CN207280512U - 一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置，所述测量装置主要由电子天平、流量计、数字源表、恒温器、计算机控制系统组成，所述电子天平、流量计和数字源表分别通过RS232串口与计算机控制系统通信，所述计算机控制系统内配置秒表计时器；所述杜瓦组件放置在电子天平上，或者放置在恒温器(8)的恒温腔体(18)中，进行称量法或流量法的热负载测量。本实用新型中电子天平、质量流量计和数字源表与软件编程秒表计时器构成质量、质量流量、电压和时间测量模块，能够测量和绘制质量－时间、质量流量－时间和电压－时间曲线。恒温器解决了70℃高温工作状态热负载测量问题，减小了测量误差和测量不确定度，提高了测量质量。

Description

一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置

技术领域

本实用新型涉及杜瓦绝热特性测量技术领域，尤其涉及一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置。

背景技术

目前，广泛采用液氮蒸发原理测量红外探测器封装杜瓦的热负载，有应用天平和计时器测量质量和时间的称量法，有应用气体流量计测量质量流量或体积流量的流量法。热负载由式Q＝LM求得，式中：Q是通过杜瓦传导、对流、辐射传热导入内管积存液氮的总热流，称作热负载(W或者mW)；L是液氮在标准状态下(0℃和1.013E+5Pa)的汽化潜热(汽化焓变ΔH)，为199.3J/g或者161.6J/mL；M是单位时间蒸发的液氮量(mL/s或者g/s)。

在传统人工测量方法中，无论是称量法还是流量法都要求人工识别检测时刻，常有漏测或误判检测时刻发生。测量操作者是测量仪器的一部分，要求认真仔细地观察识别稍纵即逝的检测时刻，受到操作者经验限制，测量结果误差较大。近年来，有应用计算机采集电子天平或流量计测量数据的测试装置出现，把测量过程图形化存储回放，方便人工识别检测时刻，避免了漏测的发生，判读和识别检测时刻仍然由人工来完成，与传统人工测量比较，并没有实质的进步，测量结果不确定度很大。

一般在环境温度非恒温条件下测量，灌注液氮使得机械接口处结霜和温度过低，导致热端偏离了正常工作状态，冷热端温差减小改变了传导漏热，测量得到的热负载偏小，不能真实反映红外探测器封装杜瓦的真空绝热特性。另外，传统测量方法规定检测时刻为液氮耗尽时刻，称量法或流量法都难以准确判定液氮耗尽时刻，测量结果蕴含人工识别检测时刻的随机测量误差。

冷端温度采用二级管PN结的温度特性来测量。冷端温度是指杜瓦内管冷端能够达到的最低温度，由液氮定标二极管温度系数和检测二极管电压计算而得。冷端温差是指杜瓦内管冷端温度与液氮定标二极管温度之差，冷端温差是由冷端结构和工艺特征决定的。通常传导漏热占到总漏热的80％以上，在传导、对流和辐射漏热，以及PN结焦耳热的综合作用下，冷端温差除热负载(总漏热)得到表观热阻/℃/W，可以直观的近似反映冷端温差消耗的制冷功率。

实用新型内容

为了提高测量准确度和客观真实地测量红外探测器封装杜瓦的热负载，本实用新型提供一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置。本实用新型能够检验红外探测器/杜瓦、杜瓦的真空完善性和冷端表观热阻，以及红外探测器/杜瓦/制冷器的启动时间，可以用于红外探测器/杜瓦/制冷器、红外探测器/杜瓦、杜瓦和其他小型真空绝热容器的热负载和冷端温度测量。

本实用新型的技术方案如下：一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置，所述测量装置主要由电子天平、流量计、数字源表、恒温器和计算机控制系统组成，所述电子天平、流量计和数字源表分别通过RS232串口与计算机控制系统通信，所述计算机控制系统内配置秒表计时器，并提供液氮和温度检测判据的选项；所述杜瓦组件放置在电子天平上，或者放置在恒温器8的恒温腔体18中，进行称量法或流量法的热负载测量。

进一步地，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口1密封穿过热沉2中央孔中，机械接口1内插入密封测量接口5，密封测量接口5与流量计6之间为刚性连接；所述热沉2侧边设有腰形和圆形开孔。

进一步地，所述恒温器8包括热风机9、铂电阻、温度控制器11、热沉2、固定热沉7、恒温腔体18和电源，热风机9产生热风通过右侧板12进风道流入热沉2、固定热沉7和恒温腔体18内，热交换后的热风通过左侧板10回风道流入热风机9进风口，提供室温～70℃恒温环境；恒温腔体18包裹和支撑被测杜瓦组件，铂电阻安装在固定热沉上，监测控制热沉温度，热沉2与被测杜瓦组件机械接口连接。

