CN112577994A - 磁热效应测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁热效应测量系统，包括：永磁体、控制装置、温度装置、移动装置、采集装置；永磁体包括第一管状磁体、第二管状磁体，第一管状磁体、第二管状磁体为管状结构，中心磁场强度不同，第一管状磁体、第二管状磁体通过温度装置相连接，轴线位置设置有通道；温度装置用于为通道提供不同温度的恒温环境，移动装置用于携带样品在通道内移动；采集装置用于采集样品的温度，并将温度转换为温度信号发送给控制装置；控制装置接收外部输入的指令，并转发给作为执行部件的温度装置、移动装置、采集装置。本发明公开了一种磁热效应测量系统的测量方法。本发明能够测量材料在两个磁场强度下的磁热效应值。

Description

磁热效应测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于磁制冷技术，具体涉及一种磁热效应测量系统及测量方法。

背景技术

磁制冷技术是以磁性材料为介质的一种新型制冷技术，相比传统的气体压缩制冷技术，其具有能效高、无污染、安全、设备小型化等诸多优点，因而有望取代传统气体制冷技术。

磁制冷性能的主要影响因素之一是磁性材料的磁热效应。磁热效应是指磁性材料在外加磁场作用下，磁化时放热，退磁时吸热的过程。其具体原理是通过一个外加磁场H使磁性材料的原子磁矩的有序度发生改变，从而导致材料的温度T发生改变。可见，磁热效应对制冷性能有重要影响。

表征磁热效应的主要参数是绝热温变ΔT_ad。目前测试绝热温变的方法是通过恒温系统为测试空间提供恒温环境，再通过半闭合的永磁体对样品施加某一固定强度的磁场，通过温度传感器检测样品在该磁场下的温度T₁，最后将样品移出半闭合的永磁体，再检测样品在去除磁场后的温度T₂，从而得到样品在固定环境温度、固定磁场下的绝热温变ΔT_ad(ΔT_ad＝T₁-T₂)。

由于半闭合的永磁体只能提供某一固定强度的磁场，因而不能全面评价磁性材料的不同磁场强度下的绝热温变，磁热效应值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁热效应测量系统及方法，能够测量材料在两个磁场强度下的磁热效应值。

为达到上述目的，本发明使用的技术解决方案是：

磁热效应测量系统，包括：永磁体、控制装置、温度装置、移动装置、采集装置；永磁体包括第一管状磁体、第二管状磁体，第一管状磁体、第二管状磁体为管状结构，中心磁场强度不同，第一管状磁体、第二管状磁体通过温度装置相连接，轴线位置设置有通道；温度装置用于为通道提供不同温度的恒温环境，移动装置用于携带样品在通道内移动；采集装置用于采集样品的温度，并将温度转换为温度信号发送给控制装置；控制装置接收外部输入的指令，并转发给作为执行部件的温度装置、移动装置、采集装置。

进一步，第一管状磁体、第二管状磁体位于同一轴线上，温度装置位于第一管状磁体、第二管状磁体之间，温度装置套装在通道外部。

进一步，永磁体采用海尔贝克Halbach阵列永磁体，温度装置采用半导体冷阱，通道采用导热管，采集装置6采用Pt1000温度传感器。

进一步，第一管状磁体、第二管状磁体通过半导体冷阱连接，导热管依次穿过第一管状磁体、半导体冷阱、第二管状磁体。

进一步，移动装置包括：伺服电机、同步带、样品盒，同步带穿过通道，并且首尾相接，样品盒连接在同步带上，伺服电机用于带动同步带转动，采集装置设置在样品盒内。

进一步，样品盒与同步带活动连接，样品盒上设有放置样品的腔体，在腔体处设置有活动连接的盖子。

进一步，控制装置包括：存储元件、温度读取元件、控温元件、控位元件和输入元件；输入元件与存储元件电连接，接收输入的参数信号，并将参数信号发送给存储元件，参数信号包括：设定温度信号、位置信号、磁场强度信号；控位元件分别与伺服电机和存储元件电连接，读取存储元件中的位置信号，根据位置信号控制伺服电机动作，使样品到达设定位置；控温元件分别与温度装置和存储元件电连接，读取设定温度信号，根据设定温度信号控制温度装置的温度达到环境温度；温度读取元件分别与采集装置和存储元件电连接，接收测量温度信号，将测量温度信号转化为温度数值，并发送到存储元件存储。存储元件用于存储参数信号，存磁场强度与位置的对应关系，存储温度读取元件采集的温度数值。

