CN105716997A - 一种高温熔体物性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温熔体物性测量装置，它包括物性测量系统、加热炉、升降系统、真空及气氛控制系统置、温度控制系统和控制显示系统。物性测量系统用于获取测量数据，加热炉用于提供数据提取环境，升降系统用于控制物性测量系统和加热炉的相对位置，真空及气氛控制系统用于保证物性测量系统、加热炉的反应气氛和压力一致，温度控制系统用于保证加热炉中的反应温度，控制显示系统用于对测量数据进行处理计算高温熔体物性并进行显示。该装置可以保证在良好的升温速率和精确的温度控制下快速精确的测量出高温熔体的粘度、密度、表面张力和电导率。

Description

一种高温熔体物性测量装置

技术领域

本发明属于一种测量装置，具体涉及一种高温熔体物性测量装置。

背景技术

高温熔体的粘度、密度以及表面张力是高温熔体的三种非常重要的参数。而电导率是电炉冶炼的重要参数。目前国内外采用旋转法测量粘度测试仪，该测试仪发热体采用硅钼材质的加热电炉，最高工作温度1450℃和1600℃，PID计算机程序控制温控。测量高温熔体的的粘度(旋转柱提法)、表面张力(拉筒法)和密度(阿基米德法)。该设备基本满足高温熔体物性综合测试，粘度测量范围：0.01～30Pa.s(0.1～300泊)。但是这种测量方法的粘度测量装置与密度、表面张力测量以及电导率测量装置在多个平台上，测头与表面张力的测头也是分开的，需要采用两根测杆和测头，测量时更换十分麻烦，部分熔体的熔点很高，硅钼加热体不能满足要求。

发明内容

针对现存的上述问题，本发明的目的是为解决上述问题而提供了一种高温熔体物性测量装置，此处的高温熔体物性指粘度、密度、表面张力和电导率。该装置可以保证在高温下使用一根连杆和一个测头准确的测量出高温熔体的粘度、密度以及表面张力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高温熔体物性测量装置，包括物性测量系统、加热炉、升降系统、真空及气氛控制系统、温度控制系统和控制显示系统；

物性测量系统：包括第一测量结构，该第一测量结构包括第一真空腔体、电机、扭矩传感器、质量传感器、第一弹簧管、连杆和测头；

所述第一真空腔体的底部与第一弹簧管的顶端密封连通，连杆由位于第一真空腔体内的上半部和设置在第一弹簧管内的下半部组成，电机、扭矩传感器和质量传感器设置在第一真空腔体内，电机的输出轴与连杆的顶端固定连接带动连杆转动，扭矩传感器用于测量连杆的扭矩，质量传感器用于测量连杆的质量；测头可拆卸地连接在连杆的底端；

加热炉：包括加热炉体、连接管、保温罩、加热体和实验用坩埚；

所述加热炉体包括开口向上的U形的炉壁和炉盖，炉盖设置在炉壁的上方，且与炉壁的开口密封连接形成反应腔；所述炉壁上具有热电偶安装孔、加热体导线入口和气体进口，炉壁上还设有加热炉抽气阀；

所述保温罩为开口向下的U形结构，其设置在反应腔内，加热体设置在保温罩内，实验用坩埚位于加热体和保温罩形成的空间内；

所述连接管的顶端与第一弹簧管的底端可拆卸密封连接，连接管的底端依次穿过炉盖和保温罩的上部；连接管位于炉盖上方的部分从上而下依次设有测量系统抽气阀和加热炉密封阀；

升降系统：包括安装台、第一升降杆、第二升降杆、位移传感器、加热炉安装架和升降杆驱动件；

所述升降杆驱动件驱动第一升降杆和第二升降杆的顶端产生上下位移，第二升降杆的顶端与安装台可转动连接，加热炉安装架固定在升降杆驱动件的外壳上；位移传感器用于检测第二升降杆上下移动的位移；

所述加热炉安装在加热炉安装架上，第一升降杆的顶端与炉盖固定连接，物性测量系统设置在安装台上；

真空及气氛控制系统：包括气瓶、真空泵和真空控制柜；

所述气瓶通过气管与气体进口连通，真空泵通过管道及测量系统抽气阀与连接管连通，实现对物性测量系统抽真空，真空泵还通过管道及加热炉抽气阀与反应腔连通，实现对反应腔抽真空，真空控制柜的信号输出端与真空泵连接，实现对抽真空过程的控制；

