材料热力学参数测量设备的制作方法

1.本实用新型涉及材料热力学参数测量技术领域，具体地，涉及一种材料热力学参数测量设备。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学设备，燃料电池在运行时会伴随发热现象，为了更好了解燃料电池的运行特性，需要对燃料电池中材料的比热容、相变焓等热力学参数进行测量。相关技术中，热力学参数主要通过示差扫描量热法研究测量，这种测量方法主要用于实验室试验，且存在操作复杂、耗时长、测量误差较大的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本实用新型实施例提出一种材料热力学参数测量设备，该材料热力学参数测量设备操作简单、测量时间短、测量精度高。
5.本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备包括：箱体，所述箱体可绝热以适于在所述箱体内形成绝热空间；样品容器，所述样品容器设于所述绝热空间，所述样品容器适于放置测试样品；加热装置，所述加热装置设于所述绝热空间，所述加热装置适于对所述测试样品加热；第一传感器，所述第一传感器设于所述样品容器内，所述第一传感器适于监测所述测试样品的温度并产生第一温度信号；第二传感器，所述第二传感器设于所述绝热空间，所述第二传感器适于监测所述绝热空间的温度并产生第二温度信号；采集装置，所述加热装置、所述第一传感器、所述第二传感器与所述采集装置电性相连，所述采集装置适于采集所述加热装置的电压、所述加热装置的电流、所述第一温度信号、所述第二温度信号并记录时间信息。
6.本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备操作简单、测量时间短、测量精度高。
7.在一些实施例中，所述加热装置包括加热丝，所述加热丝缠绕在所述样品容器的外周侧，所述加热丝适于加热所述样品容器内的所述测试样品。
8.在一些实施例中，所述加热丝螺旋缠绕在所述样品容器的外周侧。
9.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括电源，所述电源与所述加热装置、所述第一传感器、所述第二传感器、所述采集装置电性相连，所述电源适于供电。
10.在一些实施例中，所述电源为恒压电源或恒流电源或恒功率电源。
11.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括连接件，所述连接件的一端与所述样品容器相连，所述连接件的另一端与所述箱体相连，所述连接件适于将所述样品容器固定在所述绝热空间内。
12.在一些实施例中，所述连接件为钢柱。
13.在一些实施例中，所述采集装置设在所述箱体上方，所述第一传感器、所述第二传感器与所述采集装置相连并悬吊在所述箱体内。
14.在一些实施例中，所述箱体具有高度尺寸和长度尺寸，所述第一传感器位于所述高度尺寸的二分之一位置，所述第二传感器位于所述高度尺寸的二分之一位置，且所述第一传感器和所述第二传感器三等分所述长度尺寸。
15.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括处理装置，所述处理装置与所述采集装置电性相连，所述处理装置适于接收所述加热装置的电压、所述加热装置的电流、所述第一温度信号、所述第二温度信号、所述时间信息以计算所述测试样品的固态比热容和/或固液相变焓和/或液态比热容。
附图说明
16.图1是本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备的整体结构示意图。
17.图2是图1中材料热力学参数测量设备的标准样品测试示意图。
18.图3是图1中材料热力学参数测量设备的测试样品测试示意图。
19.图4是测试样品测试的温度时间曲线示意图。
20.附图标记：
21.箱体1；样品容器2；第一传感器3；加热装置4；第二传感器5；采集装置6；电源7；标准样品8；测试样品9。
具体实施方式
22.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
