CN109883808A - 一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置及方法。属于接触熔化传热研究领域，配合激光干涉测量技术，用于恒温加热熔化相变材料，辅助探究接触熔化过程中微液膜的厚度变化，包括水浴加热模块、温度监测模块、计算机采集处理模块以及反馈加热模块。本发明利用泡沫金属高导热和对流场的强扰动特性实现基本的恒温加热功能；利用镀有增透膜的导电玻璃，保证干涉光路的通过；利用测温单元电阻与温度的单值对应关系，实现装置运行过程中对平板面上的温度场进行在线监控；利用计算机采集处理模块处理采集的温度信号，向反馈加热模块发送指令；利用反馈加热模块的加热电路，进行自校准补偿控温功能以实现更高精度的恒温全场加热。

Description

一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置及方法

技术领域

本发明属于接触熔化传热研究领域，主要配合激光干涉测量技术，用于恒温加热熔化相变材料，辅助探究接触熔化过程中微液膜的厚度变化。

背景技术

紧密接触熔化在工业领域有着广泛应用，例如能源储存、核技术、减材制造等等，因此准确预测熔化过程中的传热传质过程和机理对工程有着巨大的意义。目前在该领域的理论预测不在少数，但无法很好地满足实验要求。

在熔化过程中，微液膜的厚度以及流动状态对传热传质的影响巨大。而激光测量则具有非接触式、测量精度高等优势，因此可以利用激光干涉测量微液膜厚度的变化过程。

然而激光测量对于加热台提出的要求在于需要有合适的光路通道引导激光穿过微液膜。对于恒热流的加热，可以直接利用ITO玻璃进行电加热，操作简单易行，但是若要制造恒温加热的环境则存在难度，因此大部分的实验都止步于恒热流加热。另外，在目前的恒温加热手段中，另一难点在于无法判断加热过程中恒温性能，若用大量的热电偶铺设其中，则必然影响恒温加热台的导热性以及透光性。

发明内容

本发明针对以上技术难点，一方面提出了一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置及方法。所述装置属于接触熔化传热研究领域，主要配合激光干涉测量技术，用于恒温加热熔化相变材料，辅助探究接触熔化过程中微液膜的厚度变化，包括水浴加热模块、温度监测模块、计算机采集处理模块以及反馈加热模块。本发明利用泡沫金属高导热和对流场的强扰动特性实现基本的恒温加热功能；利用镀有增透膜的导电玻璃，保证干涉光路的通过；利用温度检测模块中的测温单元电阻与温度的单值对应关系，实现装置运行过程中对平板面上的温度场进行在线监控；利用计算机采集处理模块处理采集的温度信号，向反馈加热模块发送指令；利用反馈加热模块的加热单元，进行自校准补偿控温功能以实现更高精度的恒温全场加热。

优选的，所述的水浴加热模块包含有恒温水泵和加热主体；所述的温度监测模块包括由测温单元构成的测温阵列；所述的计算机采集处理模块包含能够采集检测阵列所得数据和处理产生控制加热阵列信号的功能；所述的反馈加热模块包括由加热单元构成的加热阵列；

优选的，所述的加热主体由法兰、下玻璃板、下密封圈、基座、上密封圈、上玻璃板、压块自下而上装配组成，即上玻璃板通过压块和上密封圈与金属基座连接，下玻璃板通过法兰和下密封圈与基座连接，构成封闭的水浴空间。基座内部填充有泡沫金属，两侧开有进出水口与恒温水浴连接，水在基座内被泡沫金属充分扰动，使加热主体具有一定的恒温加热功能。

所述的泡沫金属中心开有通孔，激光可依次穿过下玻璃板、泡沫金属通孔、上玻璃板，两块玻璃板均经过光学抛光处理并涂有合适的增透膜以增加对激光的透射率。

所述的上玻璃板为导电玻璃，使用测控溅射和光刻手段，在在上玻璃板的两面布置有透明的测温阵列和加热阵列。其中测温单元通过测温电路连接形成面向相变材料侧的测温阵列，加热单元通过加热电路连接形成面向基座内部侧的加热阵列。阵列的间距、大小、排布可根据具体需求进行设计。

所述的测温单元利用当地电阻值与温度的单值对应关系进行原位测量。测温单元一般选用电阻随温度变化敏感且阻值较小的金属，如铂等。

所述的加热单元利用局部电流热效应进行原位补偿加热，对该区域的温度进行矫正和精调。加热单元一般可选用电阻较大的材料，如ITO等。

所述的测温电路和加热电路分别把测温和加热阵列与计算机采集处理模块连接。为减少测量误差，测温电路材料一般可选用电阻温度系数较小的材料；为防止电流热效应，加热电路材料一般可选用电阻较小的材料，如铜等。

