專利名稱：固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種數字測量裝置，特別是一種固-液相變材料常壓下熱膨脹率 和作功量數字測量裝置，屬于物理測量技術領域。
背景技術：
固一液相變材料在溫度變化下的體積膨脹率及其作功量大小，是科學研究的 重要數據。通常，固一液相變材料在溫度變化下的體積膨脹率是通過人工讀數、 手工記錄進行測量的，既不能保證測量的精度，又不能與計算機連接以進行數字 化處理，更不能對測量環境做出自動控制以提高測量工作的效率，使相變材料重 要性能數據的測量發生困難。已有技術中，申請號為02277190.5、名稱為"一 種測量混凝土收縮率的裝置"實用新型專利，主要完成測量水泥、水泥砂漿、混 凝土澆注零時起的變形，即可測量澆注后一天內的收縮率，不能完成相變材料在 不同溫度下體積變化的測定，也不能完成體積變化引起的作功效果的測定，無法 為數字采集系統提供數字化信息。
發明內容
為了彌補現有技術的不足，本發明提供一種固-液相變材料常壓下熱膨脹率 和作功量數字測量裝置。該裝置不但能夠自動采集常壓下熱膨脹率的試驗信息并 進行數字處理，又可以對測量的加熱環境進行自動控制，還可以對熱膨脹過程的 容積變化信號和壓力信號同時進行處理和運算，獲得作功量的精確數據，為固-液相變材料的性能測量提供了方便、可靠的途徑。
本發明是通過下述技術方案實現的。
本發明包括內膽、外膽、放氣塞、壓力傳感器、水位計密封座、水位計、泄 水閥、補水閥、采樣控制單元、熱電偶和自動電加熱器。
內膽包括壓蓋、壓環、內膽筒體和乳膠薄膜。內膽筒體是一個由不銹鋼材料 制成、兩端帶有內凸肩的圓筒體，壓蓋通過橡膠密封圈與內膽筒體一端螺紋連接， 乳膠薄膜置放在內膽筒體另一端的內凸肩上，壓環與內膽筒體另一端螺紋連接，
O型膠圈置于乳膠薄膜與壓環之間，使乳膠薄膜周邊不泄漏工質。壓蓋是一個由 不銹鋼材料制成的帶有凸肩的回旋體，頂部外側的柱面加工成滾花，以便于手工 旋緊壓蓋。壓環是一個由不銹鋼材料制成的帶凸肩的環狀回旋體，其頂部外側柱 面加工成滾花。乳膠薄膜具有足夠的彈性和伸縮性，并具有足夠的強度，使表面 充分擴大也不破裂。放氣塞與壓力傳感器分別安裝在內膽筒體外表面的兩個螺孔 內。放氣塞是一個由不銹鋼材料加工成帶有T型孔道的螺釘，底部的孔口與內膽 內部相通。當放氣塞向外旋動時，水平孔道與外界相通，可釋放出內膽中的氣體。 當放氣塞向內旋緊時，內膽與外界隔絕，形成密閉空腔。
外膽是一個由不銹鋼板焊接而成的長方體密閉空腔，在0. 5MPa試壓時不泄 漏。在外膽前后兩面安裝有透明的水密觀察窗，以方便測量，在外膽的左側面安 裝有水密門，便于內膽的取出和裝入。兩只由不銹鋼板材制作、上邊沿為凹半圓 形的支架安裝在外膽內的底面上，內膽橫置于支架上。補水閥通過管路與外膽的 頂面連通，以補充水量；泄水閥通過管路與外膽的底面相通，以便排泄外膽內的 水。熱電偶插入外膽內以測量外膽內的水溫。水位計通過水位計密封座安裝在外 膽的頂面上，自動電加熱器安裝在外膽的右側內底部，以便加熱外膽內容納的水 以達到設定的溫度。
水位計包括外管、內管、干式舌簧管、精密電阻和磁性浮環。多個干式舌簧 管自下而上疊置在水位計內管內，每兩個干式舌簧管之間的間隔為4mm，干式舌 簧管的數目根據水位變化范圍確定，干式舌簧管由兩片或多片鐵鎳合金簧片封裝 在小玻璃管內制成，每個干式舌簧管都與一個精密電阻連接組成串聯電路。磁性 浮環套在內管外側，漂浮在水面上，當磁性浮環隨水位高低上下游動時，磁性浮 環所帶有的磁性磁化了相對應的干式舌簧管舌簧的復原力矩，從而使被控電路閉 合，串聯電路的電阻值對應著磁性浮環所處的高度，輸出液位高度的數據信號。 在外管和內管之間，與水位計密封座對應位置的外膽頂面上開有兩個小孔穿過水 位計密封座，使外膽內水可以溢出并進入內管和外管之間，其水位的高度反映 工質的體積膨脹率。
水位計和熱電偶的輸出端均與采樣控制單元的輸入端電連接，分別提供液位 信號即體積膨脹信號和溫度信號；壓力傳感器的輸出端通過安裝在外膽頂部的密
