專利名稱：基于流體流動換熱的圓柱型量熱儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于流體流動換熱來改變所測樣品的溫度信息，并以此檢測其熱學(xué)物性的掃描量熱裝置，特別涉及一種在圓柱型容器的軸線上設(shè)置有圓形微通道，并通有特定冷熱流體以改變周圍樣品的熱狀態(tài)，從而確定出樣品熱物性的量熱裝置。
背景技術(shù)：
熱分析技術(shù)是用于描述物質(zhì)的性質(zhì)與溫度的關(guān)系的一類技術(shù)，是對各類物質(zhì)在較寬溫度范圍內(nèi)進行定性、定量表征的極其有效的手段，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于各項實驗研究和工程技術(shù)領(lǐng)域，成為一種獨具特色的方法體系。總體說來，熱分析包括熱重法、等壓質(zhì)量變化測定、放射熱分析、熱微粒分析等測量質(zhì)量的熱分析方法；還包括升溫曲線測定、差熱分析等測量溫度的熱分析方法；也包括差示掃描量熱法及調(diào)制式差示掃描量熱法等測量熱量的熱分析方法。
傳統(tǒng)的差式掃描量熱法(DSC)是指“在程序溫度下，測量輸入到物質(zhì)和參比物的功率差與溫度的關(guān)系的技術(shù)?！边@是對熱分析的定義演變而來的。國際標準ISO11357-1也曾明確指出，DSC是測量輸入到試樣和參比物的熱流量差或功率差與溫度或時間的關(guān)系。DSC是在20世紀60年代初期，為彌補差熱分析(DTA)定量性不良的缺陷而發(fā)展起來的新方法。DTA測量試樣與參比物的溫差ΔT，是試樣熱量變化Qs的反映，ΔT與Qs成正比，即ΔT＝R·Qs其中R是體系的熱阻，它與體系的熱導(dǎo)率和熱輻射有關(guān)。然而ΔT與熱量有關(guān)，但是并不與熱量嚴格成比例。于是功率補償性差示掃描量熱儀和熱流型掃描量熱儀應(yīng)運而生，克服了上述缺點，能夠精確測量輸入熱量與掃描溫度的關(guān)系，成為滿足測量需要的主流替代產(chǎn)品。
差示掃描量熱儀(DSC)在低溫生物學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。低溫生物學(xué)是近年來新興并得到迅猛發(fā)展的交叉學(xué)科，隨著研究的深入，其在各行各業(yè)的應(yīng)用引人注目。醫(yī)學(xué)方面，冷凍保存醫(yī)用生物材料并進行移植是當前低溫醫(yī)學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。在這類應(yīng)用中，低溫會起到保存或破壞細胞組織功能和結(jié)構(gòu)的效果。研究表明，低溫保存和組織的損傷與冷凍過程的降溫速率和復(fù)溫過程的升溫速率有密切關(guān)系(劉金剛，劉作斌主編，低溫醫(yī)學(xué)，北京人民衛(wèi)生出版社，1993)。因此，冷凍與復(fù)溫過程中，建立合適的降溫升溫程序是成功的關(guān)鍵因素。這里面，不可避免的會遇到相變問題。而對相變問題的研究，潛熱參數(shù)的確定必不可少?？傊?，由于上述原因，就生物材料的相變潛熱測量方法和儀器的研究一直是人們競相探索的目標。
測量生物材料的相變潛熱和相變點一般都采用DSC(Differential ScanningCalorimetry)方法。一方面該法所用的儀器十分昂貴，且操作起來十分繁瑣。最主要的是，受其原理的限制，該法必需采用足夠小的降溫和升溫速率，因而無法測得不同降溫及升溫速率下的相變潛熱。此外，DSC方法測得的潛熱實際為潛熱與顯熱之和，只不過顯熱相對來說要比潛熱小很多，而這不可避免地會引入新的測量誤差。目前，還沒有一種方法能測得不同降溫及升溫速率下的相變潛熱和相變溫度。為此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用同軸圓柱型結(jié)構(gòu)進行流體與體系的熱交換，來改變所測樣品的溫度信息，并以此檢測其熱學(xué)物性，是一種有較寬適用性，不僅適用于低溫生物領(lǐng)域，發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于流體流動來改變所測樣品的溫度信息，并以此檢測其熱學(xué)物性的掃描量熱裝置，是一種有較寬適用性，不僅適用于低溫生物領(lǐng)域，而且對其它涉及相變(凝固或熔化或融化)等領(lǐng)域如合金材料等的研究也很有意義。