專利名稱：量熱杯與比較式量熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于熱源的熱功率測量領(lǐng)域，特別涉及一種用比較方式來測量熱源熱功率的儀器或裝置。
背景技術(shù)：
目前無論是采用單體結(jié)構(gòu)的量熱器(見“量熱法測量貯氚容器中的氚”，羅學(xué)建等，《原子能科學(xué)技術(shù)》，第38卷第2期P174-178，2004年3月)，還是采用孿生式結(jié)構(gòu)的量熱器，它們都是在嚴格的恒溫條件下，以放置熱源前或以沒有放置熱源的量熱杯的溫度為參考并對系統(tǒng)進行標定。然后，根據(jù)標定結(jié)果對放置熱源后或放置熱源的量熱杯在達到熱平衡狀態(tài)后的溫升(或加熱功率)進行測量來得到被測熱源的熱功率。上述測量方法及相應(yīng)的測量儀器必須在熱平衡(即熱源引起的溫升不再變化)狀態(tài)下才能獲得測量結(jié)果，由此將導(dǎo)致以下兩個弊端1.測量過程非常漫長，達數(shù)小時乃至數(shù)十小時之久。
2.對高能熱源的測量將導(dǎo)致很高的溫升，使測量變得非常困難。
此外，在傳統(tǒng)測量方法中采用的測溫元件一般為熱電偶、熱敏電阻或其它溫度傳感器。當集熱器表面溫度分布不均勻時，就必須在集熱器的四周布置成千上萬個溫度傳感器來滿足測量精度的要求，這會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，制作也十分困難。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種新型的量熱杯和以該量熱杯為基礎(chǔ)而構(gòu)成的比較式量熱器，以簡化結(jié)構(gòu)、縮短測量時間，解決高溫?zé)嵩礋峁β蕼y量困難的問題。
本實用新型所述的量熱杯，其集熱器由金屬容器和蓋在該容器兩端的真空端蓋構(gòu)成，在集熱器的側(cè)壁上用漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞構(gòu)成測溫繞組。真空端蓋為夾層結(jié)構(gòu)，表面鍍紅外反射膜，夾層的空腔被抽成真空，其作用是阻斷熱源在金屬容器內(nèi)沿軸線方向的直接熱散失，從而迫使熱源的熱能全部作用在集熱器的側(cè)壁上，使集熱器側(cè)壁成為有效測量區(qū)域并進而用測溫繞組實現(xiàn)對真實反映與熱源功率相關(guān)的集熱器平均溫升的測量。
本實用新型所述的比較式量熱器主體，包括量熱杯和溫度均衡裝置；量熱杯為兩個，在一個中放置電加熱源，在另一個中放置裝被測熱源，兩量熱杯均為上述結(jié)構(gòu)的量熱杯，且它們的尺寸、材料、測溫繞組的電參數(shù)相同；溫度均衡裝置為兩個結(jié)構(gòu)、尺寸、材料相同的等溫外罩，等溫外罩由與量熱杯相匹配的金屬簡體及繞制在金屬簡體側(cè)壁上的循環(huán)水管構(gòu)成，兩等溫外罩的循環(huán)水管相并聯(lián)接入循環(huán)水路；兩量熱杯分別安裝在上述結(jié)構(gòu)的兩個等溫外罩內(nèi)即構(gòu)成比較式量熱器主體。
本實用新型所述的比較式量熱器，主要由上述結(jié)構(gòu)的量熱器主體和測量控制裝置構(gòu)成。測量控制裝置的基本組成部分包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路，用于控制電加熱源加熱功率的穩(wěn)壓電源。
以上述基本組成部分為基礎(chǔ)，可通過普通電壓表和電流表，實現(xiàn)最簡單的人工監(jiān)測手動控制；也可經(jīng)A/D變換器、D/A變換器、單片機、計算機等實現(xiàn)自動測控。
