專利名稱：用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，尤其適合于教學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高1K或1℃所需的熱量稱為該物質(zhì)的比熱容，其值隨溫度而變化。
測(cè)定物質(zhì)的比熱容測(cè)量方法主要有混合法、電熱法和冷卻法。混合法采用熱平衡原理測(cè)量物質(zhì)的比熱容，因?yàn)榇嬖谂c外界的熱量交換而影響測(cè)量精度；電熱法通過(guò)對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行電加熱，測(cè)量出加熱功率和加熱時(shí)間而測(cè)得物質(zhì)的比熱容，因?yàn)榇嬖跓崃康膿p失而影響測(cè)量精度；冷卻法是根據(jù)牛頓(Isaac Newton)冷卻定律，若已知標(biāo)準(zhǔn)樣品在不同溫度的比熱容，通過(guò)作冷卻曲線可測(cè)得各種金屬在不同溫度時(shí)的比熱容。
在科研和實(shí)驗(yàn)中，對(duì)金屬的比熱容測(cè)量一般采用冷卻法。在現(xiàn)有的條件下，因?yàn)槿鄙賹Ｓ玫臏y(cè)量裝置，只能用簡(jiǎn)易的設(shè)備組建，造成的測(cè)量的結(jié)果誤差較大，測(cè)量的溫度不易控制，安全性難以保障，容易發(fā)生燙傷事故。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新穎提供一種用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，該裝置所解決的技術(shù)問(wèn)題是能夠測(cè)量金屬的比熱容，測(cè)量精度優(yōu)于3％；采用變壓器隔離的小于36V低壓交流電加熱，并且采取了溫度過(guò)高保護(hù)措施，保證了裝置的測(cè)量安全性；長(zhǎng)期使用外表溫度＜55℃，解決了容易燙傷的問(wèn)題。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是它主要由加熱組件和測(cè)試組件組成，加熱組件至少包括有一可上下升降的加熱筒，筒體內(nèi)安置有電熱器；加熱筒的下方安置有防風(fēng)筒，其內(nèi)有一供安放被測(cè)樣品的底座，在該底座內(nèi)安裝有與被測(cè)樣品接觸的測(cè)溫?zé)犭娕?，該測(cè)溫?zé)犭娕寂c外接的毫伏表至少組成了測(cè)試組件。
所述的加熱筒通過(guò)支架、調(diào)節(jié)手輪連接在一垂直的齒條上，在加熱筒內(nèi)的電熱器由電熱絲和加熱銅塊組成，加熱銅塊與下方的被測(cè)樣品直接接觸。
所述的加熱筒內(nèi)安裝有PT100測(cè)溫傳感器，且該測(cè)溫傳感器與一過(guò)溫保護(hù)電路相接。
所述的加熱筒外至少設(shè)置有一層內(nèi)填充有隔熱材料的隔熱層。
所述的加熱筒外設(shè)置有三層隔熱層，在加熱筒內(nèi)的加熱銅塊外設(shè)置有第一層隔熱層，在該第一層隔熱層外還設(shè)置有二層隔熱層。
本實(shí)用新型由加熱組件和測(cè)試組件組成，加熱組件對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行加熱和冷卻，測(cè)試組件對(duì)被測(cè)樣品的溫度和冷卻時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。加熱組件的加熱筒可上下自由升降，被測(cè)樣品放在有防風(fēng)的底座上，由加熱銅塊對(duì)其加熱；采用熱電偶來(lái)測(cè)量被測(cè)樣品的溫度；用Pt100測(cè)溫傳感器監(jiān)測(cè)加熱筒的溫度，過(guò)高時(shí)保護(hù)電路切斷加熱電壓，并設(shè)有3層隔熱措施，減少熱量對(duì)外傳遞，這樣確保加熱筒的外殼溫度不會(huì)燙傷人。測(cè)試儀包括加熱電源、溫度過(guò)高保護(hù)電路、毫伏表和計(jì)時(shí)秒表。測(cè)試組件包括毫伏表、計(jì)時(shí)秒表、計(jì)時(shí)按鈕、加熱電源、過(guò)溫保護(hù)電路等組成。溫度保護(hù)電路對(duì)Pt100測(cè)溫傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超過(guò)一定的溫度后切斷加熱電源，過(guò)溫保護(hù)指示燈亮；毫伏表用于測(cè)量熱電偶的測(cè)溫輸出，經(jīng)換算后就可以測(cè)得被測(cè)樣品的溫度；計(jì)時(shí)秒表和計(jì)時(shí)按鈕用于測(cè)量被測(cè)樣品的冷卻時(shí)間，計(jì)時(shí)分辨率0.01s；加熱組件和測(cè)試組件通過(guò)二組專用導(dǎo)線電氣連接。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是可以安全地測(cè)量多種金屬的比熱容；測(cè)量精度高3％；采取了溫度過(guò)高保護(hù)措施和良好的隔熱措施，解決了容易燙傷的問(wèn)題。