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，包括一絕熱室20，其上端面上蓋有絕熱室頂蓋1；一位于絕熱室20之內(nèi)的樣品池30，其上端面上蓋有樣品池頂蓋5；一厚壁空心管2，其依次穿過絕熱室20的絕熱室頂蓋1、樣品池30的樣品池頂蓋5、樣品池30的樣品池底座6和絕熱室20的絕熱底座4；一上端安置有儲液池7的天平71，所述儲液池7位于厚壁空心管2的下方；所述厚壁空心管2內(nèi)周壁和外周壁上軸向依次安裝有2-20枚溫度傳感器；所述厚壁空心管2內(nèi)壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由厚壁空心管2上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述厚壁空心管2外壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由樣品池30上端頂蓋5引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；
所述厚壁空心管2內(nèi)壁上與樣品池頂蓋5齊平的位置處依次安裝有溫度傳感器8和9，所述厚壁空心管2內(nèi)壁上與樣品池底座6齊平的位置處依次安裝溫度傳感器12和13，所述溫度傳感器8、9、12和13的連接導(dǎo)線由厚壁空心管2上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述的厚壁空心管2外壁上軸向依次安裝有溫度傳感器10和溫度傳感器11，所述的溫度傳感器10與樣品池30上端之間的距離為樣品池30深度的1/3，所述的溫度傳感器11與樣品池30內(nèi)底端之間的距離為樣品池30深度的1/3；所述的溫度傳感器10和11的連接導(dǎo)線由樣品池30上端頂蓋5引出，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述的絕熱室(20)為由有機玻璃制作的絕熱室；所述的樣品池30由玻璃或有機玻璃制作的樣品池，其池內(nèi)尺寸為5mm×5mm×5mm到10mm×10mm×10mm之間；樣品池30的樣品池底座6為有機玻璃板或玻璃鋼板；所述的厚壁空心管2為由聚四氟乙烯、銅、玻璃或有機玻璃制做的厚壁空心管，其內(nèi)徑為30μm——5mm；外徑為15μm——20mm；所述的溫度傳感器為熱電偶。
本發(fā)明用已知物性的流體的流動換熱來實現(xiàn)熱量的較精確測量；流體通過中心圓柱的流速用計量時間內(nèi)的流過質(zhì)量進行平均得到。通過的流體的質(zhì)量可以用天平稱量獲得，也可用蠕動泵進行精確的控制和測量。
在生物材料各種熱參數(shù)的測量途徑中，熱方法因其簡捷性和價格低廉而逐漸受到注意。從熱學(xué)角度出發(fā)，本發(fā)明給出一種新型的測定生物樣品潛熱及其熱物性的掃描量熱方法和裝置。如下先對其測試原理予以說明。
流體在圓柱內(nèi)芯流動，其與管壁和外圍生物樣品換熱熱方程為Q=A·ρ·v·∫0τCP(t)·(Tout(t)-Tin(t))dt]]>單位時間內(nèi)中心圓柱內(nèi)流體與樣品間換熱量為q=A·ρ·v·∫0τCP(t)·(Tout(t)-Tin(t))dtτ]]>其中，Q是總換熱量，Cp是流體的熱容，v為流體通過中心圓柱的流速，ρ為流體的密度，τ為計量的時間，Tout為流體流出中心圓柱的時測得的溫度，Tin為流體流入中心圓柱時的溫度。這其中考慮了流體比熱容隨溫度的變化效應(yīng)。流速v應(yīng)予精確控制，保證勻速運動。A、ρ均為已知量，v值大小可通過精確測量τ時間內(nèi)流體的質(zhì)量流量來進行平均得到。由上述公式，我們可以得到單位時間內(nèi)流體通過管壁與樣品的換熱量。由于樣品所處的熱環(huán)境跟它自身所處的溫度和吸熱放熱量密切相關(guān)，所以，除了記錄樣品與流體之間的換熱量，我們還需要記錄樣品本身的溫度變化。在冷(熱)流體通過中心圓柱時，由于流體與生物樣品之間存在溫差，在熱交換作用下，生物樣品自身的溫度必然降低(或升高)。所以應(yīng)在樣品中設(shè)置靈敏的溫度傳感器，依據(jù)各點采集到的瞬態(tài)溫度，就可以獲得待測樣品的吸收(放出)熱量與樣品溫度的關(guān)系。除此之外，還可以獲得樣品的相變潛熱相應(yīng)計算方法若0～τ時間內(nèi)，樣品發(fā)生相變時，其與外界換熱量為Q′＝Cp′·m′·(T′-T0′)+Q0其中，Q′為樣品總換熱量，Cp′為樣品的平均比熱容，m′為樣品質(zhì)量，T′、T0′為樣品在τ時刻和零時刻的溫度，Q0為樣品的相變潛熱。由能量守恒有Q′＝Q聯(lián)立上述方程，可得出樣品的相變潛熱Q0。
