CN2831066Y - 量热杯与比较式量热器 - Google Patents

Abstract

一种量热杯，其集热器由金属容器和盖在该容器两端的真空端盖构成，测温构件为测温绕组，测温绕组由漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕在集热器的侧壁上构成。比较式量热器包括两个量热杯，一个装电加热源，一个装被测热源；等温外罩由金属筒体及绕制在金属筒体侧壁上的循环水管构成，两量热杯分别安装在两个等温外罩内构成比较式量热器主体；测量控制装置包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路，用于控制电加热源加热功率的稳压电源；可以通过普通电压表和电流表测量加人工手动控制，也可以由单片机和计算机构成自动控制系统。

Description

量热杯与比较式量热器

技术领域

本实用新型属于热源的热功率测量领域，特别涉及一种用比较方式来测量热源热功率的仪器或装置。

背景技术

目前无论是采用单体结构的量热器(见“量热法测量贮氚容器中的氚”，罗学建等，《原子能科学技术》，第38卷第2期P174-178，2004年3月)，还是采用孪生式结构的量热器，它们都是在严格的恒温条件下，以放置热源前或以没有放置热源的量热杯的温度为参考并对系统进行标定。然后，根据标定结果对放置热源后或放置热源的量热杯在达到热平衡状态后的温升(或加热功率)进行测量来得到被测热源的热功率。上述测量方法及相应的测量仪器必须在热平衡(即热源引起的温升不再变化)状态下才能获得测量结果，由此将导致以下两个弊端：

1.测量过程非常漫长，达数小时乃至数十小时之久。

2.对高能热源的测量将导致很高的温升，使测量变得非常困难。

此外，在传统测量方法中采用的测温元件一般为热电偶、热敏电阻或其它温度传感器。当集热器表面温度分布不均匀时，就必须在集热器的四周布置成千上万个温度传感器来满足测量精度的要求，这会使系统结构变得十分复杂，制作也十分困难。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种新型的量热杯和以该量热杯为基础而构成的比较式量热器，以简化结构、缩短测量时间，解决高温热源热功率测量困难的问题。

本实用新型所述的量热杯，其集热器由金属容器和盖在该容器两端的真空端盖构成，在集热器的侧壁上用漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕构成测温绕组。真空端盖为夹层结构，表面镀红外反射膜，夹层的空腔被抽成真空，其作用是阻断热源在金属容器内沿轴线方向的直接热散失，从而迫使热源的热能全部作用在集热器的侧壁上，使集热器侧壁成为有效测量区域并进而用测温绕组实现对真实反映与热源功率相关的集热器平均温升的测量。

本实用新型所述的比较式量热器主体，包括量热杯和温度均衡装置；量热杯为两个，在一个中放置电加热源，在另一个中放置装被测热源，两量热杯均为上述结构的量热杯，且它们的尺寸、材料、测温绕组的电参数相同；温度均衡装置为两个结构、尺寸、材料相同的等温外罩，等温外罩由与量热杯相匹配的金属简体及绕制在金属简体侧壁上的循环水管构成，两等温外罩的循环水管相并联接入循环水路；两量热杯分别安装在上述结构的两个等温外罩内即构成比较式量热器主体。

本实用新型所述的比较式量热器，主要由上述结构的量热器主体和测量控制装置构成。测量控制装置的基本组成部分包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路，用于控制电加热源加热功率的稳压电源。

以上述基本组成部分为基础，可通过普通电压表和电流表，实现最简单的人工监测手动控制；也可经A/D变换器、D/A变换器、单片机、计算机等实现自动测控。

测量时，将电加热源和被测热源分别放入两个量热杯中；将两个量热杯的测温绕组接入图3所示的、带有差动放大的电桥电路中；依据差动放大器的输出状态，通过稳压电源调整电加热源的加热功率使电桥处于平衡状态即可实现测量。

