CN112730507A - 一种液体比热容测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体比热容测量系统及测量方法，其中系统包括：动力部、预加热部、测试部、压力控制部、取样部及数据处理部；所述动力部、所述预加热部、所述测试部、所述压力控制部及所述取样部依次通过管道连接且连通，所述数据处理部与所述测试部、所述动力部电性连接；其中，所述测试部具体包括：保温装置、测试管道、加热装置及冷却管，所述保温装置设置于所述测试管道上，所述加热装置设置于所述测试管道的两侧，所述冷却管设置于所述测试管道的下方且所述加热装置内部通有冷却气体；本发明解决多参数、多通道数据采集测控技术及实时测控和数据后处理技术。
Description
技术领域
本发明涉及分析测量装置技术领域，更具体的说是涉及一种液体比热容测量系统及测量方法。
背景技术
目前，比热容作为物质的重要的热物性参数之一，比热容的精确测量在鉴定物质的纯度、研究物质的结构、以及检验状态方程等方面起着非常重要的作用，它对物理学和化学的理论研究及许多与化工、能源和材料有关的工程设计均有重要意义。
但是，液体比热测量的基本原理和测量方法变化不大，其先进性的关键在于液体热量变化与温度的准确测量。国外，德国卡尔斯鲁厄大学的Ernst等最早搭建了适用于高压液体定压比热容测量的实验装置，可应用于不同的温度压力范围。国内，西安交通大学的赵小明等最早采用流动量热法搭建的高压液体定压比热容测量装置的测量压力最高12MPa，温度范围为280K至470K，测量精度在0.6％之内。目前，市场上成型的可测量液体比热的仪器有：1)法国塞塔拉姆公司的C80微量热仪，温度范围为室温～300℃，而本项目需要测量液体在-40～350℃的比热容；2)美国DECAGON公司的KD2Pro热特性分析仪，温度范围为-50～150℃，比热测量精度为5％，其温度范围和测量精度达不到本项目要求；3)日本京都电子工业株式会社(KEM)的SHA-500液体比热容测定仪，温度范围为4～85℃，温度范围较窄。4)中国西安夏溪电子科技有限公司的HC2000液体比热计，温度测量范围-20～150℃；其他的大多比较简陋、集成化与自动化程度比较低，应用范围受到限制，很难满足高温或者低温区域液体比热容的测量需求。
综上，现有的液体比热容测量仪器设备存在温度测量范围窄、精度较低、集成与自动化程度低，很难满足在高温或者低温区域的液体比热容测量需求，有必要研制高温或者低温区域液体的高精度比热容测量仪器。因此，如何提供一种自动化程度高且温度测量范围宽的液体比热容测量系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种液体比热容测量系统及测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种液体比热容测量系统，包括：动力部、预加热部、测试部、压力控制部、取样部及数据处理部；
所述动力部、所述预加热部、所述测试部、所述压力控制部及所述取样部依次通过管道连接且连通，所述数据处理部与所述测试部、所述动力部电性连接；
其中，所述测试部具体包括：保温装置、测试管道、加热装置及冷却管，所述保温装置设置于所述测试管道上，所述加热装置设置于所述测试管道的两侧，所述冷却管设置于所述测试管道的下方且所述加热装置内部通有冷却气体。
优选的，所述保温装置包括：在测试管道的两侧均依次设置有保温箱及保温棉，并可设置温度控制器调节温度；
通过设置保温箱在测试管道外创造一个封闭空间，并在测试管道与保温箱接触处用隔热密封剂来确保真空腔内的密封和系统的绝缘。保温箱用于对测试管进行保温绝热，并在保温箱外覆盖一层保温棉对其进一步保温。
保温箱的加热采用温度控制器，以此来调节调压器，保持保温箱的温度，当箱内温度低于设定温度时，调节变压器对保温箱进行加热，当箱内温度接近设定温度，停止加热；并且保温箱空腔密封，目的是为了减少了壁面与空气的对流换热；另外，冷却管内通入冷却氮气，一方面用于在低温区域(低于环境温度)下的测量，另一方面用于高温区域测量后的冷却。
优选的，所述测试部还包括：第一温度传感器及第二温度传感器，所述第一温度传感器及第二温度传感器分别设置于所述测试管道的进口及出口处。
优选的，所述动力部包括：样品容器、平流泵、流量计及调节阀，
所述样品容器、所述平流泵、所述流量计及所述调节阀依次通过管道连接且连通。
优选的，所述预加热部包括：恒温槽、螺旋盘管；
所述螺旋盘管的一端通过管道与所述调节阀连接且连通，另一端通过管道与所述测试管道连接且连通，且所述螺旋盘管设置于所述恒温槽内部。
优选的，所述压力控制部包括：第一冷凝管、压力传感器及背压阀，
所述第一冷凝管与所述测试管道连接且连通，所述第一冷凝管与所述背压阀通过管道连接且连通，所述压力传感器设置于所述测试管道及所述第一冷凝管之间。
优选的，所述取样部包括：天平、三相阀及回收容器，所述三相阀与所述天平、所述背压阀及所述回收容器连接且连通。
优选的，所述数据处理部包括：中央处理器及远程平台，
所述中央处理器与所述远程平台通讯连接，所述中央处理器依次与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述流量计、所述压力传感器、所述天平及所述恒温槽电性连接。