磁热效应测量系统的测量方法，包括：

温度装置使通道内的环境达到测量需要的环境温度T；

移动装置携带样品进入通道，依次通过第一磁场强度的第一管状磁体的内部的区域、磁场强度为零的区域以及第二磁场强度的第二管状磁体的内部的区域，之后返回磁场强度为零的区域；依次采集样品在上述四个区域内的温度数值T1、T2、T3和T4，并将温度数值发送给控制装置；

得到样品在第一磁场强度、第二磁场强度和环境温度T下的绝热温变T2-T1或者T4-T3。

优选的，第一管状磁体、第二管状磁体采用海尔贝克Halbach阵列永磁体，将样品帖上Pt1000温度传感器，置于样品盒内，样品盒插入导热管内；启动伺服电机移动样品到设定的磁场位置；启动半导体冷阱制冷，达到设定的最低温度后保持温度，测量样品温度。

本发明技术效果包括：

1、与现有技术相比，本发明提供的磁热效应测量系统及方法中，两个中心磁场强度不同的管状永磁体为测量样品的磁热效应提供两个不同的磁场强度，同时样品移动装置携带样品在通道内移动，使样品在两个不同磁场强度与无磁场的环境中移动；而采集装置测量样品在有磁场时的温度和无磁场时的温度，最终得到样品的绝热温变，即磁热效应。由此可见，本发明可以测量样品在两个不同磁场强度下的磁热效应。

2、此外，本发明提供技术方案还可以达到下列技术效果：

(1)Halbach阵列类型的永磁体是一种新型永磁体排列方式，它将不同磁化方向的磁体按照一定的顺序排列，很容易得到在空间较理想均匀布的磁场，使得到的磁场可以集中在磁体的中心位置，获得的场强大。

(2)半导体冷阱是一种高精密度的制冷和制热仪器，其所用的制冷介质-半导体具有负的电阻温度系数，因而具有较宽的变温范围，目前可以达到-50-80℃，因而测量磁热效应的范围更广。

(3)铜的导热系数系数大，因而传热效率高，降低了测量误差。

(4)Pt1000温度传感器测温精度高，可以减小测量误差。

(5)伺服电机采用了伺服系统，靠脉冲来定位，根据脉冲与位移的对应关系，实现精确的定位，使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标任意变化，精确度可以达到0.001mm，因而用来确定样品的位置，准确度更高。

(6)设置样品盒，可以避免样品和环境进行热交换导致的测量误差，从而影响测试数据的可靠性。

(7)控制装置中设置输入元件、控位元件、控温元件和温度读取元件，可以使测量系统中的各部分实现互不干扰的控制，从而更容易实现自动化控制。

(8)存储所述采集原件采集的温度数值、磁场强度与位置的对应关系的存储元件，可以实现控制装置对测量的精确化控制，提高测量的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例一提供的磁热效应测量系统的结构示意图；

图2为本发明的实施例二提供的磁热效应测量系统的结构示意图；

图3为本发明的实施例二提供的半导体冷阱和导热管的结构示意图；

图4为本发明的实施例二提供的同步带和样品盒的连接示意图；

图5为本发明的实施例二提供的打开状态下样品盒的示意图；

图6为本发明的实施例二提供的控制装置的结构示意图。

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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例一

如图1所示，为本发明的实施例一提供的磁热效应测量系统的结构示意图。

磁热效应测量系统，包括：永磁体1、控制装置2、温度装置3、移动装置5、采集装置6。

永磁体1包括：第一管状磁体11、第二管状磁体12，第一管状磁体11、第二管状磁体12为管状结构，中心磁场强度不同，位于同一轴线上，并且第一管状磁体11、第二管状磁体12通过温度装置3连接，轴线位置设置有通道4。

温度装置3用于为通道4提供不同温度的恒温环境，位于第一管状磁体11、第二管状磁体12之间，温度装置3套装在通道4外部；移动装置5用于携带样品在通道4内移动；采集装置6用于采集样品的温度，并将温度转换为温度数值发送给控制装置2。控制装置2用于控制温度装置3、移动装置5、采集装置6，接收外部输入的指令并转发作为执行部件的温度装置3、移动装置5、采集装置6。

上述磁热效应测量系统的测量方法，具体步骤如下：

步骤1：温度装置3使通道4内的环境达到测量需要的环境温度T；

步骤2：移动装置5携带样品进入通道4，依次通过第一磁场强度的第一管状磁体11的内部的区域、磁场强度为零的区域(温度装置3所在的区域)以及第二磁场强度的第二管状磁体12的内部的区域，之后返回磁场强度为零的区域；依次采集样品在上述四个区域内的温度数值T1、T2、T3和T4，并将温度数值发送给控制装置2；