圖1是本實(shí)用新型加熱組件的縱剖面構(gòu)造圖。
圖2是本實(shí)用新型測(cè)試組件的面板功能示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的電路原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
附圖中的標(biāo)示如下圖1中，1.加熱筒；2.隔熱材料；3.隔熱蓋；4.加熱銅塊；5.隔熱層1；6.被測(cè)樣品；7.底座；8.防風(fēng)筒；9.測(cè)溫?zé)犭娕迹?0.隔熱層2；11.隔熱層3；12.Pt100測(cè)溫傳感器；13.電熱絲；14.調(diào)節(jié)手輪；15.齒條；16.電連接插座。
圖2中，17.溫度保護(hù)指示燈；18.加熱電壓選擇；19.加熱電壓及Pt100測(cè)溫傳感器接口，20.測(cè)溫?zé)犭娕冀涌冢?1.計(jì)時(shí)復(fù)位按鈕；22.計(jì)時(shí)開始/停止按鈕；23.計(jì)時(shí)秒表；24.毫伏表圖3為測(cè)試儀的內(nèi)部框圖，各組件作用在具體實(shí)施方式
中解釋本實(shí)用新型主要由加熱組件和測(cè)試組件組成，加熱組件至少包括有一可上下升降的加熱筒，筒體內(nèi)安置有電熱器；加熱筒的下方安置有防風(fēng)筒，其內(nèi)有一供安放被測(cè)樣品的底座，在該底座內(nèi)安裝有與被測(cè)樣品接觸的測(cè)溫?zé)犭娕迹摐y(cè)溫?zé)犭娕寂c外接的毫伏表至少組成了測(cè)試組件。
所述的加熱筒1通過(guò)支架、調(diào)節(jié)手輪14連接在一垂直的齒條15上，在加熱筒1內(nèi)的電熱器由電熱絲13和加熱銅塊4組成，加熱銅塊4與下方的被測(cè)樣品6直接接觸。
所述的被測(cè)樣品6安放在有較大容量的防風(fēng)筒8內(nèi)的底座7上，測(cè)溫?zé)犭娕?放置于被測(cè)樣品6內(nèi)的小孔中；當(dāng)加熱筒1向下移動(dòng)到底后，加熱銅塊4接觸到被測(cè)樣品6，對(duì)被測(cè)樣品6進(jìn)行加熱，被測(cè)樣品6需要降溫時(shí)則將加熱裝置1上移，加熱銅塊4離開被測(cè)樣品6；為防止加熱筒1的加熱溫度過(guò)高，還設(shè)有Pt100測(cè)溫傳感器12監(jiān)測(cè)；為防止加熱筒1的外殼溫度過(guò)高，設(shè)有3層隔熱措施，加熱銅塊4外包有隔熱1層5，隔熱1層5與隔熱2層10及隔熱2層10與隔熱3層11之間填充有隔熱材料2。
測(cè)試儀包括毫伏表24、計(jì)時(shí)秒表23、計(jì)時(shí)按鈕21、22、加熱電源、過(guò)溫保護(hù)電路等組成。測(cè)試儀提供的小于36V的交流加熱電壓施加于電熱器1內(nèi)的電熱絲13，電熱絲13對(duì)加熱銅塊4加熱，加熱銅塊4再對(duì)被測(cè)樣品6進(jìn)行加熱；溫度保護(hù)電路由比較器、閾值調(diào)節(jié)電路和控制器組成，閾值調(diào)節(jié)電路可以調(diào)節(jié)溫度保護(hù)的范圍，比較器對(duì)Pt100測(cè)溫傳感器12的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)，超過(guò)閾值調(diào)節(jié)電路設(shè)定的溫度后，控制器起控，切斷加熱電源，過(guò)溫保護(hù)指示燈17亮；毫伏表24用于測(cè)量熱電偶9的測(cè)溫輸出，經(jīng)換算后就可以測(cè)得被測(cè)樣品6的溫度；計(jì)時(shí)秒表和計(jì)時(shí)按鈕用于測(cè)量被測(cè)樣品的冷卻時(shí)間。
加熱組件和測(cè)試組件通過(guò)二組專用導(dǎo)線電氣連接。
