專利名稱：永磁式磁熱效應(yīng)直接測量儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁式磁熱效應(yīng)直接測量儀器。
背景技術(shù)：
磁制冷是以磁性材料為工作物質(zhì)的制冷技術(shù)，是由材料自身的磁熱效應(yīng)來實現(xiàn)制冷的。磁熱效應(yīng)是磁性材料的一種固有特性，它是由外磁場的變化引起材料內(nèi)部磁熵的改變，并伴隨著材料吸熱、放熱，以此達到制冷目的。在居里溫度附近，材料的磁熱效應(yīng)參數(shù)達到最大。一般用等溫磁熵變|ΔSM|或絕熱磁化溫變ΔTad兩個參數(shù)來表征材料的磁熱效應(yīng)。等溫磁熵變|ΔSM|是材料的內(nèi)稟性質(zhì)，而絕熱磁化溫變ΔTad是材料的表觀性質(zhì)，能直觀反映材料的制冷能力，更具有實際意義。
目前測量材料磁熱效應(yīng)的方法有直接測量法和間接測量法兩種。間接測量是先測得材料不同溫度的磁場強度和比熱，然后通過麥克斯威方程計算得出其等溫磁熵變ΔSM和絕熱磁化溫變ΔTad。直接測量是利用溫度傳感器直接測量磁致冷材料絕熱磁化前后的溫度值，從而得出材料的絕熱磁化溫變ΔT的方法。對于直接測量方法中采用的裝置，已有報道用電磁磁場和脈沖磁場提供磁場的儀器等，但此儀器具有以下缺點1、設(shè)備的成本和運行費用高；2、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣；3、采用電磁場或脈沖磁場只能通過改變電流的大小來實現(xiàn)磁場變化，存在馳豫時間，影響材料磁熱效應(yīng)參數(shù)的測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，運行成本低，測量數(shù)據(jù)真實可靠，精度高、運行穩(wěn)定、重復(fù)性好的永磁式磁熱效應(yīng)直接測量儀器。
本發(fā)明的目的是通過以下方式實現(xiàn)的本發(fā)明包括恒溫系統(tǒng)、永磁磁場系統(tǒng)、樣品測試桿、樣品測試桿移動系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)包括封閉的金屬外殼，在金屬外殼中設(shè)有壓縮機制冷裝置和半導(dǎo)體制冷制熱裝置，在恒溫系統(tǒng)的有效溫度控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有測試桿移動室，永磁磁場系統(tǒng)套在測試桿移動室外，其磁場為均勻的永磁磁場；樣品測試桿用絕緣材料制成，其頂端設(shè)有帶端蓋的樣品室；溫度測量系統(tǒng)由測溫傳感器和計算機組成，測溫傳感器設(shè)在樣品室內(nèi)，其引線通過導(dǎo)線沿測試桿側(cè)邊的凹形導(dǎo)線通道引出測試桿，與計算機相連；在對著測試桿移動室一端的金屬外殼上開有一個供樣品測試桿出入的孔；樣品測試桿移動系統(tǒng)由軌道、電機和設(shè)在軌道上可以沿軌道運動的卡子構(gòu)成，軌道與樣品測試桿出入孔相對應(yīng)設(shè)置。
上述永磁磁場系統(tǒng)是采用聚磁半閉合磁路設(shè)計，用永磁材料(可以為NdFeB、SmCo系、SmFeN系等永磁材料)組裝而成的永磁體磁場系統(tǒng)(永磁體可以做成扇形、方形、多邊形。磁場工作空間的形狀可以做成圓形、橢圓形、方形、多邊形等多種形狀)，其目的是為測量儀器提供穩(wěn)定的、均勻的永磁磁場；測試桿移動室由金屬管制成，與永磁磁場系統(tǒng)之間添有隔熱材料，既可減少熱量損失又可避免過高溫度對永磁材料磁性能的影響；樣品室內(nèi)壁附有隔熱材料，或?qū)悠肥覂?nèi)部設(shè)計成雙層抽真空，以保證樣品良好的絕熱條件。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。本發(fā)明采用永磁體設(shè)計組裝磁場系統(tǒng)，與脈沖磁場、超導(dǎo)磁場相比永磁體磁場系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。
