CN103712716B - 一种热功率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热功率测量装置。它包括恒温系统、热测量系统、反应系统、热标定系统、供气系统和数据采集与控制系统；恒温系统包括温度控制仪和与之相连接的恒温炉；恒温炉内设有量热筒，量热筒内设有均热块，均热块内设有沿其轴向对称的反应池腔体和参考池腔体；反应系统包括反应池样品架和参考池样品架；标定系统包括反应池标定样品架和参考池标定样品架；反应池标定样品架和参考池标定样品架均包括管状样品杆和设置于管状样品杆一端的均热体Ⅱ，均热体Ⅱ内设有陶瓷管，且反应池标定样品架上的陶瓷管上缠绕热电阻；热电阻与4根引线相连接；供气系统包括参考气气源和反应气气源。本发明的反应池腔体和参考池腔体为径向对称分布，对消了恒温炉轴向温度变化对热功率测量的影响。

Description

一种热功率测量装置

技术领域

本发明涉及一种热功率测量装置，适用于物理化学过程中的热功率测量。

背景技术

中国发明专利CN201110080073.2公开了一种热功率测量装置，在实际使用过程中，发现该发明专利的热功率测量装置存在如下技术问题：

（1）该装置中测量热功率的测温电桥中的两根参考铂电阻丝所缠绕的参考池腔体同轴分布在反应池腔体（即两根测温铂电阻丝所缠绕的区域）两侧，而恒温炉中的等温区是以反应池为中心轴向分布的一段空间，参考池的温度可能低于反应池并更易受外界影响，这种轴向温度不均匀会导致电桥输出热信号涨落并进而降低整个装置的测量精度。

（2）作为该装置核心的测温电桥一般输入恒电压信号，因电桥输出信号正比于测温电阻的温度系数，而该系数随温度降低，所以在相同热功率条件下输出电信号也随温度升高而下降，这使得热功率测量装置灵敏度下降，误差增大。

（3）在用该装置测量固-气反应热功率之前，固态反应物需预装进热功率测量区（即反应池）中心部位。因样品管是一根细直管，且有多个附件固定其上导致体积大、重量沉，所以把固态样品装入管内反应区并固定在该处的过程较为麻烦。

（4）该装置在使用过程中只用普通针阀控制气体流量，导致流量不稳定，热信号随时间波动较大。

（5）该装置中用于标定待测热功率与输出电信号间关系（二者之商即仪器常数）的热电阻丝缠绕在样品管外，电流通过标定热电阻丝产生的热量并未全部加热反池腔体，一部分会向外逸出，这使得反应区内实际物理化学过程产生的热信号响应不完全等同于标定过程，按该标定方法测得的热功率会大于实际值。

因此，需要提供一种新的热功率测量装置，以克服上述缺陷，使测量结果更加准确可靠，装样、测量和数据处理更加便利。

发明内容

本发明的目的是提供一种热功率测量装置，本发明的热功率测量装置的布置更合理、操作更便捷，更能准确地测量高温高压条件下固-气反应中放热或吸热过程的热功率。

本发明所提供的一种热功率测量装置，包括恒温系统、热测量系统、反应系统、热标定系统、供气系统和数据采集与控制系统；

所述恒温系统包括温度控制仪和与之相连接的恒温炉；所述恒温炉内设有一量热筒，所述量热筒内设有一均热块，所述均热块内设有沿其轴向对称布置的反应池腔体和参考池腔体，且所述反应池腔体与所述参考池腔体与所述均热块的间隙之间均设有导热材料；

所述热测量系统包括测温电桥、桥流调节电阻和直流电源，所述测温电桥包括缠绕在所述反应池腔体的外周壁上的两根测温电阻丝、缠绕在所述参考池的外周壁上的两根测温电阻丝；

所述反应系统包括一反应池样品架和一参考池样品架；所述反应池样品架和所述参考池样品架均包括一样品杆和设置于所述样品杆一端部的均热体Ⅰ，所述均热体Ⅰ内设一坩埚；所述反应池样品架和所述参考池样品架可分别密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内；