整個過程由數(shù)據(jù)采集儀結(jié)合計算機自動記錄和自動計算。用戶可由顯示屏讀出所測量的熱量變化和溫度的數(shù)值，并通過圖像表示其相互依賴關(guān)系，并獲得樣品的相變溫度和相變潛熱。
本發(fā)明提供一種可測量材料在不同降溫或升溫速率下吸收(或放出)的熱量與樣品溫度的依賴關(guān)系，從而測定樣品的相變點和相變潛熱等熱學(xué)參數(shù)的新型方法和裝置。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且所測試對象可為固體或液體。由于所采用的溫度傳感器精度高，響應(yīng)速度快，測溫范圍廣，從而能滿足較寬范圍的應(yīng)用。本發(fā)明最顯著的特點是不同于傳統(tǒng)的差示掃描量熱法，無需采用與樣品同類的參比物進行熱量的測量，而是用已知物性的流體的流動換熱來實現(xiàn)熱量的較精確測量；對樣品的溫度掃描不是通過復(fù)雜的程序溫度控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)加熱或降溫的辦法來實現(xiàn)，而是直接以中心圓柱內(nèi)的流體作為冷源(或熱源)，通過熱傳導(dǎo)使樣品升溫或降溫，從而實現(xiàn)了從樣品溫度到流體溫度的溫度掃描；通過改變管壁的材料來改變流體與樣品間的導(dǎo)熱熱阻，實現(xiàn)不同的掃描溫度速率。該裝置測試精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低且操作十分簡便，適用范圍廣。


圖1為本發(fā)明的基于流體流動換熱的圓柱型量熱儀的結(jié)構(gòu)示意圖；其中絕熱室頂蓋1 厚壁空心管2絕熱室20絕熱底座4樣品池頂蓋5樣品池30儲液池7 天平71 計算機50
樣品池底座6 數(shù)據(jù)采集器40溫度傳感器8、9、10、11、12、1具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
由圖1可知，本發(fā)明提供的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，包括一絕熱室20，其上端面上蓋有絕熱室頂蓋1；一位于絕熱室20之內(nèi)的樣品池30，其上端面上蓋有樣品池頂蓋5；一厚壁空心管2，其依次穿過絕熱室20的絕熱室頂蓋1、樣品池30的樣品池頂蓋5、樣品池30的樣品池底座6和絕熱室20的絕熱底座4；一上端安置有儲液池7的天平71，所述儲液池7位于厚壁空心管2的下方；所述厚壁空心管2內(nèi)周壁和外周壁上軸向依次安裝有2-20枚溫度傳感器；所述厚壁空心管2內(nèi)壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由厚壁空心管2上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述厚壁空心管2外壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由樣品池30上端頂蓋5引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述的2-20枚溫度傳感器可以沿厚壁空心管2外壁和內(nèi)壁軸向均勻分布；本實施例是在厚壁空心管2外壁上軸向依次安裝有溫度傳感器10和溫度傳感器11，溫度傳感器10與樣品池30上端之間的距離為樣品池30深度的1/3，溫度傳感器11與樣品池30內(nèi)底端之間的距離為樣品池30深度的1/3；溫度傳感器10和11的連接導(dǎo)線由樣品池30上端頂蓋5引出，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；厚壁空心管2內(nèi)壁上與樣品池頂蓋5齊平的位置處依次安裝有溫度傳感器8和9，厚壁空心管2內(nèi