CN102621094B

CN102621094B - 一种热对流斑图测试仪及其测量方法

Info

Publication number: CN102621094B
Application number: CN2012100585393A
Authority: CN
Inventors: 贾春燕; 冉书能; 周路群
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2032-03-07
Also published as: CN102621094A

Abstract

本发明公开了一种热对流斑图测试仪及其测量方法。本发明的测试仪包括：样品腔；在样品腔的上表面安装制冷系统；在样品腔的下表面安装加热系统；以及用来观测热对流斑图的光学观测系统。本发明在冷却板和加热板之间，通过胶圈密封，内部通有样品液体，形成样品腔，并通过冷水机的温度设置控制冷却板的温度，以及温控电路控制加热板的加热功率，样品腔的上表面和下表面能够较快地获得不同的温差，形成热对流，以及利用阴影法来观察样品腔内的斑图。此种设计，能够精确地控制样品腔的上和下表面的温度，并且样品腔内无气泡。本发明的测试仪，直观、简单、易于操作。

Description

一种热对流斑图测试仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及流体力学，具体涉及一种热对流斑图测试仪及其测量方法。

背景技术

耗散结构理论讨论一个远离平衡的开放系统，当描述系统离开平衡态的参数达到一定阈值，系统将会出现分岔行为，越过分岔点后，系统将离开原来无序的热力学分支，发生突变进入到一个全新的稳定有序状态，若将系统拉开到离平衡态更远的地方，系统可能出现更多新的稳定有序状态。耗散结构理论不仅能解释许多物理、化学、生物等自然科学问题，近年还被引入哲学、社会学、经济学等诸多领域，成为当代少数几个能横跨自然与人文社会科学的重要科学理论之一。

研究热对流斑图有利于于了解和掌握耗散结构理论及其相关的重要的基本概念。由于流体内密度压力分布不均匀而产生的梯度力，也是导致流体运动的原因之一，所以因热力作用而使流体状态(如密度、压力等)发生的差异，引起流体运动，此种由热力作用驱动的流体运动称作热对流(thermal flow)。热对流是自然界中常见的现象。在热对流中出现的规则的有序的图案或花纹即为热对流斑图。通过观测热对流斑图来研究热对流现象的物理性质。

然而，由于产生热对流的条件复杂苛刻，而斑图又很难用肉眼观察到，因此产生并直接观测热对流斑图一直是科学界感兴趣的研究对象。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，提出本发明。

本发明的一个目的在于提出一种热对流斑图测试仪。

本发明的热对流斑图测试仪包括：样品腔；在样品腔的上表面安装制冷系统；在样品腔的下表面安装加热系统；以及用来观测热对流斑图的光学观测系统，包括光源、半透半反镜、接收屏、摄像头和计算机。

制冷系统包括：与样品腔的上表面紧密接触并具有进水孔和出水孔的冷却板；冷水机通过水管连接至冷却板的进水孔；冷却板通过与出水孔连接的水管连接至小型水泵；小型水泵放置在缓冲池中；小型水泵通过水管连接至冷水机。冷水机、冷却板与小型水泵通过水管串联在一起构成环路。通过冷水机的温度设置可实现对冷却板的温度控制。冷却板采用透明的材料制成，内部中空并设置有进水孔和出水孔以连接水管，从而流经冷却水，对其下面的样品腔进行冷却。冷却板进一步包括安装在其下表面的蓝宝石片，蓝宝石具有良好的导热性能，能有效散热，从而精确控制对流层上表面的温度。在环路的水管上安装阀门，调节制冷水的水流速度。由于普通的冷却水循环机体积大、噪音大、以及水流压力和震动大，在本发明中采用小型水泵和冷水机相结合以实现循环制冷，从而能够降低噪音，且制冷水流平稳。

加热系统包括：与样品腔的下表面紧密接触的加热板；以及与加热板相连接的温控电路。温控电路控制加热板的加热功率。加热板进一步包括与温控电路相连的加热片以及放置在加热片上的紫铜片。由于紫铜具有良好的导热性能，能够将由温控电路控制加热的加热片上的热量有效地传导到样品腔的下表面，从而精确的控制样品腔下表面的温度。在紫铜片上镀金，以提高反射率，从而紫铜片可作为反射镜。

在冷却板和加热板之间，通过胶圈密封，内部通有样品液体，形成样品腔。改变胶圈的厚度，可以获得不同的样品腔的厚度。胶圈采用耐热且导热率低的材料制成。胶圈的厚度在8mm以内，内径在8cm以内。

通过冷水机的温度设置控制冷却板的温度，以及温控电路控制加热板的加热功率，样品腔的上表面和下表面能够较快地获得不同的温差，并保持稳定，形成热对流。

本发明利用阴影法来观察样品腔内的斑图。样品腔内出现热对流后，各处密度呈现不均匀分布，导致光在各处的折射率不同，因此光通过内有热对流的样品腔，平行光的光强分布不再是均匀的，而是依赖于样品腔的折射率亦是密度分布了，此即为阴影法。经过样品腔的光的光强分布反映了热对流斑图的信息。

从而，本发明的光学观测系统包括：光源、半透半反镜、接收屏、摄像头和计算机。光源采用激光器，从激光器发射的光束，经半透半反镜反射，经冷却板投射到样品腔，经紫铜片的镀金表面反射后，从半透半反镜透射，由接收屏接收，再利用摄像头将图像采集到计算机，从而分析不同条件下获得的热对流斑图的图像。