所述标定系统包括一反应池标定样品架和一参考池标定样品架；所述反应池标定样品架和所述参考池标定样品架均包括一管状样品杆和设置于所述管状样品杆一端的均热体Ⅱ，所述均热体Ⅱ内设有一陶瓷管，且所述反应池标定样品架上的所述陶瓷管上缠绕一热电阻；所述管状样品杆与所述样品杆的形状和尺寸均相同，所述均热体Ⅰ与所述均热体Ⅱ的形状、尺寸与质量均相同；所述反应池标定样品架和所述参考池标定样品架可分别密封于所述反应池腔体和所述参考池腔体内；

所述热电阻与4根引线相连接，其中2根所述引线穿过所述管状样品杆与所述数据采集与控制系统电连接，另2根所述引线与设于另一所述管状样品杆内的2根引线串联后与所述直流电源电连接；

所述供气系统包括参考气气源和反应气气源；所述参考气气源和所述反应气气源分别与与所述参考池腔体相连通；所述参考池腔体通过一管路与所述反应池腔体相连通，所述反应池腔体通过一管路与设置于所述恒温系统外的质量流量控制器相连接。

上述的热功率测量装置中，所述量热筒设于所述恒温炉的中部；且所述反应池腔体与所述参考池腔体与所述均热块的间隙之间均设置的导热材料的种类可根据工作温度和热功率测量区间进行选择，如低功率时为空气，高功率时为石英砂或不锈钢砂。

上述的热功率测量装置中，所述反应池腔体与所述参考池腔体为平行设置。

上述的热功率测量装置中，所述均热块可为一紫铜镀金圆柱体；

所述反应池腔体和所述参考池腔体均呈圆柱形。

上述的热功率测量装置中，所述样品杆上设有至少2个热沉Ⅰ，以避免轴向温度扩散对反应区的影响；

所述样品杆的一端部连接一样品杆手柄，用于手持以方便样品取放；

所述样品杆通过螺帽固定并密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内，以方便装卸。

上述的热功率测量装置中，所述管状样品杆上设有至少2个热沉Ⅱ，以避免轴向温度扩散对反应区的影响；

所述管状样品杆的一端部连接一管状样品杆手柄，用于手持以方便取放；

所述管状样品杆通过螺帽固定并密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内，以方便装卸；

所述热沉Ⅰ与所述热沉Ⅱ的形状、尺寸与质量均相同，以保证标定过程的热响应时间和幅度与测量过程中相同。

上述的热功率测量装置中，所述引线均可为二氧化硅陶瓷绝缘导线，以保证在高温下引线能长时间正常工作。

上述的热功率测量装置中，所述测温电桥的输入电压随温度增加。

上述的热功率测量装置中，所述反应气气源和所述参考气气源均通过一参考池进气管与所述参考池腔体相连通，所述参考池进气管上设有一气体压力传感器，用于测量反应气压力。

上述的热功率测量装置中，所述气体压力传感器的入口端设有一个三通阀。

上述的热功率测量装置中，所述质量流量控制器设置于反应池出气管上，且所述质量流量控制器的入口端依次设有过滤器和背压阀，出口端设有一背压阀；气体可通过所述过滤器滤除颗粒或凝结产物；位于所述质量流量控制器入口端的所述背压阀用于保证气体压力为常数，位于所述质量流量控制器出口端的所述背压阀用于保证上所述质量流量控制器出入口压力差为常数；所述质量流量控制器用于保持气体流量为常数且热功率信号稳定；本发明中所述反应池腔体与所述参考池腔体气路串联用于保证两腔内气体压力和流量相同。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明提供的紫铜镀金均热体保证反应池腔体及参考池腔体周围温度尽量一致且同步变化，减小外部因素导致的反应池与参考池间温差，均热体用紫铜材料可保证反应池和参考池温度快速平衡和反应池内热功率快速释放（即量热筒的等温性），外层镀金可保证其化学性质稳定，反应池（或参考池）腔体与均热体空隙间填充不同导热材料可保证不同量程时有最佳的仪器常数。

2、本发明的反应池腔体和参考池腔体由现有技术中的轴向分布改为径向对称分布，对消了恒温炉轴向温度变化对热功率测量的影响，室温波动对热测量的影响也相应降低，对恒温炉中恒温区长度要求相应变短，恒温炉体积变小。

