CN106018460A - 一种用于快速测量液滴凝点的测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于快速测量液滴凝点的测量设备和方法，其特征在于：包括有主制冷单元、辅助制冷与散热蓄冷单元、超声波消除过冷单元、激光发射与接收单元、温度测量单元、控制单元、显示单元；所述主制冷单元用于使待测液滴冷凝；所述辅助制冷与散热蓄冷单元用于快速吸收和散发由主制冷单元产生的热量；所述超声波消除过冷单元用于防止液滴产生过冷现象；所述显示单元与控制单元电性连接；所述温度测量单元与控制单元电性连接；所述激光发射与接收单元与控制单元电性连接；本发明采用了超声波消除过冷单元，防止液滴发生过冷现象，增加了测量的准确性，并且将液滴的相变通过光信号的突变表示出来，使用方便快捷。

Description

一种用于快速测量液滴凝点的测量设备和方法

技术领域

本发明涉及凝点检测技术领域，具体涉及一种用于快速测量液滴凝点的测量设备和方法。

背景技术

冰点是指水、水溶液或液体在温度下降到一定值时，析出固相（例如冰晶）的相平衡点的温度，也称凝点。对于许多液体而言，如燃料油、润滑油、有机溶剂等，其凝点，即由液态转变为固态时的温度，也是其重要的性能指标之一。不同液体具有不同的凝点。虽然自然界中也存在大量的无定形（玻璃态、非晶态）的物质，但是对于大多数液体而言，凝固往往伴随着结晶的生成。在凝固过程中，物质从液态转变为固态，同时放出热量（相变潜热）。所以物质的温度高于凝点时将处于液态；低于凝点时处于固态。

目前用于测定液体，特别是如油品类的有机液体的凝固点的方法和装置并不多。其中一种方法是将被测液体置于透光材料制成的容器内，在测定被测液体温度变化的同时测定透过被测液体的光强度的变化情况，根据所测定透过被测液体的光线强度的改变量确定被测液体的凝固点。在冷阱中设有用透光材料制成的盛放被测液体的容器和温度测量传感装置，所述的容器外设有光源和用于接收由光源发出通过所述的容器和容器内的液体的光的光敏元件所组成的测定系统。

但是这种方法存在如下缺点：1.当液体到达其凝固点（即相平衡点）时，往往会由于所谓过冷而不会及时析出新生固相，造成测量误差。2.测温所得的温度严格来说是装液体的容器或冷阱的温度，与真实的液体温度有误差；3.测量需要用肉眼判断液体的凝固点，往往带入误差。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种测量准确、使用简便快捷的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，包括有主制冷单元、辅助制冷与散热蓄冷单元、超声波消除过冷单元、激光发射与接收单元、温度测量单元、控制单元、显示单元；

所述主制冷单元用于使液滴冷凝；

所述辅助制冷与散热蓄冷单元用于吸收和散发由主制冷单元产生的热量；

所述超声波消除过冷单元用于防止液滴产生过冷现象；

所述显示单元与控制单元电性连接；

所述温度测量单元与控制单元电性连接；

所述激光发射与接收单元与控制单元电性连接。

本发明进一步设置为，所述主制冷单元为一片主半导体制冷片或者多片叠加的主半导体制冷片；所述主半导体制冷片的制冷面设有镜面光滑的不锈钢片；所述不锈钢片用于放置液滴。

本发明进一步设置为，所述辅助制冷与散热蓄冷单元包括有辅助半导体制冷片、水箱、散热器和风扇；所述水箱与主制冷单元的散热面连接；所述辅助半导体制冷片设于水箱的两侧，所述辅助半导体制冷片的制冷面与水箱连接；所述散热器包括有第一散热器与第二散热器；所述第一散热器设于水箱内并且与辅助半导体制冷片的制冷面连接；所述辅助半导体制冷片的散热面与第二散热器连接；所述第二散热器与风扇连接。

本发明进一步设置为，所述激光发射与接收单元包括有激光发射器与激光接收器；所述激光发射器为激光二极管；所述激光接收器为光敏二极管或光敏三极管；所述激光发射器发射调制激光信号至液滴，激光信号在液滴处发生反射后被激光接收器接收。