一种液体比热容测量方法，包括：
S1：通过所述流量计测试液体的流量，通过所述第一温度传感器及所述第二温度传感器分别检测所述测试管道的进口温度及出口温度以得到液体的温升，所述天平测量液体的质量，通过上述参数得到液体比热容的表达式为：
式中，Cpexp为比热容，m为液体质量，ΔT为温升，QL为散失热量，cp为实验比热容；
S2：判断散失热量QL是否为零，若为零则Cpexp＝cp，若不为零则进入步骤S3进行修正；
S3：当散失热量QL不为零进行修正时，保持温升ΔT不变，改变液体的流量值，此时比热容Cpexp和1/m应是直线线性关系，若直线是水平的，则说明散失热量QL＝0，则Cpexp＝cp；若散失热量QL≠0，则当1/m＝0即时，此时Cpexp＝cp。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种液体比热容测量系统及测量方法，具有如下有益效果：
1)通过设置保温装置解决在高温高压或者低温高压下流动型实验系统的动力和密封问题，最大限度减少散热损失，提高测量精度；
2)解决温度变化的控制与精确测量问题，提高温度控制与温度测量的精度；
3)解决多参数、多通道数据采集测控技术及实时测控和数据后处理技术，实现液体比热容的温度、压力、流量、质量、电压和电流的在线测量和控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种液体比热容测量系统的结构示意图；
图2附图为本发明提供的测试部的结构示意图；
图3附图为本发明提供的数据处理部的结构原理框图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种液体比热容测量系统，包括：动力部1、预加热部2、测试部3、压力控制部4、取样部5及数据处理部6，
动力部1、预加热部2、测试部3、压力控制部4及取样部5依次通过管道连接且连通，数据处理部6与测试部3、动力部1电性连接；
其中，测试部3具体包括：保温装置31、测试管道32、加热装置33及冷却管39，保温装置31设置于测试管道32上，加热装置33设置于测试管道32的两侧，冷却管39设置于测试管道32的下方且加热装置33内部通有冷却的氮气。
具体的，测试管道32可采用材料不锈钢SUS630(Φ3×0.5mm)，该不锈钢管具有高强度、高硬度、较好的焊接性能和耐腐蚀性，也可实现强酸、强碱以及其他腐蚀性液体的测量。
在一个具体的实施例中，测试部3还包括：第一温度传感器34及第二温度传感器35，第一温度传感器34及第二温度传感器35分别设置于测试管道32的进口及出口处。
具体的，第一温度传感器34流体设置在测试管道32的进口处，数量可以为2个，可以采用两个Φ1.5mm的铂电阻测量，将流体温度的平均值作为所测流体的定性温度，第二温度传感器35同样可采用上述设置；还可设置第三温度传感器36用来监测壁温，数量可以为5个，在测试管道32的外壁上点焊5个热电偶用来监测壁温。
优选的，保温装置包括：在测试管道的两侧均依次设置有保温箱37及保温棉38，并可设置温度控制器调节温度；
在一个具体的实施例中，动力部1包括：样品容器11、平流泵12、流量计13及调节阀14，
样品容器11、平流泵12、流量计13及调节阀14依次通过管道连接且连通。
在一个具体的实施例中，预加热部2包括：恒温槽21、螺旋盘管22；
螺旋盘管22的一端通过管道与调节阀14连接且连通，另一端通过管道与测试管道32连接且连通，且螺旋盘管22设置于恒温槽21内部。
在一个具体的实施例中，压力控制部4包括：第一冷凝管41、压力传感器42及背压阀43，
第一冷凝管41与测试管道32连接且连通，第一冷凝管41与背压阀43通过管道连接且连通，压力传感器42设置于测试管道32及第一冷凝管41之间。
在一个具体的实施例中，取样部5包括：天平51、三相阀52及回收容器53，三相阀52与天平51、背压阀43及回收容器53连接且连通，回收容器置于天平51上。
在一个具体的实施例中，数据处理部6包括：中央处理器61及远程平台62，
中央处理器61与远程平台62通讯连接，中央处理器61依次与第一温度传感器34、第二温度传感器35、流量计13、压力传感器42、天平51及恒温槽21电性连接。
实施例2
本实施例2提供一种液体比热容测量方法，包括：
S1：通过流量计13测试液体的流量，通过第一温度传感器34及第二温度传感器35分别检测测试管道32的进口温度及出口温度以得到液体的温升，天平51测量液体的质量，通过上述参数得到液体比热容的表达式为：
式中，Cpexp为比热容，m为液体质量，ΔT为温升，QL为散失热量，cp为实验比热容；
其中，温升的表达式为：ΔT＝Tm-Tb
式中，Tm为出口温度，Tb为入口温度；
S2：判断散失热量QL是否为零，若为零则Cpexp＝cp，若不为零则进入步骤S3进行修正；
在温度不太高的情况下，利用流动型方法来测量液体比热容，测量精度比较高。然而，如果要进行高温或者低温区域的测量，测试本体与外界温差很大，存在管路导热损失、对流损失和辐射损失等；在高压下，测量本体及整个管路和阀门的泄露会导致流体流动的不稳定，进而导致液体比热容测量的准确性。上述这两个问题是此方法在实际应用中的最大问题。因此，本发明一方面采取在高温或者低温区域的保温措施，减少漏热损失；另一方面采取一种标定漏热量的方法进行液体比热容的计算，具体为：