3、本发明采用的测温电桥输入电信号随温度增加的模式，保证了热功率测量的灵敏度不因温度增加而下降。

4、本发明的反应系统在实际操作中只要把样品放入坩埚，然后把坩埚放入样品架再装配入热功率测量装置即可，缩短了装样时间，简化了装样过程。

5、本发明的供气系统采用背压阀和质量流量控制器可保证反应气（或参考气）压力和流量为常数，同时保证了热功率信号稳定。

6、本发明采用内置标定热电阻可保证标定过程的热释放过程与测量的物理化学过程一样，热测量结果更接近于实际过程。

7、本发明采用二氧化硅陶瓷绝缘导线为引线，可有效避免高温下导线氧化失效，延长引线使用寿命，同时简化装配过程。

附图说明

图1为本发明实施例1的热功率测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1的热功率测量装置中的量热筒和供气系统剖视示意图。

图3为本发明实施例1的热标定系统剖视示意图。

图4为本发明实施例2中不同温度下测温电桥的输入电信号。

图5为本发明实施例2中250℃下油砂氧化过程的热功率测量及拟合结果。

图中各标记如下：

11温度控制仪、12管式温器炉、2量热筒、21均热块、22a（22b）反应池（参考池）腔体、23导热材料、31a，32a测温电阻丝、31b，32b参考电阻丝、41a，41b均热体Ⅰ、42a（42b）反应池（参考池）样品杆、43a，43b热沉、44a，44b样品杆手柄、45a，45b螺帽、46a，46b坩埚、5供气系统、50a参考气、50b反应气、51三通阀、52气体压力传感器、53a（53b）反应池（参考池）进气管、54a（54b）反应池（参考池）出气管、55过滤器、56-1，56-2背压阀、57质量流量控制器、61a（61b）均热体Ⅱ、62a，62b管状样品杆、63a，63b热沉、64a，64b管状样品杆手柄、66a，66b陶瓷管、67-1，67-2，68-1，68-2引线、69标定热电阻、7程控多路直流电源、8数据采集与控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例1、热功率测量装置

如图1和图2所示，本发明提供的热功率测量装置包括恒温系统、量热筒2、热测量系统、反应系统、供气系统5、热标定系统、程控直流电源7和数据采集与控制系统8；其中恒温系统包括温度控制仪11和与之相连接的管式恒温炉12；管式恒温炉12的中部设有量热筒2，量热筒2包括一圆柱形紫铜镀金均热块21，在该均热块21中设置2个平行且对称布置的圆柱形不锈钢材质的反应池腔体22a和参考池腔体22b，反应池腔体22a和参考池腔体22b与均热块21的间隙之间填充导热材料23。

如图2所示，本发明中热测量系统主体是测温电桥，该测温电桥包括缠绕在反应池腔体22a外周壁上的测温铂电阻丝31a和32a，以及缠绕在参考池腔体22b外周壁上的参考铂电阻丝31b和32b，测温电桥通过无机高温结构胶附着在反应池腔体22a和参考池腔体22b的外周壁上的。程控多路直流电源7通过二氧化硅陶瓷绝缘导线（未绘出）输入电信号到测温电桥，测温电桥输出电信号到数据采集与控制系统8，该电信号就是热测量装置的输出信号。

如图2所示，本发明中反应系统包括一反应池样品架和一参考池样品架，两者均包括一样品杆42a（42b）和设置于样品杆42a（42b）一端部的均热体Ⅰ41a（41b），均热体Ⅰ41a（41b）内设一坩埚46a（46b），坩埚46a内用于放置样品，坩埚46b空置或放置参考样品；样品杆42a（42b）上固定2个热沉43a（43b），用于保证热量以径向扩散为主，并逐级减小轴向温度变化的影响；反应池样品架和参考池样品架分别通过螺帽45a、45b密封设于反应池腔体22a和所述参考池腔体22b上。样品杆42a（42b）的一端部连接一样品杆手柄44a（44b），用于手持以方便样品取放。