本发明进一步设置为，所述超声波消除过冷单元包括有圆锥形的变幅杆和用于产生超声波的压电陶瓷；所述变幅杆的底面和压电陶瓷连接；所述变幅杆的顶部与不锈钢片连接。

本发明进一步设置为，所述水箱内设有冷却水或者低于水凝点的液体。

本发明进一步设置为，所述温度测量单元包括有测温探头和温度变送模块；所述测温探头与温度变送模块电性连接；所述温度变送模块与主控电路电性连接；所述测温探头用于测量液滴的温度。

本发明进一步设置为，所述主控电路包括有PLC、调制检测模块以及输入输出模块；所述PLC与调制检测模块电性连接；所述调制检测模块与输入输出模块电性连接；所述PLC用于记录和分析被测液滴的温度以及激光信号的信息。

本发明进一步设置为，所述显示单元为触摸屏；所述触摸屏与控制单元电性连接。

本发明进一步设置为，所述水箱设有保温材料。

一种用于测量液滴凝点的测量方法，包括以下步骤，

镜面反射步骤：激光发射器发射激光至液滴后，激光在不锈钢片上产生镜面反射，激光接收器接收反射激光信号后反馈信息至控制单元；

防过冷步骤：通过超声波单元发射超声波至液滴以防止液滴产生过冷现象；

冷凝步骤：制冷单元吸收液滴热量使得液滴凝固产生新生固相；

漫反射步骤：激光发射器发射激光至新生固相上产生漫反射，激光接收器接收由漫反射产生的反射激光信号后反馈信息至控制单元；

测量步骤：所述PLC用于实时记录和分析被测液滴的温度和光信号的信息；当激光接收器接收的反射调制光信号骤然下降，所对应的温度为凝点温度，PLC确定对应的凝点温度并由显示单元显示测量结果。

本发明的有益效果：

本发明采用了超声波消除过冷单元，防止液滴发生过冷现象，增加了测量的准确性，并且通过液滴的相变由光信号的突变表示出来，使用方便快捷。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明激光接收器接收的激光信号随液滴温度变化的轨迹图；

图3是本发明激光在晶体产生漫反射的示意图；

图4是本发明测温探头与液滴连接的示意图；

图5是本发明测温探头与不锈钢片连接的示意图；

图6是本发明触摸屏与控制单元的配合示意图；

图1至图6中的附图标记说明：

1-激光发射器；2-激光接收器；3-液滴；4-不锈钢片；5-测温探头；6-铜底板；7-第一散热器；8-辅助半导体制冷片；9-风扇；10-密封垫；11-水箱；12-主半导体制冷片；13-压电陶瓷；14-变幅杆；15-调制检测模块；16-控制单元；17-显示单元；18-温度变送模块；19-第二散热器；20-第三散热器。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图6所示，本实施例所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，包括有主制冷单元、辅助制冷与散热蓄冷单元、超声波消除过冷单元、激光发射与接收单元、温度测量单元、控制单元、显示单元；所述主制冷单元用于使液滴3冷凝；所述辅助制冷与散热蓄冷单元用于预先将水箱11的冷却水降温到一定的温度，以便在主制冷单元冷却液滴3时，能够有效地吸收主制冷单元的散热面所产生的热量；所述超声波消除过冷单元用于防止液滴3产生过冷现象；所述显示单元17与控制单元16电性连接；所述温度测量单元与控制单元16电性连接；所述激光发射与接收单元与控制单元16电性连接。具体地，当激光发射与接收单元发出激光射向液滴3时，激光产生镜面反射，固定激光发射与接收单元的位置，即能够接收到反射激光信号并且将信息反馈至控制单元16；主制冷单元吸收液滴3热量使得液滴3冷却降温直至凝固，此外，由于该过程可能会出现过冷现象，即液滴3温度降到其凝点甚至更加低的时候，仍然没有固相析出，故增加了超声波单元，通过超声波消除过冷现象；当液滴3凝固时，激光束在新生固相上发生漫反射，激光发射与接收单元接收的信号减弱，将信息反馈至控制单元16；根据多次实验得出，当液滴3达到凝点的瞬间并且产生固相时，反射激光信号会骤变降低，控制单元16接收信息后，控制温度测量单元测出对应温度即液滴3的凝点。

