转动弹热量计测控系统的制作方法

本发明涉及一种转动弹热量计测控温系统。

背景技术：

微量热学是热力学的一个重要分支。利用热量计可以准确地测量物理、化学和生物过程中的热效应及计算获得动力学、热动力学参数，研究过程的热效应变化规律，推测反应过程的机理、分子结构的变化和反应动力学，预测反应进行的方向和化学平衡的条件，从而为化学工程的设计和施工提供可靠的热参数，在理论及实践中均具有重要的意义。

氧弹式热量计是通过燃烧试样直接获取化学物质热力学参数的最基本的仪器装置。根据弹体是否转动将氧弹式热量计分为静止弹热量计和转动弹热量计。静止弹热量计的特点是在燃烧反应发生的过程中燃烧氧弹始终处于静止状态。静止弹热量计对于含碳、氢、氧、氮不会产生副反应的简单有机化合物的测量精度较高，但对于含有硫、卤素、磷、硼及金属元素等复杂化合物样品的测量，由于燃烧产物的化学性质、物理状态不能严格确定，造成终态不稳定，引起测量结果不可靠。例如用静止弹热量计测量有机硫化合物的燃烧热，由于硫元素有不同的价态，燃烧结果往往有副反应产物SO₂生成，并且SO₃溶解在弹液中得到的H₂SO₄溶液在氧弹内的不同部位浓度分布不同，所以燃烧后得到的终态产物不是一个稳定均匀的体系，不能对其准确分析，因此所得的热值结果是不准确的。

转动弹热量计因弹体连续转动促使对弹液的搅拌而冲刷弹壁及其配件，使弹内快速达到均相和化学平衡，有效地克服了静止弹热量计出现的终态产物状态不稳定，副反应不能彻底进行及燃烧不完全等的不足，因而测量的物质可以扩展到含硫、卤素、磷、硼、硅及金属元素等复杂的化合物。同时，转动过程可以促进燃烧过程中某些副反应的进行，使弹内燃烧过程在极短的时间内达到热化学稳定态，从而提高燃烧能测定的精度。以含硫有机化合物为例，生成的副产物SO₂在转动过程中被内衬金属铂催化能很快氧化成SO₃，溶解于弹液中。由此可见因为转动的有效作用，终态产物容易形成均一稳定的体系，所以对于终态产物的化学和热力学特征定义就更加明确，对其进行合适的方法分析就增加了测量的准确性。相对于静止弹量热计，虽然转动弹热量计具有以上优点，但弹体在转动过程中必然会产生一定的热量泄露，如何降低转动产生的热漏是目前转动弹式量热计研发迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种转动弹式热量计测控系统。

本发明实现过程如下：

转动弹热量计测控系统，其包括：

—弹体测控温模块，以十万分之一分辨率实时测量转动弹弹体温度，在温度范围15～35℃，调控弹体温度至设定值；

—点火及点火能测量模块，为样品点火提供电能并测量点火电能量；

—腔体温度控制模块，控制真空腔温度，为弹体提供恒温工作环境；

—温升计算模块，对测量得到的弹体温度变化进行修正，确定温升；

—标定模块，根据电标定和物质标定提供的能量和温升确定热量计的能当量；

—量热模块，根据温升、样品质量和能当量确定样品热值；

—转动模块，控制真空腔沿水平轴进行0到180度往复转动，同时绕垂直轴方向进行0到360度往复转动；

—过程管理模块，协调上述各模块在程序指令控制下完成测试工作。

上述标定模块分为电标定模块和化学标定模块，

—电标定模块，根据计算机设定的馈能时间计算出热电堆馈给弹体的电能量和温升确定热量计的能当量；

—化学标定模块，根据热值基准物质苯甲酸的燃烧热值及样品用量和温升确定热量计的能当量。

上述测温用铂热敏电阻，线性区间内分度分辨率为0.00001℃。

上述控温用半导体热电堆，当半导体热电堆探测弹体温度低于设定值时加热，高于设定温度时制冷降温，当量热指令下达后，控温程序自动终止。

本发明优点与积极效果：实现了量热环境与量热体系一体化转动和转动的控制；实现了量热环境与量热体系的测控温智能化；实现了测量过程和结果的自动计算。

说明书附图

图1为热量计的框图；

图2为测控系统流程图；

图3为弹体温度测量电路图;

图4为点火电源电路图；

图5为腔体温度控制模块图；

图6为腔体温度控制模块流程图；

图7为雷诺校正计算框图；

图8为最大值校正计算框图；

图9为标定模块流程图；

图10为电能标定控制和加热电路图；

图11为量热模块流程图；

图12为转动控制电路图。

具体实施方式

如图1所示，转动弹热量计量热过程如下：

第一步，执行恒温指令：由计算机输出真空腔恒温指令，传输给温控仪中真空腔恒温单元，恒温单元通过安装在真空腔夹层中的腔温探头采集到的腔体温度数值，计算加热功率。同时启动旋片泵和分子泵电源，通过排气管导出腔体中的空气，复合真空计显示腔体内的压强，控制腔体温度恒定在25.000±0.001℃；