23.如图1至图3所示，本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备包括箱体1，样品容器2，加热装置4，第一传感器3，第二传感器5和采集装置6。
24.箱体1可绝热以适于在箱体1内形成绝热空间。如图1所示，箱体1可以为方形箱体，箱体1可以由绝热材料加工成型，由此，箱体1的内部空间可以形成绝热空间，从而避免了外界环境对测试的影响。
25.样品容器2设于绝热空间，样品容器2适于放置测试样品9。样品容器2可以安装在箱体1的绝热空间内，例如，样品容器2可以悬吊在绝热空间内。样品容器2的顶部可以为敞口，测试时，可以将测试样品9放入样品容器2内。
26.加热装置4设于绝热空间，加热装置4适于对测试样品9加热。加热装置4可以为电加热装置，也可以为辐射加热装置，加热装置4可以对测试样品9加热，从而为测试提供热能。
27.第一传感器3设于样品容器2内，第一传感器3适于监测测试样品9的温度并产生第一温度信号，第二传感器5设于绝热空间，第二传感器5适于监测绝热空间的温度并产生第二温度信号。
28.如图1所示，第一传感器3和第二传感器5可以均为温度传感器，第一传感器3和第二传感器5可以悬吊在箱体1内，其中第一传感器3可以从样品容器2的顶部敞口伸入样品容
器2内，从而使得第一传感器3与测试样品9接触，方便了对测试样品9温度的直接测量。第二传感器5位于样品容器2外侧，在测试过程中，第二传感器5可以对绝热空间的温度进行测量，从而实现对整体环境温度的监测。
29.加热装置4、第一传感器3、第二传感器5与采集装置6电性相连，采集装置6适于采集加热装置4的电压、加热装置4的电流、第一温度信号、第二温度信号并记录时间信息。采集装置6可以为信号采集器，在测试过程中，采集装置6可以实时的接收加热装置4的电压和电流、第一温度信号、第二温度信号、时间信息，通过这些信息，可以计算出测试样品9的热力学参数，热力学参数可以是比热容等。
30.本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备，测试时对于样品的形态无要求，一次测试中可以对较多的样品进行测试，从而避免相关技术中样品选取较少，容易造成偶然性误差的问题，提高了测量的准确性和精度。由于第二传感器5是在绝热空间内进行监测，除样品以外的所有物体视为整体环境，计算时可以直接扣除整体环境影响，简化了环境对测试结果的影响，进一步提高了测量的准确性。
31.另外，本实用新型实施例的测量设备结构简单，操作方便，可以直接进行测量，无需进行设备预热，从而测量时间短，可以实现测量的快速反馈，提高了测量的便捷性。
32.在一些实施例中，加热装置4包括加热丝，加热丝缠绕在样品容器2的外周侧，加热丝适于加热样品容器2内的测试样品9。具体地，如图1所示，加热丝可以螺旋缠绕在样品容器2的外周侧并通过热传导的方式实现对测试样品9的加热。由此，方便了加热装置4的固定安装。
33.优选地，加热丝螺旋缠绕在样品容器2的外周侧。由此，可以使得加热丝均布在样品容器2的外周侧，使得样品容器2能够均匀受热，有利于提高测量精度。
34.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括电源7，电源7与加热装置4、第一传感器3、第二传感器5、采集装置6电性相连，电源7适于供电。
35.在一些实施例中，电源7为恒压电源或恒流电源或恒功率电源。
36.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括连接件(未示出)，连接件的一端与样品容器2相连，连接件的另一端与箱体1相连，连接件适于将样品容器2固定在绝热空间内。具体地，连接件可以为细钢柱，连接件的一端与样品容器2相连，连接件的另一端与箱体1相连，通过连接件的支撑作用实现对样品容器2的安装固定。
37.优选地，连接件可选用绝热材料，由此可以减少热量流失，提高测量的准确性。
38.在一些实施例中，采集装置6设在箱体1上方，第一传感器3、第二传感器5与采集装置6相连并悬吊在箱体1内。如图1所示，采集装置6设在箱体1的正上方，第一传感器3和第二传感器5均可以通过导线悬吊在箱体1内，由此，可以简化箱体1内的零部件，有利于减少热量的损耗并提高测量精度。
39.在一些实施例中，箱体1具有高度尺寸和长度尺寸，第一传感器3位于高度尺寸的二分之一位置，第二传感器5位于高度尺寸的二分之一位置，且第一传感器3和第二传感器5三等分长度尺寸。