本实施例所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，所述主制冷单元为一片主半导体制冷片12或者多片叠加的主半导体制冷片12；所述主半导体制冷片12的制冷面设有光滑的不锈钢片4；所述不锈钢片4用于放置液滴3。所述辅助制冷与散热蓄冷单元包括有辅助半导体制冷片8、水箱11、散热器和风扇9；所述水箱11与主制冷单元的散热面连接；所述辅助半导体制冷片8设于水箱11的两侧，所述辅助半导体制冷片8的制冷面与水箱11连接；所述散热器包括有第一散热器7与第二散热器19；所述第一散热器7设于水箱11内并且与辅助半导体制冷片8的制冷面连接；所述辅助半导体制冷片8的散热面与第二散热器19连接；所述第二散热器19与风扇9连接。所述激光发射与接收单元包括有激光发射器1与激光接收器2；所述激光发射器1为激光二极管；所述激光接收器2为光敏二极管或光敏三极管；所述激光发射器1发射调制激光信号至液滴3，激光信号在不锈钢片4镜面上处发生反射后被激光接收器2接收。所述超声波消除过冷单元包括有圆锥形的变幅杆14和用于产生超声波的压电陶瓷13；所述变幅杆14的底面和压电陶瓷13连接；所述变幅杆14的顶点与不锈钢片4连接。所述水箱11内设有冷却水或者低于水凝点的液体。所述温度测量单元包括有测温探头5和温度变送模块18；所述测温探头5与温度变送模块18电性连接；所述温度变送模块18与主控电路电性连接；所述测温探头5用于测量液滴3的温度。所述主控电路包括有PLC、调制检测模块15以及输入输出模块；所述PLC与调制检测模块15电性连接；所述调制检测模块15与输入输出模块电性连接；所述PLC用于记录和分析被测液滴3的温度以及激光信号的信息。所述显示单元17为触摸屏；所述触摸屏与控制单元16电性连接。所述水箱11设有保温材料。

其中：一、主制冷单元；

主制冷单元由三块主半导体制冷片12串联叠加、构成梯形多级制冷的形式。其制冷面在上，散热面在下。多块主半导体制冷片12叠加的好处是能够在制冷片上下两端面制造更大的温差，从而获得更低的制冷温度。多级主半导体制冷片12的散热面通过铜底板6与水箱11连接。铜底板6的下面再与第三散热器20连接。该第三散热器20浸泡在水箱11中。制冷过程中多级主半导体制冷片12使液滴3降温，实际上是把液滴3的热量通过浸泡在冷水箱11中的散热器搬运到冷却水中。主制冷单元能够把被测量的液滴3用3-10C/min的降温速度，达到-35度甚至更低的温度。

二、辅助制冷与散热蓄冷单元；

辅助制冷与散热与蓄冷单元由水箱11及冷却水，辅助半导体制冷片8、散热器、风扇9、铜底板6等部件构成。其中辅助半导体制冷片8、散热器以及风扇9有两套；对称分布在水箱11的两侧。辅助半导体制冷片8的制冷面朝向水箱11一则，散热面朝向空气一则。其作用是通过散热器和风扇9将热量从水箱11的冷却水搬运到环境空气中。在辅助半导体制冷片8面向水箱11的制冷面与水箱11之间有铜底板6。用导热胶将辅助半导体制冷片8与铜底板6紧密贴合。铜底板6的另一面与浸泡在水中的第一散热器7紧密贴合。为了防止水箱11中的冷却水渗漏出来，在铜底板6与水箱11之间、铜底板6与水箱11之间放置有密封垫10；用螺钉将铜底板6紧固在水箱11外壁。在非测量期即待机期时，两个辅助半导体制冷片8预先将水箱11总的冷却水温度预冷到6-10度。水箱11的容积为500～1000 mL。与空气相比，由于水有较大的比热容和导热系数，因此在测量操作时，水箱11中的冷却水能够迅速有效地吸收主制冷单元产生的热量。从而也就保证了液滴3能够被冷却至足够低的的温度。本发明液滴3最低可以降温至-35度甚至更低些。当然，这与测量的环境温度有关。环境温度越低，液滴3所能达到的最低温度也越低。

