CN204374028U - 一种带加热功能的高温流体密度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带加热功能的高温流体密度测试装置，包括支撑装置、坩埚炉、加热控制器、温度传感器和称重装置，坩埚炉中，底板上设有多个加热管，坩埚的底部设有多个传热管，多个加热管由下而上置于对应的传热管内，上盖盖装于坩埚上，上盖设有中心通孔；温度传感器的感应端置于坩埚内，加热控制器控制加热管的功率；称重装置中，外壳置于支撑装置上，外壳上设有外壳通孔，浮子由上而下穿过上盖的中心通孔后置于坩埚内并位于多个传热管围成的区域内，浮子通过浮子连杆与称重传感器的感应端连接，称重传感器的输出端穿过外壳后通过信号采集器与处理器连接。通过本实用新型能够进行高温流体工质的密度测量，并能获取高温熔体的密度极值。

Description

一种带加热功能的高温流体密度测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种流体密度测试装置，尤其涉及一种带加热功能的高温流体密度测试装置。

背景技术

材料产业作为制造业发展的基础，已成为当今国际科技和产业竞争的重点领域之一。2010年中国国务院印发了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，将新材料产业列入七大战略性新兴产业，指出了新材料在国民经济和社会发展中的基础性、关键性作用。之后，“十二五”发展规划再次指出要发展新材料产业，并重点发展特种金属功能材料等产业群。作为功能材料中具有宝贵物理特性的晶体材料，由于其能实现电、磁、声、光和热等各种能量形式的转换，被广泛地应用在航天航空、国防工业、电子通信等技术当中，是现代科技及其产业不可或缺的重要材料。随着工业的发展，人们对晶体材料的质量要求越来越高，天然生长的晶体无论是从数量上，还是从质量上已经远不能满足工业需求，因此通过人工方法生长晶体受到了人们的高度重视。密度是晶体材料性质的最基本参数,反映了物质致密的程度,是结构变化敏感物理性质之一。不同于密度随温度线性减小的常规流体，硅、镓、锗、HgCdTe及CdZnTe等常用晶体材料在高温熔融状态时其密度并不是温度的单调函数，而是在某一特定温度下存在一个密度极值，当温度偏离此特定值时，密度均减小，此时，密度极值两侧的流体层密度梯度方向分别与温度梯度方向相同或相反，形成强度近似的双涡胞或者多涡胞流动结构，其会改变晶体结晶界面的温度场和浓度场分布，从而影响生长界面的推移和掺杂物在晶体中的均匀分布，即宏观偏析。另外，流体系统极不稳定，熔池内常产生速度、温度和浓度的涨落，这将引起晶体中化学成分的变化，导致晶体条纹的出现，即微观偏析。微观偏析导致晶体性能的不均匀，并产生位错和应力的不均匀，甚至严重影响晶体的性能。因而，准确测量晶体材料熔融状态(熔体)时密度随温度的变化曲线，找出密度极值点所对应的温度，在晶体生长中避免密度倒置特性的影响可以大幅度提高晶体质量及生长规模。另外，获取工质在较高温时的密度也是热力学函数的计算及无机材料和冶金工程等领域工程设计所需的基本参数。

现阶段传统的密度测试方法仍以浮力法为主，测试设备主要包括浮子、连接杆、称、烧杯、测试台等。测试时，将一定质量体积的浮子放置在被测液体中，浮子上方有连接绳连接称。通过称得浮子在液体中的重量，减去空气中浮子的重量，获取其在水中的浮力。利用阿基米德原理，即浮子在水中的浮力等于相同体积水的重量，除以浮子的体积，计算得到密度。密度计算公式为：

浮力法测量常温液体密度已经较为成熟可靠，但是将这种方法用到晶体材料熔体等高温流体密度极值的测量中，却鲜有文献报道。晶体材料熔体通常温度较高，常用的液体密度测试装置无法完成待测工质的加热、温度的控制、不同温度下工质密度的实时测量等，进而无法得到熔体的密度极值。