本实用新型所述的比较式量热器的量热原理如下：

两个测温绕组采用相同的材料因此有相同的电阻温度系数α。

设电加热源所在的量热杯的测温绕组的电阻在零度时的值为R_t10，当该量热杯的平均温度为t₁时，其测温绕组的阻值为：

$R_{t1}=R_{t10}(1+\mathrm{\α}{t}_1)---\left(1\right)$

设被测热源所在的量热杯的测温绕组的电阻在零度时的值为R_t20，当该量热杯的平均温度为t₂时，其测温绕组的阻值为：

$R_{t2}=R_{t20}(1+{\mathrm{\αt}}_2)---\left(2\right)$

于是，电桥的输出电压和输入电压的关系为：

$V_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{KV}}_{\mathrm{in}}R(R_{t1}-R_{t2})}{(R+R_{t1})(R+R_{t2})}---\left(3\right)$

式中：K为差动放大器的增益

根据式③，当R_t10＝R_t20且条件

(1)热源的热能全部作用在量热杯侧壁上被测温绕组覆盖的区域，或虽然只有部分作用在量热杯侧壁被测温绕组覆盖的区域但两热源作用在该区域的热能的比例相同或者说两热源沿量热杯轴线方向的损失相同；

(2)两个量热杯处于相同的外部环境中，即量热杯的外部环境以相同的方式和相同的速率从量热杯中取走相同的热能。

被满足时，可得以下结论：

当电桥的输出电压V_out大于零且不断增大时，表明电加热源的加热功率小于被测热源的热功率；当电桥的输出电压V_out小于零且其绝对值不断增大时，表明电加热源的加热功率大于被测热源的热功率；当电桥的输出电压V_out稳定为零或为接近于零的一个常量(即当加热功率不再改变时V_out保持为零或一个接近于零的常量)时，电桥处于平衡状态，这时电加热源的加热功率等于被测热源的热功率。

本实用新型所述量热杯和等温外罩的结构保证了上述条件的满足，因此当图3所示的电桥电路处于稳定的平衡状态时，被测热源的热功率即等于电加热源的加热功率。

与按照传统测量方法设计的量热杯、量热器相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型所提供的量热杯可迫使热源的热能全部作用到集热器的侧壁上，因此，热源的热功率直接与量热杯侧壁的平均温升相对应，为测温绕组提供了布局基础。

2.与现有的热电偶、热敏电阻等测温元件相比，在对集热器表面温度分布不均匀的情况下实现集热器表面平均温升测量，可明显地简化结构、提高测量精度。

3.采用本实用新型所提供的量热杯使本实用新型所提供的比较式测量成为可能。而比较式测量属于差动测量，只要两个量热杯所处的环境条件相同，则环境温度的升高或降低对测量造成干扰属于共模干扰，这种干扰在差动比较中将被有效地消除，因此无需对量热杯建立恒温条件，只需对两个量热杯建立等温边界条件即可，而采用本实用新型所提供的等温外罩结构，可十分容易地保证两个量热杯有相同的等温边界条件，因此大大简化了系统结构。

4.图6是热源引起的测温区域的温升曲线，传统量热器的测量结果出现在测温区处于热平衡状态时，即图中的B区间；本实用新型提供的比较式量热器的测量结果出现在电桥平衡时，即图中的A区间。与现有量热器相比，不仅大大地缩短了测量时间而且在完成测量时，量热杯的最高温升也被大大降低，因而有利于高温热源的测量。

附图说明

图1是本实用新型所述量热杯的一种结构图；

图2是本实用新型所述比较式量热器主体的一种结构图，一个量热杯中放置电加热源，一个量热杯中放置被测热源；

图3是比较两测温绕组电阻差异的电桥电路示意图；

图4是本实用新型所述比较式量热器的一种电路结构框图；

图5是本实用新型所述比较式量热器的另一种电路结构框图；

图6是量热杯温升曲线图。

图中，1-金属容器、2-真空端盖、3-测温绕组、4-电极过孔、5-金属简体、6-循环水管、7-电加热源、8-被测热源。

具体实施方式

实施例1

本实施例所述的量热杯如图1所示，由集热器和测温构件组成。集热器由用铜制作的空心圆柱容器1和盖在该容器两端的由不锈钢制作的真空端盖2构成。真空端盖2为夹层结构，夹层的空腔被抽成真空，表面镀红外反射膜，其中一端的真空端盖上设置有电加热源的电极过孔4；测温绕组由φ0.1mm漆包线紧密均匀地缠绕在集热器侧壁上构成。