)壁上與樣品池底座6齊平的位置處依次安裝溫度傳感器12和13，溫度傳感器8、9、12和13的連接導(dǎo)線由厚壁空心管2上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器40的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器40的輸出端與計算機50的輸入端相連接；所述的絕熱室(20)為由有機玻璃制作的絕熱室；所述的樣品池30由玻璃或有機玻璃制作的樣品池，其池內(nèi)尺寸根據(jù)需求，可為5mm×5mm×5mm到10mm×10mm×10mm之間；要求材料各部分熱物理性質(zhì)均一穩(wěn)定；樣品池30的樣品池底座6為一輔助平片，為有機玻璃板或玻璃鋼板；所述的厚壁空心管2為由聚四氟乙烯、銅、玻璃或有機玻璃制做的厚壁空心管，其內(nèi)徑為30μm——5mm；外徑為15μm——20mm。樣品室外壁采用絕熱性能好的聚四氟乙烯，厚度不應(yīng)小于空心管厚度尺寸，保證樣品與外界絕熱充分，受外界影響較小。
所述的溫度傳感器可選用熱電偶，其測溫頭大小應(yīng)在能保證加工的前提下以最小尺寸為宜，當前商業(yè)上可購買到的較小熱電偶絲直徑為20μm、80μm等尺寸，可直接使用，或根據(jù)需要選用特殊加工的熱電偶。
溫度傳感器的信號輸入到數(shù)據(jù)采集儀，具體可選用性能價格比較好的Agilent34970A型信號采集處理器。本發(fā)明所用計算機采用普通型即可，價格十分便宜，而性能完全滿足要求。
測量質(zhì)量流量可采用市場上常用的精密天平，精確到毫克，或者采用蠕動泵進行精確測量和控制。
由上所述，本發(fā)明采用的溫度傳感器來源于熱電偶，其響應(yīng)速度較快，且精度高，而價格則趨于低廉，整個裝置的制作和組裝相對容易，數(shù)據(jù)采集及處理十分方便，無復(fù)雜電路，結(jié)構(gòu)簡單，測試范圍廣(可對熱電偶在不同溫度范圍進行精確標定來實現(xiàn))。一旦測得凍結(jié)過程中熱電偶的溫度信息，則可基于前述原理確定出所測樣品的相變潛熱。本系統(tǒng)適宜于不同降溫或升溫速率下生物樣品相變潛熱的測量。
利用本發(fā)明檢測生物樣品熱學(xué)物性，包括相變溫度的測定和相變潛熱的測定，可分為凍結(jié)和融化兩種情況；這里先介紹凍結(jié)情形下的測量步驟首先將樣品放入樣品室，熱電偶引線連接到數(shù)據(jù)采集儀器，而數(shù)據(jù)采集儀器插接到計算機上，然后開啟數(shù)據(jù)采集儀和計算機系統(tǒng)，于是熱電偶開始采集所觸及部位的溫度信號；接通流體對樣品降溫，同時開始計時，溫度信號也由數(shù)據(jù)采集儀和計算機監(jiān)控，待樣品完全凍結(jié)后，停止采集，對于融化情形，步驟如下預(yù)先將樣品完全凍結(jié)并達到穩(wěn)態(tài)后，開啟數(shù)據(jù)采集儀和計算機系統(tǒng)采集溫度信號，接通流體對樣品升溫，同時計時開始，當樣品完全融化后，停止采集，稱量天平所得計量時間內(nèi)的流體質(zhì)量，計算流體流速。利用所編制的計算程序按照如前所述計算原理可繪制流體放熱量與樣品溫度的關(guān)系，判斷相變點溫度，計算相變潛熱。對于不同的生物樣品，可以選擇不同的空心套管，以改變熱阻，從而使樣品獲得不同的降溫或升溫速率。
權(quán)利要求
1.一種基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，包括一絕熱室(20)，其上端面上蓋有絕熱室頂蓋(1)；一位于絕熱室(20)之內(nèi)的樣品池(30)，其上端面上蓋有樣品池頂蓋(5)；一厚壁空心管(2)，其依次穿過絕熱室(20)的絕熱室頂蓋(1)、樣品池(30)的樣品池頂蓋(5)、樣品池(30)的樣品池底座(6)和絕熱室(20)的絕熱底座(4)；一上端安置有儲液池(7)的天平(71)，所述儲液池(7)位于厚壁空心管(2)的下方；所述厚壁空心管(2)內(nèi)周壁和外周壁上軸向依次安裝有2-20枚溫度傳感器；所述厚壁空心管(2)內(nèi)壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由厚壁空心管(2)上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器(40)的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器(40)的輸出端與計算機(50)的輸入端相連接；所述厚壁空心管(2)外壁上軸向依次安裝的溫度傳感器的連接導(dǎo)線由樣品池(30)上端頂蓋(5)引出后，與數(shù)據(jù)采集器(40)的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器(40)的輸出端與計算機(50)的輸入端相連接。
