气体扩散系数检测装置

1.本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种气体扩散系数检测装置。


背景技术：

2.扩散系数是表示气体扩散程度的物理量，在工业中是一项十分重要的物性指标。根据菲克定律，扩散系数是沿扩散方向，在单位时间每单位浓度梯度的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数。其大小主要取决于扩散物质自身的性质和扩散介质的种类及其温度和压力。
3.现存的气体扩散系数检测装置采用的核心部件普遍是t形管，其中t形管中的水平管用于形成气流保证持续稳定的气体流通，而竖直管则用于盛放待测挥发性液体。由于测试过程中竖直管中的液面变化情况不易观察，读取数据的过程中均需借助放大镜等观测仪器来确定竖直管中的液位下降情况，这不仅给测试过程带来不便，而且也容易导致测试结果的精确度降低。
4.此外，现有的气体扩散系数检测装置中由于缺少智能化的控制系统，从而造成对测试过程中温度、气体流速等控制变量的监测稳定性较低，同时也使得现有装置在使用过程中操作流程较为繁琐，费时费力的同时精确度却不高。
5.有鉴于此，有必要设计一种改进的气体扩散系数检测装置，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种测试精度更高、且操作简单易行的新型智能化气体扩散系数检测装置，从而解决现有技术中由于数据读取不便、装置稳定性不高、操作不便等问题造成的测量精度不足、测试效率不高。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种气体扩散系数检测装置，包括设有开口的壳体、设置于所述壳体内通过水平导管相互连通的外层容器仓和内层容器仓以及连通所述壳体内腔设置的抽气系统；
9.所述壳体内设有气压监测装置；
10.所述外层容器仓的顶部呈敞口设置，内部设有温度监测装置；
11.所述内层容器仓的顶部设有以单向导水膜密封的开口；
12.所述水平导管内设置有可移动的石蜡小球。
13.作为本发明的进一步改进，所述外层容器仓的底部设有恒温加热板。
14.作为本发明的进一步改进，所述水平导管沿所述水平导管的延伸方向上设有多个光电传感器，所述光电传感器与设置于所述壳体内的单片机信号连接。
15.作为本发明的进一步改进，所述外层容器仓内设有温度传感器；
16.所述壳体内设有气压传感器；
17.所述恒温加热板、所述温度传感器、所述气压传感器以及所述抽气系统均与设置于所述壳体内的单片机信号连接。
18.作为本发明的进一步改进，所述壳体外壁上设有与所述单片机信号连接的触摸屏。
19.作为本发明的进一步改进，所述壳体的开口设置于所述壳体的顶部；
20.所述抽气系统设置于所述壳体的底部；
21.所述外层容器仓顶部敞口的设置尺寸大于所述壳体顶部开口的设置尺寸大于所述内层容器仓顶部开口的设置尺寸。
22.作为本发明的进一步改进，所述抽气系统与所述壳体内腔的连接处设置有防水挡板；
23.所述防水挡板的下方设置有所述单片机和电源。
24.作为本发明的进一步改进，所述壳体、所述外层容器仓以及所述内层容器仓均设置呈圆柱形。
25.作为本发明的进一步改进，所述外层容器仓的设置内径、所述内层容器仓的设置内径以及所述水平导管的设置内径之比包括：60:40:1。
26.作为本发明的进一步改进，所述壳体的底部设有可调节支撑机构；
27.所述可调节支撑机构包括连接于所述壳体底部的螺母柱和连接于所述螺母柱底端的支撑腿。
28.本发明的技术效果和优点：
29.本发明公开了一种气体扩散系数检测装置,包括设有开口的壳体、设置于壳体内通过水平导管相连通的外层容器仓和内层容器仓以及连通壳体内腔设置的抽气系统；其中，壳体内设有气压监测装置；外层容器仓的顶部呈敞口设置，内部设有温度监测装置；内层容器仓的顶部设有以单向导水膜密封的开口；水平导管内设置有可移动的石蜡小球。通过以上方式，本发明利用连通器原理，将现有气体扩散系数检测装置中的核心检测部件t形管改进为以水平导管相连通的两个分别与大气连通、呈内外套设的容器仓，从而使得外层容器仓内待测液体的挥发情况可以通过水平导管中石蜡小球移动的相应距离得到精确表征，在方便了移动距离获取的同时，也使得本装置的测量精度明显提升。
30.本发明通过在气体扩散系数检测装置中引入单片机，并将该单片机与装置内的抽气系统、恒温加热板、光电传感器、气压监测装置以及温度监测装置均进行信号连接，从而改进了装置的智能化程度，提升了装置的可操作性，简化了控制流程，确保了测试过程中对温度、压力、气体流量等外界可变因素的稳定性控制，进一步确保了本装置的测量效果。
31.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
32.图1为本发明的气体扩散系数检测装置的整体结构示意图；