2、運行成本低，經(jīng)濟實用。本發(fā)明所設(shè)計的永磁體磁場系統(tǒng)，其磁場強度為1.4-2.0T，可以達到脈沖磁場所能提供的磁場強度，但在測試運行過程中不再需要電能，節(jié)省了大量的電能，同時也省去了脈沖磁場中冷卻線圈所用的液氮。
3、測量數(shù)據(jù)真實可靠，精度高。一方面本發(fā)明在樣品室內(nèi)壁附有熱絕緣材料，避免了樣品在磁化過程中的熱交換，因而使所測的絕熱溫度變化數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。另一方面，本發(fā)明的測溫傳感器緊貼于樣品表面，并隨樣品一起移動，因而能準(zhǔn)確測得樣品磁化前后的溫度值，從而得到材料的絕熱磁化溫度變化。
4、運行穩(wěn)定、重復(fù)性好。本發(fā)明設(shè)計的釹鐵硼永磁體磁場系統(tǒng)，一、其磁場強度值穩(wěn)定不變，因而可以保證測量數(shù)據(jù)的重復(fù)性，二、本實用發(fā)明采用聚磁半閉合磁路設(shè)計，不同地方所用釹鐵硼磁體的性能不同減少了退磁場的影響，有效地提高磁場的均勻性，從另一方面保證了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重復(fù)性。
四

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為永磁磁場系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為樣品測試桿的結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實施例方式參照附圖，給出本發(fā)明的實施例。
本發(fā)明包括恒溫系統(tǒng)、永磁磁場系統(tǒng)3、樣品測試桿4、樣品測試桿移動系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)。恒溫系統(tǒng)包括封閉的金屬外殼18，在金屬外殼18中設(shè)有壓縮機制冷裝置和半導(dǎo)體制冷制熱裝置，在恒溫系統(tǒng)的有效溫度控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有測試桿移動室7，永磁磁場系統(tǒng)3套在測試桿移動室7外，其磁場為均勻的永磁磁場；樣品測試桿7用絕緣材料制成，其頂端設(shè)有帶端蓋9的樣品室5；溫度測量系統(tǒng)由測溫傳感器11和計算機26組成，測溫傳感器11設(shè)在樣品室19內(nèi)，其引線通過導(dǎo)線12沿測試桿側(cè)邊的凹形導(dǎo)線通道引出測試桿4，與計算機26相連；在對著測試桿移動室7一端的金屬外殼18上開有一個供樣品測試桿4出入的孔；樣品測試桿移動系統(tǒng)由軌道21、電機23和設(shè)在軌道21上可以沿軌道運動的卡子22構(gòu)成，軌道21與樣品測試桿出入孔相對應(yīng)設(shè)置，金屬外殼18可以是鐵皮盒。
永磁磁場系統(tǒng)3包括磁鐵軛板13、永磁材料14。磁鐵軛板為厚度為4-20mm的低碳鋼或純鐵的無縫管或由低碳鋼板或純鐵板組成所需的形狀，永磁材料為幾種不同磁性能的高性能永磁材料，例如釹鐵硼永磁材料，永磁材料按照設(shè)計的磁路加工成設(shè)計需要的形狀的磁體組，每組磁體緊貼磁軛內(nèi)壁能組成一個完整的閉合形狀的磁閉合環(huán)，且不同位置所采用的磁體的磁性能不同，1-15組閉合環(huán)組成永磁磁場系統(tǒng)，其工作空間19根據(jù)所設(shè)計的磁路可大可小。
