CN102636516B

CN102636516B - 一种多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统

Info

Publication number: CN102636516B
Application number: CN 201210123659
Authority: CN
Inventors: 彭天右; 张清刚
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: CN102636516A

Abstract

本发明公开了一种多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，该测试系统包括机械臂、测试单元、数据采集器、运动控制单元和计算机。本测试系统通过计算机对运动控制器发送指令，通过运动控制器控制机械臂上下运动和旋转运动，从而将样品容器在不同温度的热源恒温槽中快速切换，来实现待测样品熔化-凝固循环的自动化，数据采集器通过样品容器内置的温度传感器对待测样品内部温度进行实时采集、存储，并在计算机上实时显示温度－时间曲线。本发明主要用于固-液相变材料循环稳定性测试，采用本发明测试系统可以实现多通道、多种待测材料的同时测试，极大的提高了固-液相变材料循环稳定性的测试效率。

Description

一种多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统

技术领域

本发明涉及一种多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，属于节能环保材料测试设备领域。

背景技术

相变材料（PCM，Phase Change Material），在相变过程中在相变点附近很窄的温度范围内会吸收或释放大量的能量。目前研究较多的固-液相变材料，比显热储能材料的储能密度高很多，可以用于工业废热的回收、太阳热能利用、储冷空调系统、建筑控温保温等。

固-液相变材料的性能参数主要有相变点、相变潜热、循环稳定性等，其中循环稳定性测试耗时非常长。这些参数测试方法，目前一般采用由德国的RAL-Gutezeichen 于2009年公布的PCM、PCM-O（PCM器件）、PCM-S（PCM系统）性能评价及其测试方法的总体标准，标准代码为RAL-GZ-896。固-液相变材料的一次循环是指一个熔化-凝固或凝固-熔化过程，根据标准RAL-GZ-896，循环稳定性是通过相变材料循环若干次之后其相变点、相变焓等参数的变化来评判的。最高级A级的相变材料的循环稳定性测试需要10000次循环，每1000次循环就需要对相变点、相变焓等参数进行检测。通常一个循环需要的时间大于45min，1000次需要750个小时，全部测完需要7500个小时，耗时非常长，所以需要能够同时对多个样品自动进行循环操作的测试仪器，这样才能提高测试效率。目前，固-液相变材料的循环稳定性大多采用手工或半手工方式测试，效率极低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了能实现多通道、自动化的一种固-液相变材料的循环稳定性测试系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多通道固-液相变材料循环稳定性测试系统，包括：机械臂、测试单元、数据采集器、运动控制单元和计算机，其中：

机械臂包括电动推拉杆、电动旋转台、直线导轨、与数量为偶数的分臂，各分臂处于同一水平面且交于同一点，电动推拉杆顶端固定于各分臂交叉处，其底端固定于直线导轨底座上，直线导轨底座固定于电动旋转台的台面上，且直线导轨的直线光轴穿过任意两个相对的分臂；

测试单元包括与分臂数量相等的热源恒温槽、固定在各分臂下面的测试头和可固定在各测试头上的样品容器，测试头上设置有温度传感器，样品容器内置有温度传感器，所有的温度传感器均与数据采集器相连，数据采集器连接计算机；

运动控制单元包括运动控制器、驱动电动推拉杆的电机和驱动电动旋转台的电机，驱动电动推拉杆的电机和驱动电动旋转台的电机均与运动控制器相连，运动控制器与计算机相连。

上述机械臂的各分臂，所有相邻分臂的夹角相等。

上述样品容器为玻璃、石英、金属或陶瓷材质的试管。

上述测试头上设置有不少于1个的贯穿开孔，用来放置样品容器。

上述分臂、测试头、热源恒温槽的数量均为4。

本发明通过计算机对运动控制器发送指令，通过运动控制器控制机械臂上下运动和旋转运动，从而将样品容器在不同温度的热源恒温槽中快速切换，来实现待测样品熔化-凝固循环的自动化。测试头上设置的温度传感器用来测量待测样品外部的环境温度，样品容器内置的温度传感器用来测量待测样品内部的温度数据，数据采集器通过各温度传感器实时采集温度信息并存储，并在计算机上实时显示温度－时间曲线。本发明有多个测试头，各测试头又装载有多个样品容器，同一测试头上的多个样品容器可以实现同一样品的平行测试；不同的测试头上样品容器内可放置具有不同相变温度或不同测试条件的样品，通过机械臂控制样品容器在不同温度的热源恒温槽中切换，从而实现多种待测样品的熔化-凝固循环过程的自动化。

