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新型电磁加热金属相图实验仪

阅读：881发布：2020-05-12

专利汇可以提供新型电磁加热金属相图实验仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及电磁加热器技术领域，具体涉及一种新型电磁加热金属相图实验仪，包括主机和电磁感应加热炉；主机通过控制电路与电磁感应加热炉相连，电磁感应加热炉通过主电路与电源电路相连；主机包括集成单片机和控制器，集成单片机与所述控制器相连；本发明利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在加热物体上时，磁力线被切割，产生无数小旋涡流，使物体自身迅速发热，从而达到加热的目的。整体能量转换形式是从电能 -磁能-电能- 热能的过程，电磁感应线圈本身基本不会产生热量，可有效减少余热的产生，实现样品体系内外温度一致，温度控制实时准确。，下面是新型电磁加热金属相图实验仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：包括主机和电磁感应加热炉；所述主机通过控制电路与所述电磁感应加热炉相连，所述电磁感应加热炉通过主电路与电源电路相连；所述主机包括集成单片机和控制器，所述集成单片机与所述控制器相连；所述控制器连接的温度传感器由铠装镍铬-考铜热电偶组成，其插入在样品试管中部，实时监测样品加热温度，并把温度反馈到所述控制器的温度控制器，所述集成单片机与温度控制器互相通信，实时判断设定温度与感应样品温度的关系，并发出指令到电磁感应加热控制器，控制电磁感应加热炉的加热状态，所述集成单片机根据设定温度和感应温度的差值，进而调节电磁感应的磁性强度，非线性变化产生的感应涡流，改变加热炉的加热功率。
2.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述主电路负责功率的转化，包括主谐振电路和EMI滤波器电路。
3.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述控制电路负责整个系统的控制及智能化的实现，靠控制系统的软硬件实现。
4.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述控制系统的AD采集芯片为ADC08038芯片。
5.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述集成单片机通过对输入电流、输出电流、样品温度、设置温度输入的分析，判断加热炉中提供的负载是否符合要求，输出相应的功率，并根据热电偶感应温度与设置温度的差值，调节输出功率的大小。
6.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：加热完成后，系统提示设置时间，自动进行倒计时状态，归零后输出声音提示信号。
7.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述电磁感应加热炉下面设置散热风扇，由风扇控制信号调节转速降温，显示屏输出信号由发光二极管构成，显示样品温度，定时时间。
8.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述电磁感应加热炉内壁缠绕直流加热丝、碳纤维加热丝或者PTC加热片，由温度补偿控制器调节加热功率。
9.根据权利要求1所述的新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：所述控制器包括温度、电磁感应加热、风扇、时间、补偿直流加热和声音控制器。

说明书全文

新型电磁加热金属相图实验仪

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁加热器技术领域，具体涉及一种新型电磁加热金属相图实验仪。

背景技术

[0002] 二组分金属相图的绘制是大学物理化学的基础实验之一，主要是采用热分析法测定系统在加热或冷却的过程中，系统温度随时间的变化情况推导金属样品相转变温度，并绘制相图。而整个实验的关键是样品加热温度和降温速率的精确控制。

[0003] 目前高校物理化学实验中主要使用南京桑力电子设备厂和南京南大万和科技有限公司生产的金属相图实验仪，加热方式采用的是电热丝加热技术，即电能转换为热能后以热传导方式对样品进行加热。该技术受环境影响大、功耗高、加热速度慢，尤其是在实验加热停止后，由于电热丝余热的存在，样品温度会继续上升，难以控制，严重影响实验结果的准确性。如果操作不当，易造成体系过热，密封物质剧烈沸腾，甚至威胁使用者的人身安全。而在测定步冷曲线的降温过程中，主要采用调节降温风扇速率的方式进行，但该方法只能在正常降温的基础上加快降温速率，无法做到降温速率的大小可控，易造成样品过冷现象的发生，影响了实验结果的准确度。

[0004] 基于此，本研究通过设计一种采用电磁感应加热技术的金属相图实验仪，力求简化实验操作，改善控温效果，提高测定结果的准确性。

发明内容

[0005] （一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型电磁加热金属相图实验仪，本发明简化实验操作，改善控温效果，提高测定结果的准确性。