本发明的另一个目的在于提供一种热对流斑图测试仪的测量方法。

本发明的热对流斑图测试仪的测量方法包括以下步骤：

1)确认胶圈形成的样品腔密封；

2)开启冷水机及小型水泵，控制制冷温度；

3)开启温控电路，控制加热温度；

4)调整光路，使得接收屏上接收到图像；

5)摄像头采集由接收屏接收到的图像并传送至计算机，计算机分析图像，获得热对流的物理性质。

本发明的优点：

本发明在冷却板和加热板之间，通过胶圈密封，内部通有样品液体，形成样品腔，并通过冷水机的温度设置控制冷却板的温度，以及温控电路控制加热板的加热功率，样品腔的上表面和下表面能够较快地获得不同的温差，形成热对流，以及利用阴影法来观察样品腔内的斑图。此种设计，能够精确地控制样品腔的上和下表面的温度，并且样品腔内无气泡。本发明的测试仪，直观、简单、易于操作。

附图说明

图1为本发明的热对流斑图测试仪的结构示意图；

图2为本发明的制冷系统及加热系统的展开的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例详细描述本发明的实施方式。

如图1所示，本发明的热对流斑图测试仪包括：样品腔1；在样品腔1的上表面安装制冷系统2；在样品腔1的下表面安装加热系统3；以及包括光源41、半透半反镜42、接收屏43、摄像头44和计算机45的光学观测系统。

如图2所示，制冷系统2包括：具有进水孔和出水孔的冷却板21；冷水机23通过水管连接至冷却板21的进水孔；冷却板21通过与出水孔连接的水管连接至小型水泵24；小型水泵24放置在缓冲池25中；小型水泵24通过水管连接至冷水机23。冷却板进一步包括安装在其下表面的蓝宝石片22。

冷水板21由透明的有机玻璃制成。

优选的，阀门安装在连接冷水机23与冷却板21的进水孔的水管上。

如图2所示，加热系统包括：加热片31、紫铜片32以及与加热板相连接的温控电路33。

如图2所示，形成样品腔1的胶圈11采用耐热橡胶，可变换不同的胶圈获得不同的样品腔的厚度。样品液体可以采用去离子水。

样品腔的注水方式采用在胶圈的直径方向埋植两根直径1mm的细不锈钢管，使用注射器可将水或其他液体从一边细不锈钢管处注入到胶圈，胶圈内气体从另一根细不锈钢管排出，样品液体将充满胶圈内的空间。保持外部两根细不锈钢管的长度相同，这样，样品液体就会静止于紫铜片和蓝宝石片的夹层之间，从而形成稳定的样品腔。此种设计直观、简单、易于制作。

用激光器做光源41，经扩束镜扩束，再经凸透镜形成准平行光束，半透半反镜42将准平行光投到样品腔，经紫铜片的镀金表面反射后，经样品腔出射，经半透半反镜透射，由接收屏43接收。再利用摄像头44将热对流斑图的图像采集到计算机45。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例中所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种热对流斑图测试仪，其特征在于，所述测试仪包括：样品腔（1）；在样品腔的上表面安装制冷系统（2），所述制冷系统（2）的冷却板是透明的；在样品腔的下表面安装加热系统（3）；以及用来观测热对流斑图的光学观测系统，所述光学观测系统包括光源（41）、半透半反镜（42）、接收屏（43）、摄像头（44）和计算机（45）；从光源发射的光束，经半透半反镜反射，经冷却板投射到样品腔，经样品腔的下表面反射后，从半透半反镜透射，由接收屏接收，再利用摄像头将图像采集到计算机。

2.如权利要求1所述的测试仪，其特征在于，所述制冷系统包括：与样品腔的上表面紧密接触并具有进水孔和出水孔的冷却板（21）；冷水机（23）通过水管连接至冷却板（21）的进水孔；冷却板（21）通过与出水孔连接的水管连接至小型水泵（24）；小型水泵（24）放置在缓冲池（25）中；小型水泵（24）通过水管连接至冷水机（23）。

3.如权利要求2所述的测试仪，其特征在于，所述冷却板（21）进一步包括安装在其下表面的蓝宝石片（22）。

4.如权利要求2所述的测试仪，其特征在于，所述冷却板（21）采用透明的材料制成，内部中空并设置有进水孔和出水孔。

5.如权利要求2所述的测试仪，其特征在于，所述加热系统包括：与样品腔的下表面紧密接触的加热板；以及与加热板相连接的温控电路（33）。

6.如权利要求5所述的测试仪，其特征在于，所述加热板进一步包括与温控电路相连的加热片（31）以及放置在加热片上的紫铜片（32），在所述紫铜片（32）上镀金。

7.如权利要求5所述的测试仪，其特征在于，在所述冷却板和加热板之间，通过胶圈（11）密封，内部通有样品液体，形成样品腔（1）。

8.如权利要求7所述的测试仪，其特征在于，所述胶圈（11）采用耐热且导热率低的材料制成，所述胶圈的厚度在8mm以内，内径在8cm以内。

9.如权利要求6所述的测试仪，其特征在于，所述光学观测系统中，光源（41）采用激光器，从激光器发射的光束，经半透半反镜（42）反射，经冷却板投射到样品腔，经紫铜片（32）的镀金表面反射后，从半透半反镜（42）透射，由接收屏（43）接收，再利用摄像头（44）将图像采集到计算机（45）。

10.一种热对流斑图测试仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1）确认胶圈形成的样品腔密封；

2）开启冷水机及小型水泵，控制制冷温度；

3）开启温控电路，控制加热温度；

4）调整光路，使得接收屏上接收到图像；

5）摄像头采集由接收屏接收到的图像并传送至计算机，计算机分析图像，获得热对流的物理性质。