CN104596888A - 温控式液体密度测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温控式液体密度测试装置，包括“U”形透明管、温控包覆层、温度传感器和电源控制器，“U”形透明管用于盛装待测液态工质且其第一端低于第二端，“U”形透明管的第一端端口封闭且设有用于监测第一端内部液压的压力表和用于向第一端内充入气体的气源，温控包覆层包覆于“U”形透明管外，温度传感器的感应端置于“U”形透明管内，温度传感器的信号输出端与电源控制器的信号输入端连接，电源控制器的控制电源输出端与温控包覆层的电源输入端连接。本发明所述测试装置基于液压原理设计，将“U”形透明管、电源控制器、热电制冷片、压力表和气源集成于一体，具有环境适应能力强、测试精度高、可靠性强、体积较小的优点。

Description

温控式液体密度测试装置

技术领域

本发明涉及一种液体密度测试装置，尤其涉及一种温度可变的温控式液体密度测试装置。

背景技术

液态作为物质存在的一种基本形态，与固态、气态相比，液态具有特殊的结构、性质和变化规律。因此对液体的结构及物理性质的研究显得十分重要。密度是流体性质的最基本参数，反映了物质致密的程度，是结构变化敏感物理性质之一，从微观上看，密度反映了平均每个原子所占有的空间体积，研究表明，液体的密度变化直接影响液体的对流强度和成分均匀化程度，是反映液态性质和行为的最基本的独立变量，是描述热力学函数不可或缺的参数。另外，在国家节能减排的背景下，许多新型工质应运而生，例如替代传统的氟氯烃类及氟氯氢烃类的新型制冷工质R134a、R600a、R152a等，强化传热的新型传热工质纳米流体等，这些新型材料工作温度范围较大，甚至可以在0℃以下工作。在对这些新型工质进行研究的过程中，其热物性是研究其它性质以及设计相关换热装置系统必不可少的参数，在热物性研究中，密度对计算传热量以及分析制冷或换热系统循环性能起着重要作用。因而，获得新型材料密度是一个非常重要的课题。

现阶段密度测试装置主要用于常温液体密度的测量。以最为常见的浮子式液体密度测试装置为例，其以浮力原理进行密度测量，主要由浮子、测力传感器、液池等构成，液池大小和传感器的性能直接关系到测试结果的精度，因而装置体积较大，不便携带。并且，在使用一段时间后，由于操作环境恶化的缘故，传感器的疲劳变化，传感器的特性曲线质量降低，导致精度降低，误差增大。此外，最近开发的基于超声光栅衍射原理的液体密度测试装置，其通过超声波在盛有液体的玻璃槽中传播时液体折射率的周期变化测得衍射条纹进而推算出密度，主要由氦－氖激光器、超声光栅部分及CCD采集三大部分组成，由于该装置对测试环境条件要求较高，且氦－氖激光器等部件造价高昂，系统体积较大，因而推广上受到了较大的限制。

上述密度测试装置除了受到测试精度、使用条件和造价成本上的限制外，由于没有主动控温装置，其测试温度无法控制，所测工质密度对应的参考温度往往不准确。然而，新型材料的密度测量往往需要关注密度随温度的变化关系，温度范围跨度较大，此时上述密度测试装置不再适用。

综上，传统的浮子式液体密度测试装置、超声光栅衍射密度测试装置等密度测试装置受到成本、体积、重量、工作场合、精确度等限制，使用局限性较大，并且由于这些装置没有控温装置，仅仅能够测量常温情况下的液体密度。因而，不便于获取新型传热材料不同温度下的密度获取。具体原因如下：

1、浮子式液体密度测试装置质量、体积较大，在使用一段时间后，由于操作环境恶化的缘故，传感器的疲劳变化，传感器的特性曲线质量降低，导致精度降低，误差增大，需要设计一套可靠性较高、精度好的密度测试装置。

2、超声光栅衍射密度测试装置适用环境条件要求苛刻，且装置相关部件造价高昂，需要设计一套环境适应能力强、成本经济的密度测试装置。

3、常用密度测试装置因不带有控温装置，特别是0℃以下的低温区域无法进行主动调控，因而不具主动调节温度功能，进而不能对不同温度下的密度进行测量。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种温度可调、适应范围广的温控式液体密度测试装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种温控式液体密度测试装置，包括“U”形透明管、温控包覆层、温度传感器和电源控制器，所述“U”形透明管用于盛装待测液态工质且其第一端低于第二端，所述“U”形透明管的第一端端口封闭且设有用于监测所述第一端内部液压的压力表和用于向所述第一端内充入气体的气源，所述温控包覆层包覆于所述“U”形透明管外，所述温度传感器的感应端置于所述“U”形透明管内，所述温度传感器的信号输出端与所述电源控制器的信号输入端连接，所述电源控制器的控制电源输出端与所述温控包覆层的电源输入端连接。