所述的计算机采集处理模块收集测温阵列传送回的电阻信息，将其转化为温度场信息。随后将所测温度场信息与设定值比较，从而控制加热阵列进行温度场修正。

本发明另一方面提供了所述具有自检测校准功能的透明恒温加热装置的工作方法，具体如下：

在干涉测量开始前对加热台进行提前预热。其方法为开启恒温水浴，设定为所需要的恒温加热温度，同时开启计算机采集处理模块，恒温水浴中的循环水逐渐加热上玻璃板，上玻璃扳的测温阵列的各测温单元的电阻值随当地温度发生变化。计算机采集处理模块检测到测温阵列反馈的电阻值散点信息，将其转化为温度场信息，与设定值对比后控制各个加热单元进行辅助加热，实现对恒温性能的补偿。当计算机系统中显示的上玻璃板温度场达到基本恒定后，则说明加热台上玻璃板表面温度已达到设定温度。当加热台表面温度稳定后，开启配合的激光干涉测量光路，再把被测相变材料样品缓慢平稳地放置在加热台中心启动后续的液膜厚度测量过程。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)因为采用了恒温水浴进行主要控温的技术手段，克服了以往采用电加热手段受限于环境温度进而导致低熔点相变材料难以匹配测量的技术问题，进而达到了任意调节温度进行恒温加热和扩展至了可测相变材料的熔点范围。

(2)因为采用了中心开孔的高导热系数泡沫金属作为腔体填充物的技术手段，克服了实现流场扰动和保证干涉光路畅通的技术矛盾，进而达到了强化上下游温度均匀性和保证干涉光路不变形的技术效果。

(3)因为采用了通过磁控溅射和光刻手段加工得到的加热阵列，克服了仅仅依靠流场结构优化无法完全保证加热表面均温性达到实验预期的技术问题，进而达到了使用该加热阵列实现定区域局部补偿加热从而改善加热表面均温性的技术效果。

(4)因为采用了通过磁控溅射和光刻手段加工得到的测温阵列，克服了无法获知加热表面温度场信息指导辅助加热的技术困难，从而达到了在保证装置的通透性的同时又能够测量加热表面温度场信息以辅助控制加热阵列的技术效果。

附图说明

图1为一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置应用系统图。

图2为透明恒温加热装置原理图

图3为加热主体细节图。

附图中，各部件列表如下：压块1，上玻璃板2，上密封圈3，泡沫金属4，基座5，下密封圈6，下玻璃板7，法兰8，进出水口9，测温单元10，测温电路11，加热单元12，加热电路13。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步详细说明。

一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置包括水浴加热模块、温度监测模块、计算机采集处理模块以及反馈加热模块；

如图1和2所示，加热装置实现恒温加热的来源主要是恒温水浴，对温度的精控制则通过检测阵列、加热阵列以及计算机采集处理模块进行；

如图3所示，加热主体由法兰8、下玻璃板7、下密封圈6、基座5、上密封圈3、上玻璃板2、压块1自下而上装配组成；加热主体内部填充有适量泡沫金属4，以增加恒温性能；金属基座5两侧开有进出水口9，与恒温水浴循环泵连接。

如图3所示，上玻璃板为导电玻璃，使用测控溅射和光刻手段，在在上玻璃板的两面布置有测温阵列和加热阵列。其中测温单元10通过测温电路11连接形成面向相变材料侧的测温阵列，加热单元通12过加热电路13连接形成面向基座内部侧的加热阵列。阵列的间距、大小、排布可根据具体需求进行设计。

如图1所示，在本发明实施实例中采用相变材料作为被加热材料。样品被加热至熔点以上，伴随有熔化过程发生，并利用激光测量技术测量样品熔化过程中的微液膜厚度。其具体实施方法如下：

在加热相变材料前，对加热装置进行预热。其方法为开启恒温水浴，设定为所需要的恒温加热温度，同时开启计算机采集处理模块，恒温水浴中的循环水逐渐加热上玻璃板，上玻璃扳的测温阵列的各测温单元的电阻值随当地温度发生变化。计算机采集处理模块检测到测温阵列反馈的电阻值散点信息，将其转化为温度场信息，与设定值对比后控制各个加热单元进行辅助加热，实现对恒温性能的补偿。当计算机系统中显示的上玻璃板温度场达到基本恒定后，则说明加热台性能稳定。

