CN101576520B

CN101576520B - 一种热功率测量装置

Info

Publication number: CN101576520B
Application number: CN2009100858628A
Authority: CN
Inventors: 张武寿
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: CN101576520A

Abstract

一种热功率测量装置，其特征在于：它包括量热筒、恒温隔热系统、均温系统、标定系统、信号处理与控制系统和箱体；其中量热筒为三层嵌套复合结构，最内层为样品室，中间层为互相串联的半导体热电模块，外壁为恒温层；样品室内设置热电偶和热电阻；半导体热电模块通过机械方法固定在样品室和外壁之间；恒温隔热系统包括恒温系统和隔热系统；恒温系统包括循环恒温浴、紫铜流体管；紫铜流体管紧贴量热筒的外壁，紫铜流体管入口通过一恒温槽连接循环恒温浴；恒温槽中设置与循环恒温浴连接的远程温度探头；均温系统包括设置在样品室中的风扇；标定系统包括热电阻；信号处理和控制系统包括计算机和数据采集卡，用于信号的实时采集和风扇功率、标定功率、水浴温度的控制。

Description

一种热功率测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，特别是关于一种热功率测量装置。

背景技术

通常的热导式热功率测量装置由内至外包括样品室、由热电偶串联组成的温差热电堆和外部恒温层。测量时，将待测样品放置在由热电堆包围的封闭样品室中，待测样品产生或吸收的热流从样品室向外壁传递，在热电堆上产生正比于该热流的电信号，通过测量电信号的大小即可获得待测样品的热功率。

在此过程中，需要解决如下问题：由于样品室内温度分布不均匀，使得电信号响应依赖于待测样品在样品室内的位置，由此引起测量误差；由于样品室、外壁与热电偶间热接触的不均匀，引起热功率测量装置的仪器常数，即热功率与输出电信号间的比值，随时间与待测样品热功率变化的漂移问题；循环恒温浴的控温精度要尽可能高，避免量热筒外壁由于温度扰动导致的电信号背景噪音太高的恒温问题；样品室内部通过开口处的缝隙和信号孔与外界的热交换要尽可能小，热功率测量装置的保温层要尽可能厚以免外界温度变化干扰热功率测量的量热筒保温问题。

目前使用的大体积高功率热测量装置有三种，第一种主要用于液态反应，如美国专利申请“热流量热计”(专利号：US4456389)和“化学过程中的热量测定方法”(专利号：US4963399)，它们是通过控制或测量反应池外壳循环流体温度变化求得热功率；第二种是利用合金的塞贝克效应测量总热流，如美国专利“全身量热计”(专利号：US5040541)；第三种是补偿法测量热功率，如美国专利“干式量热计”(专利号：US6572263)。前两种大体积热功率测量装置由于装置外的环境温度控制精度不高且量热装置内部未安装均温系统，导致装置的本底信号和误差都比较大。而后一种功率测量装置适用于长半衰期的核辐射等缓变过程热功率的测量，不适合测量化学反应等快速放热或吸热过程。中国专利申请“温差电热功率计”(专利公开号：CN1782681)提出用半导体热电模块测量热功率，但仅给出原理，而未提出具体的热功率测量装置装配方案以解决实际热功率测量中遇到的热功率测量装置外部恒温、内部均温和密封待测样品以保证测量尽可能多的实际热流等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大体积、高功率、结构简单，并可有效克服由待测样品在样品室中的位置不同而导致的误差的热功率测量装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种热功率测量装置，其特征在于：它包括量热筒、恒温隔热系统、均温系统、标定系统、信号处理与控制系统和箱体；其中所述量热筒为三层嵌套复合结构，最内层为样品室，中间层为互相串联的半导体热电模块，外壁为恒温层；所述样品室内设置热电偶和热电阻；所述半导体热电模块通过机械方法固定在样品室和外壁之间；所述恒温隔热系统包括恒温系统和隔热系统；所述恒温系统包括循环恒温浴、紫铜流体管；所述紫铜流体管紧贴所述量热筒的外壁，紫铜流体管入口通过一恒温槽连接所述循环恒温浴；所述恒温槽中设置与所述循环恒温浴连接的远程温度探头；所述均温系统包括设置在所述样品室中的风扇；所述标定系统包括所述热电阻；所述风扇和热电阻均通过一程控直流电源供电；所述信号处理和控制系统包括计算机和数据采集卡。