上述结构中，两端高度不同的“U”形透明管用于盛装待测液态工质，由于第一端即高度低的一端端口封闭且有气源供气，所以待测液态工质在“U”形透明管的第二端即高度高的一端的液面能够高于第一端的液面，这样就会形成高度差，在第二端开口的情况下，其液面的压力为一个大气压，在第一端封闭的情况下，实际压力以压力表的测量数据为准，在获得上述已知数据的前提下，即可根据下述公式计算得到待测液态工质的密度：

P₀＝P₁+ρgh

式中，P₀为“U”形透明管第一端的压强，P₁为“U”形透明管第二端的压强，ρ为待测液态工质的密度，g为当地重力加速度，h为“U”形透明管第一端和第二端的液面高度差。

温控包覆层、温度传感器和电源控制器共同用于控制“U”形透明管的温度变化，其目的是使“U”形透明管内的待测液态工质的温度按照需要变化，实现对不同温度下的待测液态工质的密度测试；其中，温控包覆层为受控终端，在输入不同电源时，其温度不同，温度传感器将温控包覆层的温度实时检测后传送给电源控制器，电源控制器采用常规电源控制器即可实现，其根据温度传感器发送来的温度信息调节输出电源参数并输出相应电源给温控包覆层，实现控制温控包覆层的温度根据需要实时变化的目的，从而控制“U”形透明管内的待测液态工质的温度按照需要变化。

作为优选，所述“U”形透明管的第一端设有上大下小且上端密封的漏斗形缓冲器，所述压力表和所述气源均安装于所述漏斗形缓冲器的顶部且与所述漏斗形缓冲器的内部相通，所述气源与所述漏斗形缓冲器之间的气管上安装有控制阀。漏斗形缓冲器有便于安装压力表和气源的作用，同时便于通过改变压力达到精确控制“U”形透明管的第一端内的待测液态工质高度的目的。漏斗形缓冲器与“U”形透明管的第一端可以为一体化结构，也可以为组装式结构。

所述漏斗形缓冲器的下段外壁上设有刻度线。该刻度线有利于实现对“U”形透明管的第一端内的待测液态工质高度的精确控制与测量。进一步优选为，所述刻度线的量程为80mm，精度为1mm。

具体地，所述“U”形透明管为有机玻璃管。所述气源为惰性气体气源。

为了确定“U”形透明管的第二端内的液面高度，所述“U”形透明管的第二端靠近端口的位置相通连接有横向的旁通管。这样，每次测试时使待测液态工质在“U”形透明管的第二端溢出旁通管为止，旁通管所在高度即为待测液态工质在“U”形透明管的第二端的高度，操作非常方便。

优选地，所述温度传感器为T型热电偶。其测量范围宜选-200℃～200℃。

作为优选，所述温控包覆层为热电制冷片。热电制冷片是一种可制冷、可制热的温度控制终端，制冷或制热是根据电压输入决定的，当输入正向电压时，与“U”形透明管贴合部分制热，起到加热作用；当输入负向电压时，与“U”形透明管贴合部分制冷，起到降温目的。电压的正向、反向由直流电源正负极连接方式决定。温度控制范围在-10～+50℃。

具体地，所述电源控制器包括处理器和调压器，所述温度传感器的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的控制输出端与所述调压器的控制输入端连接，所述调压器的控制电源输出端与所述温控包覆层的电源输入端连接。这种结构为电源控制器的常规结构，在这里具体说明只是为了使其结构更加清楚。

本发明的有益效果在于：

本发明所述温控式液体密度测试装置基于压力原理设计，具有环境适应能力强、测试精度高、可靠性强、体积较小的优点，具体表现为：

1、采用的有机玻璃制作的“U”形透明管、电源控制器、热电制冷片、气源等部件，结构简单、成本低廉、可替代性强，例如气源可采用人工呼气方式，电源控制器可利用5号或者7号电池供电等，便于实现及成本控制。

2、通过气源和漏斗形缓冲器能够实现对待测液态工质的液面高度的主动且精确的调节，从而提高了测量精度，并有利于液面的控制，防止试验工质与压力表接触。

3、通过对“U”形透明管两端的刻度和旁通管设计，可以精确计算出待测液态工质在“U”形透明管两端的高度差、压力差，为待测液态工质的密度测试提供精确数据。

4、采用热电制冷片包覆“U”形透明管的制冷加热方式，使本温控式液体密度测试装置具有更宽的温度测试范围，特别是0℃以下的温区测量，可以实现-10～+50℃范围的测试，从而可以提高本装置的应用范围。

