CN106442619B - 一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法 - Google Patents

一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法；包括杜瓦罐、真空腔管、安装在真空腔管下端的磁场及温度发生器；真空腔管内设有样品杆，样品杆下端部安装有用于搭载待测样品的双通道样品台，样品杆上端部通过连接件与设置在真空腔管上端部的样品杆直线导轨升降系统连接；样品杆直线导轨升降系统驱动样品杆在真空腔管内作直线上下运动，进而改变待测样品相对于磁场及温度发生器之间的距离。本测量仪结构简单，操作方便，维护方便，避免以往繁琐的装配过程，提高了测试效率；通过控制终端和直线导轨控制器的控制，可根据实验的要求随时编辑和切换实验所需参数，较以往通过电脑编程来完成这一动作更加的简单快速，降低了操作难度。

Description

一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法
技术领域
本发明涉及磁热效应测量装置，尤其涉及一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法。
背景技术
自1881年发现磁热效应以来，磁制冷作为一种高效，可靠的绿色制冷技术引起了国内外的广泛重视。磁性物质是由原子或具有磁矩的磁离子组成的结晶体，它有一定的热运动或热振动。顺磁性材料的离子或原子磁矩在无外磁场时是杂乱无章的，加外磁场后，原子的磁矩沿外磁场取向排列，使磁矩有序化，有序度增加，从而减少材料的磁熵，因而会向外界放出热量；而一旦去掉外磁场，材料内部的磁有序度减小，磁熵增大，在磁熵增加和等温条件下，工质会从外界吸收热量，就能达到制冷的目的。这种磁性系统在磁场的施加与去除过程中所呈现的热现象称为磁热效应(MCE)。磁制冷就是利用磁性材料的磁热效应来实现制冷的，这是磁制冷的基本原理。
磁制冷技术效率远远高于传统气体压缩制冷和半导体制冷。与传统的气体压缩式制冷相比，具有以下明显的特点：1、单位体积的制冷功率大，易小型化；2、稳定可靠，便于维修；3、有节能环保优势，磁制冷的效率可达到卡诺循环的30％～60％，是气体压缩式制冷效率的6倍，因此对节能十分有利；4、由于制冷工质为固体材料以及在循环回路中可用水作为传热介质，这消除了因使用氟利昂、氨及碳氢化合物等制冷剂所带来的破坏大气臭氧层、易泄露、易燃及地球温室效应等环境问题，对生态环境起到了保护作用。
目前磁制冷技术中衡量磁工质的磁热效应的大小最常用的是绝热磁熵变ΔSM，该方法是属于间接测量法，测试过程方便简单，已被广泛认可。但是对于磁制冷材料在磁制冷样机中应用来讲，ΔSM的大小还不能简单地直接等同于磁制冷效率的大小。而热温变ΔTad测量参数是通过直接测量法得到的最能直接反映材料本身磁热效应大小的一个表征参数。由于磁制冷技术是一项新型的制冷技术，截止目前市场上尚缺乏有效、精确的磁热效应直接测量绝热温变的设备。间接测量绝热温变可以采用传统的磁测量方法，而直接测量法尚无通用设备。因此开发标准统一的磁热效应直接测量设备是十分必要的。
专利公开号CN02276759提出由脉冲磁场提供磁场的磁热效应测量仪器，实现了绝热温变的直接测量，对之后的研究和设计新的磁热效应仪器有启发作用。但是测量仪器尚存在以下缺点：1、设备的成本和运行费用高；2、装置结构复杂，操作繁琐；3、采用电磁场或脉冲磁场只能通过改变电流的大小来实现磁场变化，存在弛豫时间，影响材料磁热效应参数测量的准确性。
专利公开号CN200520008166提出使用永磁磁场作为磁场源的磁热效应直接测量仪；永磁体可以提供1.4～2特斯拉的磁场，磁场强度相对长时间能够稳定在一个准确的值，但存在不足是：1、永磁体提供的磁场是一个固定值，满足不了测量不同磁场下的绝热温变，测量范围非常受限；同时永磁磁场的均匀程度不够高，对测量结果有一定的影响；2、仪器的结构和操作相对复杂。不利于实验测量的效率提升。