所述量热筒分为筒身和顶盖，箱体对应的分为箱体身和箱体盖；所述筒身与顶盖间设置密封圈和柔性隔热垫，所述箱体身与箱体盖间设置密封垫。

所述热电阻由电阻丝缠绕在肋片散热器上制成。

所述紫铜流体管的间距保证每个所述半导体热电模块外侧均有紫铜流体管通过。

所述半导体热电模块的上下表面涂抹导热硅脂。

所述数据采集卡采集所述半导体热电模块的电压信号、所述热电偶的电压信号、所述风扇的电压信号、所述热电阻的电压信号。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在测量过程中使用了比合金热电偶具有更高赛贝克系数的半导体热电模块，因此本发明的热功率测量装置不需要信号放大即可用普通三位半数字多用表测得热信号。2、本发明中热电模块的均匀稠密分布保证将尽可能多的热流转化为电信号，且使热电信号对待测样品在样品室内的位置依赖性大大降低。3、本发明中量热筒内外壁间的良好接触，使仪器常数的年变化率低于现有热功率测量装置的仪器常数的年变化率。4、本发明循环恒温浴内设置远程温度探头，可自动校正循环恒温浴与热功率测量装置间流体出入管的热损失对量热筒外壁温度的影响，提高了本底信号的稳定性，同时使得热功率测量装置的灵敏度比现有类似尺寸热功率测量装置的提高一个数量级以上。本发明可广泛用于测量分米级以上的大体积样品或体系的热功率，如电池组充放电、化工中试反应、封装核材料的辐射和生物体新陈代谢等物理、化学和生物过程的热功率。

附图说明

图1是本发明的热功率测量装置量热筒筒身和箱体身的侧视结构示意图

图2是本发明的热功率测量装置整体侧视示意图

图3是本发明的紫铜流体管位置示意图

图4是本发明的实施例中电阻热功率标定结果示意图

图5是本发明的实施例中二次电池在充电过程中的热功率与温度关系示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括量热筒1、恒温隔热系统2、均温系统3、标定系统4、信号处理与控制系统5和箱体6。其中，量热筒1整体为三层嵌套复合腔结构，它包括下部的筒身1a与上部的顶盖1b；箱体6包在量热筒1之外，包括箱体身6a和箱体盖6b，对应于量热筒1的上下结构。信号处理与控制系统5包括计算机51、数据采集卡52。量热筒1由内自外分为样品室11、半导体热电模块12和外壁13。样品室11由高导热材料板组合而成，且相连处进行无缝焊接，避免待测的腐蚀性流体样品渗出样品室11损害量热筒1。样品室11外表面均匀布满半导体热电模块12，半导体热电模块12通过导线121相互串联组成温差热电堆，将样品室11内的温度变化转化成电压信号，通过热功率输出信号线122输出到信号处理与控制系统5的数据采集卡52中。半导体热电模块12的上下表面涂满含银导热硅脂，保证良好的热传导性。外壁13压装在半导体热电模块12上，外壁13上的螺丝131拧入样品室11上对应的螺孔，通过机械方法固定样品室11和外壁13间的半导体热电模块12。样品室11上的螺孔在样品室11的外表面开口，螺孔的深度不能穿透样品室11，以免待测样品的腐蚀性流体渗出样品室11。每个半导体热电模块12周围至少均匀分布四个带有垫片的螺丝131，螺丝131的垫片使作用在外壁13表面的压力分布更加均匀。样品室11、半导体热电模块12和外壁13相互接触面的平整度要优于±0.01mm，样品室11、半导体热电模块12和外壁13间的接触压力为1400±5kPa，以保证待测样品的热流均匀传递，还保证仪器常数即热功率与输出信号间比值稳定。样品室11内设置有热电偶14用于不同兴趣点的温度测量，热电偶14的数目依需要而定。

恒温隔热系统2分为恒温系统和隔热系统，用于保证量热筒1的外壁13温度恒定。其中恒温系统包括循环恒温浴21、流体出入管22和紫铜流体管23。紫铜流体管23紧贴量热筒1的外壁13，它的出口通过一流体出入管22连接一小型循环恒温浴21的入口；紫铜流体管23的入口连接一恒温槽24的出口。恒温槽24的入口通过另一流体出入管22连接循环恒温浴21的出口。恒温槽24中设置与循环恒温浴21连接的远程温度探头25，远程温度探头25可自动校正流体出入管22中的热损失对量热筒1外壁13产生的温度影响，提高了本底信号的稳定性。恒温槽24同时作为热电偶14的温度参考端，因此热电偶14的温度测量不需另外设置冷端补偿器，从而简化了装置结构同时提高了温度测量精度。热电偶14的热电偶信号线141连接数据采集卡52，用于采集热电偶14的电信号。循环恒温浴21通过恒温浴数据线211与计算机51连接，计算机51利用软件实现对循环恒温浴21温度的实时监控和记录。