步骤3：得到样品在第一磁场强度(外加磁场强度)和环境温度T下的绝热温变T2-T1；或者，计算样品在第二磁场强度(外加磁场强度)和环境温度T下的绝热温变T4-T3。

为了更清楚的说明上述测量系统测量吸热效应的过程，本实施例提供了一个检测实例，测量前预先确定外加磁场强度H和环境温度T，测量包括下列步骤：

1、移动装置5携带样品置于通道4内第一管状磁体11的场强为H的位置；

2、温度装置3使通道4内的温度达到环境温度T；

3、采集装置6测量样品的温度数值T1；

4、移动装置5将样品移动至场强为零的位置；

5、采集装置6测量样品的温度数值T2；

6、得到在外加磁场强度为H，环境温度为T时的绝热温变Tad(Tad＝T1-T2)。

需要测量另一磁场强度下的磁效应值时，可直接将样品移动至相应的位置，重复以上第2至第6步，即可进行测量。同时，需要改变环境温度T时，也采用上述方法。由此可见，本实施例可以测量样品在两个不同磁场强度下的磁热效应。

实施例二

为了进一步改进磁热效应测量系统的性能，本发明提供了实施例二。

如图2所示，为本发明的实施例二提供的磁热效应测量系统的结构示意图；如图3所示，为本发明的实施例二提供的半导体冷阱和导热管的结构示意图。

第一管状磁体11、第二管状磁体12采用两个中心磁场强度不同的管状海尔贝克Halbach阵列永磁体，温度装置3采用半导体冷阱，通道4采用导热管，采集装置6采用Pt1000温度传感器。

半导体冷阱通过导热管将制冷或制热温度传递至通道4，即样品测试空间内，即保证了温度传递，也保证了不同磁场间的转化通过位置移动即可达到，操作更方便。其中，导热管可以选用多种材料，优选地，采用铜导热管，铜的导热系数系数大，因而传热效率高，降低了测量误差。

伺服电机51采用了伺服系统，靠脉冲来定位，根据脉冲与位移的对应关系，实现精确的定位，使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标任意变化，精确度可以达到0.001mm，因而用来确定样品的位置，准确度更高。样品盒53可以避免样品和环境进行热交换导致的测量误差，从而影响测试数据的可靠性。

第一管状磁体11、第二管状磁体12通过半导体冷阱2连接，导热管依次穿过第一管状磁体11、半导体冷阱2、第二管状磁体12；移动装置5包括：伺服电机51、同步带52、样品盒53，同步带10穿过导热管，并且首尾相接，样品盒53连接在同步带52上，伺服电机51用于带动同步带52转动，样品放置在样品盒53内，通过同步带52带动样品盒53和样品穿过导热管。采集装置6设置在样品盒53内。

如图4所示，为本发明的实施例二提供的同步带10和样品盒11的连接示意图；如图5所示，为本发明的实施例二提供的打开状态下样品盒11的示意图。

样品盒53与同步带52活动连接，样品盒52上设有放置样品的腔体54，在腔体54处设置有活动连接的盖子55。

如图6所示，为本发明的实施例二提供的控制装置2的结构示意图。

控制装置2包括：存储元件205、温度读取元件204、控温元件203、控位元件202和输入元件201。

输入元件201与存储元件205相连接，接收输入的参数信号，并将参数信号发送给存储元件205，参数信号包括：设定温度信号、位置信号、磁场强度信号；

控位元件202分别与伺服电机51和存储元件205相连接，读取存储元件205中的位置信号，根据位置信号控制伺服电机51动作，使样品到达设定位置；

控温元件203分别与半导体冷阱(温度装置3)和存储元件205相连接，读取设定温度信号，根据设定温度信号控制半导体冷阱的温度达到环境温度；

温度读取元件204分别与Pt1000温度传感器(采集装置6)和存储元件205相连接，接收测量温度信号，将测量温度信号转化为温度数值，并发送到存储元件205存储。

存储元件205用于存储参数信号，存磁场强度与位置的对应关系，存储温度读取元件204采集的温度数值。

控制装置2采用模块化设计，可以使测量系统中的各部分实现互不干扰的控制，从而更容易实现自动化控制。存储元件205采集的温度数值、磁场强度与位置的对应关系，可以实现控制装置2对测量的精确化控制，提高测量的准确度。

由此可见，本实施例提供的磁热效应测量系统不仅实现了测量两种磁场下磁热效应的目的，还可以提供较宽的环境温度范围(-50-80℃)，并且采用Pt1000温度传感器测量的样品温度精确度高；此外，选用半导体冷阱作为制冷制热装置，降温或升温速度快，缩短测量时间。即本实施例提供的测量系统：功能多、范围广、精确度高、测量效率高。