附图说明

图1是本发明所述温控式液体密度测试装置的整体结构示意图；

图2是本发明所述温控式液体密度测试装置的温控结构示意图；

图3是本发明所述温控式液体密度测试装置应用时的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明所述温控式液体密度测试装置包括“U”形有机玻璃透明管3、热电制冷片12、T型热电偶4和电源控制器5，“U”形有机玻璃透明管3用于盛装待测液态工质且其第一端(图1中的左端)低于第二端(图1中的右端)，“U”形有机玻璃透明管3的第一端设有上大下小且上端密封的漏斗形缓冲器10，漏斗形缓冲器10的下段外壁上设有量程为80mm、精度为1mm的刻度线11，漏斗形缓冲器10的顶部安装有用于监测第一端内部液压的压力表7和用于向第一端内充入惰性气体的气源8，压力表7和气源8均与漏斗形缓冲器10的内部相通，气源8与漏斗形缓冲器10之间的气管上安装有控制阀9，热电制冷片12包覆于“U”形有机玻璃透明管3外，T型热电偶4的感应端置于“U”形有机玻璃透明管3内，T型热电偶4的信号输出端与电源控制器5的信号输入端连接，电源控制器5的控制电源输出端通过电源线6与热电制冷片12的电源输入端连接，“U”形有机玻璃透明管3的第二端靠近端口的位置相通连接有横向的旁通管1，旁通管1的出口下方放置有储液器2。如图2所示，电源控制器5包括处理器51和调压器52，T型热电偶4的信号输出端与处理器51的信号输入端连接，处理器51的控制输出端与调压器52的控制输入端连接，调压器52的控制电源输出端通过电源线6与热电制冷片12的电源输入端连接，处理器51由交流电源AC供电，调压器52由直流电源DC供电。本例中，“U”形有机玻璃透明管3的直径选择40mm，第一端高度150mm，第二端高度300mm。

上述结构中，T型热电偶4的感应端可以穿过热电制冷片12和“U”形有机玻璃透明管3的一层管壁后置于“U”形有机玻璃透明管3内，也可以从“U”形有机玻璃透明管3的管口伸入，本例中采用了前者结构。

如图3所示，应用时，将待测液态工质13从“U”形有机玻璃透明管3的第二端注入，直至待测液态工质13进入“U”形有机玻璃透明管3第一端的漏斗形缓冲器10内，这时，根据所需温度调节电源控制器5，对热电制冷片12进行供电，根据需求选择制冷或者加热，并由T型热电偶4将温度实时反馈给电源控制器5，电源控制器5以此进行电压调节，进而调节温度到合适。然后，打开控制阀9，利用气源8向漏斗形缓冲器10内充入惰性气体如氮气，缓慢将待测液态工质13的液面降低至刻度线11所在区域，同时，高出旁通管1的液体通过旁通管1引流到储液器2内，待其不再泄流后，读取刻度线11的刻度数据及压力表7的数据并记录。其中，压力表7显示的压强P即为待测液态工质13位于“U”形有机玻璃透明管3两端之间的液面压差，“U”形有机玻璃透明管3两端液面的高度差可由刻度读数推算出，即：h＝300mm-150mm-刻度读数，进而根据公式P₀＝P₁+ρgh即可求出待测液态工质13在不同温度下的密度。

结合图2，电源控制器5的温控过程如下：T型热电偶4将采集到的温度数据实时传递给处理器51，处理器51根据采集到的温度数据进行判断，若未达到规定温度，则发出控制信号，控制调压器52加大功率制冷(制热)功率输出。调压器52由直流电源DC供电，直流电源DC的电源电压经过调压器52输出至热电制冷片12，控制加热或制冷工作。由于热电制冷片12的制冷或制热是根据其输入电源的极性决定的，因此，调节直流电源DC的输出极性就可以改变制冷或者制热功能。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种温控式液体密度测试装置，其特征在于：包括“U”形透明管、温控包覆层、温度传感器和电源控制器，所述“U”形透明管用于盛装待测液态工质且其第一端低于第二端，所述“U”形透明管的第一端端口封闭且设有用于监测所述第一端内部液压的压力表和用于向所述第一端内充入气体的气源，所述温控包覆层包覆于所述“U”形透明管外，所述温度传感器的感应端置于所述“U”形透明管内，所述温度传感器的信号输出端与所述电源控制器的信号输入端连接，所述电源控制器的控制电源输出端与所述温控包覆层的电源输入端连接。

2.根据权利要求1所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述“U”形透明管的第一端设有上大下小且上端密封的漏斗形缓冲器，所述压力表和所述气源均安装于所述漏斗形缓冲器的顶部且与所述漏斗形缓冲器的内部相通，所述气源与所述漏斗形缓冲器之间的气管上安装有控制阀。

3.根据权利要求2所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述漏斗形缓冲器的下段外壁上设有刻度线。

4.根据权利要求3所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述刻度线的量程为80mm，精度为1mm。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述“U”形透明管为有机玻璃管。

6.根据权利要求1-4中任何一项所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述气源为惰性气体气源。

7.根据权利要求1所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述“U”形透明管的第二端靠近端口的位置相通连接有横向的旁通管。

8.根据权利要求1所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述温度传感器为T型热电偶。

9.根据权利要求1所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述温控包覆层为热电制冷片。

10.根据权利要求1所述的温控式液体密度测试装置，其特征在于：所述电源控制器包括处理器和调压器，所述温度传感器的信号输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的控制输出端与所述调压器的控制输入端连接，所述调压器的控制电源输出端与所述温控包覆层的电源输入端连接。