进一步地，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口1穿过热沉2中央孔，杜瓦组件放置在恒温腔体18的安装孔中，热沉2搭接在恒温腔体18的V形承座内，热沉2与恒温腔体18构成封闭恒温腔包裹被测杜瓦组件。

进一步地，所述杜瓦组件设有连接电缆4，连接电缆4将冷端测温二级管PN结连接到数字源表。

进一步地，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口1穿过热沉2中央孔后放置在电子天平上。

进一步地，所述杜瓦组件为杜瓦、红外探测器/杜瓦或红外探测器/杜瓦/制冷器。

本实用新型第二方面，提供一种杜瓦组件绝热特性综合测量方法，所述方法操作如下：在室内环境温度下测量，接通电子天平电源开关，将杜瓦组件放置到电子天平上，按压去皮按钮置初始称量指示读数为0，取出杜瓦组件将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口端面1/3时，把杜瓦组件放置到电子天平上，运行计算机控制系统上的测量控制软件，在称量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量；

或者接通流量计电源，显示器指示质量流量读数为0，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量，恒定温度室温～70℃测量时，将杜瓦3放置在恒温腔体18中，安装热沉2，接通恒温器8电源，待恒温器温度控制器指示设定控制温度值读数时，将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口1端面1/3，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量。

进一步地，所述测量杜瓦冷端温度过程如下：将连接电缆4安装连接到二极管PN结的输出插针端子上，接通数字源表电源开关，数字显示屏上指示PN结输出电压读数，在热负载测量过程中，测量控制软件同时采集质量或质量流量、电压数据，直接测量量与间接测量量热负载、温度实时显示在窗口上，测量结束，显示实测热负载值、最低冷端温度值和冷端温差。

本实用新型能够测量红外探测器/杜瓦/制冷器、红外探测器/杜瓦、杜瓦和其他小型真空绝热容器热负载和冷端温度的红外探测器/杜瓦/制冷器绝热特性综合测量装置，能够检验红外探测器/杜瓦、杜瓦的真空完善性和冷端表观热阻，以及红外探测器/杜瓦/制冷器的启动时间。它是由电子天平、流量计、2400源表、温度传感器和恒温器，以及计算机和控制软件组成。电子天平、质量流量计和2400源表与软件编程秒表计时器构成质量、质量流量、电压和时间测量模块，能够测量和绘制质量－时间、质量流量－时间和电压－时间曲线。恒温器解决了70℃高温工作状态热负载测量问题，减小了测量误差和测量不确定度，提高了测量质量。

“数字源表”与“2400源表”等效，数字源表是一类仪器的通用名，2400源表指这类仪器中一个型号的仪器。另外，“2400源表”、“数字源表”都可以用“电压表和恒流源”代替。

恒温器包括热风机、铂电阻、温度控制器、热沉(热交换器)、恒温腔体和电源，提供室温至70℃恒温环境。循环热风流过恒温腔体和热沉，恒温腔体包裹和支撑被测样品，铂电阻安装在固定热沉上，监测控制热沉温度，热沉与被测样品机械接口连接，保持热端温度恒定在设置环境温度下，模拟室温工作状况或70℃高温工作状况，消除结霜和机械接口温度过低的影响，保证测量准确可靠。填补了传统人工测量无法检测70℃高温工作状态的空白。

所述计算机控制系统提供了液氮和温度检测判据的选项，能够灵活方便的选择检测判据：1)传统方法规定的液氮蒸发耗尽时刻；2)统计分析归纳出的推荐检测时刻；3)达到热平衡时冷端最低温度发生规定变化量的检测时刻。控制系统自动鉴别测量时刻，无人工判读过程，消除人工判读的随机测量误差。操作者完成灌注液氮、安装热沉、连接密封测量接口等准备工作，控制软件启动运行，计算机采集和分析数据，满足检测判据给出测量结果报告，液氮蒸发耗尽1分钟后，停止数据采集，无人工干预，自动完成测量过程。

计算机控制系统包含温时间、电压、称量法、流量法、界面控制、通讯端口控制和参数测试计算七个功能模块。根据应用不同，计算机控制系统可随时更新，提供了极大的灵活性和可扩展性。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型集成了电子天平、流量计和2400源表计量器具，丰富和扩展了红外探测器封装杜瓦绝热特性的测量内容，解决了70℃高温工作状态热负载测量问题，实现自动识别测量时刻，减小了测量误差和测量不确定度，提高了测量质量。