測量時，將電加熱源和被測熱源分別放入兩個量熱杯中；將兩個量熱杯的測溫繞組接入圖3所示的、帶有差動放大的電橋電路中；依據(jù)差動放大器的輸出狀態(tài)，通過穩(wěn)壓電源調(diào)整電加熱源的加熱功率使電橋處于平衡狀態(tài)即可實現(xiàn)測量。
本實用新型所述的比較式量熱器的量熱原理如下兩個測溫繞組采用相同的材料因此有相同的電阻溫度系數(shù)α。
設(shè)電加熱源所在的量熱杯的測溫繞組的電阻在零度時的值為Rt10，當該量熱杯的平均溫度為t1時，其測溫繞組的阻值為Rt1=Rt10(1+αt1)---(1)]]>設(shè)被測熱源所在的量熱杯的測溫繞組的電阻在零度時的值為Rt20，當該量熱杯的平均溫度為t2時，其測溫繞組的阻值為Rt2=Rt20(1+αt2)---(2)]]>于是，電橋的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為Vout=KVinR(Rt1-Rt2)(R+Rt1)(R+Rt2)---(3)]]>式中K為差動放大器的增益根據(jù)式③，當Rt10＝Rt20且條件(1)熱源的熱能全部作用在量熱杯側(cè)壁上被測溫繞組覆蓋的區(qū)域，或雖然只有部分作用在量熱杯側(cè)壁被測溫繞組覆蓋的區(qū)域但兩熱源作用在該區(qū)域的熱能的比例相同或者說兩熱源沿量熱杯軸線方向的損失相同；(2)兩個量熱杯處于相同的外部環(huán)境中，即量熱杯的外部環(huán)境以相同的方式和相同的速率從量熱杯中取走相同的熱能。
被滿足時，可得以下結(jié)論當電橋的輸出電壓Vout大于零且不斷增大時，表明電加熱源的加熱功率小于被測熱源的熱功率；當電橋的輸出電壓Vout小于零且其絕對值不斷增大時，表明電加熱源的加熱功率大于被測熱源的熱功率；當電橋的輸出電壓Vout穩(wěn)定為零或為接近于零的一個常量(即當加熱功率不再改變時Vout保持為零或一個接近于零的常量)時，電橋處于平衡狀態(tài)，這時電加熱源的加熱功率等于被測熱源的熱功率。
本實用新型所述量熱杯和等溫外罩的結(jié)構(gòu)保證了上述條件的滿足，因此當圖3所示的電橋電路處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時，被測熱源的熱功率即等于電加熱源的加熱功率。
與按照傳統(tǒng)測量方法設(shè)計的量熱杯、量熱器相比，本實用新型具有以下優(yōu)點1.本實用新型所提供的量熱杯可迫使熱源的熱能全部作用到集熱器的側(cè)壁上，因此，熱源的熱功率直接與量熱杯側(cè)壁的平均溫升相對應(yīng)，為測溫繞組提供了布局基礎(chǔ)。
2.與現(xiàn)有的熱電偶、熱敏電阻等測溫元件相比，在對集熱器表面溫度分布不均勻的情況下實現(xiàn)集熱器表面平均溫升測量，可明顯地簡化結(jié)構(gòu)、提高測量精度。
3.采用本實用新型所提供的量熱杯使本實用新型所提供的比較式測量成為可能。而比較式測量屬于差動測量，只要兩個量熱杯所處的環(huán)境條件相同，則環(huán)境溫度的升高或降低對測量造成干擾屬于共模干擾，這種干擾在差動比較中將被有效地消除，因此無需對量熱杯建立恒溫條件，只需對兩個量熱杯建立等溫邊界條件即可，而采用本實用新型所提供的等溫外罩結(jié)構(gòu)，可十分容易地保證兩個量熱杯有相同的等溫邊界條件，因此大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
4.圖6是熱源引起的測溫區(qū)域的溫升曲線，傳統(tǒng)量熱器的測量結(jié)果出現(xiàn)在測溫區(qū)處于熱平衡狀態(tài)時，即圖中的B區(qū)間；本實用新型提供的比較式量熱器的測量結(jié)果出現(xiàn)在電橋平衡時，即圖中的A區(qū)間。與現(xiàn)有量熱器相比，不僅大大地縮短了測量時間而且在完成測量時，量熱杯的最高溫升也被大大降低，因而有利于高溫?zé)嵩吹臏y量。