专利公开号201310072922提出了由多个永磁体按不同形式排列可以得到不同磁场强度的磁场源，实现不同磁场下随温度变化的绝热温变，测量装置较以往得到了大的改进，但是仪器依然没能避免：1、永磁场带来的局限性，包括磁路的设计，磁场强度的均匀稳定性，以及磁场大小这些因素的困扰；2、系统温度的大小范围较小；同时仪器的结构更加的复杂，操作更加的繁琐，装置维修困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种双通道室温磁热效应直接测量仪与方法；其结构简单，操作方便，能够快速精确的在不同磁场和温度变化的实验条件下测量磁性材料的绝热温变。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双通道室温磁热效应直接测量仪，包括杜瓦罐、置于杜瓦罐内部的真空腔管2、安装在真空腔管2下端部的磁场及温度发生器1；
所述真空腔管2内部还安插有一导向管13，导向管13的外周设有导向支架9，该导向支架9与真空腔管2的内壁滑动配合；该导向管13内安插有一样品杆10，样品杆10的下端部安装有用于搭载待测样品的双通道样品台5，样品杆10的上端部通过连接件11与设置在真空腔管2上端部的样品杆直线导轨升降系统4连接；样品杆直线导轨升降系统4驱动样品杆10在真空腔管2内作直线上下运动，并带动搭载有待测样品15的双通道样品台5在真空腔管2内作直线上下运动，进而改变待测样品15相对于磁场及温度发生器1之间的距离。
所述双通道室温磁热效应直接测量仪还包括温度显示记录仪7、控制终端6、直线导轨控制器8；
所述双通道样品台5内还设有用于测量双通道样品台5本身温度以及测量待测样品15本身温度的热电偶3，热电偶3通过导线连接温度显示记录仪7，由温度显示记录仪7实时显示待测样品15的温度数据；
所述磁场及温度发生器1通过导线连接控制终端6，通过控制终端6控制磁场及温度发生器1的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管2的真空度；
所述样品杆直线导轨升降系统4通过导线连接直线导轨控制器8，通过直线导轨控制器8驱动其伺服电机运行，进而带动样品杆10在真空腔管2内作直线上下运动，以改变待测样品15相对于磁场及温度发生器1之间的距离，进而获得待测样品15的励磁退磁数据。
所述双通道样品台5的两侧分别各开设有一凹槽16，待测样品15分为两组，并分别通过绝热胶带17贴附在对应的凹槽16内；
所述热电偶3分为三个，其中一个设置在双通道样品台5上，用于测量双通道样品台5本身的温度；另外两个分别设置在各组待测样品15的中部，以测量待测样品15本身的温度。
所述样品杆10的杆体上套设有带透气孔23的导向环14，导向环14的外壁与导向管13的内壁滑动配合，作用在于为样品杆10升降过程中提供导向，防止样品杆10晃动。
所述热电偶3的导线通过连接件11的密封接线口12连接外部的温度显示记录仪7。
所述样品杆直线导轨升降系统4设置在杜瓦罐的密封盖22上。
所述待测样品15为磁性材料样品。
一种磁性材料磁热效应的测试方法，其包括如下步骤：
步骤一：打开杜瓦罐的密封盖22，并一并取出样品杆10；先将磁性材料样品贴附在双通道样品台5两侧的凹槽16内；具体是先在凹槽16的槽底贴一层绝热胶带17作为衬底，然后将其中第一块磁性材料样品粘贴在其表面，接着在第一块磁性材料样品的表面放置热电偶，再将第二块磁性材料样品贴附在第一块磁性材料样品表面，最后在第二块磁性材料样品的表面粘贴一层绝热胶带；热电偶夹持在第一块磁性材料样品和第二块磁性材料样品之间；
然后将样品杆10置于杜瓦罐内，盖上密封盖22；接着初始化杜瓦罐内部磁场、温度和真空环境；
步骤二：通过直线导轨控制器8，将磁性材料样品提升到杜瓦罐内部的最高点，并通过直线导轨控制器8预先设定测设条件，测设包括：样品杆10在真空腔管2内作直线上下往复的次数、速度、磁性材料样品相对于磁场及温度发生器1之间的距离及停留的时间，为接下来测试做准备；