温度控制系统：包括热电偶和温控柜，所述热电偶通过热电偶安装孔安装在炉壁上，热电偶的数据输出端与温控柜连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体的加热温度；

控制显示系统：包括控制器和显示设备；

所述位移传感器的信号输出端与控制器的位移信号输入端连接，控制器的位移控制信号输出端与升降杆驱动件连接，控制升降杆驱动件工作；

所述扭矩传感器和质量传感器的信号输出端分别与控制器的信号输入端连接；控制器根据接收的扭矩信号和质量信号计算实验用坩埚内待测熔体的物性，待测熔体的物性包括待测熔体的粘度、密度和表面张力；

待测熔体的粘度η_待测：

控制器根据公式(1c)和(1d)计算测熔体的粘度η_待测；

η_待测＝K·M′(1c)；

其中，R实验用坩埚的内径、r测头的外径，h为侧头浸入标准熔体的深度，M′为侧头浸入待测熔体内搅动时扭矩传感器的读数，M为侧头浸入标准熔体内搅动时扭矩传感器的读数，η_已知为标准熔体的粘度；

待测熔体的密度：

控制器根据公式(2c)计算测熔体的ρ_待测；

其中，m₀为测头悬空时质量传感器的读数，m₁为侧头浸入标准熔体中质量传感器的读数，m₂为侧头浸入待测熔体中质量传感器的读数，ρ_已知为标准熔体的密度；

待测熔体表面张力：

控制器根据公式(3b)和(3c)计算测熔体的σ_待测；

σ_待测＝k·(m₄-m₀)·g(3b)；

其中，k为测量常数，m₄为侧头从待测熔体中拉脱时质量传感器的读数，m₃为侧头从标准熔体中拉脱时质量传感器的读数，m₀为测头悬空时质量传感器的读数，g为重力加速度，σ_已知为标准熔体的密度；

所述标准熔体是指熔体的粘度、密度和表面张力已知的熔体；

所述控制器的物性信号输出端与显示器设备的信号输入端连接，显示设备将控制器计算的待测熔体的物性进行显示。

作为优化，所述物性测量系统还包括第二测量结构，该第二测量结构包括第二真空腔体、第二弹簧管和四根耐高温探针；

所述第二真空腔体内具有导线固定架，第二真空腔体的底部与第二弹簧管的顶端密封连通，第二弹簧管的底端与连接管的顶端可拆卸密封连接；

所述四根耐高温探针均包括位于第二真空腔体内的上半部和设置在第二弹簧管的下半部，四根耐高温探针的上半部通过导线固定架固定在第二真空腔体内，四根耐高温探针的顶端通过导线接入四桥电路，所述四桥电路的输出端与控制器连接，四根耐高温探针的底端齐平；

控制器根据公式(4d)和(4e)计算待测熔体的导电率κ_待测；

其中，Q为测量常数，κ_已知为标准熔体的电导率，Rf为四桥电路中的参比电阻，E_s为四根耐高温探针浸入标准熔体时参比电阻的分压，E_x四根耐高温探针浸入标准熔体时标准熔体的分压，E_s′为四根耐高温探针浸入待测熔体时参比电阻的分压，E_x′四根耐高温探针浸入待测熔体时待测熔体的分压。

作为优化，所述测头为柱体结构，其由实心的上半部和空心的下半部组成，并且下半部具有多个径向的通气孔，所述通气孔与下半部的空心部分连通。

作为优化，所述炉盖和炉壁均为空心结构，并且炉盖和炉壁的空心部分连通，炉盖上设有与其空心部分连通的进水口和出水口。

作为优化，所述加热炉还包括保护用石墨坩埚，所述保护用石墨坩埚设置在实验用坩埚和加热体之间。

作为优化，所述保温罩和保护用石墨坩埚上分别具有用于固定热电偶的通孔，且该通孔与所述热电偶安装孔同轴。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本装置性能优秀，其技术参数可以达到：最高工作温度1800℃；长时间工作温度：1750℃；连续测试试样温度范围1750～1000℃；2h内炉温达到1700℃；控温精度：士1℃；粘度测试范围：0～12Pa.S；位置控制精度：小于士0.01mm。