第二步，执行标定或者量热指令

电标定指令：执行第一步恒温指令，计算机输出电标定指令，弹体测温控温单元根据计算机设定的馈能时间计算加热功率，给弹体加热，并且通过安装在弹体夹层中的弹温探头实时采集弹体温度数值，电标定指令在标定完后自动结束，根据馈能量和采集的弹体温度曲线计算机计算出热量计的能当量。

物质标定指令：将标准热值样品固定在弹体中的坩埚中，放入弹体，并充入3 MPa的高纯氧气。将弹体再放入恒温腔体中，执行第一步恒温指令。在计算机中输入样品参数，输出物质标定指令。弹体测温单元实时采集弹体温度数值，同时执行点火指令，点火电源启动，再通过样品的铂金丝两端释放电流，点燃测试样品。10s后执行转动指令，转动控制启动。腔体和弹体绕水平方向进行0到180°转动，同时在垂直方向0到360°往复转动，转动指令100s后结束。物质标定指令结束后，根据标准样品的热量和采集的弹体温度曲线计算机计算出热量计的能当量。

量热指令：将测试样品与物质标定指令相同的方法固定和充氧气，将弹体放入恒温腔体中，执行第一步恒温指令。在计算机中输入样品参数，输出量热指令。之后与执行物质标定指令相同，量热指令结束后，根据采集的弹体温度曲线计算机计算出的被测样品的燃烧热值。

本发明测控系统包括弹体温度测量模块、弹体加热模块、弹体加热测量模块、点火及点火能测量模块、腔体温度控制模块、温升计算模块、标定模块、量热模块、转动模块和过程管理模块，协调控制恒温、燃烧、真空、腔体转动各部分的顺序，达到在程序指令控制下自动完成测试工作。

如图2所示，测控系统是连接热量计和微型计算机的桥梁，它接收并执行计算机发出的各项指令，并且实时监测热量计腔体和弹体的温度变化经过转化后传输回计算机。测控系统中的弹体测控温度量模块的作用有两方面，一是实时采集弹体的温度，传输回计算机，二是接收到电标定指令时给弹体进行控制加热。点火控制和点火能测量模块接收到计算机发出的点火指令时，启动点火电路的电源，测量提供给热量计的点火能。腔体温度控制模块接收到计算机功能管理和过程管理发出的恒温指令后，通过PID计算控制腔体温度恒定至需要值。转动控制模块接收到计算机功能管理和过程管理发出的转动指令后，控制真空腔沿水平轴进行0到180度往复转动，同时绕垂直轴方向进行0到360度往复转动。测控系统还有室温实时监测模块，实时采集室内温度数值。

1、弹体测控温模块

量热技术的核心问题之一是温度的准确测量。温度测量模块是通过弹体夹壁中特制的铂电阻温度传感器，1s记录6次数据，经过放大、转换后将输出给电脑CPU，实时监测温度变化。温度测量模块主要由铂电阻温度传感器、桥式测量电路、信号放大器、A/D转换器和微型计算机组成，见图3。热敏铂电阻和两个20kΩ(R₁和R₂)、一个4.4 kΩ(R₃)的精密电阻构成电桥，电桥的偏差电势信号经过68倍的放大后送入高分辩的23位A/D采样电路，转换为数字信号，并输送给计算机，由软件自动记录偏差电势信号的变化，该偏差电势在一定温度范围内与温度成线性关系。由于A/D 采样的精度高，温度测量分辨率为0.00001℃。

铂电阻Pt4000具有稳定性好、可重复操作、快速响应及较宽的工作温区等特性，在使用中只要进行必要的线性化处理和温度校准即可以满足热量计测温范围20-30℃的技术要求。

根据图2的弹体温度测量电路图计算弹体的具体温度如下：

（2）式中A、B 为铂电阻温度传感器的分度常数，分别A=3.90802×10^-3，B=-5.80195×10^-7；T为华氏温度，单位为K，T=t+273.15，t是摄氏温度。

由A/D转换器可以得到桥式输出的偏差电势U_T，电流E的数值通过测量可以得到，联合（1）和（2）式可求出温度T’。因为铂电阻有误差，放大器有误差需要修正，所以弹体的实际温度T为T=aT’+b （3）

（3）式中a，b分别是修正系数，它们是通过多次的温度测量实验和温度校准得到。

2、点火及点火能测量模块

本系统设计了一套电容放电自动点火电路，其原理如图4所示。点火前由稳压电源给200V 20μF电容器充电，点火时接通电源，使电容两极因点火丝导通而放电，此后点火丝发热引燃样品后熔断，电容器放电瞬间降低电压。由下式计算点火所用的电能