本实用新型能够实现被测样品环境温度恒温控制和软件自动识别检测时刻，能够直接测量液氮质量、质量流量、二极管电压、蒸发时间和启动时间，间接测量静态或动态热负载、冷端温度、冷端温差和表观热阻。

附图说明

图1是本实用新型的组成、功能框图；

图2是本实用新型的结构框图；

图3是红外探测器/杜瓦或杜瓦与热沉装配轴测图；

图4是红外探测器/杜瓦或杜瓦与热沉、流量计装配轴测图；

图5是恒温器装配轴测图；

图6为称量法选项卡的界面；

图7为称量法和流量法选项卡的界面；

图中标记：1-内管热端机械接口，2-热沉，3-杜瓦组件，4-连接电缆，5-密封测量接口，6-流量计，7-固定热沉，8-恒温器，9-热风机，10-左侧板，11-温度控制器，12-右侧板，18-恒温腔体，

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明，但本实用新型并不局限于以下技术方案。

实施例1

在图1中，左侧框图示出被测对象、测量原理的分类和直接测量量，以及对应的测量通道；右侧框图示出本实用新型的组成和测量通道，以及各测量功能的组合状态和相互连接关系。框图中的测试样品1和测试样品3是红外探测器/杜瓦3或杜瓦3，测试样品2是红外探测器/杜瓦/制冷器或红外探测器/杜瓦3或杜瓦3；图2为测量装置的结构框图。

在图3中，杜瓦3内管热端机械接口1插入热沉2中央孔中，通过接触传导和辐射传热把热沉2与环境空间热交换储蓄的热量传递给内管热端机械接口1，保持杜瓦3内管热端机械接口1始终处于环境温度，四个腰形和二个圆形开孔增加热沉2的热交换面积。红外探测器/杜瓦3或杜瓦3安装或不安装热沉2放置在电子天平上，通过图1所示COM1通道实现称量法测量功能。连接电缆4将冷端测温二级管PN结连接到2400源表，由图1所示COM2通道实现冷端温度测量功能。

在图4中，流量计6通过螺纹刚性连接密封测量接口5，密封测量接口5插入杜瓦3内管热端机械接口1，杜瓦3内管积存液氮相变蒸发的氮气无泄漏的全部通过密封测量接口5导入流量计6，通过图1所示COM3通道实现流量法测量功能。

在图5中，红外探测器/杜瓦3或杜瓦3放置在恒温腔体18的安装孔中，热沉2搭接在恒温腔体8的V形承座内，热沉2与恒温腔体18构成封闭恒温腔包裹被测试样品，热风机9产生热风通过右侧板12进风道流入热沉2、固定热沉7和恒温腔体18内，热交换后的热风通过左侧板10回风道流入热风机9进风口。恒温腔体18包裹和支撑被测杜瓦，铂电阻安装在固定热沉7上，监测控制热沉温度，热沉2与被测杜瓦机械接口1连接，保持热端温度恒定。温度控制器、恒温腔体是恒温器的组成部分。恒温腔体就是用来容纳包裹被测试工件的矩形空间容积，是恒温器提供恒定温度(例如55℃)的有效工作空间区域；恒温控制器11是用来设定控制温度的独立组部件，是人机交互的界面和实现恒定温度功能的测量与控制单元。

杜瓦内管热端的机械接口1穿过热沉2中央孔，杜瓦组件放置在恒温腔体18的安装孔中，热沉2搭接在恒温腔体18的V形承座内，热沉2与恒温腔体18构成封闭恒温腔包裹被测试杜瓦组件。恒温器保持红外探测器/杜瓦3或杜瓦3内管热端机械接口1温度恒定在设置环境温度下，模拟室温工作状况或70℃高温工作状况。

固定热沉7中间没有安装工件的孔，固定在恒温器上分隔左右的热沉(2)与被测工件，同时联通左右热沉热风通道，并且安装有铂电阻温度传感器测量设定的控制温度。

热风机就是图5中热风机9为横置于恒温器中的圆柱状灰色细线部分，是市场选购的工业或家用热吹风机。恒温腔体18就是用来容纳包裹被测试工件的矩形空间容积，就是图4中矩形灰色细线部分，是恒温器提供恒定温度(例如55℃)的有效工作空间区域。

图6和图7分别示出称量法和流量法选项卡的界面。

所述测量装置测量杜瓦热负载过程如下：在室内环境温度下测量。接通电子天平电源开关，将杜瓦组件放置到电子天平上，按压去皮按钮置初始称量指示读数为0。取出杜瓦组件将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口)端面1/3时，把杜瓦组件放置到电子天平上。运行计算机上的测量控制软件，在称量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量。或者接通流量计电源，显示器指示质量流量读数为0，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量。恒定温度70℃测量时，将杜瓦3放置在恒温腔体8中，安装热沉2，接通恒温器电源，待恒温器温度控制器指示设定控制温度值读数时，将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口1端面1/3，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量。