2、采用一根连杆和一个测头，免去了测量不同物性需要更换不同测头的麻烦，可以快速的得到粘度密度和表面张力的数据，降低由更换带来的实验误差和实验的成本。

3、这种检测高温熔体物性的方法具备操作简单、数据可靠、实时监测等优点，可以较为广泛的用于高温熔体物性的测量和研究。

附图说明

图1为本发明高温熔体物性测量装置的结构示意图。

图2为物性测量系统的结构示意图。

图3为加热炉的结构示意图。

图4为升降系统的结构示意图。

图5为四探针法测量电导率的原理图。

图1～4中的附图标记：物性测量系统1、加热炉2、升降系统3、真空及气氛控制系统4、温度控制系统5、控制器；

腔体1-1、电机1-2、扭矩传感器1-3、质量传感器1-4、第一弹簧管1-5、连杆1-6、测头1-7、通气孔1-8、导线固定架1-10、耐高温探针1-11；第二真空腔体1-1’、第二弹簧管1-5’；

测量系统抽气阀2-1、加热炉密封阀2-2、进水口2-3、热电偶安装孔2-4、加热炉抽气阀2-5、加热体导线入口2-6、保温罩2-7、加热体2-8、保护用石墨坩埚2-9、实验用坩埚2-10、待测熔体2-11、气体进口2-12、连接管2-13、炉盖2-14、炉壁2-15；

安装台3-1、第一升降杆3-2、第二升降杆3-3、加热炉安装架3-4、升降杆驱动件3-5。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种高温熔体物性测量装置，包括物性测量系统1、加热炉2、升降系统3、真空及气氛控制系统4、温度控制系统5和控制显示系统6。

物性测量系统1：包括第一测量结构，该第一测量结构包括第一真空腔体1-1、电机1-2、扭矩传感器1-3、质量传感器1-4、第一弹簧管1-5、连杆1-6和测头1-7。

所述第一真空腔体1-1的底部与第一弹簧管1-5的顶端密封连通，连杆1-6由位于第一真空腔体1-1内的上半部和设置在第一弹簧管1-5内的下半部组成，电机1-2、扭矩传感器1-3和质量传感器1-4设置在第一真空腔体1-1内，电机1-2的输出轴与连杆1-6的顶端固定连接带动连杆1-6转动，扭矩传感器1-3用于测量连杆1-6的扭矩，质量传感器1-4用于测量连杆1-6的质量；测头1-7可拆卸地连接在连杆1-6的底端，方便更换其他测头。

所述连杆1-6和测头1-7由所测熔体的基本性质决定制成。具体实施时，对于氧化物熔体如高炉渣、电炉渣，其成分不会与金属钼发生反应且熔点高，故金属钼能满足测量要求。

所述测头1-7为柱体结构，其由实心的上半部和空心的下半部组成，并且下半部具有多个径向的通气孔1-8，所述通气孔1-8与下半部的空心部分连通。该测头为本发明的一个发明点，利用柱体外表面的旋转实现粘度的测量，利用测头的已知密度和体积质量实现溶体密度的测量，利用柱体下方的空心实现表面张力的测量。

加热炉2：包括加热炉体、连接管2-13、保温罩2-7、加热体2-8和实验用坩埚2-10。

所述加热炉体包括开口向上的U形的炉壁2-15和炉盖2-14，炉盖2-14设置在炉壁2-15的上方，且与炉壁2-15的开口密封连接形成反应腔；具体实施时，炉壁2-15顶端的边缘具有向外延伸的炉壁连接耳，炉盖2-14的边缘具有向外延伸的炉盖连接耳，炉壁连接和炉盖连接耳通过螺栓连接在一起，为了更好的密封，还可以在炉壁2-15顶端和炉盖2-14之间设置密封圈。所述炉壁2-15上具有热电偶安装孔2-4、加热体导线入口2-6和气体进口2-12，炉壁2-15上还设有加热炉抽气阀2-5。

作为优化，所述炉盖2-14和炉壁2-15均为空心结构，并且炉盖2-14和炉壁2-15的空心部分连通，炉盖2-14上设有与其空心部分连通的进水口2-3和出水口。通过进水口2-3向炉盖2-14和炉壁2-15的空心部分通入冷却水，再通过水泵使冷却水循环，从而起到加热炉体内的作用。

所述保温罩2-7为开口向下的U形结构，其设置在反应腔内，加热体2-8设置在保温罩2-7内，实验用坩埚2-10位于加热体2-8和保温罩2-7形成的空间内，加热体2-8用于对实验用坩埚2-10进行加热。

