的数字信号输出端 与计算机的数据输入端电连接。
在开始测试工质常压下热膨胀率之前，先将内胆一端的压盖卸下，装入待测 工质。如果工质呈固体状，应先用温水加热熔化，使内胆所盛工质呈充满状；另 一端的乳胶薄膜略呈突出状，即内胆内的工质稍有过量。盖上并旋紧压盖后，将 放气塞向外旋松，处于放气状态，然后旋转压环向里挤压乳胶薄膜，使工质内的 气泡排出，直到放气塞的孔道中流出少许工质，表明气体已经排净，随即旋紧放 气塞，然后将内胆通过外胆的水密门放入外胆内，横卧在支架上并使压力传感器 和放气塞竖直向上，然后关闭水密门。
打开补水阀，使外胆内充满水。待到水面升到漫过水位计内的底面位置即可。 随即开始正式测量，记录初始温度和压力，然后闭合自动电加热器的电源，同时 记下水位计的初读数。随着外胆所盛水温度不断上升，内胆的乳胶薄膜因工质膨 胀而不断膨出，水位计内水位不断上升，直到水温到达设定值后，工质充分膨胀 后体积不再变化，测量过程结束。
根据水位计读数，计算体积的变化情况，求取工质的体积膨胀率，并根据微 小体积变化间隔和相应的压力值，进行积分计算，可求取各个时间间隔以及全过 程的作功量。
本发明的有益效果本发明实现了相变材料常压下热膨胀率和膨胀过程作功 量测量的自动采样和信号处理，也为数据处理和计算提供了直接、简捷的途径， 该装置成本低廉，制作方便，操作简捷，是一种可以推广应用的、准确可靠的测 量装置。本发明可为与相变材料相关的科学研究工作提供切实、可靠的测量手段， 有明显的科学价值和社会效益。本发明数字测量装置所适用的固-液相变材料是 正十五垸、正十六垸、正十七垸、三水醋酸钠、德国Rubitherm公司生产的一种 专门用于蓄热的石蜡RT 54以及性质相近的材料。
图1是本发明数字测量装置的结构示意图。 图2是本发明数字测量装置内胆的结构示意图。 图3是本发明数字测量装置水位计的结构示意图。
图中1、内胆，2、乳胶薄膜，3、 0型胶圈，4、压环，5、橡胶密封圈，6、
压盖，7、放气塞，8、压力传感器，9、外胆，10、内胆筒体，11、水位计密封 座，12、水位计，13、水密门，14、泄水阀，15、补水阀，16、支架，17、水密 观察窗，18、内管，，22、磁性浮环，23、干式舌簧管，24、精密电阻，25、外管。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图l、图2、图3所示，本发明包括内胆l、外胆9、放气塞7、压力传感 器8、水位计密封座ll、水位计12、泄水阀14、补水阀15、采样控制单元19、 热电偶20和自动电加热器21。
内胆1包括压盖6、压环4、内胆筒体10和乳胶薄膜2。内胆筒体10是一 个由不锈钢材料制成、两端带有内凸肩的圆筒体。压盖6通过橡胶密封圈5与内 胆筒体10—端螺纹连接，乳胶薄膜2置放在内胆筒体IO另一端的内凸肩上，压 环4与内胆筒体10另一端螺纹连接，0型胶圈3置于乳胶薄膜2与压环4之间， 使乳胶薄膜2周边不泄漏工质。压盖6是一个由不锈钢材料制成的带有凸肩的回 旋体，顶部外侧的柱面加工成滚花，以便于手工旋紧压盖6。压环4是一个由不 锈钢材料制成的带凸肩的环状回旋体，其顶部外侧柱面加工成滚花。乳胶薄膜2 具有足够的弹性和伸縮性，并具有足够的强度，使表面充分扩大也不破裂。放气 塞7与压力传感器8分别安装在内胆筒体10外表面的两个螺孔内。放气塞7是 一个由不锈钢材料加工成带有T型孔道的螺钉，底部的孔口与内胆l内部相通。 当放气塞7向外旋动时，水平孔道与外界相通，可释放出内胆l中的气体。当放 气塞7向内旋紧时，内胆l与外界隔绝，形成密闭空腔。