传统液体密度测试装置的局限性较大，仅仅能够测量常温情况下的液体密度，并不便于获取高温熔体密度极值。这是由于：

1、常用的密度测试装置仅用来测量常温液体密度，测试装置并没有相应的温度加热、温度控制系统，而晶体材料熔点通常都较高，例如硅的熔点在1400℃以上。此时，常温液体密度测试装置因其材料承受温度的限制而不再适用。需要设计一套具有温度加载功能的用于高温测试环境的密度测试装置。

2、传统的液体密度测试采用离线测量，称重采用机械式，手工记录，计算重量。这种情况下，测得的液体密度为某个温度点的密度。而工质密度往往随着温度呈连续性变化，传统的液体密度测试装置无法实时同步检测，即不能准确获取密度实时变化规律，进而不利于待测工质密度极值的确定。

3、传统的浮子与称连接采用细绳连接，这就要求待测工质密度小于浮子密度才可进行测量，而晶体材料的熔体密度通常较大，一般的浮子无法沉浸在流体中，且高温环境下常用的细绳容易烧断，无法起到连接浮子以传递浮力的作用，此时传统液体密度测量系统已经无法适用。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于高熔点工质密度测量的带加热功能的高温流体密度测试装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种带加热功能的高温流体密度测试装置，包括支撑装置，还包括坩埚炉、加热控制器、温度传感器和称重装置，所述坩埚炉包括底板、坩埚和上盖，所述底板的上表面上的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个竖向的加热管，所述坩埚的底部的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个置于所述坩埚内且竖向的传热管，所述传热管的顶部封闭且底部开口，多个所述加热管与多个所述传热管一一对应且分别由下而上置于对应的所述传热管内，所述上盖盖装于所述坩埚上，所述上盖的中心位置设有中心通孔，所述温度传感器的感应端置于所述坩埚内或所述坩埚的壁内；所述加热控制器的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端连接，所述加热控制器的输出端与所述加热管的输入端连接；所述称重装置包括外壳、浮子、浮子连杆、称重传感器、信号采集器和处理器，所述外壳置于所述支撑装置上，所述外壳上的一侧壳壁上设有外壳通孔，所述浮子由上而下穿过所述上盖的中心通孔后置于所述坩埚内并位于多个所述传热管围成的区域内，所述浮子与所述浮子连杆的下端连接，所述浮子连杆的上端与所述称重传感器的感应端连接，所述称重传感器的输出端穿过所述外壳上的外壳通孔后置于所述外壳内，所述称重传感器的输出端与所述信号采集器的输入端连接，所述信号采集器的输出端与所述处理器的输入端连接。

上述结构中，坩埚炉用于作为熔化待测工质的容器，通过加热管加热、传热管传热后，将热量传递至坩埚内，使待测工质在坩埚内熔化，从而为高熔点工质的流体密度测试提供条件；加热控制器是根据检测到的实际温度来确定输出电流、从而通过改变电流来改变加热管产生的热量的部件，是一种应用成熟的常规部件，其具体结构在此不再赘述；温度传感器用于将坩埚内或坩埚壁的温度进行实时采集后传输给加热控制器；称重装置用于对浮子的拉力或推力进行测量，从而为待测工质的流体密度计算提供基础。

作为优选，所述坩埚和所述传热管为一体成型结构。

作为优选，所述底板、所述坩埚、所述传热管、所述上盖、所述浮子和所述浮子连杆均为刚玉材质，所述加热管为钨加热管。

为了减少热量损耗，所述坩埚炉外包覆有隔热层。

为了便于安装称重传感器，所述外壳的外壳通孔的底部设有垫块，所述称重传感器置于所述垫块上。

为了便于保持称重传感器的初始平衡，所述称重传感器靠近其输出端的下部连接有传感器配重块。

具体地，所述称重传感器为电阻应变式称重传感器。

具体地，所述支撑装置包括底座、竖向的伸缩杆、横向的支撑平台和平台配重块，所述伸缩杆的下端安装于所述底座上，所述伸缩杆的上端与所述支撑平台连接，所述平台配重块和所述称重装置的外壳分别置于所述支撑平台上且分别位于所述伸缩杆的两侧，所述浮子连杆穿过所述支撑平台上的平台通孔。