实施例2

本实施例所述的比较式量热器主体如图2所示，包括两个结构、材料、尺寸相同的量热杯和两个结构、材料、尺寸相同的等温外罩。量热杯的结构、材料如实施例1所述，量热杯的尺寸根据被测热源设计，在一个量热杯中放置电加热源7，在另一个量热杯中放置被测热源8；等温外罩由与量热杯相匹配的用铜制作的圆柱形简体5及绕制在简体5侧壁上的铜制循环水管6构成，两等温外罩的循环水管相并联接入循环水路；两量热杯分别安装在两个等温外罩内即构成比较式量热器主体。

实施例3

本实施例所述的比较式量热器，其结构如图4所示，包括量热器主体和测量控制装置。量热器主体为实施例2所述的结构。测量控制装置包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路(如图3所示)，用于控制电加热源加热功率的直流稳压电源。

测量时，将电加热源7和被测热源8分别放入两个量热杯中；将两个量热杯的测温绕组接入图3所示的、带有差动放大的电桥电路中；用一个数字万用表监测差动放大器的输出；用一个电压表监测电加热源7两端的电压，用一个电流表检测流过电加热源7的电流；依据差动放大器的输出状态，通过稳压电源调整电加热器的加热功率并使电桥处于平衡状态后，由电加热源的电压和电流的乘积得到被测热源的热功率。

下面结合图4详细说明工作原理和操作：

仪器启动后，只要两个热源的热功率不同且量热杯与其外部环境未达到热平衡状态，由数字万用表检测的电桥电路的输出电压V_out读数的绝对值就会持续增大，其极性取决于电加热功率是大于还是小于被测热源的功率。因此当V_out的绝对值的读数处于不断增大的状态时，测量人员就应依据V_out的正负调整电加热源的加热功率(V_out大于零时应增加加热功率，小于零时应减小加热功率)；当加热功率改变后，如果V_out的绝对值仍在增大，但增大的速率在减小，表明加热功率的改变量不够，应继续沿同一方向改变加热功率；当V_out的绝对值开始减小时，表明电加热源的加热功率已经大于被测热源的热功率，此时，如果保持当前的加热功率不变，则在由热阻、热容量等因素决定的系统时间常数引起的“惯性”的作用下，V_out的绝对值将会持续减小直至过零后向反方向增大，这就是调整过程中的“超调”。出现超调后，操作人员以适当的量值减小加热功率。如此反复几次后，可最终达到V_out保持为零或接近于零的值而不再改变，该状态就是由图3所示的两个测温绕组构成的电桥的平衡状态，此时电加热功率既为被测热源的热功率。从调整开始到获得测量结果所用的时间为测量时间。

实施例4

本实施例所述的比较式量热器，其结构如图5所示，包括量热器主体和测量控制装置。量热器主体为实施例2所述的结构。测量控制装置包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路(如图3所示)，用于控制电加热源7加热功率的可控直流稳压电源，A/D变换器，D/A变换器，单片机及计算机；差动放大器的输出端通过A/D变换器与单片机连接，单片机通过通讯接口与计算机连接，稳压电源的控制端通过D/A变换器与单片机连接，稳压电源的输出端与电加热源7连接，驱动电加热源7的电流和电压信号经A/D变换器与单片机连接。