圖1是本實用新型所述量熱杯的一種結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型所述比較式量熱器主體的一種結(jié)構(gòu)圖，一個量熱杯中放置電加熱源，一個量熱杯中放置被測熱源；圖3是比較兩測溫繞組電阻差異的電橋電路示意圖；圖4是本實用新型所述比較式量熱器的一種電路結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本實用新型所述比較式量熱器的另一種電路結(jié)構(gòu)框圖；圖6是量熱杯溫升曲線圖。
圖中，1-金屬容器、2-真空端蓋、3-測溫繞組、4-電極過孔、5-金屬簡體、6-循環(huán)水管、7-電加熱源、8-被測熱源。
具體實施方式
實施例1本實施例所述的量熱杯如圖1所示，由集熱器和測溫構(gòu)件組成。集熱器由用銅制作的空心圓柱容器1和蓋在該容器兩端的由不銹鋼制作的真空端蓋2構(gòu)成。真空端蓋2為夾層結(jié)構(gòu)，夾層的空腔被抽成真空，表面鍍紅外反射膜，其中一端的真空端蓋上設(shè)置有電加熱源的電極過孔4；測溫繞組由φ0.1mm漆包線緊密均勻地纏繞在集熱器側(cè)壁上構(gòu)成。
實施例2本實施例所述的比較式量熱器主體如圖2所示，包括兩個結(jié)構(gòu)、材料、尺寸相同的量熱杯和兩個結(jié)構(gòu)、材料、尺寸相同的等溫外罩。量熱杯的結(jié)構(gòu)、材料如實施例1所述，量熱杯的尺寸根據(jù)被測熱源設(shè)計，在一個量熱杯中放置電加熱源7，在另一個量熱杯中放置被測熱源8；等溫外罩由與量熱杯相匹配的用銅制作的圓柱形簡體5及繞制在簡體5側(cè)壁上的銅制循環(huán)水管6構(gòu)成，兩等溫外罩的循環(huán)水管相并聯(lián)接入循環(huán)水路；兩量熱杯分別安裝在兩個等溫外罩內(nèi)即構(gòu)成比較式量熱器主體。
實施例3本實施例所述的比較式量熱器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括量熱器主體和測量控制裝置。量熱器主體為實施例2所述的結(jié)構(gòu)。測量控制裝置包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路(如圖3所示)，用于控制電加熱源加熱功率的直流穩(wěn)壓電源。
測量時，將電加熱源7和被測熱源8分別放入兩個量熱杯中；將兩個量熱杯的測溫繞組接入圖3所示的、帶有差動放大的電橋電路中；用一個數(shù)字萬用表監(jiān)測差動放大器的輸出；用一個電壓表監(jiān)測電加熱源7兩端的電壓，用一個電流表檢測流過電加熱源7的電流；依據(jù)差動放大器的輸出狀態(tài)，通過穩(wěn)壓電源調(diào)整電加熱器的加熱功率并使電橋處于平衡狀態(tài)后，由電加熱源的電壓和電流的乘積得到被測熱源的熱功率。
下面結(jié)合圖4詳細說明工作原理和操作儀器啟動后，只要兩個熱源的熱功率不同且量熱杯與其外部環(huán)境未達到熱平衡狀態(tài)，由數(shù)字萬用表檢測的電橋電路的輸出電壓Vout讀數(shù)的絕對值就會持續(xù)增大，其極性取決于電加熱功率是大于還是小于被測熱源的功率。因此當Vout的絕對值的讀數(shù)處于不斷增大的狀態(tài)時，測量人員就應(yīng)依據(jù)Vout的正負調(diào)整電加熱源的加熱功率(Vout大于零時應(yīng)增加加熱功率，小于零時應(yīng)減小加熱功率)；當加熱功率改變后，如果Vout的絕對值仍在增大，但增大的速率在減小，表明加熱功率的改變量不夠，應(yīng)繼續(xù)沿同一方向改變加熱功率；當Vout的絕對值開始減小時，表明電加熱源的加熱功率已經(jīng)大于被測熱源的熱功率，此時，如果保持當前的加熱功率不變，則在由熱阻、熱容量等因素決定的系統(tǒng)時間常數(shù)引起的“慣性”的作用下，Vout的絕對值將會持續(xù)減小直至過零后向反方向增大，這就是調(diào)整過程中的“超調(diào)”。出現(xiàn)超調(diào)后，操作人員以適當?shù)牧恐禍p小加熱功率。如此反復(fù)幾次后，可最終達到Vout保持為零或接近于零的值而不再改變，該狀態(tài)就是由圖3所示的兩個測溫繞組構(gòu)成的電橋的平衡狀態(tài)，此時電加熱功率既為被測熱源的熱功率。從調(diào)整開始到獲得測量結(jié)果所用的時間為測量時間。