作为优选，所述伸缩杆由相互套装且通过螺栓定位的上杆和下杆构成。

为了便于调节支撑平台的平衡度，所述底座上设有用于调节底座平衡的调节螺杆。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过设计结构独特的坩埚炉，使得加热管能很好地集成在坩埚内部，提高了加热和传热效率，加热管与待测工质分离而便于更换，也避免了待测工质被污染；通过设计配套的加热控制器，使待测工质能够在坩埚炉的坩埚内被熔化并能够灵活地实现保温和变温，从而能够进行高温流体工质的密度测量；通过将浮子置于待测工质流体中并用硬质浮子连杆与称重传感器连接，对浮子在竖直方向的受力情况进行实时检测，浮子的密度无论大于还是小于待测工质的密度，都能实现实时在线检测工质密度，获取工质密度随温度的变化曲线，进而方便获取高温熔体的密度极值。

附图说明

图1是本实用新型所述带加热功能的高温流体密度测试装置的整体结构示意图；

图2是本实用新型所述坩埚炉的立体组装结构示意图；

图3是本实用新型所述坩埚炉的底板和坩埚组装后的俯视结构示意图；

图4是本实用新型所述称重装置的结构示意图，视角与图1相同。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1-图4所示，本实用新型所述带加热功能的高温流体密度测试装置包括支撑装置、坩埚炉5、加热控制器9、温度传感器7和称重装置4，其中，所述支撑装置包括底座1、竖向的伸缩杆、横向的支撑平台3和平台配重块2，底座1上设有用于调节底座1平衡的调节螺杆14，所述伸缩杆由相互套装且通过螺栓12定位的上杆13和下杆11构成，下杆11的下端安装于底座1上，上杆13的上端与支撑平台3连接，平台配重块2和称重装置4分别置于支撑平台3上且分别位于上杆13的两侧；坩埚炉5外包覆有隔热层6，坩埚炉5包括底板56、坩埚54和上盖52，底板56的上表面上的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个竖向的加热管55，坩埚54的底部的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个置于坩埚54内且竖向的传热管53，传热管53的顶部封闭且底部开口，坩埚54和传热管53为一体成型结构，多个加热管55与多个传热管53一一对应且分别由下而上置于对应的传热管53内，上盖52盖装于坩埚54上，上盖52的中心位置设有中心通孔51，温度传感器7采用K型热电偶，温度传感器7的感应端置于坩埚54内或坩埚54的壁内，加热控制器9的信号输入端与温度传感器7的信号输出端连接，加热控制器9的输出端通过加热电缆8与加热管55的输入端连接；称重装置4包括外壳46、浮子42、浮子连杆41、称重传感器45、信号采集器48和处理器49，外壳46置于支撑平台3上，外壳46上的一侧壳壁上设有外壳通孔(图中未标记)，外壳通孔的底部设有垫块44，浮子42由上而下穿过上盖52的中心通孔51后置于坩埚54内并位于多个传热管53围成的区域内，浮子42与浮子连杆41的下端连接，浮子连杆41的上端穿过支撑平台3上的平台通孔(图中未示出)后通过螺栓43与称重传感器45的感应端连接，称重传感器45的输出端穿过外壳46上的外壳通孔后置于外壳46内，称重传感器45置于垫块44上，称重传感器45的输出端与信号采集器48的输入端连接，信号采集器48的输出端与处理器49的输入端连接，称重传感器45靠近其输出端的下部通过螺栓43连接有传感器配重块47。上述称重传感器45为电阻应变式称重传感器，比如可采用武汉硒普电子有限公司的电阻应变式称重传感器；上述底板56、坩埚54、传热管53、上盖52、浮子42和浮子连杆41均为刚玉材质，加热管55为钨加热管；处理器49可采用电脑。

作为更具体的应用举例，上述结构中，底板56的直径φ＝150mm，高度h＝30mm，底板56上方沿φ＝80mm的圆周上间隔45°均匀分布有共8只单管功率为5KW的钨加热管55，加热管55的直径φ＝20mm，高度h＝120mm，加热总功率40KW，加热温度最多可达3000℃，足以在短时间内将待测工质材料加热至熔融状态，且通过嵌入方式固定。坩埚54的底面直径φ＝150mm，侧壁厚度l＝10mm，高度h＝140mm，在与加热管55相应位置处具有外径φ＝30mm，内径φ＝26mm，h＝125mm的传热管53以便加热管55与坩埚54的连接及加热管55的换取。圆筒状上盖52的外径φ＝150mm，内径φ＝140mm，高度h＝30mm，上盖52上开有φ＝50mm的中心通孔51。加热时，为了使热量更为有效利用，在坩埚炉5外包裹有一层伊索莱特1600型，厚度为300mm的隔热层6以防止热量向外耗散，提高加热效率。