外胆9是一个由不锈钢板焊接而成的长方体密闭空腔，在0. 5MPa试压时不 泄漏。在外胆9前后两面安装有透明的水密观察窗17，以方便测量，在外胆9 的左侧面安装有水密门13，便于内胆l的取出和装入。两只由不锈钢板材制作、 上边沿为凹半圆形的支架16安装在外胆9内的底面上，内胆1横置于支架16 上。补水阀15通过管路与外胆9的顶面连通，以补充水量；泄水阀14通过管路 与外胆9的底面相通，以便排泄外胆9内的水。热电偶20插入外胆9内以测量 外胆9内的水温。水位计12通过水位计密封座11安装在外胆9的顶面上，自动 电加热器21安装在外胆9的右侧内底部，以便加热外胆9内容纳的水以达到设定的温度。
水位计12包括外管25、内管18、干式舌簧管23、精密电阻24和磁性浮环 22。多个干式舌簧管23自下而上叠置在水位计12的内管18内，每两个干式舌 簧管23之间的间隔为4mm，干式舌簧管23的数目根据水位变化范围确定，干式 舌簧管23由两片或多片铁镍合金簧片封装在小玻璃管内制成，每个干式舌簧管 23都与一个精密电阻24连接组成串联电路。磁性浮环22套在内管18外侧，漂 浮在水面上，当磁性浮环22随水位高低上下游动时，磁性浮环22所带有的磁性 磁化了相对应的干式舌簧管23舌簧的复原力矩，从而使被控电路闭合，串联电 路的电阻值对应着磁性浮环22所处的高度，输出液位高度的数据信号。在外管 25和内管18之间，与水位计密封座11对应位置的外胆9顶面上开有两个小孔 穿过水位计密封座11，使外胆9内的水可以溢出并进入内管18和外管25之间， 其水位的高度反映工质的体积膨胀率。
水位计12和热电偶20的输出端均与采样控制单元19的输入端电连接，分 别提供液位信号即体积膨胀信号和温度信号；压力传感器8的输出端通过安装在 外胆9顶部的密封接头与采样控制单元19的输入端电连接，提供压力信号。采 样控制单元19的控制输出端与自动电加热器21的控制信号输入端电连接。采样 控制单元19的数字信号输出端与计算机的数据输入端电连接。
在开始测试工质常压下热膨胀率之前，先将内胆1左侧的压盖6卸下，装入 待测工质。如果工质呈固体状，应先用温水加热熔化，使内胆1所盛工质呈充满 状；右侧的乳胶薄膜2略呈突出状，即内胆l内的工质稍有过量。盖上并旋紧压 盖6后，将放气塞7向外旋松，处于放气状态，然后旋转压环4向里挤压乳胶薄 膜2，使工质内的气泡排出，直到放气塞7的孔道中流出少许工质，表明气体已 经排净，随即旋紧放气塞7，然后将内胆1通过外胆9的水密门13放入外胆9 内，横卧在支架16上并使压力传感器8和放气塞7竖直向上，然后关闭水密门 13。
打开补水阀15，使外胆9内充满水。待到水面升到漫过水位计12内的底面 位置即可。随即开始正式测量，记录初始温度和压力，然后闭合自动电加热器 21的电源，同时记下水位计12的初读数。随着外胆9所盛水温度不断上升，内 胆1的乳胶薄膜2因工质膨胀而不断膨出，水位计12内水位不断上升，直到水温到达设定值后，工质充分膨胀后体积不再变化，测量过程结束。
根据水位计12读数，计算体积的变化情况，求取工质的体积膨胀率，并根 据微小体积变化间隔和相应的压力值，进行积分计算，可求取各个时间间隔以及 全过程的作功量。
权利要求
1、一种固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量装置，包括内胆(1)、外胆(9)、放气塞(7)、压力传感器(8)、水位计密封座(11)、水位计(12)、泄水阀(14)、补水阀(15)、采样控制单元(19)、热电偶(20)和自动电加热器(21)，其特征在于内胆(1)包括压盖(6)、压环(4)、内胆筒体(10)和乳胶薄膜(2)，压盖(6)通过橡胶密封圈(5)与内胆筒体(10)一端螺纹连接，乳胶薄膜(2)置放在内胆筒体(10)另一端的内凸肩上，压环(4)与内胆筒体(10)另一端螺纹连接，O型胶圈(3)置于乳胶薄膜(2)与压环(4)之间，放气塞(7)与压力传感器(8)分别安装在内胆筒体(10)外表面的两个螺孔内，外胆(9)是一个由不锈钢板焊接而成的长方体密闭空腔，在外胆(9)前后两面安装有水密观察窗