恒溫系統(tǒng)中的半導(dǎo)體制冷制熱裝置由L型金屬(紫銅、黃銅、不銹鋼、銀、金等金屬)板1豎直面的一面粘有半導(dǎo)體制冷制熱片2構(gòu)成；L型金屬板1豎直面的另一面的中心位置焊接著由外徑略小于磁場工作空間19的紫銅(黃銅、不銹鋼、銀、金等金屬)管制成的測試桿移動室7，永磁磁場系統(tǒng)3套在測試桿移動室7外，并靠于L型金屬板1，使測試桿移動室7處于磁場工作空間19中，且永磁磁場系統(tǒng)3與L型金屬板1及測試桿移動室7之間均添有熱絕緣材料，如聚氨酯泡沫材料，以防止高溫影響永磁材料的磁性能。在L型金屬板1水平面的下面緊貼著一個金屬(紫銅、黃銅、不銹鋼、銀、金等金屬)盒15，盒內(nèi)設(shè)有由薄皮的金屬(紫銅、黃銅、不銹鋼、銀、金等金屬)管16制成的冷凝器，管16內(nèi)通有氟氯烴，靠壓縮機17壓縮循環(huán)制冷。上述結(jié)構(gòu)(除氣體壓縮機外)安裝在鐵皮盒18內(nèi)，其間的所有縫隙用熱絕緣材料密實填充，鐵皮盒18的正面留有與測試桿移動室7外徑大小相同的圓孔，以便樣品測試桿4進出測試桿移動室7。這樣組成了測量儀器的恒溫系統(tǒng)，由壓縮機和半導(dǎo)體制冷制熱片兩級制冷(制熱)達到測試所要求的溫度范圍。(溫度范圍-40——60℃)樣品測試桿4用尼龍或電木等絕緣材料制成，其頂端加工成內(nèi)徑為設(shè)計所要求的形狀和大小的樣品室5，端頭內(nèi)壁帶有螺紋，端蓋9沿螺紋旋進壓緊樣品。樣品室5內(nèi)壁附有熱絕緣材料6，樣品室5內(nèi)遠離開口端頭的一面開有一Φ1mm的小孔20，以便導(dǎo)出連接測溫傳感器11引線的導(dǎo)線12，測溫傳感器11位于樣品室5內(nèi)，其引線通過導(dǎo)線12由孔20導(dǎo)出，沿測試桿4側(cè)邊的凹形導(dǎo)線通道引出測試桿4，與計算機26相連；樣品測試桿4通過不銹鋼卡子22固定在軌道21上，卡子22在電機23帶動下，可以沿軌道運動，卡子22帶動樣品測試桿4沿軌道運動，進出磁場實現(xiàn)磁場變化。樣品進出磁場的位置由限位開關(guān)24控制，限位開關(guān)24粘于軌道21兩端的相應(yīng)位置。
溫度測量系統(tǒng)的測溫傳感器11位于樣品室5內(nèi)，并用粘接劑粘于被測樣品10表面的小塊光滑平面處，并隨被測樣品10一起移動，綜合考慮體積、響應(yīng)時間及測量精度，本發(fā)明選用德國森西康公司的GW/GR2141型鉑電阻測溫元件。測溫傳感器11的引線通過導(dǎo)線12與計算機系統(tǒng)26相連，由計算機系統(tǒng)26采集處理測試數(shù)據(jù)。
測量時，首先將測溫傳感器11用粘接劑粘于被測樣品10的光滑平面處，并一同放置于樣品室5內(nèi)，被測樣品10四周再添加一層熱絕緣材料8，旋緊樣品室5頂端蓋9壓緊被測樣品10，將樣品測試桿4安放在不銹鋼卡子22上夾緊，手動控制啟動電機23，帶動卡子22沿軌道21移動，將樣品10送進永磁磁場系統(tǒng)3的合適位置。第二步，接通電源啟動壓縮機17及半導(dǎo)體制冷制熱片2，同時開啟計算機自動測試系統(tǒng)。第三步，設(shè)置測試參數(shù)，包括樣品編號、測試溫度范圍、測試溫度步長(測試的溫度間隔)，第四步，樣品溫度接近所設(shè)置的溫度下限時，關(guān)閉壓縮機制冷裝置，溫度由于慣性會下降得低于設(shè)定溫度下限，然后開始逐漸升溫，第五步，樣品溫度在升溫的過程中達到所設(shè)定溫度的下限時，計算機自動記錄此溫度值T1，同時自動控制啟動電機23，帶動卡子22沿軌道21移動，卡子22移動帶動樣品測試桿4一起移動，即可將被測樣品帶動移出永磁磁場系統(tǒng)3，移動的最終位置由限位開關(guān)24控制，被測樣品10移出磁場，若被測樣品10具有磁熱效應(yīng)，被測樣品10開始降溫，計算機自動測量系統(tǒng)按照測試軟件程序的設(shè)計找到樣品所降到的最低溫度點，記錄此溫度值T2，第六步，計算機自動控制啟動電機23，帶動卡子22沿軌道21移動，卡子22移動帶動樣品測試桿4一起移動，即可將被測樣品帶動移進永磁磁場系統(tǒng)3，進入的具體位置由限位開關(guān)25控制。