所述保温罩2-7和保护用石墨坩埚2-9上分别具有用于固定热电偶的通孔，且该通孔与所述热电偶安装孔2-4同轴。这样热电偶的检测端即可伸入到保护用石墨坩埚2-9与实验用坩埚2-10之间，从而测量的位于实验用坩埚2-10中的待测熔体2-11的温度更加准确。

加热炉2还包括保护用石墨坩埚2-9，所述保护用石墨坩埚2-9设置在实验用坩埚2-10和加热体2-8之间。石墨坩埚在这里的作用包括使熔体的温度均匀以及防止实验用坩埚破裂造成加热炉的损坏。

所述连接管2-13的顶端与第一弹簧管1-5的底端可拆卸密封连接，连接管2-13的底端依次穿过炉盖2-14和保温罩2-7的上部；连接管2-13位于炉盖2-14上方的部分从上而下依次设有测量系统抽气阀2-1和加热炉密封阀2-2。

升降系统3：包括安装台3-1、第一升降杆3-2、第二升降杆3-3、位移传感器、加热炉安装架3-4和升降杆驱动件3-5。

所述升降杆驱动件3-5驱动第一升降杆3-2和第二升降杆3-3的顶端产生上下位移，第二升降杆3-3的顶端与安装台3-1可转动连接，加热炉安装架3-4固定在升降杆驱动件3-5的外壳上；位移传感器用于检测第二升降杆3-3上下移动的位移。

第一升降杆3-2向上移动的目的打开炉盖2-14，因此第一升降杆3-2移动的位移不需要精确控制。第二升降杆3-3的移动控制着安装台3-1的位移，进而控制着物性测量系统1中的侧头伸入到标准熔体或待测熔体2-11中的深度，需要精确控制，因此，通过位移传感器可以准确的检测第二升降杆3-3的移动。

升降杆驱动件3-5采用现有便于驱动第一升降杆3-2和第二升降杆3-3的结构，比如可以采用如下结构：第一升降杆设置在第一升降杆套管内，且与第一升降杆套管螺纹配合，第二升降杆设置在第二升降杆套管内，且与第二升降杆套管螺纹配合，第一螺杆的顶端与第一升降杆底端连接，第二螺杆的顶端与第二升降杆底端连接，步进电机的输出轴通过联轴器分别与第一螺杆的底端及第二螺杆的底端连接，通过控制步进电机输出轴的转动方向实现对第一升降杆第二螺杆带动第二升降杆上下移动的控制。

所述加热炉2安装在加热炉安装架3-4上，第一升降杆3-2的顶端与炉盖2-14固定连接，物性测量系统1设置在安装台3-1上。

真空及气氛控制系统4：包括气瓶、真空泵和真空控制柜；

所述气瓶通过气管与气体进口2-12连通，真空泵通过管道及测量系统抽气阀2-1与连接管2-13连通，实现对物性测量系统1抽真空，真空泵还通过管道及加热炉抽气阀2-5与反应腔连通，实现对反应腔抽真空，真空控制柜的信号输出端与真空泵连接，实现对抽真空过程的控制。

真空控制柜通过控制真空泵的通断和工作时间实现对抽真空过程的控制，真空控制和其对真空泵的控制均属于现有技术，不属于本发明的发明点；真空泵将物性测量系统1和加热炉2抽真空，其目的是将物性测量系统1和加热炉2抽的所有氧气抽出，保护为获得高温采用的石墨加热体2-8，然后再通过气瓶向物性测量系统1加热炉2通入保护气体，比如氩气，使物性测量系统1的压力与加热炉2内压力相平衡。

温度控制系统5：包括热电偶和温控柜，所述热电偶通过热电偶安装孔2-4安装在炉壁2-15上，热电偶的数据输出端与温控柜连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体2-8的加热温度；温控柜属于现有技术，其通过热电偶所测温度信号控制加热体2-8的加热温度也属于现有技术，不属于本发明的发明点，具体实施时可采用PID控制器。

控制显示系统6：包括控制器和显示设备。

所述位移传感器的信号输出端与控制器的位移信号输入端连接，控制器的位移控制信号输出端与升降杆驱动件3-5连接，控制升降杆驱动件3-5工作；控制器根据位移传感器返回的位移信号控制升降杆驱动件3-5驱动第二升降杆3-3升降位移。