步骤三：通过控制终端6设定磁场及温度发生器1的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管2的真空度；
步骤四：待真空腔管2内的温度稳定后，记录此时磁性材料样品的温度T1，启动直线导轨控制器8，开始实验，磁性材料样品进入磁场范围，随着磁性材料样品与磁场及温度发生器1的距离不断减小，磁性材料样品由于磁热效应温度不断升高，当温度到达最高时记录为T2；
步骤五：等待下一个温度测量点，重复步骤三、步骤四，根据ΔTad＝T2-T1得到当前温度T1时的绝热温变，实验不断循环，依次测量不同温度下的绝热温变值，完成ΔTad-T曲线，进而可测得磁性材料的绝热温变数据，实验完毕。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明真空腔管2内部设有样品杆10，样品杆10的下端部安装有用于搭载待测样品的双通道样品台5，样品杆10的上端部通过连接件11与设置在真空腔管2上端部的样品杆直线导轨升降系统4连接；样品杆直线导轨升降系统4驱动样品杆10在真空腔管2内作直线上下运动，并带动搭载有待测样品15的双通道样品台5在真空腔管2内作直线上下运动，进而改变待测样品15相对于磁场及温度发生器1之间的距离；样品杆直线导轨升降系统4采用直线导轨配合步进电机使得行程精准快速的控制，以此来完成待测样品快速的励磁退磁过程；温度记录仪器为彩色无纸记录仪，可以快速准确的实时采集并存储温度探头的数据，方便后续对数据的处理。
本发明双通道样品台5的两侧分别各开设有一凹槽16，待测样品15分为两组，并分别通过绝热胶带17贴附在对应的凹槽16内；热电偶3分为三个，其中一个设置在双通道样品台5上，用于测量双通道样品台5本身的温度；另外两个分别设置在各组待测样品15的中部，以测量待测样品15本身的温度。这种布局结构更加紧凑，样品安装拆卸方便，提供了更加精准的实验数据。
本发明结构简单，操作方便，维护方便，避免以往繁琐的装配过程，提高了测试效率；通过控制终端(电脑)和直线导轨控制器的控制，可根据实验的要求随时编辑和切换实验所需参数，较以往通过电脑编程来完成这一动作更加的简单快速，降低了操作难度；温度显示记录仪为彩色无纸记录仪，该记录仪会从时间间隔0.2-1秒钟采集数据并完成实时的记录和显示，更直观的展示了实验过程数据的实时动态。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为样品杆、双通道样品台和导向环等局部结构示意图。
图3为双通道样品台的剖面结构示意图。
图4为导向管及其外周的导向支架结构示意图。
图5为导向环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至5所示。本发明公开了一种双通道室温磁热效应直接测量仪，包括杜瓦罐、置于杜瓦罐内部的真空腔管2、安装在真空腔管2下端部的磁场及温度发生器1；
所述真空腔管2内部还安插有一导向管13，导向管13的外周设有导向支架9，该导向支架9与真空腔管2的内壁滑动配合；该导向管13内安插有一样品杆10，样品杆10的下端部安装有用于搭载待测样品的双通道样品台5，样品杆10的上端部通过连接件11与设置在真空腔管2上端部的样品杆直线导轨升降系统4连接；样品杆直线导轨升降系统4驱动样品杆10在真空腔管2内作直线上下运动，并带动搭载有待测样品15的双通道样品台5在真空腔管2内作直线上下运动，进而改变待测样品15相对于磁场及温度发生器1之间的距离。双通道样品台5材料为铜。样品杆10材料为不锈钢。
所述双通道室温磁热效应直接测量仪还包括温度显示记录仪7、控制终端6、直线导轨控制器8；
所述双通道样品台5内还设有用于测量双通道样品台5本身温度以及测量待测样品15本身温度的热电偶3(K型热电偶)，热电偶3通过导线连接温度显示记录仪7，由温度显示记录仪7实时显示待测样品15的温度数据；