40.具体地，如图1所示，箱体1可以为长方体箱体，箱体1的高度尺寸即为箱体1在上下方向的尺寸，箱体1的长度尺寸即为箱体1在左右方向的尺寸。第一传感器3和第二传感器5均悬吊在箱体高度的二分之一位置，且第一传感器3和第二传感器5沿着左右方向间隔排
布，第一传感器3和箱体1左箱壁的间距、第一传感器3和第二传感器5的间距、第二传感器5和箱体1右箱壁的间距均大体相等，由此，可以减少方位的各项异性，有利于提高测量精度。
41.在一些实施例中，材料热力学参数测量设备包括处理装置，处理装置与采集装置6电性相连，处理装置适于接收加热装置4的电压、加热装置4的电流、第一温度信号、第二温度信号、时间信息以计算测试样品9的固态比热容和/或固液相变焓和/或液态比热容。
42.具体地，处理装置可以为处理器，处理装置可以独立于采集装置6，也可以与采集装置6集成为一体。处理装置内可以事先输入热力学公式，采集装置6采集的数据可以直接传输给处理装置，然后通过对应时间段的计算，可以实现对测试样品9固态比热容、固液固液相变焓、液态比热容的计算。可以理解的是，在其他一些实施例中，也可以通过人工计算。
43.本实用新型实施例的材料热力学参数测量设备可以采用以下材料热力学参数测量方法，材料热力学参数测量方法可以包括以下步骤
44.s1：将标准样品8放在样品容器2内，运行设备并采集标准样品8的测量参数。如图2所示，可以将标准样品8放在样品容器2内，标准样品8可以为石蜡、聚乙二醇等已知相变函的物质。
45.优选地，标准样品8为无机水合盐，例如可以为十水硫酸钠等。
46.需要说明的是，测量参数包括加热装置4的电压、加热装置4的电流、第一温度信号、第二温度信号、时间信息等。
47.待标准样品8放置完成后，可以运行设备，运行过程中，加热装置4会对样品容器2内的标准样品8加热，第一传感器3会实时的对标准样品8的温度进行监测，第二传感器5会实时的对绝热空间内的温度进行监测，监测的信息会被传输至采集装置6处，同时，加热装置4实时的电压和电流也被传输至采集装置6处，对应的时间信息也会被传输至采集装置6处。
48.s2：通过标准样品8的测量参数计算整体环境吸热系数ke。
49.整体环境吸热系数ke通过以下公式计算获得：
50.q0＝qe+q151.qe＝cem1δte[0052][0053]
ke＝ceme[0054]
式中：q0为总输入热量；qe为整体环境吸收热量；q1为标准样品吸收热量；ce为整体环境等效比热容；me为整体环境等效质量；ke为整体环境吸热系数；δte为整体环境温度变化值；c1为标准样品比热容；m1为标准样品质量；δt1为标准样品8温度变化值；u为加热装置4输入电压；i为加热装置4输入电流；t0为测试起始时间；t1为测试终止时间。
[0055]
s3：将测试样品9放在样品容器2内，运行设备并采集测试样品9的测量参数。具体地，如图3所示，可以将测试样品9放置在样品容器2内，至于测试样品9的测量过程可以与步骤s1中标准样品8的测试过程相同，此处不再赘述。
[0056]
s4：通过测试样品9的测量参数和整体环境吸热系数ke计算测试样品9的热力学参数。
[0057]
具体地，热力学参数可以包括固态比热容、固液相变焓和液态比热容，计算时，可
以仅计算固态比热容、固液相变焓和液态比热容的其中一个，也可以计算至少两个。
[0058]
固态比热容和液态比热容通过以下公式获得：
[0059][0060]
式中：c
p
为测试样品9比热容；q0为总输入热量；qe为整体环境吸收热量；m
p
为测试样品9质量；δt
p
为测试样品9温度变化值；t
x
为测试起始时间；ty为测试终止时间；ke为整体环境吸热系数；δte为整体环境温度变化值；u为加热装置4输入电压；i为加热装置4输入电流。
[0061]
具体地，如图4所示，t1-t2时间内电源7输入热量单位j；
[0062]
t1-t2时间内环境吸热量qe＝ke(t
e2-t
e1
)，单位j，其中ke为前面求取的整体环境吸热系数；
[0063]
测试样品9的固态比热容计算可以代入公式单位j/(℃
·
g)，该计算式中所有量可通过采集装置6记录。
[0064]
具体地，如图4所示，t3-t4时间对应测试样品9的液态比热容cp2。样品液态比热容cp2计算方法上述测试样品9的固态比热容计算方法相同，在此不做详细阐述。