所述扭矩传感器1-3和质量传感器1-4的信号输出端分别与控制器的信号输入端连接；控制器根据接收的扭矩信号和质量信号计算实验用坩埚2-10内待测熔体2-11物性，待测熔体2-11的物性包括待测熔体的粘度、密度和表面张力。

待测熔体的粘度η_待测：

控制器根据公式(1c)和(1d)计算测熔体的粘度η_待测；

本装置采用旋转柱体法测量熔体粘度。柱体在装有液体的静止的同心圆柱坩埚内旋转，由于柱体外壁和坩埚内壁见的熔体产生了相对运动，在这二者之间形成了速度梯度。由于液体的粘性力作用，在柱体上产生一个力矩。当液体为牛顿流体是，速度梯度和力矩都是一个恒定值，可以按照下式进行计算：

$M=\frac{4\·\mathrm{\π}\·h\·\mathrm{\η}\·\mathrm{\ω}}{\frac{1}{r^2}-\frac{1}{R^2}}---\left(1a\right);$

公式(1a)中：r为柱体的外径，R为坩埚的内径，π为圆周率，h为柱体浸入熔体的深度，η为熔体的粘度。

将公式(1a)变形就可以得到公式(1b)：

$\mathrm{\η}=\frac{\frac{1}{r^2}-\frac{1}{R^2}}{4\·\mathrm{\π}\·h}{M}^{\′}---\left(1b\right);$

将公式(1b)应用到本装置中，公式(1b)中的参量含义如下：R为坩埚内径、r为测头柱体外径，当测头浸入熔体深度h为固定时，粘度公式简化为：

η_待测＝K·M′(1c)；

其中，R实验用坩埚2-10的内径、r测头1-7的外径，h为侧头浸入标准熔体的深度，M′为侧头浸入待测熔体内搅动时扭矩传感器1-3的读数，M为侧头浸入标准熔体内搅动时扭矩传感器1-3的读数，η_已知为标准熔体的粘度。

待测熔体的密度：

控制器根据公式(2c)计算测熔体的ρ_待测；

采用阿基米德原理测量待测熔体2-11的密度；

根据阿基米德原理可以列出一下方程：

ρ_已知·g·V_排＝m₀-m₁·g(2a)；

ρ_待测·g·V‘_排＝m₀-m₂·g(2b)；

其中，V_排和V‘_排的值都等于侧头1-7的体积，所以，待测熔体密度为：

其中，m₀为测头悬空时质量传感器1-4的读数，即侧头未进入待测熔体或标准熔体前质量传感器1-4的读数，m₁为侧头浸入标准熔体中质量传感器1-4的读数，m₂为侧头浸入待测熔体中质量传感器1-4的读数，ρ_已知为标准熔体的密度。

待测熔体表面张力：

控制器根据公式(3b)和(3c)计算测熔体的σ_待测；

采用拉环法测量待测熔体2-11的表面张力；

当垂直的金属板、垂直的圆筒或水平的金属环与液体表面接触时,液体的表面张力对它们有向下的拉力,拉筒法就是通过测量这个拉力和相关参数来计算表面张力的。

研究表明，表面张力满足：

σ＝k·F(3a)；

其中：σ为表面张力，k为测量常数，F为拉托时最大拉力，其中F由高精度电子秤测量。

σ_待测＝k·m₄-m₀·g(3b)；

其中，k为测量常数，m₄为侧头1-7从待测熔体中拉脱时质量传感器1-4的读数，m₃为侧头1-7从标准熔体中拉脱时质量传感器1-4的读数，m₀为测头悬空时，即侧头未进入待测熔体或标准熔体前质量传感器1-4的读数，质量传感器1-4的读数，g为重力加速度，σ_已知为标准熔体的密度；

所述标准熔体是指熔体的粘度、密度和表面张力已知的熔体；

所述控制器的物性信号输出端与显示器设备的信号输入端连接，显示设备将控制器计算的待测熔体的物性进行显示。待测熔体的物性包括待测熔体的粘度、密度、表面张力和电导率。

作为优化，本装置还可以用来测量待测熔体的电导率：

物性测量系统1还包括第二测量结构，该第二测量结构包括第二真空腔体1-1‘、第二弹簧管1-5’和四根耐高温探针1-11。

所述第二真空腔体1-1‘内具有导线固定架1-10，第二真空腔体1-1‘的底部与第二弹簧管1-5’的顶端密封连通，第二弹簧管1-5’的底端与连接管2-13的顶端可拆卸密封连接。