式中: C为电容器的电容; U₁和U₂ 为电容器点火前后的电压，k为点火能在线路上损耗而引入的系数，其值通过实验测定。因设计点火丝时选择了直径只有0.025mm的铂金丝，点火时会产生较大的电阻，需要高的电压，故选用了电压大、电容小的点火电容器，这样会让点火时间缩短、点火能量更小、点火更加稳定。

3、腔体温度控制模块

温度控制模块主要控制腔体内温度的恒定，电路原理如图5所示，流程图如图6所示。在真空腔体的夹壁内设置有温度传感器B(电阻Rt)和电加热器(电阻R_L)，温度传感器B为热敏铂电阻，其阻值大小随温度的变化而变化，它与两个3KΩ和200Ω的精密电阻构成桥式电路，该电桥的电压信号经放大电路放大10倍后由23位的模拟/数字( A/D) 转换器转换为数字信号，再由计算机进行P-I-D运算，输出控制信号经16位的(D/A)转换器传递给一个35V的可调电源驱动加热器以合适的功率工作，最终使被控制系统的温度达到设定值，其可控制温度恒定到(25±0.001)℃。

PID（Proportional Integral Derivative）温度控制是利用比例P、积分I和微分D计算控制量来进行控制系统偏差的一种方法，它具有可靠性高、稳定性好、计算方法简单，被广泛应用于过程控制和运动控制。

在腔体温度控制模块中，当通过温度传感器采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例P、积分I、微分D运算，从而输出某个适当的控制信号给执行系统，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。PID模块操作非常简捷，只要设定4个参数就可以进行温度精确控制： 1、温度设定；2、P值；3、I值；4、D值；PID模块的温度控制精度主要受P、I、D这三个参数影响。通过多次的实验测试，研制的微型热量计通常P设定在1~10，I设定在50~200，D设定在0~1之间。

4、温升计算模块

温升计算模块中温度曲线的校正方法采用雷诺校正法和最大值校正法进行编写，具体校正计算框图如图7和8所示。

5、标定模块

在完成控温之后，观察显示的腔体温度曲线稳定在±0.001℃就可以进行标定。选择电标定或物质标定，设置技术参数，输入材料信息，调节温度到合适温度后，手动或自动开始标定。具体流程图见图9。

电能标定因简便、稳定和随时的优点，在设计微型热量计时，也把它作为一种标定热量计的有效手段。它是以准确的电能方式给量热系统提供一个恒定的热功率P，再由热功率P计算得到的电能E_电与相应的整个量热系统的温度升高值ΔT之比，求得热量计的能当量。本系统设计了专用于电能标定的控制和加热线路，如图10所示。

当系统接到电能标定的指令时，标定电源即通过定时开关给一个稳定加热电阻R_L提供时间为t_B(t_B被称作馈能时间)的电流，A/D转换器每秒1次测量加热电阻两端的电压U_B，并且测量与R_L串联的电阻r两端的电流得到I_B，将这些采集到的数据再传回电脑，软件程序通过测量到加热电阻的电压和电流数据，可计算出t_B时间的加热电能为

式中是摒弃第一点和最后一点的功率数据之和，因第一点和最后一点测量的加热功率数值与真实值相差太大，计算时要摒弃，最终全部的加热电能通过P_B的平均值乘以t_B/(t_B-2)加以恢复即可得到。

以执行电标定为实施例，在腔体温度控制模块中设置实验环境25℃，控制腔体温度恒定在(25.00±0.001)℃。设置馈能时间，弹体加热模块控制恒压电源馈给弹体电能，改变弹体温度，弹体加热测量模块测量加热模块馈给弹体的电能量。弹体温度改变过程中，弹体温度测量模块实时测量弹体温度，绘制温度曲线。温升计算模块对测量得到的弹体温度变化进行修正，确定温升值。最后，标定模块中的电标定二级模块依据馈能量和温升值确定热量计的能当量，电标定实施结束。

以执行物质标定为实施例，腔体温度控制模块实施与电标定实施例中相同的操作。燃烧弹体中装配热值基准物质苯甲酸片后，充气、密封，置于真空恒温腔中，弹体温度测量模块执行与电标定实施例中相同操作，直至热量计体系稳定执行物质标定指令。点火及点火能测量模块执行点火指令，10秒后转动模块控制真空腔体和弹体整体根据设置轨迹进行转动。温升计算模块对测量得到的弹体温度变化进行修正，确定温升值。标定模块中的物质标定二级模块依据苯甲酸燃烧热和温升值确定热量计的能当量，物质标定实施结束。