封接頭與采樣控制單元的輸入端電連接，提供壓力信號。采樣控制單元的控制輸
出端與自動電加熱器的控制信號輸入端電連接。采樣控制單元的數字信號輸出端 與計算機的數據輸入端電連接。
在開始測試工質常壓下熱膨脹率之前，先將內膽一端的壓蓋卸下，裝入待測 工質。如果工質呈固體狀，應先用溫水加熱熔化，使內膽所盛工質呈充滿狀；另 一端的乳膠薄膜略呈突出狀，即內膽內的工質稍有過量。蓋上并旋緊壓蓋后，將 放氣塞向外旋松，處于放氣狀態，然后旋轉壓環向里擠壓乳膠薄膜，使工質內的 氣泡排出，直到放氣塞的孔道中流出少許工質，表明氣體已經排凈，隨即旋緊放 氣塞，然后將內膽通過外膽的水密門放入外膽內，橫臥在支架上并使壓力傳感器 和放氣塞豎直向上，然后關閉水密門。
打開補水閥，使外膽內充滿水。待到水面升到漫過水位計內的底面位置即可。 隨即開始正式測量，記錄初始溫度和壓力，然后閉合自動電加熱器的電源，同時 記下水位計的初讀數。隨著外膽所盛水溫度不斷上升，內膽的乳膠薄膜因工質膨 脹而不斷膨出，水位計內水位不斷上升，直到水溫到達設定值后，工質充分膨脹 后體積不再變化，測量過程結束。
根據水位計讀數，計算體積的變化情況，求取工質的體積膨脹率，并根據微 小體積變化間隔和相應的壓力值，進行積分計算，可求取各個時間間隔以及全過 程的作功量。
本發明的有益效果本發明實現了相變材料常壓下熱膨脹率和膨脹過程作功 量測量的自動采樣和信號處理，也為數據處理和計算提供了直接、簡捷的途徑， 該裝置成本低廉，制作方便，操作簡捷，是一種可以推廣應用的、準確可靠的測 量裝置。本發明可為與相變材料相關的科學研究工作提供切實、可靠的測量手段， 有明顯的科學價值和社會效益。本發明數字測量裝置所適用的固-液相變材料是 正十五垸、正十六垸、正十七垸、三水醋酸鈉、德國Rubitherm公司生產的一種 專門用于蓄熱的石蠟RT 54以及性質相近的材料。
圖1是本發明數字測量裝置的結構示意圖。 圖2是本發明數字測量裝置內膽的結構示意圖。 圖3是本發明數字測量裝置水位計的結構示意圖。
圖中1、內膽，2、乳膠薄膜，3、 0型膠圈，4、壓環，5、橡膠密封圈，6、
壓蓋，7、放氣塞，8、壓力傳感器，9、外膽，10、內膽筒體，11、水位計密封 座，12、水位計，13、水密門，14、泄水閥，15、補水閥，16、支架，17、水密 觀察窗，18、內管，，22、磁性浮環，23、干式舌簧管，24、精密電阻，25、外管。
具體實施方案
以下結合附圖對本發明的具體實施作進一步描述。
如圖l、圖2、圖3所示，本發明包括內膽l、外膽9、放氣塞7、壓力傳感 器8、水位計密封座ll、水位計12、泄水閥14、補水閥15、采樣控制單元19、 熱電偶20和自動電加熱器21。
內膽1包括壓蓋6、壓環4、內膽筒體10和乳膠薄膜2。內膽筒體10是一 個由不銹鋼材料制成、兩端帶有內凸肩的圓筒體。壓蓋6通過橡膠密封圈5與內 膽筒體10—端螺紋連接，乳膠薄膜2置放在內膽筒體IO另一端的內凸肩上，壓 環4與內膽筒體10另一端螺紋連接，0型膠圈3置于乳膠薄膜2與壓環4之間， 使乳膠薄膜2周邊不泄漏工質。壓蓋6是一個由不銹鋼材料制成的帶有凸肩的回 旋體，頂部外側的柱面加工成滾花，以便于手工旋緊壓蓋6。壓環4是一個由不 銹鋼材料制成的帶凸肩的環狀回旋體，其頂部外側柱面加工成滾花。乳膠薄膜2 具有足夠的彈性和伸縮性，并具有足夠的強度，使表面充分擴大也不破裂。放氣 塞7與壓力傳感器8分別安裝在內膽筒體10外表面的兩個螺孔內。放氣塞7是 一個由不銹鋼材料加工成帶有T型孔道的螺釘，底部的孔口與內膽l內部相通。 當放氣塞7向外旋動時，水平孔道與外界相通，可釋放出內膽l中的氣體。當放 氣塞7向內旋緊時，內膽l與外界隔絕，形成密閉空腔。