所述四根耐高温探针1-11均包括位于第二真空腔体1-1‘内的上半部和设置在第二弹簧管1-5’的下半部，四根耐高温探针1-11的上半部通过导线固定架1-10固定在第二真空腔体1-1‘内，四根耐高温探针1-11的顶端通过导线接入四桥电路，所述四桥电路的输出端与控制器连接，四根耐高温探针1-11的底端齐平。

控制器根据公式(4d)和(4e)计算待测熔体的导电率κ_待测；

根据图5，参比电阻和溶液处于同一回路中，电流相等，所以：

$R_x=\frac{E_x}{E_s}\·Rf---\left(4a\right);$

其中，R_x为熔体电阻，E_x为熔体的分压，Rf为参比电阻，E_s为参比电阻的分压。

根据电导率的定义有公式(4b)：

$\mathrm{\κ}=\frac{1}{S}\·\frac{1}{R}---\left(4b\right);$

其中，l为长度，S为面积。

结合公式(4a)和公式(4b)得公式(4c)：

$K=\frac{1}{S}\·\frac{1}{Rf}\·\frac{E_s}{E_x}---\left(4c\right);$

在本装置中，当侧头浸入待测液体的深度固定以后，电导率可简化为：

其中，Q为测量常数，κ_已知为标准熔体的电导率，Rf为四桥电路中的参比电阻，E_s为四根耐高温探针1-11浸入标准熔体时参比电阻的分压，E_x四根耐高温探针1-11浸入标准熔体时标准熔体的分压，E_s′为四根耐高温探针1-11浸入待测熔体时参比电阻的分压，E_x′四根耐高温探针1-11浸入待测熔体时待测熔体的分压。

四桥电路属于现有技术，不是本发明的发明点。四根耐高温探针1-11底端齐平即四根耐高温探针1-11的底端在同一水平面。第二测量结构还包括多个导线固定夹1-12，导线固定夹1-12为耐高温绝缘材质，多个导线固定夹1-12沿耐高温探针1-11的长度方向依次设置，四根耐高温探针1-11分别穿过导线固定夹1-12。

本装置的具体工作过程如下：

S1：把待测熔体2-11置于实验用坩埚2-10内，盖上炉盖用螺栓固定密封好，关闭加热炉密封阀2-2；

S2：开启真空泵将抽走加热炉内的空气，然后再向加热炉内通入氩气，用氩气洗炉，保证加热炉内为真空或惰性气氛以保护发热体；

通过进水口2-3注冷却水，通过水泵使冷却水在炉壁2-15和炉盖2-14的空心部分循环，保护加热炉体内；

启动温度控制系统5，对待测熔体2-11加热，使待测熔体2-11达到指定温度；

S3：测头1-7在常温下采用标准液体进行校准，即通过已知熔体的粘度、密度和表面张力得到相应的参量；然后将连接管2-13的顶端与第一弹簧管1-5的底端密封连接，从而使第一测量结构与加热炉2连接，使用真空及气氛控制系统4保证加热炉2内和第一测量结构1的气氛和压力一致，开启加热炉密封阀2-2，使用升降系统3让测头1-7浸入待测熔体2-11内；

S4：通过计算机控制系统6内的软件可以先后测量熔体的粘度、密度和表面张力，完成相应测试后，升起测试系统1，关闭加热炉密封阀2-2。

S5：控制器控制升降系统3使测量系统1升至最高位，关闭加热炉密封阀2-2，测量系统的第一真空腔体1-1卸真空，将连接管2-13的顶端与第一弹簧管1-5的连接拆卸；转动安装台3-1，将第二测量结构转至加热炉一侧，使第二测量结构与加热炉相对，然后将第二弹簧管1-5’的底端与连接管2-13的顶端密封连接，开启测量系统抽气阀2-1，使用真空及气氛控制系统4对第二测量结构抽真空并通入氩气，当加热炉2与第二真空腔体1-1‘的压力平衡时，打开加热炉密封阀2-2，升降系统3使得第二测量结构降低至合适的测量位置，即此时四根耐高温探针1-11的底端伸入待测熔体2-11内，控制器根据公式(4d)和(4e)计算待测熔体的导电率κ_待测；