實施例4本實施例所述的比較式量熱器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括量熱器主體和測量控制裝置。量熱器主體為實施例2所述的結(jié)構(gòu)。測量控制裝置包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路(如圖3所示)，用于控制電加熱源7加熱功率的可控直流穩(wěn)壓電源，A/D變換器，D/A變換器，單片機及計算機；差動放大器的輸出端通過A/D變換器與單片機連接，單片機通過通訊接口與計算機連接，穩(wěn)壓電源的控制端通過D/A變換器與單片機連接，穩(wěn)壓電源的輸出端與電加熱源7連接，驅(qū)動電加熱源7的電流和電壓信號經(jīng)A/D變換器與單片機連接。
下面結(jié)合圖5詳細說明工作原理和操作將被測熱源8和電加熱源7分別放入相應(yīng)的量熱杯中并啟動系統(tǒng)，單片機實時測量電橋電路的輸出電壓Vout并將其傳給計算機。計算機根據(jù)Vout的變化趨勢計算出對電加熱源加熱功率的改變量并向單片機發(fā)出相關(guān)指令來調(diào)整電加熱源的加熱功率，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整直至電橋處于平衡狀態(tài)后給出測量結(jié)果。
權(quán)利要求1.一種量熱杯，包括集熱器和測溫構(gòu)件，其特征在于集熱器由金屬容器(1)和蓋在該容器兩端的真空端蓋(2)組成，測溫構(gòu)件為測溫繞組(3)，測溫繞組(3)由漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞在集熱器的側(cè)壁上構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量熱杯，其特征在于真空端蓋(2)為夾層結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)的內(nèi)部被抽成真空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的量熱杯，其特征在于真空端蓋(2)表面鍍有紅外反射膜。
4.一種比較式量熱器主體，包括量熱杯和溫度均衡裝置，其特征在于量熱杯為兩個，在一個中放置電加熱源(7)，在另一個中放置被測熱源(8)，兩量熱杯結(jié)構(gòu)相同，均包括集熱器和測溫構(gòu)件，其集熱器由金屬容器(1)和蓋在該容器兩端的真空端蓋(2)組成，測溫構(gòu)件為測溫繞組(3)，測溫繞組(3)由漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞在集熱器的側(cè)壁上構(gòu)成，且它們的尺寸、材料及測溫繞組的電參數(shù)相同；溫度均衡裝置為等溫外罩，等溫外罩由與量熱杯相匹配的金屬筒體(5)及繞制在金屬筒體側(cè)壁上的循環(huán)水管(6)構(gòu)成，等溫外罩為兩個，兩等溫外罩的尺寸、材料相同，它們的循環(huán)水管相并聯(lián)接入循環(huán)水路；兩量熱杯分別安裝在上述結(jié)構(gòu)的兩個等溫外罩內(nèi)。
