专利名称：相变蓄热测试仪的制作方法
技术领域：
相变蓄热测试仪
(一) 技术领域
本实用新型一种相变蓄热测试仪，其涉及一种建筑相变材料的蓄热性能的测试，即测试 建筑相变材料在发生相变的过程中所能吸收的热量，属于测试装置。
(二) 技术背景
近年来随着中国的经济快速发展以及人们生活水平的日益提高，人们对室内环境舒适度
的要求也越来越高。在影响室内环境舒适度的诸多因素中，室温是一个非常关键的因素，而 维持室温在16.0'C 28.0'C是保持室内环境舒适度的关键。为达到这一标准，人们通过利
用空调和供暖系统来调节温度，但是相应的会造成能耗大幅度增加、能源消耗过快、环境污
染加剧等问题，因为建筑能耗的80%左右被用来控制调节室内温湿度。如何在室内环境舒适 度、节能、环保中保持平衡已经成为建筑设计以及节能领域的热点问题。
通过在普通建筑材料中加入相变材料PCM (Phase change material)制成较高热容的 建筑围护结构，可有效地解决舒适度、节能、环境污染等问题之间的矛盾。因为PCM在一定 温度范围内物理状态或分子结构发生转变，在这个过程中同时伴随着大量热量的吸收或放 出，故可利用这种热膨胀的效应来控制调节通过墙体、顶板以及地板的传热，达到降低建筑 能耗的目的。
'目前也有大量研究者对相变材料进行研究，而且通过各种材料的混合，也制造出了很多 建筑用相变材料。然而却没有一种实验仪器可以对建筑相变材料的蓄热性能行进测试，使得 生产建筑相变材料的企业没有一个统一的标准和规范，限制了整个建筑相变材料产业的发 展。
(三) 实用新型内容
本实用新型一种相变蓄热测试仪，其目的在于针对现有的研究建筑相变材料以及测试建 筑相变材料的蓄热性能的实验方法的不足，提供一种用于测试建筑相变材料的蓄热量的装 置，通过对装有建筑相变材料的水浴进行加热，利用温度传感器测量水浴的温度，并绘出实 时温度曲线，在通过自控原理控制加热装置的启停，最后由测试数据计算出建筑相变材料的 蓄热量。本实用新型一种相变蓄热测试仪，其主要由水浴，稳压器，固态继电器，电源转换器， 温度探测器，数据采集仪和计算机组成；其
水浴由隔热效果良好的外保温桶、外保温桶盖、内加热桶、内加热桶盖和电加热棒组成; 该外保温桶分为内、外两层，夹层为聚氨酯保温材料，在外保温桶桶口上盖设有外保温桶盖; 该内加热桶放置在外保温桶的内部，在内加热桶的桶口上盖设有内加热桶盖，并且在内加热 桶的底部设置有电加热棒，在内加热桶中设置有温度探测点，用于测试水温的大小；在外保 温桶的内、外壁面上也各设置有温度探测点，用于测试外保温桶内、外壁面的温度；连接该 电加热棒和温度探测器的数据线和电源线通过走线槽与稳压器和数据采集仪相连，该电加热 棒同时与固态继电器相连接；
稳压器分别连接220V电源及固态继电器，该稳压器是为了保证加热功率的稳定，.因此 必须维持稳定的电压；
固态继电器分别连接稳压器、并通过电源转换器连接数据采集仪，该固态继电器和数 据采集仪共同控制加热过程的启停；该固态继电器以占空比原理来控制电加热棒启停，并改 变其加热功率，主要是根据在一定时间内加热启停次数来改变总的加热功率，并在温度达到 一定限度的时候开启/停止加热；
电源转换器的一端(输入端)与固态继电器连接，另一端(输出端)与数据采集仪相连， 将220V电压转换成24V为数据采集仪提供电源；
温度探测器测试内加热桶中的水温，并根据所测水温来判断开始/停止加热，该温度探 测器与数据采集仪直接连接；
数据采集仪直接连接温度探测器，将采集的电压/电流信号转换成温度信号后，输入计 算机并在计算机界面上显示出来；然后再根据采集回来的温度计算相变材料的蓄热量；
计算机与数据采集仪相连，该计算机用于控制完成整个操作过程，包括加热过程的启、 停，采集数据，计算及改变加热功率的大小。
其中，温度探测器是由热电偶温度传感器组成，用于探测水中的温度，将模拟电信号 转换为温度信号。
其中，数据采集仪使用三菱PLC可编程软件，使用户能直接在计算机界面上进行控制 操作。 .