S6：测试完成后关闭升温系统，待加热炉体冷却到室温后清洗炉体清洁设备。

该装置测试综合参数的时间短，实现了快速测量的目的，而且精度也可达到实验要求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高温熔体物性测量装置，其特征在于：包括物性测量系统(1)、加热炉(2)、升降系统(3)、真空及气氛控制系统(4)、温度控制系统(5)和控制显示系统(6)；

物性测量系统(1)：包括第一测量结构，该第一测量结构包括第一真空腔体(1-1)、电机(1-2)、扭矩传感器(1-3)、质量传感器(1-4)、第一弹簧管(1-5)、连杆(1-6)和测头(1-7)；

所述第一真空腔体(1-1)的底部与第一弹簧管(1-5)的顶端密封连通，连杆(1-6)由位于第一真空腔体(1-1)内的上半部和设置在第一弹簧管(1-5)内的下半部组成，电机(1-2)、扭矩传感器(1-3)和质量传感器(1-4)设置在第一真空腔体(1-1)内，电机(1-2)的输出轴与连杆(1-6)的顶端固定连接带动连杆(1-6)转动，扭矩传感器(1-3)用于测量连杆(1-6)的扭矩，质量传感器(1-4)用于测量连杆(1-6)的质量；测头(1-7)可拆卸地连接在连杆(1-6)的底端；

加热炉(2)：包括加热炉体、连接管(2-13)、保温罩(2-7)、加热体(2-8)和实验用坩埚(2-10)；

所述加热炉体包括开口向上的U形的炉壁(2-15)和炉盖(2-14)，炉盖(2-14)设置在炉壁(2-15)的上方，且与炉壁(2-15)的开口密封连接形成反应腔；所述炉壁(2-15)上具有热电偶安装孔(2-4)、加热体导线入口(2-6)和气体进口(2-12)，炉壁(2-15)上还设有加热炉抽气阀(2-5)；

所述保温罩(2-7)为开口向下的U形结构，其设置在反应腔内，加热体(2-8)设置在保温罩(2-7)内，实验用坩埚(2-10)位于加热体(2-8)和保温罩(2-7)形成的空间内；

所述连接管(2-13)的顶端与第一弹簧管(1-5)的底端可拆卸密封连接，连接管(2-13)的底端依次穿过炉盖(2-14)和保温罩(2-7)的上部；连接管(2-13)位于炉盖(2-14)上方的部分从上而下依次设有测量系统抽气阀(2-1)和加热炉密封阀(2-2)；

升降系统(3)：包括安装台(3-1)、第一升降杆(3-2)、第二升降杆(3-3)、位移传感器、加热炉安装架(3-4)和升降杆驱动件(3-5)；

所述升降杆驱动件(3-5)驱动第一升降杆(3-2)和第二升降杆(3-3)的顶端产生上下位移，第二升降杆(3-3)的顶端与安装台(3-1)可转动连接，加热炉安装架(3-4)固定在升降杆驱动件(3-5)的外壳上；位移传感器用于检测第二升降杆(3-3)上下移动的位移；

所述加热炉(2)安装在加热炉安装架(3-4)上，第一升降杆(3-2)的顶端与炉盖(2-14)固定连接，物性测量系统(1)设置在安装台(3-1)上；

真空及气氛控制系统(4)：包括气瓶、真空泵和真空控制柜；

所述气瓶通过气管与气体进口(2-12)连通，真空泵通过管道及测量系统抽气阀(2-1)与连接管(2-13)连通，实现对物性测量系统(1)抽真空，真空泵还通过管道及加热炉抽气阀(2-5)与反应腔连通，实现对反应腔抽真空，真空控制柜的信号输出端与真空泵连接，实现对抽真空过程的控制；

温度控制系统(5)：包括热电偶和温控柜，所述热电偶通过热电偶安装孔(2-4)安装在炉壁(2-15)上，热电偶的数据输出端与温控柜连接，将所测温度信号输入温控柜，温控柜根据接收到的温度信号控制加热体(2-8)的加热温度；

控制显示系统(6)：包括控制器和显示设备；

所述位移传感器的信号输出端与控制器的位移信号输入端连接，控制器的位移控制信号输出端与升降杆驱动件(3-5)连接，控制升降杆驱动件(3-5)工作；

所述扭矩传感器(1-3)和质量传感器(1-4)的信号输出端分别与控制器的信号输入端连接；控制器根据接收的扭矩信号和质量信号计算实验用坩埚(2-10)内待测熔体(2-11)的物性，待测熔体(2-11)的物性包括待测熔体的粘度、密度和表面张力；