三、温度测量单元；

在主半导体制冷片12的制冷面连接有制冷操作面。该制冷操作面用镜面不锈钢片4做成，并与主半导体制冷片12用导热胶紧密贴合。不锈钢片4侧面钻有直径1 mm小孔，该小孔直通平板不锈钢片4的几何中心位置。所述测温探头5，例如热电偶，通过插入不锈钢片4的小孔，测温探头5位于制冷操作面几何中心下方。被测液滴3置于制冷镜面上，刚好位于测温探头5上方。可以将该点温度近似看作液滴3的温度，也可以通过修正法求出其准确温度。

四、超声波消除过冷单元；

液滴3的冷凝首先发生的光滑的制冷操作面上。该过程可能会出现过冷现象——即液滴3温度降到其凝点甚至更低时，仍然没有固相析出。因而影响凝点的准确测定。通过超声波(20kHz～40kHz)作用可消除液体过冷现象。本发明是这样实施的：把产生超声振动的压电陶瓷13紧密压紧贴合在圆锥形的变幅杆14的底面。圆锥形变幅杆14的前部紧密顶住镜面不锈钢片4的侧面。超声波通过圆锥变幅杆14聚焦到不锈钢片4并传递至液滴3与制冷操作面的接触部位。液体在降温至凝点温度的时候，超声振动起到了结晶学上的所谓“刺激成核”作用，因而可以消除液滴3的过冷，使初级晶相固相在液滴3与制冷操作面的接触面上直接生成。

五、激光发射与接收单元；

激光发射器1和激光接收器2安装在相应的支架平台上，设置在制冷操作面的上方，与液滴3的入射角为45～70度之间。激光发射器1发出激光束落在光滑的平面上会形成镜面反射，通过调整激光发射器1以及激光接收器2的位置和角度，让激光射入点位于镜面上液滴3中心并使激光接收器2能接收到信号。随着待测液滴3的温度下降，在液滴3还没有发生相变凝固之前，所测量到反射激光信号强度是基本不变的。但是当温度降至液体的凝点（冰点）的时候，这时候液滴3会发生冷凝，所测得的反射激光信号强度骤然下降。液滴3在刚开始发生相变时会首先在液滴3与镜面的固液交界面处进行。根据结晶学研究，新生的晶相通常为树枝状结晶，因而显著影响光的反射效果，此时液滴3面对入射激光由镜面反射变为漫发射，引起激光接收器2的光信号发生变化；从而确定该液体的凝点温度，并由触摸屏显示输出即液滴3发生相变由光信号的突变表示出来。本发明所用的激光束采用调制激光信号，激光接收器2只接受激光发射器1的调制激光信号。而对一切其他光线均视为杂光而加以忽略，因而避免了环境光源对测量的干扰。为了减少环境热源的影响，利用保温材料橡胶片，泡沫塑料片等将水箱11及其他非操作面部分包裹起来，隔绝外界环境中热量传递到水箱11的冷却水中，减少预冷时的冷量损耗。

六、控制单元16与显示单元17；

测温探头5测出的温度信号输送到温度变送模块18，将温度模拟信号转变为PLC可识别的数字信号。然后通过PLC记录和分析。同理，激光发射与接收单元发射的激光模拟信号通过调制检测模块15将光强信号转变为PLC可识别的数字信号，然后记录和分析。通过数据分析确定光强信号发生突变点，以及对应的温度信号，得出所测定的液体凝点温度。最终通过触摸屏将所测温度显示出来。仪器操作者可通过触摸屏对测量过程进行实时监控，包括启动和终止测量。

一种用于测量液滴凝点的测量方法，包括以下步骤，

镜面反射步骤：激光发射器1发射激光至液滴3后，激光在不锈钢片4上产生镜面反射，激光接收器2接收反射激光信号后反馈信息至控制单元16；

防过冷步骤：通过超声波单元发射超声波至液滴3以防止液滴产生过冷现象；

冷凝步骤：制冷单元吸收液滴3热量使得液滴凝固产生新生固相；

漫反射步骤：激光发射器1发射激光至新生固相上产生漫反射，激光接收器2接收由漫反射产生的反射激光信号后反馈信息至控制单元2；

测量步骤：所述PLC用于实时记录和分析被测液滴3的温度和光信号的信息；当激光接收器2接收的反射调制光信号骤然下降，所对应的温度为凝点温度，PLC确定对应的凝点温度并由显示单元17显示测量结果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：包括有主制冷单元、辅助制冷与散热蓄冷单元、超声波消除过冷单元、激光发射与接收单元、温度测量单元、控制单元（16）、显示单元（17）；