本实用新型一种相变蓄热测试仪，其具有以下优点及突出性效果①测试建筑相变材料 的蓄热量；②通过测试相变建筑材料的蓄热量，扩大相变建筑材料的使用范围；③整个系统可以根据水温的高低进行自动控制；④用户不需要时刻监控，计算机会自动保存温度数据并 将其绘制成曲线显示出来；⑤操作界面简单；⑥为建筑相变材料行业的发展提供了一个统一 的规范和标准。
(四)
图1为本相变蓄热测试仪的示意图 图2为信号转化处理及控制流程图 图中标号如下
1、外保温桶 2、外保温桶盖 3、内加热桶 5、电加热棒 6、温度探测器 7、走线槽 9、稳压器 10、固态继电器11、转换电源
13、计算机
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理、具体结构和实施作进一步的说明。 本实用新型一种相变蓄热测试仪.，主要由水浴，稳压器，固态继电器，电源转换器，温
度探测器，数据采集仪和计算机共七部分组成；该水浴主要由外保温桶l，外保温桶盖2， 内加热桶3，内加热桶盖4，电加热棒5组成；在外保温桶1上面盖设有外保温桶盖2，在 外保温桶1内、外壁面之间填充有聚氨酯保、温材料，其连接电加热棒5和温度探测器6的数 据线和电源线通过走线槽7与稳压器9和数据采集仪12相连；电加热棒5连接固态继电器 10,固态继电器10再连接到稳压器9上面；同时，固态继电器10还和数据釆集仪12相连 接；.温度探测器6测量内加热桶3内的水温，然后根据水温来判断开始/停止加热。温度探 测器6通过数据线与数据采集仪12直接连接，并将采集到的信号进行转换，直接显示为温 度信号。数据采集仪12为三菱公司制造的数据采集模块，它由转换电源ll供电；转换电源 11将220V的交流电转换成24V的直流电，然后提供给数据采集仪12供电。固态继电器IO 根据温度探测器6探测到的温度，来断开/合上电路，使得温度探测器6、固态继电器IO、 数据采集仪12和计算机13组成本测试仪的控制部分，从而实现本相变蓄热测试仪的自动控 制。
请参阅图2所示，该控制流程是首先令电加热棒进行加热，然后由温度探测器进行温 度探测，由数据采集仪进行数据采集，将所采集的信息送入计算机进行处理，处理后进行加
4、内加热桶盖 8、 220V电源 12、数据采集仪热时间判断，如过加热时间不到则继续由电加热棒进行加热，如果加热时间到则断幵固态继 电器停止加热。
在实现了整个测试过程之后，对采集的数据进行计算。在计算相变材料的蓄热量之前， 首先要对本相变蓄热测试仪进行误差校核，主要分为两个步骤漏热测试和热容测试。由于 本相变蓄热测试仪主要由一个水浴组成，且申水浴中设置有电加热棒，因此需要计算整个水 浴系统的漏热量和吸热量。漏热量即是在对水浴进行加热过程中，水浴向环境释放的热量； 吸热量即是在加热过程中，整个水浴系统所吸收的热量。漏热量是外保温桶内、外壁面的温 差，加热时间和漏热系数的函数；吸热量是热容和加热启、停时水浴的温差的函数。
主要计算公式如下
1.漏热系数的测试:
△7;
式中矢是漏热系数，W/。C;
^是漏热加热功率，W;
at;是外保温桶内外壁的温差，°c;
2.系统热容
C， (2)
g=j(— (3) 込A:.A7^z" (4)
G-c.A^ (5) 式中，c系统的热容J"C;
△r2水升高的温度，°C;
,测试时间，S;,
2加热棒的加热量，J;込系统(包括内加热桶，外保温桶，水)吸收的热量，J; 込加热过程中的漏热量，J;
3.相变材料蓄热量的计算
^一g'一込 (6) 附
(7)
0 = { w2dr (8) 式中《为相变材料单位质量的相变蓄热量，J/kg; 附为相变材料的质量，kg;
为建筑相变材料的蓄热量，J; W2为相变测试加热功率，W;
实施例1
首先在内加热桶3中加水，当水到内加热桶中的刻度线处，停止加水；然后盖上内加热 桶盖4，之后再盖上外保温桶盖2。水浴部分的准备工作完成，可以对其进行控制加热。然 后再打开13计算机，并对加热桶3的稳压器9和数据采集仪12供电，同时在13计算机上 完成加热设置。这主要包括设置相变材料的相变温度、设置漏热测试和热容测试的加热时间、 设置漏热测试的漏热功率。在这三项设置完威之后，点击界面上的启动按钮，加热开始。温 度探测器6每5秒钟采集一次数据，并将其转化为温度值，显示在计算机13界面上，同时 将采集到的数据绘制成曲线一条平滑的曲线，在计算机13界面上显示出来。