所述磁场及温度发生器1通过导线连接控制终端6，通过控制终端6控制磁场及温度发生器1的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管2的真空度；
所述样品杆直线导轨升降系统4通过导线连接直线导轨控制器8，通过直线导轨控制器8驱动其伺服电机运行，进而带动样品杆10在真空腔管2内作直线上下运动，以改变待测样品15相对于磁场及温度发生器1之间的距离，进而获得待测样品15的励磁退磁数据。
所述双通道样品台5的两侧分别各开设有一凹槽16，待测样品15分为两组，并分别通过绝热胶带17贴附在对应的凹槽16内；
所述热电偶3分为三个，其中一个设置在双通道样品台5上，用于测量双通道样品台5本身的温度；另外两个分别设置在各组待测样品15的中部，以测量待测样品15本身的温度。测量双通道样品台5的温度作为待测样品15的环境温度，起到一个比对作用。
所述样品杆10的杆体上套设有带透气孔23的导向环14，导向环14的外壁与导向管13的内壁滑动配合，作用在于方便抽真空以及为样品杆10升降过程中提供导向，防止样品杆10晃动。
所述热电偶3的导线通过连接件11的密封接线口12连接外部的温度显示记录仪7。所述样品杆直线导轨升降系统4设置在杜瓦罐的密封盖22上。
密封盖22上部的密封圈20与样品杆10之间密封配合，便于样品杆10上下往复运动。
所述待测样品15为磁性材料样品。
本发明磁性材料磁热效应的测试方法，可通过如下步骤实现：
步骤一：打开杜瓦罐的密封盖22，并一并取出样品杆10；先将磁性材料样品贴附在双通道样品台5两侧的凹槽16内；具体是先在凹槽16的槽底贴一层绝热胶带17作为衬底，然后将其中第一块磁性材料样品粘贴在其表面，接着在第一块磁性材料样品的表面放置热电偶，再将第二块磁性材料样品贴附在第一块磁性材料样品表面，最后在第二块磁性材料样品的表面粘贴一层绝热胶带；热电偶夹持在第一块磁性材料样品和第二块磁性材料样品之间；
然后将样品杆10置于杜瓦罐内，盖上密封盖22；接着初始化杜瓦罐内部磁场、温度和真空环境；
步骤二：通过直线导轨控制器8，将磁性材料样品提升到杜瓦罐内部的最高点，并通过直线导轨控制器8预先设定测设条件，测设包括：样品杆10在真空腔管2内作直线上下往复的次数、速度、磁性材料样品相对于磁场及温度发生器1之间的距离及停留的时间，为接下来测试做准备；
步骤三：通过控制终端6设定磁场及温度发生器1的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管2的真空度；
步骤四：待真空腔管2内的温度稳定后，记录此时磁性材料样品的温度T1，启动直线导轨控制器8，开始实验，磁性材料样品进入磁场范围，随着磁性材料样品与磁场及温度发生器1的距离不断减小，磁性材料样品由于磁热效应温度不断升高，当温度到达最高时记录为T2；
步骤五：等待下一个温度测量点，重复步骤三、步骤四，根据ΔTad＝T2-T1得到当前温度T1时的绝热温变，实验不断循环，依次测量不同温度下的绝热温变值，完成ΔTad-T曲线，进而可测得磁性材料的绝热温变数据，实验完毕。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双通道室温磁热效应直接测量仪，其特征在于：包括杜瓦罐、置于杜瓦罐内部的真空腔管（2）、安装在真空腔管（2）下端部的磁场及温度发生器（1）；
所述真空腔管（2）内部还安插有一导向管（13），导向管（13）的外周设有导向支架（9），该导向支架（9）与真空腔管（2）的内壁滑动配合；该导向管（13）内安插有一样品杆（10），样品杆（10）的下端部安装有用于搭载待测样品的双通道样品台（5），样品杆（10）的上端部通过连接件（11）与设置在真空腔管（2）上端部的样品杆直线导轨升降系统（4）连接；样品杆直线导轨升降系统（4）驱动样品杆（10）在真空腔管（2）内作直线上下运动，并带动搭载有待测样品（15）的双通道样品台（5）在真空腔管（2）内作直线上下运动，进而改变待测样品（15）相对于磁场及温度发生器（1）之间的距离；