所述主制冷单元用于使液滴（3）冷凝；

所述辅助制冷与散热蓄冷单元用于吸收和散发由主制冷单元产生的热量；

所述超声波消除过冷单元用于防止液滴（3）产生过冷现象；

所述显示单元（17）与控制单元（16）电性连接；

所述温度测量单元与控制单元（16）电性连接；

所述激光发射与接收单元与控制单元（16）电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述主制冷单元为一片主半导体制冷片（12）或者多片叠加的主半导体制冷片（12）；所述主半导体制冷片（12）的制冷面设有镜面光滑的不锈钢片（4）；所述不锈钢片（4）用于放置液滴（3）。

3.根据权利要求2所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述辅助制冷与散热蓄冷单元包括有辅助半导体制冷片（8）、水箱（11）、散热器和风扇（9）；所述水箱（11）与主制冷单元的散热面连接；所述辅助半导体制冷片（8）设于水箱（11）的两侧，所述辅助半导体制冷片（8）的制冷面与水箱（11）连接；所述散热器包括有第一散热器（7）与第二散热器（19）；所述第一散热器（7）设于水箱（11）内并且与辅助半导体制冷片（8）的制冷面连接；所述辅助半导体制冷片（8）的散热面与第二散热器（19）连接；所述第二散热器（19）与风扇（9）连接。

4.根据权利要求2所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述激光发射与接收单元包括有激光发射器（1）与激光接收器（2）；所述激光发射器（1）为激光二极管；所述激光接收器（2）为光敏二极管或光敏三极管；所述激光发射器（1）发射调制激光信号至液滴（3），激光信号在液滴（3）处发生反射后被激光接收器（2）接收。

5.根据权利要求2所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述超声波消除过冷单元包括有圆锥形的变幅杆（14）和用于产生超声波的压电陶瓷（13）；所述变幅杆（14）的底面和压电陶瓷（13）连接；所述变幅杆（14）的顶部与不锈钢片（4）连接。

6.根据权利要求3所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述水箱（11）内设有冷却水或者低于水凝点的液体。

7.根据权利要求1所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述温度测量单元包括有测温探头（5）和温度变送模块（18）；所述测温探头（5）与温度变送模块（18）电性连接；所述温度变送模块（18）与主控电路电性连接；所述测温探头（5）用于测量液滴（3）的温度。

8.根据权利要求4所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述主控电路包括有PLC、调制检测模块（15）以及输入输出模块；所述PLC与调制检测模块（15）电性连接；所述调制检测模块（15）与输入输出模块电性连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于快速测量液滴凝点的测量设备，其特征在于：所述显示单元（17）为触摸屏；所述触摸屏与控制单元（16）电性连接；所述触摸屏用于输入操作指令和输出测量结果。

10.利用权利要求8所述的凝点测量装置实现的凝点测量方法，其特征在于：包括以下步骤；

镜面反射步骤：激光发射器（1）发射激光至液滴（3）后，激光在不锈钢片（4）上产生镜面反射，激光接收器（2）接收反射激光信号后反馈信息至控制单元（16）；

防过冷步骤：通过超声波单元发射超声波至液滴（3）以防止液滴产生过冷现象；

冷凝步骤：制冷单元吸收液滴（3）热量使得液滴凝固产生新生固相；

漫反射步骤：激光发射器（1）发射激光至新生固相上产生漫反射，激光接收器（2）接收由漫反射产生的反射激光信号后反馈信息至控制单元（2）；

测量步骤：所述PLC用于实时记录和分析被测液滴（3）的温度和光信号的信息；当激光接收器（2）接收的反射调制光信号骤然下降，所对应的温度为凝点温度，PLC确定对应的凝点温度并由显示单元（17）显示测量结果。