如图3所示，紫铜流体管23之间相互连通，且间距要保证每个半导体热电模块12外侧均有紫铜流体管23通过，紫铜流体管23与量热筒1的外壁13之间用机械方法固定，并用导热胶粘结，保证二者的热接触良好。由于量热筒1分为筒身1a和顶盖1b，箱体6分为箱体身6a和箱体盖6b，因此量热筒1筒身1a的紫铜流体管23的出口从箱体6的箱体身6a后侧穿出，通过管路接入箱体盖6b内的量热筒1的顶盖1b上的紫铜流体管23入口。量热筒1的顶盖1b上紫铜流体管23出口从箱体6的箱体盖6b后侧穿出，并通过流体出入管22接入到循环恒温浴21的入口。设置于箱体6外的管路都包覆厚保温材料，保证室温昼夜波动不干扰热功率测量。

隔热系统包括量热筒1周围包裹的保温材料26，筒身与顶盖间设置的密封圈27和柔性隔热垫28，箱体身与箱体盖间设置的密封垫29。保温材料26的厚度方向的热扩散驰豫时间要在2天以上，以减小环境温度波动对热功率测量的影响。隔热系统可在恒温系统的基础上进一步保证外界温度变化不影响热功率测量。由于量热筒1分为筒身1a和顶盖1b，在筒身1a和顶盖1b的结合处需要进行密封，以防止样品室11孔隙泄漏热流引起热功率测量误差。筒身1a内样品室11的开口边沿与外壁13开口边沿之间安装有不锈钢面板61，面板61呈矩形框形状，用螺丝固定在筒身1a外壁13的顶部，面板61平面的高度须略高于筒身1a的样品室11，面板61口边沿周围上安装密封圈27。面板61的外缘设置柔性隔热垫28，柔性隔热垫28覆盖筒身1a外壁13与箱体身6b之间的保温材料26，箱体身6a口沿处安装密封垫29。

量热筒1的顶盖1b的外壁13与面板61大小相当，顶盖1b外壁13与箱体盖6b之间的开口处下部设置隔热板63，用以封闭顶盖1b的外壁13与箱体盖6b之间的保温材料26。顶盖1b相对于外壁13凸出，当箱体身6a和箱体盖6b合上时，顶盖1b与面板61平面以下的箱体1a接合；密封圈27与顶盖1b的外壁13紧密接触，密封量热筒1上下两部分；柔性隔热垫28与隔热板63紧密接触，箱体身6a和箱体盖6b之间的口沿通过密封垫29紧密接触；以上密封措施用以减小量热筒与环境通过口沿的热交换。

均温系统3用于提高样品室内的温度均匀性，提高热功率测量精度，它包括设置在样品室11中的风扇31和相应的程控直流电源7。风扇31通过一个风扇标准电阻32连接程控直流电源7，风扇标准电阻32用于测量风扇31的电流大小。标准电阻电压信号线33和风扇电压信号线34均连接数据采集卡52。程控直流电源7通过电源信号线71与计算机51连接，基于计算机51内置的软件中比例-积分-微分控制器，实现风扇31的恒功率供电，避免风扇31的阻值和电源功率的漂移影响热功率信号稳定性，导致待测样品的热功率测量不准确。

标定系统4用于建立半导体热电模块12的热功率输出信号线122上的电信号与样品室11的待测热功率间的定量关系，它包括用支架固定于于样品室11中心位置的热电阻41。热电阻41由电阻丝缠绕在肋片散热器上制成，它通过一个标定标准电阻42连接程控直流电源7，标定标准电阻42用于测量提供给热电阻41的电流大小。标定标准电阻42上的电压信号线43和热电阻41的电压信号线44均连接数据采集卡52。类似于前述风扇31的供电系统，程控直流电源7为热电阻41提供恒功率电流。本发明的热功率测量装置使用前后，需要进行待测热功率与输出电信号间函数关系的标定，即通过程控直流电源7供给热电阻41一标定电流，从而在样品室11中输入一已知的热功率；之后通过测量由标定标准电阻42上的压信号线43和热电阻的电压信号线44的电信号计算热电阻41的输入热功率；再通过测量热功率输出信号线122的电信号，给出一组输入热功率与输出电信号间的对应关系。调节程控直流电源7的标定电流改变输入功率，即可建立输入热功率与输出电信号间的函数关系。输入热功率与输出电信号间的函数关系一般是线性的，但通常带有轻微的非线性成分，其线性系数称为仪器常数。