本发明主要用于固-液相变材料循环稳定性测试，采用本发明测试系统可以实现多通道、多种待测材料的同时测试，极大的提高了固-液相变材料循环稳定性的测试效率。

附图说明

图1为本发明具体实施的示意图；

图2为本发明机械臂、测试头及样品容器具体实施的示意图。

图中，1-热源恒温槽，2-测试头，3-样品容器，4-温度传感器，5-为数据采集器，6-电脑主机，7-显示器，8-分臂，9-电动推拉杆，10-直线导轨，11-电动旋转台，12-运动控制器。

具体实施方式

图1为本发明多通道固-液相变材料循环稳定性测试系统的一种具体实施，图2为机械臂的一种具体实施，下面将结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。

本具体实施包括机械臂、测试单元、数据采集器（5）、运动控制单元（12）和计算机，计算机由电脑主机（6）和显示器（7）组成。

机械臂包括电动推拉杆（9）、直线导轨（10）、电动旋转台（11）和4个分臂（8a、8b、8c、8d），各分臂处于同一水平面且交于同一点，且相邻分臂的夹角均为90度；电动旋转台（11）水平放置，直线导轨（10）的底座用螺丝固定在电动旋转台（11）的台面上，分臂（8b、8d）上开设有与直线导轨（10）的直线光轴横截面直径相当的圆孔，直线光轴正好可穿过分臂（8b、8d）上的圆孔，分臂（8b、8d）可沿直线光轴上下移动。电动推拉杆（9）的底端用螺丝固定在直线导轨（10）的底座上，其顶端采用螺丝固定在各分臂（8a、8b、8c、8d）的交叉处。

测试单元包括4个热源恒温槽（1a、1b、1c、1d）、固定在各分臂（8a、8b、8c、8d）下面的测试头（2a、2b、2c、2d）、和可固定在各测试头（2a、2b、2c、2d）上的样品容器（3），热源恒温槽（1a、1b、1c、1d）的工作温度可为-40～350^oC范围内的任意值，热源恒温槽所采用的恒温介质为水、硅油或高温硅油，测试头（2a、2b、2c、2d）一一对应位于热源恒温槽（1a、1b、1c、1d）上方，测试头（1a、1b、1c、1d）上设置有温度传感器，用来测试样品容器外部的环境温度，样品容器还内置有温度传感器，用来测试待测样品的温度变化。温度传感器的探测头置于样品容器中，所有温度传感器的引线均从直线导轨（10）顶部的引线孔集合后与数据采集器（5）相连，数据采集器连接计算机的电脑主机（6）。

运动控制单元包括运动控制器（12）、驱动电动推拉杆的电机和驱动电动旋转台的电机，驱动电动推拉杆的电机和驱动电动旋转台的电机均通过信号线与运动控制器（12）相连，运动控制器（12）连接计算机的电脑主机（6）。

本具体实施中，各测试头上均设2个上下贯穿的开孔用来放置样品容器，开孔的孔径、位置，可根据实际情况设计，样品容器可以为玻璃、石英、金属或陶瓷材质的试管，温度传感器为k型热电偶。

在使用本发明时，首先根据待测样品熔化和凝固时所需的环境温度，设置热源恒温槽的温度，待热源恒温槽内温度稳定后，在样品容器中填装待测样品，根据测试需要，通过计算机设置循环次数、熔化和凝固时间、机械臂运动的时间间隔、机械臂的运动步骤，启动运动控制器，运动控制器根据预设的指令，通过控制电机来驱动机械臂上下和旋转运动，将待测样品在不同温度的热源恒温槽来回切换，使待测样品循环的进行熔化、凝固过程。在待测样品的熔化和凝固过程中，数据采集器通过各温度传感器实时采集待测样品内部和环境温度并存储，同时将采集到的温度和时间传递给计算机，并在计算机的显示器上实时显示待测样品的温度与时间曲线。

以下将通过测试实施例进一步说明本发明的应用。

待测样品A，其相变温度为24～26^oC，测试温度范围为10～40^oC和-10～70^oC；待测样品B，其相变温度39～41^oC，测试温度范围为10～70^oC；待测样品C，其相变温度14～16^oC，测试温度范围是-10～40^oC。通过计算机设置熔化和凝固时间均为30分钟、循环次数1000。