待加热时间达到设置的加热时间后，计算机13会自动控制固态继电器10断开电加热棒 5的电源，这时加热停止。然后根据采集回来的数据进行计算。
第一步根据公式(1)计算漏热系数。
第二步根据公式(2)、 (3)、 (4)、 (5)计算系统热容。
然后进行相变材料的蓄热量测试实验。
将内加热桶3中的水倒出，待加热内桶3和外保温桶1内、外壁面的温度冷却到室温的 时候，开始进行相变蓄热测试卖验。首先将相变材料放入内加热桶3中，然后重新对内加热桶3中进行加水，当水位达到内加热桶3内刻度线时停止加水。然后依次盖上内加热桶盖4 和外保温桶盖2。打开13计算机，并对加热桶的稳压器9和数据采集仪12供电，同时在计 算机13上完成加热设置。这主要包括设置相变材料的相变温度、相变测试加热时间和设置 相变蓄热测试的加热功率，点击界面上的启动按钮，加热开始。温度探测器6每5秒钟采集 一次数据，并将其转化为温度值，显示在计算机13界面上，同时将采集到的数据绘制成曲 线一条平滑的曲线，在计算机13界面上显示出来。待加热时间达到设置的相变蓄热测试时 间后，计算机13会自动控制固态继电器10断开电加热棒5的电源，这时加热停止。
最后根据第一步和第二步计算出来的漏热系数和热容，然后再根据公式(6)、 (7)、 (8) 计算出相变材料的蓄热量。
权利要求1、一种相变蓄热测试仪，其特征在于该测试仪由水浴，稳压器，固态继电器，电源转换器，温度探测器，数据采集仪和计算机组成；该水浴由隔热效果良好的外保温桶(1)、外保温桶盖(2)、内加热桶(3)、内加热桶盖(4)和电加热棒(5)组成；该外保温桶(1)分为内、外两层，夹层为聚氨酯保温材料，在外保温桶(1)的桶口上盖设有外保温桶盖(2)；该内加热桶(3)放置在外保温桶(1)内部，在内加热桶(3)的桶口上盖设有内加热桶盖(4)，且在内加热桶(3)的底部设置有电加热棒(5)，在内加热桶(3)中设置有温度探测点，用于测试水温的大小；在外保温桶(1)的内、外壁面上也各设置有温度探测点，用于测试外保温桶内、外壁面的温度；连接该电加热棒(5)和温度探测器(6)的数据线和电源线通过走线槽(7)与稳压器(9)和数据采集仪(12)相连，该电加热棒(5)同时与固态继电器(10)相连接；稳压器(9)分别连接220V电源(8)及固态继电器(10)；固态继电器(10)分别连接稳压器(9)、并通过电源转换器(11)连接数据采集仪(12)，该固态继电器(10)和数据采集仪(12)共同控制加热过程的启停；电源转换器(11)的一端与固态继电器(10)连接，另一端与数据采集仪(12)相连；温度探测器(6)与数据采集仪(12)直接连接；数据采集仪(12)直接连接温度探测器(6)，数据采集仪将采集的电压/电流信号转换成温度信号后，输入计算机(13)并在计算机(13)界面上显示出来，然后再根据采集回来的温度计算相变材料的蓄热量；用于控制完成整个操作过程的计算机(13)与数据采集仪(12)相连。
2、 根据权利要求1所述的相变蓄热测试仪，其特征在于该温度探测器(6)是由热电偶温度传感器组成。
3、 根据权利要求1所述的相变蓄热测试仪，其特征在于该数据采集仪(12)使用三菱PLC可编程软件。
专利摘要一种相变蓄热测试仪，由水浴，稳压器，固态继电器，电源转换器，温度探测器，数据采集仪和计算机组成；该水浴由内加热桶、电加热棒和外保温桶三部分组成。稳压器一端连接电源，另一端连接电加热棒，为电加热棒供电。固态继电器、数据采集仪和计算机共同组成整个测试过程的监测和控制部分。通过数据采集仪采集的数据来判断是否需要停止或开始加热，由计算机再发出命令，控制固态继电器的闭合或断开。针对现有的研究建筑相变材料以及测试建筑相变材料的蓄热性能的实验方法的不足，该装置可以对装有建筑相变材料的水浴进行加热，利用温度传感器测量温度，并绘出实时温度曲线，通过控制加热装置的启停，最后由测试数据计算出建筑相变材料的蓄热量。
文档编号G01N25/20GK201293765SQ20082012255
公开日2009年8月19日 申请日期2008年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者王国云, 王智超, 玮 肖 申请人:中国建筑科学研究院