(17)，在外胆(9)的左侧面安装有水密门(13)，补水阀(15)与外胆(9)的顶面连通，泄水阀(14)与外胆(9)的底面相通，热电偶(20)插入外胆(9)内；水位计(12)通过水位计密封座(11)安装在外胆(9)的顶面上，自动电加热器(21)安装在外胆(9)的右侧内底部，支架(16)安装在外胆(9)内的底面上，内胆(1)横置于支架(16)上并使压力传感器(8)和放气塞(7)竖直向上；水位计(12)和热电偶(20)的输出端均与采样控制单元(19)的输入端电连接，压力传感器(8)的输出端通过安装在外胆(9)顶部的密封接头与采样控制单元(19)的输入端电连接，采样控制单元(19)的控制输出端与自动电加热器(21)的控制信号输入端电连接，采样控制单元(19)的数字信号输出端与计算机的数据输入端电连接。
2、 根据权利要求1所述的固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量 装置，其特征是所述的水位计(12)包括外管(25)、内管(18)、干式舌簧管(23)、 精密电阻(24)和磁性浮环(22)，多个干式舌簧管(23)自下而上叠置在内管(18)内，每个干式舌簧管(23)都与一个精密电阻(24)连接组成串联电路， 磁性浮环(22)套在内管(18)外侧，漂浮在水面上；在外管(25)和内管(18) 之间，与水位计密封座(11)对应位置的外胆(9)顶面上开有两个小孔穿过水 位计密封座(11)。
3、 根据权利要求1所述的固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量装置，其特征是所述的内胆筒体(10)是由不锈钢材料制成、两端带有内凸肩的 圆筒体；压环(4)是由不锈钢材料制成的带凸肩的环状回旋体，其顶部外侧柱 面加工成滚花；压盖(6)是由不锈钢材料制成的带有凸肩的回旋体，顶部外侧 的柱面加工成滚花。
4、 根据权利要求1所述的固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量 装置，其特征是所述的放气塞(7)是由不锈钢材料加工成带有T型孔道的螺钉， 底部的孔口与内胆(1)内部相通。
5、 根据权利要求1所述的固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量 装置，其特征是所述的支架(16)是两个由不锈钢板材制作的上边沿为凹半圆形 的支承结构。
6、 根据权利要求1或2所述的固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字 测量装置，其特征是所述的干式舌簧管(23)是由两片或多片铁镍合金簧片封装 在小玻璃管内制成，干式舌簧管(23)的数目根据水位变化范围确定，每两个干 式舌簧管(23)之间的间隔为4mm。
全文摘要
固-液相变材料常压下热膨胀率和作功量数字测量装置，属于物理测量技术领域。本发明包括内胆、外胆、放气塞、压力传感器、水位计、水阀、采样控制单元、热电偶和自动电加热器。内胆横置于外胆内，乳胶薄膜通过压环和O型胶圈置于内胆一端，内胆内充满待测工质，外胆内充满水，随着外胆内水温升高，乳胶薄膜因工质膨胀而膨出，水位计内水位上升。根据液位即体积膨胀信号、温度和压力信号，求出相变材料常压下热膨胀率和作功量大小，为固-液相变材料的性能测量提供了方便、可靠的途径，具有明显的科学价值和社会效益。本发明装置适用于正十五烷、正十六烷、正十七烷、三水醋酸钠、德国Rubitherm公司生产的蓄热石蜡RT 54以及性质相近的材料。
文档编号G01N25/00GK101187643SQ200710171868
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者夏冬莺, 捷 马 申请人:上海交通大学