所述双通道室温磁热效应直接测量仪还包括温度显示记录仪（7）、控制终端（6）、直线导轨控制器（8）；
所述双通道样品台（5）内还设有用于测量双通道样品台（5）本身温度以及测量待测样品（15）本身温度的热电偶（3），热电偶（3）通过导线连接温度显示记录仪（7），由温度显示记录仪（7）实时显示待测样品（15）的温度数据；
所述磁场及温度发生器（1）通过导线连接控制终端（6），通过控制终端（6）控制磁场及温度发生器（1）的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管（2）的真空度；
所述样品杆直线导轨升降系统（4）通过导线连接直线导轨控制器（8），通过直线导轨控制器（8）驱动其伺服电机运行，进而带动样品杆（10）在真空腔管（2）内作直线上下运动，以改变待测样品（15）相对于磁场及温度发生器（1）之间的距离，进而获得待测样品（15）的励磁退磁数据；
所述样品杆（10）的杆体上套设有带透气孔（23）的导向环（14），导向环（14）的外壁与导向管（13）的内壁滑动配合，作用在于为样品杆（10）升降过程中提供导向，防止样品杆（10）晃动；
所述热电偶（3）的导线通过连接件（11）的密封接线口（12）连接外部的温度显示记录仪（7）。
2.根据权利要求1所述双通道室温磁热效应直接测量仪，其特征在于：所述双通道样品台（5）的两侧分别各开设有一凹槽（16），待测样品（15）分为两组，并分别通过绝热胶带（17）贴附在对应的凹槽（16）内；
所述热电偶（3）分为三个，其中一个设置在双通道样品台（5）上，用于测量双通道样品台（5）本身的温度；另外两个分别设置在各组待测样品（15）的中部，以测量待测样品（15）本身的温度。
3.根据权利要求2所述双通道室温磁热效应直接测量仪，其特征在于：所述样品杆直线导轨升降系统（4）设置在杜瓦罐的密封盖（22）上。
4.根据权利要求3所述双通道室温磁热效应直接测量仪，其特征在于：所述待测样品（15）为磁性材料样品。
5.一种磁性材料磁热效应的测试方法，其特征在于采用权利要求1至4中任一项所述双通道室温磁热效应直接测量仪实现，其包括如下步骤：
步骤一：打开杜瓦罐的密封盖（22），并一并取出样品杆（10）；先将磁性材料样品贴附在双通道样品台（5）两侧的凹槽（16）内；具体是先在凹槽（16）的槽底贴一层绝热胶带（17）作为衬底，然后将其中第一块磁性材料样品粘贴在其表面，接着在第一块磁性材料样品的表面放置热电偶，再将第二块磁性材料样品贴附在第一块磁性材料样品表面，最后在第二块磁性材料样品的表面粘贴一层绝热胶带；热电偶夹持在第一块磁性材料样品和第二块磁性材料样品之间；
然后将样品杆（10）置于杜瓦罐内，盖上密封盖（22）；接着初始化杜瓦罐内部磁场、温度和真空环境；
步骤二：通过直线导轨控制器（8），将磁性材料样品提升到杜瓦罐内部的最高点，并通过直线导轨控制器（8）预先设定测设条件，测设包括：样品杆（10）在真空腔管（2）内作直线上下往复的次数、速度、磁性材料样品相对于磁场及温度发生器（1）之间的距离及停留的时间，为接下来测试做准备；
步骤三：通过控制终端（6）设定磁场及温度发生器（1）的磁场强度、加热温度以及杜瓦罐内真空腔管（2）的真空度；
步骤四：待真空腔管（2）内的温度稳定后，记录此时磁性材料样品的温度T1，启动直线导轨控制器（8），开始实验，磁性材料样品进入磁场范围，随着磁性材料样品与磁场及温度发生器（1）的距离不断减小，磁性材料样品由于磁热效应温度不断升高，当温度到达最高时记录为T2；
步骤五：等待下一个温度测量点，重复步骤三、步骤四，根据△T ad=T2-T1得到当前温度T1时的绝热温变，实验不断循环，依次测量不同温度下的绝热温变值，完成△T ad-T曲线，进而获得磁性材料的绝热温变数据，实验完毕。
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