CN202854011U

CN202854011U - 高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置

Info

Publication number: CN202854011U
Application number: CN 201220287348
Authority: CN
Inventors: 雷作胜; 金效兴; 张利杰; 陈超越; 阳小华; 任忠鸣
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-06-19

Abstract

本实用新型涉及一种高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置。它包括一个真空室、一个真空泵、一个惰性气体供气装置、一个高速摄像机和一台计算机，所述真空室内设有一个悬浮线圈，在真空室外有一个低频调制信号发生装置和一个高频交流电源电连接所述悬浮线圈，所述真空泵和惰性气体供气装置分别通过各路接通真空室，所述高速摄像机镜头通过真空室上的透明窗口对准悬浮线圈，高速摄像机输出连接到计算机，还有一个红外温度计也通过透明窗口对准悬浮线圈。该装置是对现有液滴振荡法测表面张力的一个重大改进，测量精度高，基本没有增加成本，应用范围广泛，测试样品可以是常温下为固态的纯金属、合金、半导体也可以是常温下为液态的低熔点金属、电解质等所有导体或半导体的熔体或液体，具有非常重要的科学和应用价值。

Description

高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，属材料及冶金领域，具体为利用高频调幅磁场，测量液态金属、合金或其他液态时的导体或半导体表面张力进而计算出其他物性参数的装置。

背景技术

表面张力等物性参数是液态物质重要的物理性质参数，在材料科学、冶金工程、表面与胶体化学、生物学等多个学科都有重要的影响是各种化学反应和生物反应的关键因素之一。然而表面张力无法直接通过热力学微分关系式从状态方程导出，只能通过精密测量得到精确可靠的表面张力实验数据。

目前，液体表面张力可以通过座滴法、悬滴法和最大气泡压力法等成熟的技术来测定。但这些方法均需要与液体接触，对于处于热力学亚稳态的深过冷熔体及高温熔体等不再适用。上世纪七十年代悬浮液滴振荡法测金属熔体的表面张力的出现，在一定程度上解决了这个问题。然而四十年来，虽然通过修正Rayleigh方程使测量精度有了很大的提高，在悬浮设备的应用上却没有突破性的改变。

本实用新型采用一种新型的磁场施加方式即高频磁场外加低频周期调制信号的方法产生高频调幅磁场，对液滴边沿产生周期性磁场力的作用，使液滴发生多模态的振荡，再结合相应的数学计算，得到液态物质的表面张力，再通过现有经验模型的计算即可得到黏度等其他物性参数。本实用新型是对现有技术——悬浮液滴振荡法测金属熔体表面张力的一个重大改进，使测量结果更加精准，具有非常重要的科学和应用价值。

实用新型内容

针对现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，借助高频调幅磁场发生器，激发出相应的调幅磁场，使液滴表现出相应的振荡模态，进而研究出一种与液态物质非接触条件下，对液态金属、合金或其他导体或半导体的物性参数测量装置。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，包括：一个真空室、一个真空泵、一个惰性气体供气装置、一个高速摄像机和一台计算机，其特征在于所述真空室内设有一个悬浮线圈，在真空室外有一个低频调制信号发生装置和一个高频交流电源电连接所述悬浮线圈，所述真空泵和惰性气体供气装置分别通过各路接通真空室，所述高速摄像机镜头通过真空室上的透明窗口对准悬浮线圈，高速摄像机输出连接到计算机，还有一个红外温度计也通过透明窗口对准悬浮线圈。

上述高频交变电源的频率范围为10^-1~10⁵KHz；低频调制信号发生装置的低频调制信号实时调节频率范围为0.1~100Hz，精度为0.1Hz，能够产生正弦波、方波和三角波波形。

上述悬浮线圈是圆锥形或圆柱形，其线圈是金属铜制成的。

上述真空泵抽取的真空度不小于10^-5Pa；所述惰性气体是氩气或氦气。

上述高速摄像机采用以每秒大于或等于20帧的速率的摄像机。

低频周期调制信号发生装置和高频交变电源共同作用到悬浮线圈上可产生所谓的高频调幅交变磁场，用真空泵对真空室抽真空，样品放入悬浮线圈内的合适位置，并使用或不使用气体保护供气装置进行惰性气体保护，样品的水平和竖直方向上都有高速摄像机镜头实时拍摄，高速摄像机与计算机相连，红外温度计用来监控样品温度。

高频磁场的频率为10~10⁵KHz的范围内任选一个频率作为工作频率，低频周期调制信号频率调节范围为1~100Hz，精度为0.1Hz，调制发生装置，能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形。

高速摄像机以每秒不小于20 帧的速率记录液滴的振荡过程。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和进步：

本实用新型利用不同频率调幅磁场下，液滴产生不同的振荡模态，可以实现与液体非接触，亦可用在深过冷、高温等条件下对液态物质物性参数的测量。该装置是对现有液滴振荡法测表面张力的一个重大改进，测量精度高，基本没有增加成本，应用范围广泛，测试样品可以是常温下为固态的纯金属、合金、半导体也可以是常温下为液态的低熔点金属、电解质等所有导体或半导体的熔体或液体，具有非常重要的科学和应用价值。

附图说明

图1是本实用新型装置示意图；

图2是本实用新型调幅磁场耦合示意图，其中调幅磁场为方波低频调制信号；

图3是本实用新型调幅磁场耦合示意图，其中调幅磁场为三角波低频调制信号；

图4是本实用新型调幅磁场耦合示意图，其中调幅磁场为正弦波低频调制信号。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细描述，