如图1所示，将图1中的热源恒温槽1a、1b、1c、1d的温度分别设置为40^oC、10^oC、70^oC、-10^oC。如图2所示，在样品容器3a、3b、3e、3f中装待测样品A，样品容器3c、3d中装待测样品B，样品容器3g、3h装待测样品C。样品容器3a、3b位于热源恒温槽1a上方，样品容器3c、3d位于热源恒温槽1b上方，样品容器3e、3f位于热源恒温槽1c上方，样品容器3g、3h位于热源恒温槽1d上方。

启动运动控制器开始测试，具体过程如下：

1. 运动控制器控制电机驱动电动推拉杆下拉，测试头将样品容器放入各自相对应的热源恒温槽内，即：样品容器3a、3b放入热源恒温槽1a，样品容器3c、3d放入热源恒温槽1b，样品容器3e、3f放入热源恒温槽1c，样品容器3g、3h放入热源恒温槽1d，装有待测样品的各样品容器在热源恒温槽内恒温30分钟；

2. 运动控制器控制电机驱动电动推拉杆上推，样品容器随测试头离开热源恒温槽，运动控制器控制电机驱动电动旋转台顺时针旋转90^o，使测试头2a、2b、2c、2d分别处在热源恒温槽1b、1c、1d、1a上方；

3. 运动控制器控制电机驱动电动推拉杆下拉，样品容器3a、3b放入热源恒温槽1b，样品容器3c、3d放入热源恒温槽1c，样品容器3e、3f放入热源恒温槽1d，样品容器3g、3h放入热源恒温槽1a。此时，样品容器3a、3b、3e、3f中的待测样品A开始凝固，样品容器3c、3d中的待测样品B和样品容器3g、3h中的待测样品C开始熔化，数据采集器通过各温度传感器实时采集待测样品内部和环境温度并存储，同时将采集到的温度和时间传递给计算机，并在计算机的显示器上实时显示待测样品A、B、C的温度与时间曲线；各待测样品将在各热源恒温槽中熔化或凝固30分钟；

4.运动控制器控制电机驱动电动推拉杆上推，样品容器随测试头离开热源恒温槽，运动控制器控制电机驱动电动旋转台逆时针旋转90^oC，使测试头2a、2b、2c、2d又分别处在热源恒温槽1a、1b、1c、1d上方；

5. 运动控制器控制电机驱动电动推拉杆下拉，测试头将样品容器放入其下方的热源恒温槽，样品容器3a、3b、3e、3f中的待测样品A开始熔化，样品容器3c、3d中的待测样品B和样品容器3g、3h中的待测样品C开始凝固，数据采集器通过各温度传感器实时采集待测样品内部和环境温度并存储，同时将采集到的温度和时间传递给计算机，并在计算机的显示器上实时显示待测样品A、B、C的温度与时间曲线；各待测样品将在各热源恒温槽中熔化或凝固30分钟；

6. 将步骤2～5重复1000次，即完成了待测样品A、B、C的1000次循环稳定性测试，所测得曲线可由计算机显示器获取。

在本测试实施例中，本发明预先设置运动控制器的参数，控制机械臂的上下运动和旋转运动，从而将样品容器在不同温度的热源恒温槽间切换，实现熔化和凝固的循环，整个熔化-凝固过程自动化进行。对本具体实施中，各测试头均装载了2个样品容器，可以实现同一待测样品的平行测试；测试头2a、2c均装载有相变温度为24～26^oC的待测样品A，实现了同一样品在两个不同的温度范围内同时测试；测试头2b、2d分别装载有相变温度39～41^oC的待测样品B和相变温度14～16^oC的待测样品C，实现了具有不同相变温度的相变材料的同时测试。运动控制器通过预先设置的运动程序，控制运动部分的运动过程，实现了整个循环测试过程自动进行，无须人工操作。

Claims

1.一种多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，包括测试单元、数据采集器和计算机，所述的测试单元包括与分臂数量相等的热源恒温槽、固定在各分臂下面的测试头和可固定在各测试头上的样品容器，测试头上设置有温度传感器，样品容器内置有温度传感器，所有的温度传感器均与数据采集器相连，数据采集器连接计算机；其特征在于：

还包括机械臂和运动控制单元，其中：

2.根据权利要求1所述的多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，其特征在于：

所述的机械臂的各分臂，所有相邻分臂的夹角相等。

3.根据权利要求1所述的多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，其特征在于：

所述的样品容器为玻璃、石英、金属或陶瓷材质的试管。

4.根据权利要求1所述的多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，其特征在于：

所述的测试头上设置有不少于1个的贯穿开孔，用来放置样品容器。

5.根据权利要求1所述的多通道固-液相变材料的循环稳定性测试系统，其特征在于：

所述的分臂、测试头、热源恒温槽的数量均为4。