[0065]
样品液态比热容单位j/(℃
·
g)，该计算式中所有量，可通过采集装置6记录。
[0066]
固液相变焓可以通过以下公式获得：
[0067][0068]
式中：δh为固液相变焓；q0为总输入热量；qe为整体环境吸收热量；m
p
为测试样品9质量；t
x
为测试起始时间；ty为测试终止时间；ke为整体环境吸热系数；δte为整体环境温度变化值；u为加热装置4输入电压；i为加热装置4输入电流。
[0069]
具体地，t2-t3时间对应测试样品9的固液相变焓δh。t2-t3时间内计算样品固-液相变焓δh由于是恒温过程，有如下关系：样品固液相变焓其中q
p
为样品相变过程所吸收热量，单位j；相变相变过程吸热q
p
＝q
总(t2-t3)-q
e(t2-t3)
，其中q
总(t2-t3)
为时间t2-t3内电源7输入总热量，q
e(t2-t3)
为时间t2-t3内环境吸收总热量；
[0070]
样品相变焓计算式中所有数据均可由采集装置6
采集得到。
[0071]
下面描述本实用新型的具体实施例一。
[0072]
以恒流电源、绝热箱、温度传感器、信号接收器等为零部件搭建测试装置，具体设备结构如图1所示，以已知比热容标准样品8对整体环境吸热系数ke进行标定计算，具对已知比热容及相变焓的石蜡进行测试，测试其固态比热容、液态比热容、固-液相变焓，测试5次取平均，单次测量时间为33min，取样量为20g，并与其标准数据进行对比，发现以自制装置测试所得固体比热容误差为4.8％，液体比热容误差为4.1％，相变焓误差为3.6％；以美国perkinelmer dsc8000型号dsc进行同样样品测试，单次测试取样量为6mg，相变焓测试时间为(包括开机关机)150min，测试误差1.3％。
[0073]
下面描述本实用新型的具体实施例二。
[0074]
以恒流电源、绝热箱、温度传感器、信号接收器等为零部件搭建测试装置，具体设备结构如图1所示，以已知比热容标准样品8对整体环境吸热系数ke进行标定计算，对已知比热容及相变焓的分子量6000的聚乙二醇(peg6000)进行测试，测试其固态比热容、液态比热容、固-液相变焓，测试5次取平均，单次测量时间为35min，取样量为20g，并与其标准数据进行对比，发现以自制装置测试所得固体比热容误差为4.9％，液体比热容误差为4.2％，相变焓误差为3.3％；以美国perkinelmer dsc8000型号dsc进行同样样品测试，单次测试取样量为7mg，相变焓测试时间为(包括开机关机)153min，测试误差1.2％。
[0075]
下面描述本实用新型的具体实施例三。
[0076]
以恒流电源、绝热箱、温度传感器、信号接收器等为零部件搭建测试装置，具体设备结构如图1所示，以已知比热容标准样品8对整体环境吸热系数ke进行标定计算，对已知比热容及相变焓的分子量8000的聚乙二醇(peg8000)进行测试，测试其固态比热容、液态比热容、固-液相变焓，单次测量时间为38min，取样量为20g，并与其标准数据进行对比，发现以自制装置测试所得固体比热容误差为4.9％，液体比热容误差为3.6％，相变焓误差为3.2％；以美国perkinelmer dsc8000型号dsc进行同样样品测试，单次测试取样量为6mg，相变焓测试时间为(包括开机关机)159min，测试误差1.5％。
[0077]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0078]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
[0079]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本
领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0080]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0081]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0082]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。