以升温降磁场测量为例，确定测量需要的外加磁场强度H，包括下列步骤：

第一步：将样品帖上Pt1000温度传感器，置于样品盒53内，样品盒53插入导热管内；

第二步：输入测温范围，再输入测量间隔(设定温度信号)，启动；

第三步：伺服电机51移动样品到设定的要求磁场位置；

第四步：启动半导体冷阱制冷，达到设定的最低温度后保持温度，测量样品温度T1；

第五步：将样品从要求磁场位置迅速旋转到零磁场位置，采集样品温度T2；

第六步：样品返零磁场位置，半导体冷阱升温一个温度间隔后，继续重复上述测量过程，直到达到设定的最高温度止，完成一次测量过程，得到一组测量数据。

最终得到每一个外加磁场强度H下，每一个环境温度下的样品的绝热温变ΔTad＝T1-T2。

其余测量功能类似上述步骤。由此可见，本实施例提供的磁热效应测量系统更进一步实现了自动化测量，并且测量准确度、精确度进一步提高。

应说明的是：以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述具体实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式和具体实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种磁热效应测量系统，其特征在于，包括：永磁体、控制装置、温度装置、移动装置、采集装置；永磁体包括第一管状磁体、第二管状磁体，第一管状磁体、第二管状磁体为管状结构，中心磁场强度不同，第一管状磁体、第二管状磁体通过温度装置相连接，轴线位置设置有通道；温度装置用于为通道提供不同温度的恒温环境，移动装置用于携带样品在通道内移动；采集装置用于采集样品的温度，并将温度转换为温度信号发送给控制装置；控制装置接收外部输入的指令，并转发给作为执行部件的温度装置、移动装置、采集装置。

2.如权利要求1所述的磁热效应测量系统，其特征在于，第一管状磁体、第二管状磁体位于同一轴线上，温度装置位于第一管状磁体、第二管状磁体之间，温度装置套装在通道外部。

3.如权利要求1所述的磁热效应测量系统，其特征在于，永磁体采用海尔贝克Halbach阵列永磁体，温度装置采用半导体冷阱，通道采用导热管，采集装置6采用Pt1000温度传感器。

4.如权利要求3所述的磁热效应测量系统，其特征在于，第一管状磁体、第二管状磁体通过半导体冷阱连接，导热管依次穿过第一管状磁体、半导体冷阱、第二管状磁体。

5.如权利要求1所述的磁热效应测量系统，其特征在于，移动装置包括：伺服电机、同步带、样品盒，同步带穿过通道，并且首尾相接，样品盒连接在同步带上，伺服电机用于带动同步带转动，采集装置设置在样品盒内。

6.如权利要求5所述的磁热效应测量系统，其特征在于，样品盒与同步带活动连接，样品盒上设有放置样品的腔体，在腔体处设置有活动连接的盖子。

7.如权利要求1所述的磁热效应测量系统，其特征在于，控制装置包括：存储元件、温度读取元件、控温元件、控位元件和输入元件；输入元件与存储元件电连接，接收输入的参数信号，并将参数信号发送给存储元件，参数信号包括：设定温度信号、位置信号、磁场强度信号；控位元件分别与伺服电机和存储元件电连接，读取存储元件中的位置信号，根据位置信号控制伺服电机动作，使样品到达设定位置；控温元件分别与温度装置和存储元件电连接，读取设定温度信号，根据设定温度信号控制温度装置的温度达到环境温度；温度读取元件分别与采集装置和存储元件电连接，接收测量温度信号，将测量温度信号转化为温度数值，并发送到存储元件存储。存储元件用于存储参数信号，存磁场强度与位置的对应关系，存储温度读取元件采集的温度数值。

8.如权利要求1～7任一项所述的磁热效应测量系统的测量方法，包括：

温度装置使通道内的环境达到测量需要的环境温度T；

移动装置携带样品进入通道，依次通过第一磁场强度的第一管状磁体的内部的区域、磁场强度为零的区域以及第二磁场强度的第二管状磁体的内部的区域，之后返回磁场强度为零的区域；依次采集样品在上述四个区域内的温度数值T1、T2、T3和T4，并将温度数值发送给控制装置；

得到样品在第一磁场强度、第二磁场强度和环境温度T下的绝热温变T2-T1或者T4-T3。

9.如权利要求8所述的磁热效应测量系统的测量方法，其特征在于，第一管状磁体、第二管状磁体采用海尔贝克Halbach阵列永磁体，将样品帖上Pt1000温度传感器，置于样品盒内，样品盒插入导热管内；启动伺服电机移动样品到设定的磁场位置；启动半导体冷阱制冷，达到设定的最低温度后保持温度，测量样品温度。

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