外膽9是一個由不銹鋼板焊接而成的長方體密閉空腔，在0. 5MPa試壓時不 泄漏。在外膽9前后兩面安裝有透明的水密觀察窗17，以方便測量，在外膽9 的左側面安裝有水密門13，便于內膽l的取出和裝入。兩只由不銹鋼板材制作、 上邊沿為凹半圓形的支架16安裝在外膽9內的底面上，內膽1橫置于支架16 上。補水閥15通過管路與外膽9的頂面連通，以補充水量；泄水閥14通過管路 與外膽9的底面相通，以便排泄外膽9內的水。熱電偶20插入外膽9內以測量 外膽9內的水溫。水位計12通過水位計密封座11安裝在外膽9的頂面上，自動 電加熱器21安裝在外膽9的右側內底部，以便加熱外膽9內容納的水以達到設定的溫度。
水位計12包括外管25、內管18、干式舌簧管23、精密電阻24和磁性浮環 22。多個干式舌簧管23自下而上疊置在水位計12的內管18內，每兩個干式舌 簧管23之間的間隔為4mm，干式舌簧管23的數目根據水位變化范圍確定，干式 舌簧管23由兩片或多片鐵鎳合金簧片封裝在小玻璃管內制成，每個干式舌簧管 23都與一個精密電阻24連接組成串聯電路。磁性浮環22套在內管18外側，漂 浮在水面上，當磁性浮環22隨水位高低上下游動時，磁性浮環22所帶有的磁性 磁化了相對應的干式舌簧管23舌簧的復原力矩，從而使被控電路閉合，串聯電 路的電阻值對應著磁性浮環22所處的高度，輸出液位高度的數據信號。在外管 25和內管18之間，與水位計密封座11對應位置的外膽9頂面上開有兩個小孔 穿過水位計密封座11，使外膽9內的水可以溢出并進入內管18和外管25之間， 其水位的高度反映工質的體積膨脹率。
水位計12和熱電偶20的輸出端均與采樣控制單元19的輸入端電連接，分 別提供液位信號即體積膨脹信號和溫度信號；壓力傳感器8的輸出端通過安裝在 外膽9頂部的密封接頭與采樣控制單元19的輸入端電連接，提供壓力信號。采 樣控制單元19的控制輸出端與自動電加熱器21的控制信號輸入端電連接。采樣 控制單元19的數字信號輸出端與計算機的數據輸入端電連接。
在開始測試工質常壓下熱膨脹率之前，先將內膽1左側的壓蓋6卸下，裝入 待測工質。如果工質呈固體狀，應先用溫水加熱熔化，使內膽1所盛工質呈充滿 狀；右側的乳膠薄膜2略呈突出狀，即內膽l內的工質稍有過量。蓋上并旋緊壓 蓋6后，將放氣塞7向外旋松，處于放氣狀態，然后旋轉壓環4向里擠壓乳膠薄 膜2，使工質內的氣泡排出，直到放氣塞7的孔道中流出少許工質，表明氣體已 經排凈，隨即旋緊放氣塞7，然后將內膽1通過外膽9的水密門13放入外膽9 內，橫臥在支架16上并使壓力傳感器8和放氣塞7豎直向上，然后關閉水密門 13。
打開補水閥15，使外膽9內充滿水。待到水面升到漫過水位計12內的底面 位置即可。隨即開始正式測量，記錄初始溫度和壓力，然后閉合自動電加熱器 21的電源，同時記下水位計12的初讀數。隨著外膽9所盛水溫度不斷上升，內 膽1的乳膠薄膜2因工質膨脹而不斷膨出，水位計12內水位不斷上升，直到水溫到達設定值后，工質充分膨脹后體積不再變化，測量過程結束。
根據水位計12讀數，計算體積的變化情況，求取工質的體積膨脹率，并根 據微小體積變化間隔和相應的壓力值，進行積分計算，可求取各個時間間隔以及 全過程的作功量。
權利要求
1、一種固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量裝置，包括內膽(1)、外膽(9)、放氣塞(7)、壓力傳感器(8)、水位計密封座(11)、水位計(12)、泄水閥(14)、補水閥(15)、采樣控制單元(19)、熱電偶(20)和自動電加熱器(21)，其特征在于內膽(1)包括壓蓋(6)、壓環(4)、內膽筒體(10)和乳膠薄膜(2)，壓蓋(6)通過橡膠密封圈(5)與內膽筒體(10)一端螺紋連接，乳膠薄膜(2)置放在內膽筒體(10)另一端的內凸肩上，壓環(4)與內膽筒體(10)另一端螺紋連接，O型膠圈(3)置于乳膠薄膜(2)與壓環(4)之間，放氣塞(7)與壓力傳感器(8)分別安裝在內膽筒體(10)外表面的兩個螺孔內，外膽(9)是一個由不銹鋼板焊接而成的長方體密閉空腔，在外膽(9)前后兩面安裝有水密觀察窗(17)，在外膽(9)的左側面安裝有