以执行量热实验为实施例，量热模块执行前的所有操作与上述物质标定实施例相同。量热模块依据热量计能当量、样品量和温升值确定样品物质的燃烧热值，量热实验实施结束。

6、量热模块

装备好燃烧弹体之后，通过腔体温度控制模块进行控温，进入量热模块，输入样品的质量、名称和仪器的能当量，等系统稳定后输入开始时间，确定即可自动开始量热实验，进行样品点火及点火能测量模块、转动模块、弹体温度测量模块、温升计算模块，实验结果自动计算和输出。量热模块的流程图见图11。

7、转动模块

本发明将真空腔和弹体一起进行转动，这样燃烧系统和恒温环境同时运动，热量就只在它们之间进行交换而没有向外界传递，杜绝了转动所产生的热量泄露。转动方式的设计在Y轴方向360°旋转的同时又可在X轴方向180°转动。通过痕迹实验证实了这种转动轨迹可以让弹液充分的冲刷到弹体的内壁及配件，没有任何的死角。对微型弹体转动方式的这些设计不仅减少了热量泄漏和后期的热交换校正而且建立了全新的量热体系设计思想，将燃烧体系和恒温环境作为一个孤立系统整体来研究，重新界定了热量计的体系与环境。

转动控制电路图见图12所示。步进电机可编辑控制器接收到微型计算机发出的转动指令后，接通电闸k₁，给可编辑控制器和开关电源提供电流。关闭k₂，启动可编辑控制器，同时开关电源给步进驱动器输出24V的电压，可编辑控制器输出信号驱使步进电机按照编入的速度、角度和时间程序同步进行X轴和Y轴转动，自动运行完毕。k₃用于控制转动随时停止，应对热量计运行过程中的突发情况。

转动控制主要通过YJ-01型步进电机可编程控制器来实现，它可控制驱动器进行各种单轴复杂运行。A、B中断操作是本控制器的一大特点，通过编程它既可以控制电机以一定的速度、一定的位移方式运行，又可以控制电机从起始点开始朝一方向运行，直到碰到一行程开关后停止，再反向运行回到起始点，还可控制步进电机在两个行程开关之间往复运行n次。特别适合细分驱动器。两台联用分别控制X轴和Y轴方向，驱动两个步进电机同步进行转动。

通过转动背景实验考察转动对量热系统的影响，弹体在没有装配样品的条件下进行量热实验，仪器进行点火、转动操作后计算出转动过程中的温升，得到转动时产生的能量，多次实验得到平均值小于0.1J，可见，转动时产生的热漏是极小的，相对于样品的燃烧热而言就更小了。

电标定实验

热值基准物质标定对于测定不同元素组成的化合物其实验条件是不相同的，分为不加弹液和加弹液两种情况，为此，电标定实验也按这两种情况进行。以1℃作为区间，从21.5-28.5℃分为7个区间，平行进行8次标定，设置馈能时间40s，修正曲线时间为t_x=100s，t_y=200s。在24.5-25.5℃区间不加弹液的电标定能当量平均值为291.7138 J·℃^-1，加水作为弹液的电标定能当量为295.4509 J·℃^-1，相差约4J·℃^-1。

物质标定实验

热值基准苯甲酸(BA 39j)，含量≥99.999%，质量燃烧热为-(26434±3) J·g^-1，美国国家标准与技术研究院(简称NIST)提供。

压片：称取一定质量的苯甲酸，放入模具中，在压片机中压成中空的直径约5mm的苯甲酸片，使用前在百万分之一天平上准确称重，其他样品的制作过程与苯甲酸相同。

基准物质标定实验步骤：

（1）开机：先打开测控仪、真空计、点火装置、分子泵、控制转动装置的电源，进行热量计预热；

（2）进入控制操作程序：打开电脑，进入桌面的控制程序，设置控温温度为25℃及其他的相应工作参数；

（3）装样：将称量好的苯甲酸片穿过燃烧丝，放入铂金坩埚中将两端固定到燃烧弹体顶部的点火柱上，放回弹体，用扭力扳手旋紧盖子；

（4）充气：给氧弹内充入3M Pa的高纯氧气，可先重复充放气2-3次排除弹体中的空气。充好气后将弹体放入外腔体中，密封；

（5）抽真空保温：机械泵联合分子泵工作至真空计读数显示10^-3 Pa后进行调温；

（6）标定：调温至24.5℃左右，等温度曲线稳定后进行物质标定。标定开始约10s后弹体进行转动，转动约100s后停止，控制测温程序采集数据700s直至燃烧反应结束。

燃烧弹中不加弹液和加1mL蒸馏水为弹液分别进行8组热值基准苯甲酸燃烧实验，实验结果分别为299.99和304.55J·℃^-1，这两者之间相差约4J·℃^-1，与电标定结果相一致。