S3：当散失热量QL不为零进行修正时，保持温升ΔT不变，改变液体的流量值，此时比热容Cpexp和1/m应是直线线性关系，若直线是水平的，则说明散失热量QL＝0，则Cpexp＝cp；若散失热量QL≠0，则当1/m＝0即时，此时Cpexp＝cp。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种液体比热容测量系统，其特征在于，包括：动力部(1)、预加热部(2)、测试部(3)、压力控制部(4)、取样部(5)及数据处理部(6)，
所述动力部(1)、所述预加热部(2)、所述测试部(3)、所述压力控制部(4)及所述取样部(5)依次通过管道连接且连通，所述数据处理部(6)与所述测试部(3)、所述动力部(1)电性连接；
其中，所述测试部(3)具体包括：保温装置(31)、测试管道(32)、加热装置(33)及冷却管(39)，所述保温装置(31)设置于所述测试管道(32)上，所述加热装置(33)设置于所述测试管道(32)的两侧，所述冷却管(39)设置于所述测试管道(32)的下方且所述加热装置(33)内部通有冷却气体。
2.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述测试部(3)还包括：第一温度传感器(34)及第二温度传感器(35)，所述第一温度传感器(34)及第二温度传感器(35)分别设置于所述测试管道(32)的进口及出口处。
3.根据权利要求2所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述动力部(1)包括：样品容器(11)、平流泵(12)、流量计(13)及调节阀(14)，
所述样品容器(11)、所述平流泵(12)、所述流量计(13)及所述调节阀(14)依次通过管道连接且连通。
4.根据权利要求1所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述预加热部(2)包括：恒温槽(21)、螺旋盘管(22)；
所述螺旋盘管(22)的一端通过管道与所述调节阀(14)连接且连通，另一端通过管道与所述测试管道(32)连接且连通，且所述螺旋盘管(22)设置于所述恒温槽(21)内部。
5.根据权利要求4所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述压力控制部(4)包括：第一冷凝管(41)、压力传感器(42)及背压阀(43)，
所述第一冷凝管(41)与所述测试管道(32)连接且连通，所述第一冷凝管(41)与所述背压阀(43)通过管道连接且连通，所述压力传感器(42)设置于所述测试管道(32)及所述第一冷凝管(41)之间。
6.根据权利要求4所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述取样部(5)包括：天平(51)、三相阀(52)及回收容器(53)，所述三相阀(52)与所述天平(51)、所述背压阀(43)及所述回收容器(53)连接且连通。
7.根据权利要求5所述的一种液体比热容测量系统，其特征在于，所述数据处理部(6)包括：中央处理器(61)及远程平台(62)，
所述中央处理器(61)与所述远程平台(62)通讯连接，所述中央处理器(61)依次与所述第一温度传感器(34)、所述第二温度传感器(35)、所述流量计(13)、所述压力传感器(42)、所述天平(51)及所述恒温槽(21)电性连接。
8.一种液体比热容测量方法，其特征在于，包括：
S1：通过所述流量计(13)测试液体的流量，通过所述第一温度传感器(34)及所述第二温度传感器(35)分别检测所述测试管道(32)的进口温度及出口温度以得到液体的温升，所述天平(51)测量液体的质量，通过上述参数得到液体比热容的表达式为：
式中，Cpexp为比热容，m为液体质量，ΔT为温升，QL为散失热量，cp为实验比热容；
S2：判断散失热量QL是否为零，若为零则Cpexp＝cp，若不为零则进入步骤S3进行修正；
S3：当散失热量QL不为零进行修正时，保持温升ΔT不变，改变液体的流量值，此时比热容Cpexp和1/m应是直线线性关系，若直线是水平的，则说明散失热量QL＝0，则Cpexp＝cp；若散失热量QL≠0，则当1/m＝0即时，此时Cpexp＝cp。
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| 郑煜鑫等: "采用流动型绝热量热法测量航空煤油的比热容", 《山西建筑》, vol. 44, no. 3, 31 January 2018 (2018-01-31), pages 2 - 4 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112730507B (zh) * | 2020-12-09 | 2024-01-19 | 西安航空学院 | 一种液体比热容测量系统及测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112730507B (zh) | 2024-01-19 |
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