水密門(13)，補水閥(15)與外膽(9)的頂面連通，泄水閥(14)與外膽(9)的底面相通，熱電偶(20)插入外膽(9)內；水位計(12)通過水位計密封座(11)安裝在外膽(9)的頂面上，自動電加熱器(21)安裝在外膽(9)的右側內底部，支架(16)安裝在外膽(9)內的底面上，內膽(1)橫置于支架(16)上并使壓力傳感器(8)和放氣塞(7)豎直向上；水位計(12)和熱電偶(20)的輸出端均與采樣控制單元(19)的輸入端電連接，壓力傳感器(8)的輸出端通過安裝在外膽(9)頂部的密封接頭與采樣控制單元(19)的輸入端電連接，采樣控制單元(19)的控制輸出端與自動電加熱器(21)的控制信號輸入端電連接，采樣控制單元(19)的數字信號輸出端與計算機的數據輸入端電連接。
2、 根據權利要求1所述的固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量 裝置，其特征是所述的水位計(12)包括外管(25)、內管(18)、干式舌簧管(23)、 精密電阻(24)和磁性浮環(22)，多個干式舌簧管(23)自下而上疊置在內管(18)內，每個干式舌簧管(23)都與一個精密電阻(24)連接組成串聯電路， 磁性浮環(22)套在內管(18)外側，漂浮在水面上；在外管(25)和內管(18) 之間，與水位計密封座(11)對應位置的外膽(9)頂面上開有兩個小孔穿過水 位計密封座(11)。
3、 根據權利要求1所述的固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量裝置，其特征是所述的內膽筒體(10)是由不銹鋼材料制成、兩端帶有內凸肩的 圓筒體；壓環(4)是由不銹鋼材料制成的帶凸肩的環狀回旋體，其頂部外側柱 面加工成滾花；壓蓋(6)是由不銹鋼材料制成的帶有凸肩的回旋體，頂部外側 的柱面加工成滾花。
4、 根據權利要求1所述的固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量 裝置，其特征是所述的放氣塞(7)是由不銹鋼材料加工成帶有T型孔道的螺釘， 底部的孔口與內膽(1)內部相通。
5、 根據權利要求1所述的固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量 裝置，其特征是所述的支架(16)是兩個由不銹鋼板材制作的上邊沿為凹半圓形 的支承結構。
6、 根據權利要求1或2所述的固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字 測量裝置，其特征是所述的干式舌簧管(23)是由兩片或多片鐵鎳合金簧片封裝 在小玻璃管內制成，干式舌簧管(23)的數目根據水位變化范圍確定，每兩個干 式舌簧管(23)之間的間隔為4mm。
全文摘要
固-液相變材料常壓下熱膨脹率和作功量數字測量裝置，屬于物理測量技術領域。本發明包括內膽、外膽、放氣塞、壓力傳感器、水位計、水閥、采樣控制單元、熱電偶和自動電加熱器。內膽橫置于外膽內，乳膠薄膜通過壓環和O型膠圈置于內膽一端，內膽內充滿待測工質，外膽內充滿水，隨著外膽內水溫升高，乳膠薄膜因工質膨脹而膨出，水位計內水位上升。根據液位即體積膨脹信號、溫度和壓力信號，求出相變材料常壓下熱膨脹率和作功量大小，為固-液相變材料的性能測量提供了方便、可靠的途徑，具有明顯的科學價值和社會效益。本發明裝置適用于正十五烷、正十六烷、正十七烷、三水醋酸鈉、德國Rubitherm公司生產的蓄熱石蠟RT 54以及性質相近的材料。
文檔編號G01N25/00GK101187643SQ200710171868
公開日2008年5月28日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者夏冬鶯, 捷 馬 申請人:上海交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