2.按權(quán)利要求1所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述厚壁空心管(2)內(nèi)壁上與樣品池頂蓋(5)齊平的位置處依次安裝有溫度傳感器(8)和(9)，所述厚壁空心管(2)內(nèi)壁上與樣品池底座(6)齊平的位置處依次安裝溫度傳感器(12)和(13)，所述溫度傳感器(8)、(9)、(12)和(13)的連接導(dǎo)線由厚壁空心管(2)上端口引出后，與數(shù)據(jù)采集器(40)的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器(40)的輸出端與計算機(50)的輸入端相連接。
3.按權(quán)利要求1所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述的厚壁空心管(2)外壁上軸向依次安裝有溫度傳感器(10)和溫度傳感器(11)，所述的溫度傳感器(10)與樣品池(30)上端之間的距離為樣品池(30)深度的1/3，所述的溫度傳感器(11)與樣品池(30)內(nèi)底端之間的距離為樣品池(30)深度的1/3；所述的溫度傳感器(10)和(11)的連接導(dǎo)線由樣品池(30)上端頂蓋(5)引出，與數(shù)據(jù)采集器(40)的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器(40)的輸出端與計算機(50)的輸入端相連接。
4.按權(quán)利要求1所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述的絕熱室(20)為由有機玻璃制作的絕熱室。
5.按權(quán)利要求1所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述的樣品池(30)由玻璃或有機玻璃制作的樣品池，其池內(nèi)尺寸為5mm×5mm×5mm到10mm×10mm×10mm之間。
6.按權(quán)利要求1或3所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，樣品池(30)的樣品池底座(6)為有機玻璃板或玻璃鋼板。
7.按權(quán)利要求1所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述的厚壁空心管(2)為由聚四氟乙烯、銅、玻璃或有機玻璃制做的厚壁空心管，其內(nèi)徑為30μm-5mm；外徑為15μm-20mm。
8.按權(quán)利要求1、2或3所述的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器為熱電偶。
全文摘要
本發(fā)明提供的基于流體流動換熱的圓柱型量熱的裝置，包括絕熱室，位于絕熱室之內(nèi)的樣品池；穿過樣品池和絕熱室的厚壁空心管，位于空心管下方天平，天平上端安放有儲液池，和軸向依次安裝在空心管2內(nèi)壁和外壁上的溫度傳感器，溫度傳感器的連接導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集器的輸入端相連，數(shù)據(jù)采集器與計算機相連；本發(fā)明用已知物性的流體的流動換熱來實現(xiàn)熱量的較精確測量；其測試精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低且操作十分簡便，適用范圍廣。
文檔編號G01N25/00GK1670519SQ200410029458
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者劉靜, 于麗娜 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所