参见图1，本高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，包括：一个真空室3、一个真空泵4、一个惰性气体供气装置8、一个高速摄像机7和一台计算机9，其特征在于所述真空室3内设有一个悬浮线圈5，在真空室3外有一个低频调制信号发生装置1和一个高频交流电源2电连接所述悬浮线圈5，所述真空泵4和惰性气体供气装置8分别通过各路接通真空室3，所述高速摄像机7镜头通过真空室3上的透明窗口对准悬浮线圈5，高速摄像机7输出连接到计算机9，还有一个红外温度计10也通过透明窗口对准悬浮线圈5。

所述高频交变电源2的频率范围为10^-1~10⁵KHz；低频调制信号发生装置的低频调制信号实时调节频率范围为0.1~100Hz，精度为0.1Hz，能够产生正弦波、方波和三角波波形。

所述悬浮线圈5是圆锥形或圆柱形，其线圈是金属铜制成的。

所述真空泵抽取的真空度不小于10^-5Pa；所述惰性气体是氩气或氦气。

所述高速摄像机7采用以每秒大于或等于20帧的速率的摄像机。

低频周期调制信号发生装置1和高频交变电源2共同作用到悬浮线圈5上可产生所谓的高频调幅交变磁场，用真空泵4对真空室3抽真空，样品6放入悬浮线圈5内的合适位置，并使用或不使用气体保护供气装置8进行惰性气体保护，样品的水平和竖直方向上都有高速摄像机7镜头实时拍摄，高速摄像机7与计算机9相连，红外温度计10用来监控样品温度。装置具体测量，包括如下步骤：

a 高频交变电源外加低频周期调制信号，从而使悬浮线圈内产生高频调幅磁场。

b 将金属试样和悬浮线圈置于真空室内，抽取真空，通或者不通惰性气体保护。

c 对于常温下的固态试样在高频调幅磁场作用下，试样熔化至液态，调节低频周期调制信号的频率使液滴发生不同振荡模态l。

d 上高速摄像机拍摄液滴水平振荡模态，侧高速摄像机拍摄液滴垂直方向液滴振荡模态。

e 根据高速摄像机拍摄的大量图片可获得液滴振荡频率，根据公式

即可计算出在某一温度下液体表面张力σ，式中：f _n为液滴振荡频率，σ为表面张力，l为振荡模态，m为液态物质质量。

f 根据经验模型可以由表面张力计算出液体的黏度、扩散系数等物性参数。具体关系式为：黏度

Figure DEST_PATH_30807DEST_PATH_IMAGE002

，扩散系数

Figure DEST_PATH_537137DEST_PATH_IMAGE003

，式中：n _L 、D _L分别是合金熔体的黏度、扩散系数；M 是绝对原子质量；r是溶质原子的半径，取值1.86nm; k是Bolzmann常数；T为热力学温度。

本实施例中，用来测定常温下是固态，加热到高温状态下样品熔化为液态的各个物性参数，本实用新型装置中低频调制发生装置，能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形，调制信号与高频磁场耦合得到高频调幅磁场，参见图2、图3和图4，悬浮线圈5在初始阶段对固态金属感应加热到某一温度使其熔化成为液态，在调幅磁场周期性力的作用下，液态金属发生多模态的振荡行为，进而根据上述公式计算出在该温度下，金属液的表面张力，进而计算出黏度、扩散系数等其他物性参数。

实施例2

本实施例与实施例1的技术方案基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，本实用新型高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置同样可以用于合金熔体高温下物性参数的测定。同样，将一定质量的合金置于线圈合适位置，抽真空并通气保护，样品悬浮并感应加热至熔化。高频调幅磁场下合金液滴发生振荡，调节调制信号发生装置的频率值，用高速摄像机记录水银液滴在不同调制频率下的振荡过程。通过数字图像分析，得到液滴在不同振动模态下的振动频率，根据上述的计算方程，得到液滴的表面张力，进而计算出黏度、扩散系数等其他物性参数。

上面结合附图对本实用新型实施例进行了说明，但本实用新型不限于上述实施例，还可以根据本实用新型的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本实用新型技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本实用新型的目的，只要不背离本实用新型的技术原理和构思，都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，包括：一个真空室（3）、一个真空泵（4）、一个惰性气体供气装置（8）、一个高速摄像机（7）和一台计算机（9），其特征在于所述真空室（3）内设有一个悬浮线圈（5），在真空室（3）外有一个低频调制信号发生装置（1）和一个高频交流电源（2）电连接所述悬浮线圈（5），所述真空泵（4）和惰性气体供气装置（8）分别通过各路接通真空室（3），所述高速摄像机（7）镜头通过真空室（3）上的透明窗口对准悬浮线圈（5），高速摄像机（7）输出连接到计算机（9），还有一个红外温度计（10）也通过透明窗口对准悬浮线圈（5）。

2.根据权利要求1所述的高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，其特征在于所述高频交变电源（2）的频率范围为10^-1~10⁵KHz；低频调制信号发生装置的低频调制信号实时调节频率范围为0.1~100Hz，精度为0.1Hz，能够产生正弦波、方波和三角波波形。

3.根据权利要求1所述的高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，其特征在于所述悬浮线圈（5）是圆锥形或圆柱形，其线圈是金属铜制成的。

4.根据权利要求1所述的高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，其特征在于所述真空泵抽取的真空度不小于10^-5Pa；所述惰性气体是氩气或氦气。

5.根据权利要求1所述的高频调幅磁场悬浮液滴物性参数测量装置，其特征在于所述高速摄像机（7）采用以每秒大于或等于20帧的速率的摄像机。