CN105571747A - 一种热流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热流检测装置，包括热流检测单元、数据采集电路、计算机和精密电源；热流检测单元包括壳体,设在壳体内的套管、热流传感器、热沉和电能标定电阻；热流传感器的输出端与数据采集电路的输入端连接，数据采集电路的输出端与计算机连接，电能标定电阻的输出端与精密电源连接，精密电源连接与计算机连接。该装置结构简单，检测精度高，成本低。

Description

一种热流检测装置

技术领域

本发明涉及适用于化学、物理、生物、能源、材料等领域的一种实验装置，具体为一种测量微弱而缓慢的热流（热功率）的检测装置。

背景技术

热量计，是一种用于测量进行热量测定的实验设备，可以用于测量化学反应、物理变化过程的热量变化，或测定材料的热容，可以得到热量大小、变化速率等热力学和动力学信息。目前，常用的是热导式热量计，其核心部分就是热流检测器，但现有热导式热量计的制造商较少，其仪器价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是针对现有热导式热量计价格昂贵，性价比偏低的不足，而提供一种结构简单、使用方便、高精度、低成本的热流检测装置。

本发明的目的是采用如下技术方案来实现的：

一种热流检测装置，包括热流检测单元、数据采集电路、计算机和精密电源；热流检测单元包括壳体,设在壳体内的套管、热流传感器、热沉和电能标定电阻；热流传感器的输出端与数据采集电路的输入端连接，数据采集电路的输出端与计算机连接，电能标定电阻的输出端与精密电源连接，精密电源连接与计算机连接。

所述套管为管状结构，其形状和大小与被检测对象的尺寸相适配；被测对象置于套管内，并与套管相接触，套管设置有固定电能标定电阻的孔或槽。

所述的热沉采用热容较大的金属块制作，设置在套管和壳体之间，套在套管外，热沉的周围与壳体有间隙。

所述壳体的开口设有导管，其形状和大小与套管相匹配，供被测对象进出套管。

所述的热流传感器置于套管和热沉之间，并与二者紧密贴合，热流传感器为热电堆器件。

所述的电能标定电阻为具有一定阻值的电阻，其缠绕在套管外壁的槽内，或埋设在套管周围的孔中，电能标定电阻与套管紧密接触。

所述的热流检测单元包含完全相同的两个套管，每个套管和两个热流传感器接触，热流传感器分别和共同的热沉的内壁接触；两组热流传感器采用差分方式连接，构成差示测量模式，两个套管分别为样品套管和参比套管。

所述的精密电源为精密稳压或稳流电源。

样品在发生物理或化学变化时会伴随吸热或放热，这将造成样品的温度下降或升高，

本发明热流检测装置的工作原理：在温度稳定的环境中，当检测装置与环境达到热平衡时，将装有样品的容器放入套管内，样品在发生物理或化学变化时会伴随吸热或放热，与热沉间会产生温差，套管与热沉之间除了热流传感器均为空气，具有隔热作用，所以热量只能经过热流传感器流向或者流出热沉。热流传感器将两者的温差信号转变成电信号，热流传感器连接到数据采集电路，该电路与计算机连接，并由计算机专用程序自动采集并记录反应体系的热流变化，并实时绘制热功率－时间曲线图，根据记录的热功率对时间积分即可直接得到样品的放热量大小。

本发明的优点是：结构简单、使用方便、精度高、成本低。

附图说明

图1为本实施例热流检测装置的电气连接示意图；

图2为实施例热流检测单元的左视图；

图3为实施例热流检测单元的主视剖视图；

图4为实施例热流检测单元的组装示意图；

图中，1.热流检测单元2.热流传感器3.数据采集电路4.电能标定电阻4-1安装电能标定电阻的孔4-2安装电能标定电阻的槽5.精密电源6.计算机7.热沉8.套管8-1样品套管8-2参比套管9.样品容器10.塞子11.壳体12.导管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例

参照图1-4，一种热流检测装置，包括热流检测单元1、数据采集电路3、精密电源5、计算机6；热流检测单元1包括壳体11,设在壳体11内的套管8、热流传感器2、热沉7和电能标定电阻4。

参照图1，热流传感器2的输出端与数据采集电路3的输入端连接，数据采集电路3的输出端与计算机6连接，电能标定电阻4的输出端与精密电源5连接，精密电源5连接与计算机6连接。