等待下個測量溫度點，第七步，被測樣品10溫度繼續(xù)升高，達到下一個測試溫度點，重復(fù)第四步、第五步、第六步操作。就這樣測量出一系列被測樣品磁化前后的溫度值T1、T2，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)計算機處理，可繪出在一定磁場作用下，磁制冷材料溫度T1與材料絕熱磁化溫度變化ΔT的關(guān)系曲線，即ΔT-T曲線。
權(quán)利要求
1.一種永磁式磁熱效應(yīng)直接測量儀器，其特征是它包括恒溫系統(tǒng)、永磁磁場系統(tǒng)、樣品測試桿、樣品測試桿移動系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)包括封閉的金屬外殼，在金屬外殼中設(shè)有壓縮機制冷裝置和半導(dǎo)體制冷制熱裝置，在恒溫系統(tǒng)的有效溫度控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有測試桿移動室，永磁磁場系統(tǒng)套在測試桿移動室外，其磁場為均勻的永磁磁場；樣品測試桿用絕緣材料制成，其頂端設(shè)有帶端蓋的樣品室；溫度測量系統(tǒng)由測溫傳感器和計算機組成，測溫傳感器設(shè)在樣品室內(nèi)，其引線通過導(dǎo)線沿測試桿側(cè)邊的凹形導(dǎo)線通道引出測試桿，與計算機相連；在對著測試桿移動室一端的金屬外殼上開有一個供樣品測試桿出入的孔；樣品測試桿移動系統(tǒng)由軌道、電機和設(shè)在軌道上可以沿軌道運動的卡子構(gòu)成，軌道與樣品測試桿出入孔相對應(yīng)設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁式磁熱效應(yīng)直接測量儀器，其特征是它包括恒溫系統(tǒng)、永磁磁場系統(tǒng)、樣品測試桿、樣品測試桿移動系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)，恒溫系統(tǒng)包括封閉的金屬外殼，在金屬外殼中設(shè)有壓縮機制冷裝置和半導(dǎo)體制冷制熱裝置，在恒溫系統(tǒng)的有效溫度控制區(qū)域內(nèi)設(shè)有測試桿移動室，永磁磁場系統(tǒng)套在測試桿移動室外；樣品測試桿用絕緣材料制成，其頂端設(shè)有帶端蓋的樣品室；溫度測量系統(tǒng)由測溫傳感器和計算機組成，測溫傳感器設(shè)在樣品室內(nèi)，其引線通過導(dǎo)線沿測試桿側(cè)邊的凹形導(dǎo)線通道引出測試桿，與計算機相連；在對著測試桿移動室一端的金屬外殼上開有一個孔；樣品測試桿移動系統(tǒng)由軌道、電機和設(shè)在軌道上的卡子構(gòu)成，軌道與金屬外殼上的孔相對應(yīng)設(shè)置。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，運行成本低，測量數(shù)據(jù)真實可靠，精度高、運行穩(wěn)定、重復(fù)性好。
文檔編號G01R33/12GK1657968SQ20051005404
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月5日
發(fā)明者黃焦宏, 徐來自, 金培育, 劉金榮, 楊保榮, 楊文志, 邱巨峰 申請人:包頭稀土研究院