[0006] （二）技术方案为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种新型电磁加热金属相图实验仪，其特征在于：包括主机和电磁感应加热炉；所述主机通过控制电路与所述电磁感应加热炉相连，所述电磁感应加热炉通过主电路与电源电路相连；所述主机包括集成单片机和控制器，所述集成单片机与所述控制器相连；所述控制器连接的温度传感器由铠装镍铬-考铜热电偶组成，其插入在样品试管中部，实时监测样品加热温度，并把温度反馈到所述控制器的温度控制器，所述集成单片机与温度控制器互相通信，实时判断设定温度与感应样品温度的关系，并发出指令到电磁感应加热控制器，控制电磁感应加热炉的加热状态，所述集成单片机根据设定温度和感应温度的差值，进而调节电磁感应的磁性强度，非线性变化产生的感应涡流，改变加热炉的加热功率。

[0007] 优选的，所述主电路负责功率的转化，包括主谐振电路和EMI滤波器电路。

[0008] 优选的，所述控制电路负责整个系统的控制及智能化的实现，靠控制系统的软硬件实现。

[0009] 优选的，所述控制系统的AD采集芯片为ADC08038芯片。

[0010] 优选的，所述集成单片机通过对输入电流、输出电流、样品温度、设置温度输入的分析，判断加热炉中提供的负载是否符合要求，输出相应的功率，并根据热电偶感应温度与设置温度的差值，调节输出功率的大小。

[0011] 优选的，加热完成后，系统提示设置时间，自动进行倒计时状态，归零后输出声音提示信号。

[0012] 优选的，所述电磁感应加热炉下面设置散热风扇，由风扇控制信号调节转速降温，显示屏输出信号由发光二极管构成，显示样品温度，定时时间。

[0013] 优选的，所述电磁感应加热炉内壁缠绕直流加热丝、碳纤维加热丝或者PTC加热片，由温度补偿控制器调节加热功率。

[0014] 优选的，所述控制器包括温度、电磁感应加热、风扇、时间和声音控制器。

[0015] （三）有益效果本发明利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在加热物体上时，磁力线被切割，产生无数小旋涡流，使物体自身迅速发热，从而达到加热的目的。整体能量转换形式是从电能-磁能-电能-热能的过程，电磁感应线圈本身基本不会产生热量，可有效减少余热的产生，实现样品体系内外温度一致，温度控制实时准确。同时在降温过程中，具有温度补偿和风扇降温的功能，降温速率可调，提高相变温度测试的准确度。具有安全可靠、高效节能、寿命长的优点，并可以简化实验操作，改善控温效果，提高测定结果的准确性。
附图说明

[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0017] 图1是新型电磁加热金属相图实验仪的工作原理；图2是本发明的整体设计框图；
图3是新型电磁加热金属相图实验仪测定铅锡金属的步冷曲线和相图。

具体实施方式

[0018] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0019] 实施例1如图1所示的新型电磁加热金属相图实验仪的工作原理，实验仪由集成化的主机和电磁感应加热炉两大部分组成。主机由集成单片机和温度、电磁感应加热、风扇、时间、声音、温度补偿控制器等七部分构成，具有温度设置、数据采集、加热、风扇调速降温、定时报警、温度补偿等功能。最突出的特点是在单片机控制下的温度和电磁感应加热功率实时控制功能。

[0020] 首先，温度传感器由铠装镍铬-考铜热电偶组成，插入在样品试管中部，实时监测样品加热温度，并把温度反馈到温度控制器模块。单片机控制系统通过与温度控制器互相通信，实时判断设定温度与感应样品温度的关系，并发出指令到电磁感应加热控制器，控制电磁感应加热炉的加热状态，并根据设定温度和感应温度的差值，及时调节电磁感应的磁性强度，非线性变化产生的感应涡流，改变加热炉的加热功率，提高温度控制精度。

[0021] 实施例2如图2所示的系统整体设计，其分为主电路部分和控制电路部分。主电路负责功率的转化，主要包括主谐振电路和EMI滤波器电路等内容。控制电路负责整个系统的控制及智能化的实现，是实现装置集约化和智能化的关键，主要靠控制系统的软硬件来实现。