5.一種比較式量熱器，包括量熱器主體和測量控制裝置，其特征在于量熱器主體包括量熱杯和溫度均衡裝置，量熱杯為兩個，在一個中放置電加熱源(7)，在另一個中放置被測熱源(8)，兩量熱杯結(jié)構(gòu)相同，均包括集熱器和測溫構(gòu)件，其集熱器由金屬容器(1)和蓋在該容器兩端的真空端蓋(2)組成，測溫構(gòu)件為測溫繞組(3)，測溫繞組(3)由漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞在集熱器的側(cè)壁上構(gòu)成，且它們的尺寸、材料及測溫繞組的電參數(shù)相同；溫度均衡裝置為等溫外罩，等溫外罩由與量熱杯相匹配的金屬筒體(5)及繞制在金屬筒體側(cè)壁上的循環(huán)水管(6)構(gòu)成，等溫外罩為兩個，兩等溫外罩的尺寸、材料相同，它們的循環(huán)水管相并聯(lián)接入循環(huán)水路；兩量熱杯分別安裝在上述結(jié)構(gòu)的兩個等溫外罩內(nèi)；測量控制裝置包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路，用于控制電加熱源(7)加熱功率的穩(wěn)壓電源。
6.一種比較式量熱器，包括量熱器主體和測量控制裝置，其特征在于量熱器主體包括量熱杯和溫度均衡裝置，量熱杯為兩個，在一個中放置電加熱源(7)，在另一個中放置被測熱源(8)，兩量熱杯結(jié)構(gòu)相同，均包括集熱器和測溫構(gòu)件，其集熱器由金屬容器(1)和蓋在該容器兩端的真空端蓋(2)組成，測溫構(gòu)件為測溫繞組(3)，測溫繞組(3)由漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞在集熱器的側(cè)壁上構(gòu)成，且它們的尺寸、材料及測溫繞組的電參數(shù)相同；溫度均衡裝置為等溫外罩，等溫外罩由與量熱杯相匹配的金屬筒體(5)及繞制在金屬筒體側(cè)壁上的循環(huán)水管(6)構(gòu)成，等溫外罩為兩個，兩等溫外罩的尺寸、材料相同，它們的循環(huán)水管相并聯(lián)接入循環(huán)水路；兩量熱杯分別安裝在上述結(jié)構(gòu)的兩個等溫外罩內(nèi)；測量控制裝置包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路，用于控制電加熱源(7)加熱功率的穩(wěn)壓電源，A/D變換器，D/A變換器，單片機及計算機；差動放大器的輸出端通過A/D變換器與單片機連接，單片機通過通訊接口與計算機連接，穩(wěn)壓電源的控制端通過D/A變換器與單片機連接，穩(wěn)壓電源的輸出端與電加熱源(7)連接，驅(qū)動電加熱源(7)的電流和電壓信號經(jīng)A/D變換器與單片機連接。
專利摘要一種量熱杯，其集熱器由金屬容器和蓋在該容器兩端的真空端蓋構(gòu)成，測溫構(gòu)件為測溫繞組，測溫繞組由漆包線或電阻溫度系數(shù)不為零的絕緣導(dǎo)線纏繞在集熱器的側(cè)壁上構(gòu)成。比較式量熱器包括兩個量熱杯，一個裝電加熱源，一個裝被測熱源；等溫外罩由金屬筒體及繞制在金屬筒體側(cè)壁上的循環(huán)水管構(gòu)成，兩量熱杯分別安裝在兩個等溫外罩內(nèi)構(gòu)成比較式量熱器主體；測量控制裝置包括用來比較兩個量熱杯測溫繞組電阻差異的、帶差動放大器的電橋電路，用于控制電加熱源加熱功率的穩(wěn)壓電源；可以通過普通電壓表和電流表測量加人工手動控制，也可以由單片機和計算機構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。
文檔編號G01K17/00GK2831066SQ200520034620
公開日2006年10月25日 申請日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者王富元, 羅志福, 李明海, 姚歷農(nóng), 江波, 顏素娟 申請人:王富元, 李明海