下面结合图5详细说明工作原理和操作：

将被测热源8和电加热源7分别放入相应的量热杯中并启动系统，单片机实时测量电桥电路的输出电压V_out并将其传给计算机。计算机根据V_out的变化趋势计算出对电加热源加热功率的改变量并向单片机发出相关指令来调整电加热源的加热功率，经过反复调整直至电桥处于平衡状态后给出测量结果。

Claims (6)

1、一种量热杯，包括集热器和测温构件，其特征在于集热器由金属容器(1)和盖在该容器两端的真空端盖(2)组成，测温构件为测温绕组(3)，测温绕组(3)由漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕在集热器的侧壁上构成。

2、根据权利要求1所述的量热杯，其特征在于真空端盖(2)为夹层结构，夹层结构的内部被抽成真空。

3、根据权利要求1或2所述的量热杯，其特征在于真空端盖(2)表面镀有红外反射膜。

4、一种比较式量热器主体，包括量热杯和温度均衡装置，其特征在于：

量热杯为两个，在一个中放置电加热源(7)，在另一个中放置被测热源(8)，两量热杯结构相同，均包括集热器和测温构件，其集热器由金属容器(1)和盖在该容器两端的真空端盖(2)组成，测温构件为测温绕组(3)，测温绕组(3)由漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕在集热器的侧壁上构成，且它们的尺寸、材料及测温绕组的电参数相同；

温度均衡装置为等温外罩，等温外罩由与量热杯相匹配的金属筒体(5)及绕制在金属筒体侧壁上的循环水管(6)构成，等温外罩为两个，两等温外罩的尺寸、材料相同，它们的循环水管相并联接入循环水路；

两量热杯分别安装在上述结构的两个等温外罩内。

5、一种比较式量热器，包括量热器主体和测量控制装置，其特征在于：

量热器主体包括量热杯和温度均衡装置，量热杯为两个，在一个中放置电加热源(7)，在另一个中放置被测热源(8)，两量热杯结构相同，均包括集热器和测温构件，其集热器由金属容器(1)和盖在该容器两端的真空端盖(2)组成，测温构件为测温绕组(3)，测温绕组(3)由漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕在集热器的侧壁上构成，且它们的尺寸、材料及测温绕组的电参数相同；温度均衡装置为等温外罩，等温外罩由与量热杯相匹配的金属筒体(5)及绕制在金属筒体侧壁上的循环水管(6)构成，等温外罩为两个，两等温外罩的尺寸、材料相同，它们的循环水管相并联接入循环水路；两量热杯分别安装在上述结构的两个等温外罩内；

测量控制装置包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路，用于控制电加热源(7)加热功率的稳压电源。

6、一种比较式量热器，包括量热器主体和测量控制装置，其特征在于：

量热器主体包括量热杯和温度均衡装置，量热杯为两个，在一个中放置电加热源(7)，在另一个中放置被测热源(8)，两量热杯结构相同，均包括集热器和测温构件，其集热器由金属容器(1)和盖在该容器两端的真空端盖(2)组成，测温构件为测温绕组(3)，测温绕组(3)由漆包线或电阻温度系数不为零的绝缘导线缠绕在集热器的侧壁上构成，且它们的尺寸、材料及测温绕组的电参数相同；温度均衡装置为等温外罩，等温外罩由与量热杯相匹配的金属筒体(5)及绕制在金属筒体侧壁上的循环水管(6)构成，等温外罩为两个，两等温外罩的尺寸、材料相同，它们的循环水管相并联接入循环水路；两量热杯分别安装在上述结构的两个等温外罩内；

测量控制装置包括用来比较两个量热杯测温绕组电阻差异的、带差动放大器的电桥电路，用于控制电加热源(7)加热功率的稳压电源，A/D变换器，D/A变换器，单片机及计算机；差动放大器的输出端通过A/D变换器与单片机连接，单片机通过通讯接口与计算机连接，稳压电源的控制端通过D/A变换器与单片机连接，稳压电源的输出端与电加热源(7)连接，驱动电加热源(7)的电流和电压信号经A/D变换器与单片机连接。

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