[0022] 本设计系统对内部存储器、中断源、I/O口等各方面的要求不高，选择普通单片机Atmel公司的AT89S52即可。AD采集芯片需要的通道数不超过8路，精度要求一般，使用集成多路开关的ADC08038芯片可以达到要求。

[0023] 使用过程中，单片机通过对输入的4路信号：输入电流、输出电流、样品温度、设置温度输入的分析，判断加热炉中提供的负载是否符合要求，输出相应的功率，并根据热电偶感应温度与设置温度的差值，及时调节输出功率的大小。加热完成后，系统提示设置时间，自动进行倒计时状态，归零后输出声音提示信号。整个过程中，为了控制系统按照要求稳定降温，如果降温过快，设置补偿功率，在加热炉内壁设置直流加热丝，进行小功率加热，控制样品降温速率达到要求；如果降温过慢，在加热炉下面设置散热风扇，由风扇控制信号调节转速降温，增加降温速率，控制样品降温速率达到要求。显示屏输出信号由发光二极管构成，显示样品温度，定时时间。

[0024] 传统的金属相图加热装置采用电热丝加热技术，是利用被加热物质本身的导电性及不良导体的特性来加热的，为接触式加热。在金属相图实验中，存在热滞后和热惯性大的缺点，不易精确控温，导致实验结果误差较大。更换加热方式，控制余热的产生就成为设计金属相图实验仪的关键所在。同时传统金属相图加热装置仅仅设置了风扇降温，该功能只能单向加快降温速率，对于减缓降温速率的需要，无法满足，易造成样品相变过程的过冷现象，引起实验误差。

[0025] 电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用高频电加热原理，将交流电转化为高频电流产生高频磁场，当磁场内磁力线通过绝缘板作用在加热物体上时，磁力线被切割，产生无数小旋涡流，使物体自身迅速发热，从而达到加热的目的。

[0026] 整体能量转换形式是从电能-磁能-电能-热能的过程，电磁感应线圈本身基本不会产生热量，可以有效减少余热的产生，实现样品体系内外温度一致，温度控制实时准确。同时具有安全可靠、高效节能、寿命长的优点。

[0027] 采用本发明绘制相图的步骤如下：1、配置样品
用精密天平配制不同质量配比的待测样品，并在每份样品中添加一定质量的铁粉，混合均匀后加入到特制样品管中，再加入一定量的液体石蜡密封样品，防止样品氧化变质。

[0028] 2、样品加热将配制完成的样品管放入电磁加热炉内，将温度传感器插入样品管内，开启电磁加热金属相图实验仪，设置加热温度、调节倒计时时间，打开声音报警器，设置完成后仪器开始工作，产生的高频磁场作用在样品管外铸铁套管和分散在样品中的铁粉上，磁力线被切割，产生无数小旋涡流，使套管和铁粉自身迅速发热升温，并传导给待测样品，当样品温度达到设定温度时，电磁加热停止。余热将样品温度稍微提升后，样品即开始降温，此时当温度低于设定温度时，电磁加热炉继续小功率加热，达到设定温度后又停止。电磁加热炉间歇性工作，维持样品在设置温度，3分钟后，关闭电磁加热炉。在该过程中散热风扇持续工作，迅速吹散电磁加热炉和样品管的余热，防止样品的进一步升温。

[0029] 3、样品降温停止电磁加热后，时间控制器开始工作，时间显示屏开启倒计时，时间显示零时，声音报警器发出短暂蜂鸣声，提示操作者记录温度数据。同时观察降温速率，如果降温速率超过
3 5℃/min，关闭散热风扇，并设置补偿加热功率，将样品降温速率控制在3 5℃/min后，维~ ~
持仪器现有状态，按提示记录温度数据，并观察样品温度的变化情况。如果样品完成相变过程后，关闭补偿加热功率，并打开散热风扇，增大样品散热速率，缩短测试时间，待样品温度低于40℃后，更换新的样品管，完成其他样品的测试。