数据采集电路3是能分辩10^-9伏数量级的模拟－数字转换电路系统。

计算机6内设计与数据采集电路3配合的计算机程序，能实现自动读取数据采集电路3的输出数据。

参照图2-4，套管8由导热系数大的金属制成，为管状结构，其形状和大小与被检测对象的尺寸相适配；被测对象置于套管8内，并与套管8相接触，套管8设置有固定电能标定电阻的孔4-1或槽4-2。

热沉7采用热容较大的金属块制作，设置在套管8和壳体11之间，套管8置于热沉7中，热沉7的周围与壳体11有一定间隙。

壳体11的开口设有导管12，其形状和大小与套管8相匹配，供样品或者样品容器9进出套管8；样品或者样品容器9放入套管8后，用塞子10密封热沉7和导管12的开口。

热流传感器2置于套管8和热沉7之间，并与二者紧密贴合，热流传感器2是热电堆器件，能将温差转变为电压信号，本例为一种半导体制冷片。

精密电源5是电压或电流稳定度为1ppm的精密恒流源或稳压源，其开关可由计算机6控制。

电能标定电阻4为具有一定阻值的电阻，其缠绕在套管8外壁的槽4-2内，或埋设在套管周围的孔4-1中，电能标定电阻4与套管8紧密接触，本例中电能标定电阻4是稳定度为10ppm/℃的电阻器件。

一个热流检测单元1内对称设置了样品套管8-1和参比套管8-2两个套管，其外壁分别和两个热流传感器2接触，热流传感器2又分别和共同的热沉7的内壁接触；热流传感器2采用差分方式连接，构成差示测量模式。

具体测试过程如下：

将热流检测单元1置于温度波动小于0.01℃的恒温环境中，经过足够长的时间，达到热平衡。将样品制作成与套管8相匹配的尺寸，或者直接装入样品容器9中。将样品或样品容器9通过导管12，装入套管8中，塞好塞子10。样品在发生物理或化学变化时会伴随吸热或放热，这将造成样品的温度下降或升高，进一步使套管8的温度降低或升高，而热沉7的温度是相对稳定的。这样热流传感器2两边出现温度差，这个温度差被热流传感器2转换成电压信号，该电压信号被数据采集电路3转换成数字信号，送给计算机6记录和存储，该过程可以连续自动完成。

在导热系数一定时，温差与导热速率成正比例关系。所以记录的电压信号可以校正成热流值。这一过程通过电能标定电阻4来完成。给电能标定电阻4输入一定功率的电能，将使热流传感器2输出一个对应的电压信号，电功率与电压值的比值就是校正系数。将该系数输入到计算机6中，校正过程由程序自动完成。

本例以电压分辨率为1nV的数据采集电路3进行测试。将热流检测单元1置于温度波动为0.01°C的恒温环境中，两个套管8中都是空的状态下，测得基线波动为±1μW；将热流检测单元1置于温度波动为0.0001°C的恒温环境中，测得基线波动为±0.02μW。

Claims (7)

1.一种热流检测装置，其特征在于：包括热流检测单元、数据采集电路、计算机和精密电源；热流检测单元包括壳体,设在壳体内的套管、热流传感器、热沉和电能标定电阻；热流传感器的输出端与数据采集电路的输入端连接，数据采集电路的输出端与计算机连接，电能标定电阻的输出端与精密电源连接，精密电源连接与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述套管为管状结构，其形状和大小与被检测对象的尺寸相适配；被测对象置于套管内，并与套管相接触，套管设置有固定电能标定电阻的孔或槽。

3.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述的热沉设置在壳体和套管之间，热沉的周围与壳体有间隙。

4.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述壳体的开口设有导管，其形状和大小与套管相匹配，供被测对象进出套管。

5.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述的热流传感器置于套管和热沉之间，并与二者紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述的电能标定电阻为具有一定阻值的电阻，其缠绕在套管外壁的槽内，或埋设在套管周围的孔中，电能标定电阻与套管紧密接触。

7.根据权利要求1所述的热流检测装置，其特征在于：所述的热流检测单元包含完全相同的两个套管，每个套管和两个热流传感器接触，热流传感器分别和共同的热沉的内壁接触；两组热流传感器采用差分方式连接，构成差示测量模式。