信号处理和控制系统5，用于实现热功率、温度及待测样品各物理量信号的实时采集与控制。它包括计算机51、数据采集卡52，其中数据采集卡52采集半导体热电模块12的电压信号、热电偶14的电压信号、风扇31的电压和电流信号、热电阻41的电压和电流信号；数据采集卡52将采集到的信号经过模拟/数字转换后输入计算机51中进行计算，计算机51输出控制信号到程控直流电源7控制输出到风扇31和热电阻41的功率，计算机51同时对循环恒温浴21的温度进行监控和记录。

量热筒1和箱体6的外侧壁上皆预留两孔62，作为电源输出引线、热功率输出信号线122、热电偶信号线141、工作流体、以及照明光源和摄像头信号线的通道。

下面以电化学系统的热功率测量为实施例说明本专利中热测量装置的实施：

热功率测量装置的样品室11尺寸为26×26×26cm³(17.6L)，共使用148片半导体热电模块12或18，796对半导体热电偶测量热流，循环恒温浴21的控温精度为±0.01℃。均温系统3中使用风扇31的标称功率为2W，测量风扇31电流的风扇标准电阻32为0.01级的1欧姆高功率标准电阻。标定系统4中热电阻41的阻值为3.6欧姆，测量电流用的标定标准电阻42为0.01级的0.1欧姆高功率标准电阻。把一个26650型锂离子二次电池(直径65mm，高65mm)放入热功率测量装置，外部连接程控直流电源7，K型热电偶14贴在电池表面测量电池温度。

本实施例中由于在测量过程中使用了比合金热电偶具有更高赛贝克系数的半导体热电模块12，因此热功率测量装置不需要信号放大即可用普通三位半数字多用表测得热信号。同时半导体热电模块12的均匀稠密分布，保证将尽可能多的热流转化为热信号，且使热信号对待测样品在样品室11内的位置依赖性从现有仪器的5％降低到1％以下。样品室11、半导体热电模块12和外壁13间的良好接触使仪器常数的年变化率小于1％，小于现有仪器20％的仪器常数年变化率。循环恒温浴21的远程温度探头25自动校正循环恒温浴21与热功率测量装置间流体出入管22的热损失对量热筒1的外壁13温度的影响，提高了本底信号稳定性。

如图4所示，本发明的热功率测量装置的标定结果比现有类似尺寸热功率测量装置灵敏一个数量级以上，而且精确度优于0.5％。

如图5所示，本发明用于测量热功率装置实施例中锂离子二次电池在充电过程中的热功率与电池的温度变化，可见该装置可方便测量电池热耗散，利用该类仪器可为二次电池的热管理提供参考。

本发明方法和装置的实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、连接方式，及方法步骤的设置和顺序都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种热功率测量装置，其特征在于：它包括量热筒、恒温隔热系统、均温系统、标定系统、信号处理与控制系统和箱体；其中所述量热筒为三层嵌套复合结构，最内层为样品室，中间层为互相串联的半导体热电模块，外壁为恒温层；所述样品室内设置热电偶和热电阻；所述半导体热电模块通过机械方法固定在样品室和外壁之间；所述恒温隔热系统包括恒温系统和隔热系统；所述恒温系统包括循环恒温浴、紫铜流体管；所述紫铜流体管紧贴所述量热筒的外壁，紫铜流体管入口通过一恒温槽连接所述循环恒温浴；所述恒温槽中设置与所述循环恒温浴连接的远程温度探头；所述均温系统包括设置在所述样品室中的风扇；所述标定系统包括所述热电阻；所述风扇和热电阻均通过一程控直流电源供电；所述信号处理和控制系统包括计算机和数据采集卡，所述数据采集卡采集所述半导体热电模块的电压信号、所述热电偶的电压信号、所述风扇的电压信号、所述热电阻的电压信号。

2.如权利要求1所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述量热筒分为筒身和顶盖，箱体对应的分为箱体身和箱体盖；所述筒身与顶盖间设置密封圈和柔性隔热垫，所述箱体身与箱体盖间设置密封垫。

3.如权利要求1所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述热电阻由电阻丝缠绕在肋片散热器上制成。

4.如权利要求2所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述热电阻由电阻丝缠绕在肋片散热器上制成。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述紫铜流体管的间距保证每个所述半导体热电模块外侧均有紫铜流体管通过。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述半导体热电模块的上下表面涂抹导热硅脂。

7.如权利要求5所述的一种热功率测量装置，其特征在于：所述半导体热电模块的上下表面涂抹导热硅脂。