待测熔体的粘度η_待测：

控制器根据公式(1c)和(1d)计算测熔体的粘度η_待测；

η_待测＝K·M′(1c)；

其中，R实验用坩埚(2-10)的内径、r测头(1-7)的外径，h为侧头浸入标准熔体的深度，M′为侧头浸入待测熔体内搅动时扭矩传感器(1-3)的读数，M为侧头浸入标准熔体内搅动时扭矩传感器(1-3)的读数，η_已知为标准熔体的粘度；

待测熔体的密度：

控制器根据公式(2c)计算测熔体的ρ_待测；

其中，m₀为测头悬空时质量传感器(1-4)的读数，m₁为侧头浸入标准熔体中质量传感器(1-4)的读数，m₂为侧头浸入待测熔体中质量传感器(1-4)的读数，ρ_已知为标准熔体的密度；

待测熔体表面张力：

控制器根据公式(3b)和(3c)计算测熔体的σ_待测；

σ_待测＝k·(m₄-m₀)·g(3b)；

其中，k为测量常数，m₄为侧头(1-7)从待测熔体中拉脱时质量传感器(1-4)的读数，m₃为侧头(1-7)从标准熔体中拉脱时质量传感器(1-4)的读数，m₀为测头悬空时质量传感器(1-4)的读数，g为重力加速度，σ_已知为标准熔体的密度；

所述标准熔体是指熔体的粘度、密度和表面张力已知的熔体；

所述控制器的物性信号输出端与显示器设备的信号输入端连接，显示设备将控制器计算的待测熔体的物性进行显示。

2.如权利要求1所述的高温熔体物性测量装置，其特征在于：所述物性测量系统(1)还包括第二测量结构，该第二测量结构包括第二真空腔体(1-1‘)、第二弹簧管(1-5’)和四根耐高温探针(1-11)；

所述第二真空腔体(1-1‘)内具有导线固定架(1-10)，第二真空腔体(1-1‘)的底部与第二弹簧管(1-5’)的顶端密封连通，第二弹簧管(1-5’)的底端与连接管(2-13)的顶端可拆卸密封连接；

所述四根耐高温探针(1-11)均包括位于第二真空腔体(1-1‘)内的上半部和设置在第二弹簧管(1-5’)的下半部，四根耐高温探针(1-11)的上半部通过导线固定架(1-10)固定在第二真空腔体(1-1‘)内，四根耐高温探针(1-11)的顶端通过导线接入四桥电路，所述四桥电路的输出端与控制器连接，四根耐高温探针(1-11)的底端齐平；

控制器根据公式(4d)和(4e)计算待测熔体的导电率κ_待测；

其中，Q为测量常数，κ_已知为标准熔体的电导率，Rf为四桥电路中的参比电阻，E_s为四根耐高温探针(1-11)浸入标准熔体时参比电阻的分压，E_x四根耐高温探针(1-11)浸入标准熔体时标准熔体的分压，E_s′为四根耐高温探针(1-11)浸入待测熔体时参比电阻的分压，E_x′四根耐高温探针(1-11)浸入待测熔体时待测熔体的分压。

3.如权利要求1所述的高温熔体物性测量装置，其特征在于：所述测头(1-7)为柱体结构，其由实心的上半部和空心的下半部组成，并且下半部具有多个径向的通气孔(1-8)，所述通气孔(1-8)与下半部的空心部分连通。

4.如权利要求1所述的高温熔体物性测量装置，其特征在于：所述炉盖(2-14)和炉壁(2-15)均为空心结构，并且炉盖(2-14)和炉壁(2-15)的空心部分连通，炉盖(2-14)上设有与其空心部分连通的进水口(2-3)和出水口。

5.如权利要求1或4所述的高温熔体物性测量装置，其特征在于：所述加热炉(2)还包括保护用石墨坩埚(2-9)，所述保护用石墨坩埚(2-9)设置在实验用坩埚(2-10)和加热体(2-8)之间。

6.如权利要求4所述的高温熔体物性测量装置，其特征在于：所述保温罩(2-7)和保护用石墨坩埚(2-9)上分别具有用于固定热电偶的通孔，且该通孔与所述热电偶安装孔(2-4)同轴。