之后开启激光测量光路，如图1所示，使激光从底部经过下玻璃板、上玻璃板到达加热台上表面。

将保温好的相变材料放置于加热板之上，即开始熔化过程，同时开启干涉图像的记录。

熔化过程中，加热台的上表面恒温状况可能发生细微变动。这可以从计算机中进行观察，由于温度的细微变动，导致所在位置处的测温单元电阻值发生变化，计算机读取该变化量并转化为温度值，反映出熔化过程中的温度场分布，进行实时在线监控。另外，加热阵列也会对温度的细微变动进行补偿加热，实时保证加热装置的良好恒温性。

Claims (10)

1.一种具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于包括水浴加热模块、温度监测模块、计算机采集处理模块以及反馈加热模块；

所述的水浴加热模块包含有恒温水浴和与恒温水浴连通的加热主体；所述的温度监测模块包括由测温单元(10)构成的测温阵列；所述的反馈加热模块包括由加热单元(12)构成的加热阵列；所述的计算机采集处理模块能够采集测温阵列所得数据并控制加热阵列加热；

所述的加热主体为一水浴空间；水浴空间开有进出水口与恒温水浴连接；水浴空间上下两个面分别为上玻璃板(2)和下玻璃板(7)，水浴空间内部填充有泡沫金属(4)；泡沫金属(4)中心开有通孔，激光可依次穿过下玻璃板(7)、泡沫金属(4)中心通孔、上玻璃板(2)；

所述的上玻璃板(2)为导电玻璃，使用测控溅射和光刻手段，在所述上玻璃板(2)的上表面布置测温阵列位，在所述上玻璃板(2)的下表面布置加热阵列。

2.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的加热主体由法兰(8)、下玻璃板(7)、下密封圈(6)、基座(5)、上密封圈(3)、上玻璃板(2)、压块(1)自下而上装配组成，即上玻璃板(2)通过压块(1)和上密封圈(3)与基座(5)连接，下玻璃板(7)通过法兰(8)和下密封圈(6)与基座(5)连接，构成水浴空间；基座(5)内部填充有泡沫金属(4)，两侧开有进出水口与恒温水浴连接，水在基座(5)内被泡沫金属(4)充分扰动，使加热主体具有恒温加热功能。

3.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的下玻璃板(7)、上玻璃板(2)均经过光学抛光处理并涂有增透膜以增加对激光的透射率。

4.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述测温单元(10)通过布置在上玻璃板(2)上表面的测温电路(11)连接形成面向相变材料侧的测温阵列，加热单元(12)通过布置在上玻璃板(2)下表面的加热电路(13)连接形成面向基座(5)内部侧的加热阵列。

5.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的测温单元(10)利用电阻值与温度的单值对应关系进行原位测量。

6.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的加热单元(12)利用局部电流热效应进行原位补偿加热，对加热单元(12)附近区域的温度进行矫正和精调。

7.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的测温电路(11)和加热电路(13)分别把测温阵列和加热阵列与计算机采集处理模块连接。

8.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的计算机采集处理模块收集测温阵列传送回的电阻信息，将其转化为温度场信息；随后将所测温度场信息与设定值比较，从而控制加热阵列进行温度场修正。

9.根据权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置，其特征在于所述的测温单元(10)和加热单元(12)在上玻璃扳(2)上的排布方式相同，关于上玻璃扳(2)上下对称。

10.一种权利要求1所述的具有自检测校准功能的透明恒温加热装置的工作方法，其特征在于：

为配合激光干涉测量被测相变材料样品在底部恒温加热条件下熔化产生的液膜厚度，在干涉测量开始前需对加热台进行提前预热，其方法为开启恒温水浴，设定为所需要的恒温加热温度，同时开启计算机采集处理模块，恒温水浴中的循环水逐渐加热上玻璃板(2)，上玻璃扳(2)的测温阵列的各测温单元(10)的电阻值随当地温度发生变化；计算机采集处理模块检测到测温阵列反馈的电阻值散点信息，将其转化为温度场信息，与设定值对比后控制各个加热单元(12)进行辅助加热，实现对恒温性能的补偿。当计算机系统中显示的上玻璃板(2)温度场达到基本恒定后，则说明加热台上玻璃板表面温度已达到设定温度。当加热台表面温度稳定后，开启配合的激光干涉测量光路，再把被测相变材料样品缓慢平稳地放置在加热台中心启动后续的液膜厚度测量过程。