所述测量杜瓦冷端温度过程如下：将连接电缆4安装连接到二极管PN结的输出插针端子上。接通2400源表电源开关，数字显示屏上指示PN结输出电压读数。在热负载测量过程中，测量控制软件同时采集质量或质量流量、电压数据，直接测量量与间接测量量热负载、温度实时显示在窗口上。测量结束，显示实测热负载值、最低冷端温度值和冷端温差。

实施例2

一种杜瓦组件绝热特性综合测量方法，所述方法操作如下：在室内环境温度下测量，接通电子天平电源开关，将杜瓦组件放置到电子天平上，按压去皮按钮置初始称量指示读数为0，取出杜瓦组件将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口端面1/3时，把杜瓦组件放置到电子天平上，运行计算机控制系统上的测量控制软件，在称量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量；

或者接通流量计电源，显示器指示质量流量读数为0，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量，恒定温度室温～70℃测量时，将杜瓦3放置在恒温腔体18中，安装热沉2，接通恒温器8电源，待恒温器温度控制器指示设定控制温度值读数时，将液氮灌注到杜瓦3内管里，待内管积存液氮液面距离热端机械接口1端面1/3，把流量计6上的密封测量接口5插入灌注了液氮的杜瓦3内管热端机械接口1中，运行计算机上的测量控制软件，在流量法选项卡里点击启动按钮，开始测量，液氮蒸发气化完毕，点击停止按钮，结束测量。

所述测量杜瓦冷端温度过程如下：将连接电缆4安装连接到二极管PN结的输出插针端子上，接通数字源表电源开关，数字显示屏上指示PN结输出电压读数，在热负载测量过程中，测量控制软件同时采集质量或质量流量、电压数据，直接测量量与间接测量量热负载、温度实时显示在窗口上，测量结束，显示实测热负载值、最低冷端温度值和冷端温差。

条件设置如表1所示；

表1

测量范围

称量法

液氮质量：<9g；

二极管电压：<1050mV；

时间：<45min(曲线)；

热负载：<1W；

热负载变化速率：>16mW/s；

测量环境温度：室温(非恒温)；

流量法

质量流量：<110SCCM；

二极管电压：<1050mV；

时间：<45min(曲线)；

热负载：<500mW；

热负载变化速率：>0.0415mW/s；

测量环境温度：室温～70℃(恒温)。

Claims (7)

1.一种杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述测量装置主要由电子天平、流量计、数字源表、恒温器和计算机控制系统组成，所述电子天平、流量计和数字源表分别通过RS232串口与计算机控制系统通信，所述计算机控制系统内配置秒表计时器，并提供液氮和温度检测判据的选项；所述杜瓦组件放置在电子天平上，或者放置在恒温器(8)的恒温腔体(18)中，进行称量法或流量法的热负载测量。

2.根据权利要求1所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口(1)密封穿过热沉(2)中央孔中，机械接口(1)内插入密封测量接口(5)，密封测量接口(5)与流量计(6)之间为刚性连接；所述热沉(2)侧边设有腰形和圆形开孔。

3.根据权利要求1所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述恒温器(8)包括热风机(9)、铂电阻、温度控制器(11)、热沉(2)、固定热沉(7)、恒温腔体(18)和电源，热风机(9)产生热风通过右侧板(12)进风道流入热沉(2)、固定热沉(7)和恒温腔体(18)内，热交换后的热风通过左侧板(10)回风道流入热风机(9)进风口，提供室温～70℃恒温环境；恒温腔体(18)包裹和支撑被测杜瓦组件，铂电阻安装在固定热沉上，监测控制热沉温度，热沉(2)与被测杜瓦组件机械接口连接。

4.如权利要求3所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口(1)穿过热沉(2)中央孔，杜瓦组件放置在恒温腔体(18)的安装孔中，热沉(2)搭接在恒温腔体(18)的V形承座内，热沉(2)与恒温腔体(18)构成封闭恒温腔包裹被测杜瓦组件。

5.如权利要求1所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述杜瓦组件设有连接电缆(4)，连接电缆(4)将冷端测温二级管PN结连接到数字源表。

6.如权利要求1所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述杜瓦组件中杜瓦内管热端的机械接口(1)穿过热沉(2)中央孔后放置在电子天平上。

7.如权利要求1所述的杜瓦组件绝热特性综合测量装置，其特征在于，所述杜瓦组件为杜瓦、红外探测器/杜瓦或红外探测器/杜瓦/制冷器。