如图3所示，本发明中热标定系统包括一反应池标定样品架和一参考池标定样品架，两者均包括一管状样品杆62a（62b）和设置于管状样品杆62a（62b）一端的均热体Ⅱ61a（61b），在均热体Ⅱ61a（61b）内设有一陶瓷管66a（66b），且反应池标定样品架上的陶瓷管66a上缠绕一热电阻69；该管状样品杆62a（62b）与样品杆42a（42b）的形状与尺寸均相同，均热体Ⅰ41a（41b）与均热体Ⅱ61a（61b）的形状、尺寸与质量均相同。反应池标定样品架和参考池标定样品架分别通过螺母密封于反应池腔体22a和参考池腔体22b内，管状样品杆62a（62b）的一端连接一管状样品杆手柄64a（64b），用于手持以方便取放。管状样品杆62a中放置4根二氧化硅陶瓷导线，其中两根引线67-1和67-2是用于给热电阻69供电的电流线，引线68-1和68-2是用于测量热电阻上电压的信号线，68-1和68-2与数据采集和控制系统系统8相连。管状样品杆62b内只有两根引线，这两根引线与引线67-1和67-2串联，保证标定时在反应池腔体22a和参考池腔体22b内电流加热引线产生的热功率相同，二者对热测量的影响相互对消，标定热电阻69由程控直流电源7通过引线67-1和67-2供电。引线67-1、67-2、68-2和68-2皆为二氧化硅陶瓷导线，可耐高温。标定时需把测量时用的反应池样品架和参考池样品架拿出来，换上标定时所用的反应池标定样品架和参考池标定样品架。

如图2所示，本发明中供气系统5的设置如下：反应气50a或参考气50b组成气源（可以是气瓶，空气可用增压泵），气源与三通阀51相连，通过气瓶上的阀门和三通阀51控制不同工作气体，三通阀51下游是用于测量反应气压力的气体压力传感器52，然后气体通过参考池进气管53b进入参考池，通过参考池出气管54b离开参考池，再通过反应池进气管53a进入反应池，通过反应池出气管54a离开反应池。气体通过过滤器55滤除颗粒或凝结产物，再先后经过背压阀56-1、质量流量控制器57和背压阀56-2最后离开反应系统，尾气可排空或连接组分测量装置。在本发明的气路中反应池腔体22a与参考池腔体22b串联用于保证两腔内气体压力和流量相同，背压阀56-1用于保证气体压力为常数，56-2用于保证质量流量控制器57出入口压力差为常数。质量流量控制器57用于保持气体流量为常数且热功率信号稳定。

本发明中的程控多路直流电源7为测温铂电阻丝31a、32a和参考铂电阻丝31b、32b组成的测温电桥和标定热电阻供电，程控多路直流电源7还与数据采集与控制系统8相连接，通过计算机实现热信号自动采集、自动标定。

本发明中数据采集与控制系统8包括计算机、数据采集卡和相关软件（未绘出），该数据采集与控制系统8与温度控制仪11、测温电桥、气体压力传感器52、质量流量控制器57、标定信号输出端和程控多路直流电源7等通过电缆线相连，通过软件实现温度、气压和热功率信号的测量，以及标定过程的自动化。

本发明提供的热功率测量装置，反应池腔体22a和参考池腔体22b在内径12mm、外径20mm时700℃条件下能耐压7MPa以上，反应池腔体22a和参考池腔体22b与气体管路53a、54a、53b和54b采用氩弧焊焊接。该热功率测量装置的长期使用条件为：室温至700℃、常压至7MPa；短期使用温度可达800℃、压力达8MPa。该热功率测量装置的最低检测限达1mW。

本发明提供的热功率测量装置，反应池腔体22a和参考池腔体22b内的金属组件（41a至43a、41b至43b），样品架手柄44a和4b，密封螺母45a和45b、标定系统所用金属组件（61a至64a、61b至64b）、高温炉内的气体进出管路（53a、53b、54a、54b）的金属材质可为耐高温高压、耐腐蚀金属或合金，如310S不锈钢、哈氏合金或钛合金等，具体的工作温度和压力范围取决于所用材料、构型、尺寸和连接方式。高温炉外的气体管路为316不锈钢管。坩埚46a、46b的材料可根据温度范围和气体种类选择，如铝、金、铂和石英等。坩埚还可以是反应舟等其他形式。反应池腔体22a、22b尺寸可以根据需要进行调节；恒温炉还可为管式以外的其它构型，如箱式、立式等。

实施例2、实施例1的热功率测量装置的应用

下面以油砂氧化过程的热功率测量为例说明本发明提供的热功率测量装置的使用：

首先在室温下输入不同标定热功率测试其与电桥输出电压间的线性系数，该系数即热功率测量装置的仪器常数。在不同温度下改变输入电压信号，保证仪器常数不随温度而变化。

图4为室温至400℃条件下的仪器常数不变时输入电压信号随温度的变化，其中横坐标是温度，纵坐标是输入电压，可见电压需要随温度增加才能保证仪器常数不变。

图5为250℃时测量得到的油砂的热功率结果，离散点是测量数据，实线是基于一级反应机理的拟合曲线，根据拟合结果可得到该温度下的反应常数。

Claims (10)