下面就測(cè)量原理進(jìn)行說(shuō)明單位質(zhì)量的物質(zhì)，其溫度升高1K或1℃所需的熱量稱為該物質(zhì)的比熱容，其值隨溫度而變化。將質(zhì)量為M1的金屬樣品加熱后，放到較低溫度的介質(zhì)(例如室溫的空氣)中，樣品將會(huì)逐漸冷卻。其單位時(shí)間的熱量損失(ΔQ/Δt)與溫度下降的速率成正比，于是得到下述關(guān)系式ΔQΔt=c1M1Δθ1Δt---(1)]]>(1)式中C1為該金屬樣品在溫度θ1時(shí)的比熱容， 為金屬樣品在θ1的溫度下降速率，根據(jù)冷卻定律有ΔQΔt=α1S1(θ1-θ0)m---(2)]]>(2)式中α1為熱交換系數(shù)，S1為該樣品外表面的面積，m為常數(shù)，θ1為金屬樣品的溫度，θ0為周圍介質(zhì)的溫度。由式(1)和(2)，可得c1M1Δθ1Δt=α1S1(θ1-θ0)m---(3)]]>同理，對(duì)質(zhì)量為M2，比熱容為C2的另一種金屬樣品，可有同樣的表達(dá)式c2M2Δθ1Δt=α2S2(θ1-θ0)m---(4)]]>由式(3)和(4)，可得c2M2Δθ2Δtc1M1Δθ1Δt=α2S2(θ2-θ0)mα1S1(θ1-θ0)m]]>所以c2=c1M1Δθ1ΔtM2Δθ2Δtα2S2(θ2-θ0)mα1S1(θ1-θ0)m]]>假設(shè)兩樣品的形狀尺寸都相同(例如細(xì)小的圓柱體)，即S1＝S2；兩樣品的表面狀況也相同如涂層、色澤等，而周圍介質(zhì)(空氣)的性質(zhì)當(dāng)然也不變，則有α1＝α2。于是當(dāng)周圍介質(zhì)溫度不變(即室溫θ0恒定)，兩樣品又處于相同溫度θ1＝θ2＝θ時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為c2=c1M1(ΔθΔt)1M2(ΔθΔt)2---(5)]]>如果已知標(biāo)準(zhǔn)金屬樣品的比熱容C1、質(zhì)量M1；待測(cè)樣品的質(zhì)量M2及兩樣品在溫度θ時(shí)冷卻速率之比，就可以求出待測(cè)的金屬材料的比熱容C2。幾種金屬材料的比熱容見表1表1
權(quán)利要求1.一種用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，它主要由加熱組件和測(cè)試組件組成，其特征在于加熱組件至少包括有一可上下升降的加熱筒(1)，筒體內(nèi)安置有電熱器；加熱筒(1)的下方安置有防風(fēng)筒(8)，其內(nèi)有一供安放被測(cè)樣品(6)的底座(7)，在該底座(7)內(nèi)安裝有與被測(cè)樣品(6)接觸的測(cè)溫?zé)犭娕?9)，該測(cè)溫?zé)犭娕?9)與外接的毫伏表(24)至少組成了測(cè)試組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，其特征在于所述的加熱筒(1)通過(guò)支架、調(diào)節(jié)手輪(14)連接在一垂直的齒條(15)上，在加熱筒(1)內(nèi)的電熱器由電熱絲(13)和加熱銅塊(4)組成，加熱銅塊(4)與下方的被測(cè)樣品(6)直接接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，其特征在于所述的加熱筒(1)內(nèi)安裝有PT100測(cè)溫傳感器(12)，且該測(cè)溫傳感器(12)與一過(guò)溫保護(hù)電路相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，其特征在于所述的加熱筒(1)外至少設(shè)置有一層內(nèi)填充有隔熱材料的隔熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，其特征在于所述的加熱筒(1)外設(shè)置有三層隔熱層，在加熱筒內(nèi)的加熱銅塊外設(shè)置有第一層隔熱層(5)，在該第一層隔熱層外還設(shè)置有二層隔熱層(10、11)。
專利摘要一種用冷卻法測(cè)量金屬比熱容的裝置，它主要由加熱組件和測(cè)試組件組成，加熱組件至少包括有一可上下升降的加熱筒，筒體內(nèi)安置有電熱器；加熱筒的下方安置有防風(fēng)筒，其內(nèi)有一供安放被測(cè)樣品的底座，在該底座內(nèi)安裝有與被測(cè)樣品接觸的測(cè)溫?zé)犭娕?，該測(cè)溫?zé)犭娕寂c外接的毫伏表至少組成了測(cè)試組件；用Pt100測(cè)溫傳感器實(shí)現(xiàn)加熱溫度過(guò)高保護(hù)，并設(shè)有三層隔熱措施。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度優(yōu)于3％，裝置的測(cè)量安全性高，長(zhǎng)期使用外表溫度＜55℃，解決了使用中容易燙傷人的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01N25/20GK2852122SQ20052001285
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者馬志斌, 鄭志榮 申請(qǐng)人:鄭志榮