工作时，首先固态待测工质置于坩埚54内，加热管55与加热控制器9通过加热电缆8连接，温度传感器7的感应端放置在坩埚54内，加热控制器9通过温度传感器7采集温度值，并与目标温度值进行比较，获取偏差，加热控制器9根据偏差情况计算加热输出模块的热加载输出百分比，通过调节热加载输出占空比对加热管55进行上电加热，控制加热功率，达到温度调节的目的。

浮子42和浮子连杆41最高可承受2000℃的高温。浮子42为半径R＝20mm的球形，通过直径φ＝5mm，长为L＝500mm的浮子连杆41连接至称重传感器45，并穿过坩锅炉5顶部的中心通孔51，浮子42的高度可以通过改变上杆13和下杆11之间的重叠高度来调节。浮子42受到待测流体工质的向上推力或向下拉力均能通过称重传感器45转变为电信号传输给信号采集器48，信号采集器48处理信号后传输给处理器49并显示出来。处理器49根据称重传感器45的信号计算待测工质流体密度的方法为现有成熟应用的方法，在此不再赘述。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (10)

1.一种带加热功能的高温流体密度测试装置，包括支撑装置，其特征在于：还包括坩埚炉、加热控制器、温度传感器和称重装置，所述坩埚炉包括底板、坩埚和上盖，所述底板的上表面上的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个竖向的加热管，所述坩埚的底部的一个虚拟圆的圆周上均匀设有多个置于所述坩埚内且竖向的传热管，所述传热管的顶部封闭且底部开口，多个所述加热管与多个所述传热管一一对应且分别由下而上置于对应的所述传热管内，所述上盖盖装于所述坩埚上，所述上盖的中心位置设有中心通孔，所述温度传感器的感应端置于所述坩埚内或所述坩埚的壁内；所述加热控制器的信号输入端与所述温度传感器的信号输出端连接，所述加热控制器的输出端与所述加热管的输入端连接；所述称重装置包括外壳、浮子、浮子连杆、称重传感器、信号采集器和处理器，所述外壳置于所述支撑装置上，所述外壳上的一侧壳壁上设有外壳通孔，所述浮子由上而下穿过所述上盖的中心通孔后置于所述坩埚内并位于多个所述传热管围成的区域内，所述浮子与所述浮子连杆的下端连接，所述浮子连杆的上端与所述称重传感器的感应端连接，所述称重传感器的输出端穿过所述外壳上的外壳通孔后置于所述外壳内，所述称重传感器的输出端与所述信号采集器的输入端连接，所述信号采集器的输出端与所述处理器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述坩埚和所述传热管为一体成型结构。

3.根据权利要求2所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述底板、所述坩埚、所述传热管、所述上盖、所述浮子和所述浮子连杆均为刚玉材质，所述加热管为钨加热管。

4.根据权利要求1所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述坩埚炉外包覆有隔热层。

5.根据权利要求1所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述外壳的外壳通孔的底部设有垫块，所述称重传感器置于所述垫块上。

6.根据权利要求1所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述称重传感器靠近其输出端的下部连接有传感器配重块。

7.根据权利要求1、5或6所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述称重传感器为电阻应变式称重传感器。

8.根据权利要求1-6中任何一项所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述支撑装置包括底座、竖向的伸缩杆、横向的支撑平台和平台配重块，所述伸缩杆的下端安装于所述底座上，所述伸缩杆的上端与所述支撑平台连接，所述平台配重块和所述称重装置的外壳分别置于所述支撑平台上且分别位于所述伸缩杆的两侧，所述浮子连杆穿过所述支撑平台上的平台通孔。

9.根据权利要求8所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述伸缩杆由相互套装且通过螺栓定位的上杆和下杆构成。

10.根据权利要求8所述的带加热功能的高温流体密度测试装置，其特征在于：所述底座上设有用于调节底座平衡的调节螺杆。