1.一种热功率测量装置，其特征在于：所述装置包括恒温系统、热测量系统、反应系统、热标定系统、供气系统和数据采集与控制系统；

所述恒温系统包括温度控制仪和与之相连接的恒温炉；所述恒温炉内设有一量热筒，所述量热筒内设有一均热块，所述均热块内设有沿其轴向对称布置的反应池腔体和参考池腔体，且所述反应池腔体与所述参考池腔体与所述均热块的间隙之间均设有导热材料；

所述热测量系统包括测温电桥，所述测温电桥包括缠绕在所述反应池腔体外周壁上的两根测温电阻丝、缠绕在所述参考池外周壁上的两根测温电阻丝、桥流调节电阻和直流电源；

所述反应系统包括一反应池样品架和一参考池样品架；所述反应池样品架和所述参考池样品架均包括一样品杆A和设置于所述样品杆A底端的均热体Ⅰ，所述均热体Ⅰ内放置一坩埚；所述反应池样品架和所述参考池样品架可分别密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内；

所述热标定系统包括一反应池标定样品架和一参考池标定样品架；所述反应池标定样品架和所述参考池标定样品架均包括一管状样品杆和设置于所述管状样品杆底端的均热体Ⅱ，所述均热体Ⅱ内设有一陶瓷管，且所述反应池标定样品架上的所述陶瓷管上缠绕一热电阻；所述管状样品杆与所述样品杆A的形状和尺寸均相同，所述均热体Ⅰ与所述均热体Ⅱ的形状、尺寸与质量均相同；所述反应池标定样品架和所述参考池标定样品架可分别密封于所述反应池腔体和所述参考池腔体内；

所述热电阻与4根引线相连接，其中2根所述引线穿过反应池标定样品架的管状样品杆并和所述数据采集与控制系统电连接，另2根所述引线与设于参考池标定样品架的管状样品杆内的2根引线串联后与所述直流电源电连接；

所述供气系统包括参考气气源和反应气气源；所述参考气气源和所述反应气气源分别与所述参考池腔体相连通；所述参考池腔体通过一管路与所述反应池腔体相连通，所述反应池腔体通过一反应池出气管与设置于所述恒温系统外的质量流量控制器相连接，所述质量流量控制器和所述数据采集与控制系统相连接。

2.根据权利要求1所述的热功率测量装置，其特征在于：所述量热筒设于所述恒温炉的中部。

3.根据权利要求1或2所述的热功率测量装置，其特征在于：所述反应池腔体与所述参考池腔体为平行设置。

4.根据权利要求3所述的热功率测量装置，其特征在于：所述均热块为一紫铜镀金圆柱体；

所述反应池腔体和所述参考池腔体均呈圆柱形。

5.根据权利要求4所述的热功率测量装置，其特征在于：所述样品杆A上设有至少2个热沉Ⅰ；

所述样品杆A的顶端连接一样品杆A手柄；

所述样品杆A通过螺帽固定并密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内。

6.根据权利要求5所述的热功率测量装置，其特征在于：所述管状样品杆上设有至少2个热沉Ⅱ；

所述管状样品杆的顶端连接一管状样品杆手柄；

所述管状样品杆通过螺帽固定并密封设于所述反应池腔体和所述参考池腔体内；

所述热沉Ⅰ与所述热沉Ⅱ的形状、尺寸与质量均相同。

7.根据权利要求6所述的热功率测量装置，其特征在于：所述引线均为二氧化硅陶瓷绝缘导线。

8.根据权利要求7所述的热功率测量装置，其特征在于：所述反应气气源和所述参考气气源均通过一参考池进气管与所述参考池腔体相连通，所述参考池进气管上设有一气体压力传感器，所述气体压力传感器和所述数据采集与控制系统相连接。

9.根据权利要求8所述的热功率测量装置，其特征在于：所述气体压力传感器的入口端设有三通阀。

10.根据权利要求9所述的热功率测量装置，其特征在于：所述质量流量控制器设置于所述反应池出气管上，且所述质量流量控制器的入口端依次设有过滤器和背压阀，出口端设有一背压阀。