[0030] 4、相图的绘制根据实验获得的样品温度值，在origin 软件中，以时间为横坐标，样品温度为纵坐标，绘制样品的时间与温度的变化曲线，即步冷曲线，从步冷曲线上读出相变的温度（即步冷曲线的拐点和平台），横坐标与纵坐标的交点为相变点，把不同的相变点用平滑的曲线连接起来，得到混合物的相图。

[0031] 为验证本发明的有益效果，发明人采用新型电磁加热金属相图实验仪对金属铅（Pb）和金属锡（Sn）的混合物测绘步冷曲线并绘制其金属相图的方法包括以下步骤：1、配置样品
用精密天平配制铅质量百分含量为0%、20%、38.1%、60%、80%、100%的铅锡混合物各50g，后向各样品中加入铁粉10g，混合均匀后加入到特制样品管中，再加入20mL液体石蜡密封样品，防止样品氧化变质。

[0032] 2、样品加热将百分含量为0%铅样品放入电磁加热炉内，将温度传感器插入样品管内，开启电磁加热金属相图实验仪，设置加热温度270℃、调节倒计时时间30s，打开声音报警器，设置完成后仪器开始工作，样品开始加热。当样品温度达到270℃时，电磁加热停止。余热将样品温度稍微提升后，样品即开始降温，此时当温度低于270℃时，电磁加热炉将继续小功率加热，达到设定温度后又停止。电磁加热炉间歇性工作，维持样品在270℃左右，3分钟后，关闭电磁加热炉。在该过程中散热风扇持续工作，迅速吹散电磁加热炉和样品管的余热，防止样品的进一步升温。

[0033] 3、样品降温停止电磁加热后，余热将样品温度稍微提升后，样品即开始降温，时间控制器开始工作，时间显示屏从30S开启倒计时，时间显示零时，声音报警器发出短暂蜂鸣声，提示操作者记录温度数据。同时观察降温速率，如果降温速率超过3 5℃/min，关闭散热风扇，并调节补~
偿加热功率，将样品降温速率控制在3 5℃/min后，维持仪器现有状态，按提示记录温度数~
据，并观察样品温度的变化情况。由于金属锡相变温度在232℃，当样品温度低于200℃后，关闭补偿加热功率，并打开散热风扇，增大样品散热速率，缩短测试时间，待样品温度低于
40℃后，依次更换其他样品管，按照表1不同铅含量样品设定温度和关闭补偿加热温度，完成测试。

[0034] 表1不同铅含量样品设定温度和关闭补偿加热温度铅含量（%）设定温度（℃）关闭补偿加热温度（℃）
0 270 200
20 360 150
38.1 360 150
60 360 150
80 360 150
100 360 290
4、相图的绘制
根据实验获得的样品温度值，在origin软件中，以时间为横坐标，样品温度为纵坐标，绘制样品的时间与温度的变化曲线，即步冷曲线，见图3。由于纯组分铅和锡的体系，降温过程中当样品达到固液两相平衡时，体系自由度为0，样品温度不随时间变化，步冷曲线出现水平线段，直至样品完全凝固为止，体系温度继续下降；对于铅含量60%、80%的样品，样品降温过程中，首先析出固体铅，由于放出相变潜热，使体系的温度下降速率减慢，在步冷曲线上出现转折点，当固体锡也析出时，体系进入三相平衡态，自由度为0，步冷曲线上出现水平线段，直到样品完全凝固，样品温度才继续下降；对于铅含量20%的样品，只是在降温过程中首先析出固体锡，其它情况与60%和80%的铅体系类似；对于含铅量为38.1%的样品，混合物在降温过程中铅和锡两种固体同时析出，体系直接进入三相平衡状态，此时步冷曲线上出现水平线段，直到样品完全凝固，样品的温度才继续下降。

[0035] 从步冷曲线上读出相变的温度（即步冷曲线的拐点和平台），横坐标与纵坐标的交点为相变点，把不同的相变点用平滑的曲线连接起来，得到混合物的相图，见图3。由图3可见，铅和锡的混合物相图也属于部分互熔固熔体类型，低共熔温度为179.2℃，低共熔物组成为铅含量38.1%。在高于179.2℃的高温区，铅和锡的熔液可以混溶，形成液体混合物，在低于179.2℃的低温区，铅和锡不互溶，形成两个固相的混合物。

[0036] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0037] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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