33.图2为本发明的气体扩散系数检测装置的剖面结构示意图；
34.图3为本发明的气体扩散系数检测装置在使用过程中的气流移动路线示意图；
35.图4为本发明的气体扩散系数检测装置的智能控制原理图。
36.附图标记
37.1、壳体；2、单向导水膜；3、触摸屏；4、外层容器仓；5、恒温加热板；6、水平导管；7、防水挡板；8、电源；9、内层容器仓；10、温度传感器；11、石蜡小球；12、气压传感器；13、光电传感器；14、单片机；15、抽气系统；16、螺母柱；17、支撑腿。
具体实施方式
38.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，所描述的实施例仅仅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做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。
39.为解决现有技术的不足，本发明公开了一种气体扩散系数检测装置，请参阅图2所示，该装置包括设有开口的壳体1、设置在壳体1内通过水平导管6相互连通的外层容器仓4和内层容器仓9以及连通壳体1内腔设置的抽气系统15；其中，壳体1内设有气压监测装置；外层容器仓4的顶部呈敞口设置，其内部设有温度监测装置；内层容器仓9的顶部设有以单向导水膜2密封的开口；水平导管6内设置有可移动的石蜡小球11。如此设置，本发明可以借助连通器原理将外层容器仓4内待测液体的挥发情况通过水平导管6中石蜡小球11向内层容器仓9的连接方向移动的相应距离进行精确表征，从而解决了以往测试过程液位下降情况不易读取的问题，使本装置的测试精度更高。具体而言，在抽气系统15从壳体1内持续抽气的过程中，将使得敞口设置的外层容器仓4内的待测液体不断挥发，同时由于内层容器仓9的顶部开口处以单向导水膜2密封，其内部的液体在挥发至单向导水膜2后会重新冷凝回流到内层容器仓9中，因此内层容器仓9中的液量将保持不变；此时，又由于外层容器仓4和内层容器仓9均能够与大气保持连通，根据连通器原理内层容器仓9中的液体将通过水平导管6不断地向外层容器仓4中流动，从而使得水平导管6内设置的石蜡小球11不断地向着与外层容器仓4的连接方向移动，进而只需要通过获取到小球在管内的移动情况，即可通过计算将其转化为反映外层容器仓4中待测液体的挥发情况，从而实现以一种更为简单、便捷且高精度的方式，准确获取到待测液体的气体扩散系数。
40.进一步的，可以通过在外层容器仓4的底部设置恒温加热板5的方式，进一步加速外层容器仓4内待测液体的蒸发扩散，从而测试待测液体于不同温度下的气体扩散系数。
41.具体的，本发明中的壳体1、外层容器仓4以及内层容器仓9均优选设置呈圆柱形。如此不仅占用面积小、利用率高，而且也更有利于确保装置内温度、气流的控制稳定性。此外，本发明通过以内径为1200mm的外层容器仓4，内径为800mm的内层容器仓9，且内径为20mm的水平玻璃导管，进行模拟计算后发现，该测试装置的测量精度可以达到2*10-3
mm，在相同成本条件下该精度能够达到行业领先水平。
42.进一步的，在本发明提供的实施例中，壳体1上的开口设置在了壳体1的顶部，相应的，抽气系统15则适配设置在了壳体1的底部；在如此的设置方式下，外层容器仓4的顶部敞口的设置大小应务必大于壳体1顶部开口的设置尺寸；同时壳体1顶部开口的设置尺寸又应确保大于内层容器仓9顶部开口的设置尺寸。如此设置，该检测装置处于工作状态时其内部的气流轨迹可参见图3中所示，从壳体1上方的开口进气，沿外层容器仓4的外围形成环流，并在此期间带走外层容器仓4内不断蒸发出的待测气体，并由设置于壳体1内的气压传感器实时监测其在壳体1内形成的气压，确保气流的稳定。另外，此处将壳体1顶部开口的设置尺
寸设置成大于内层容器仓9顶部开口的尺寸，又使得气流从顶部流入壳体1的过程中不会影响到内层容器仓9内的气压，从而使其能够始终处于恒定压强下，不会影响到连通器的作用强度。但对于前述开口的设置方式，本领域技术人员容易想到，适当改变装置中壳体1处开口的设置位置，如设置在壳体1的一侧壁面上，同时相应适配抽气系统15设置于相对的另一侧壁面方向上，也不会影响到本设计装置的抽气作用原理，都能够实现本发明中所声称的加速气体扩散的作用效果，故在不脱离此项发明构思的前提下，仅对壳体1、内、外层容器仓上开口设置方位的简单调整，都应介于本发明的保护范围之内。
43.进一步的，抽气系统15与壳体1内腔的连接处设置有防水挡板7；所述单片机14和电源8都设置在防水挡板7的下方，以有效避免上述用电设备进水之后可能引发的短路现象。
44.与此同时，为进一步便捷化前述测试流程，本设计装置在水平导管6的延伸方向上并排设置了多个光电传感器13，用于实时监测管内石蜡小球11的移动距离；同时在外层容器仓4内设置了温度传感器10、在壳体1内设置了气压传感器12；并将光电传感器13、恒温加热板5、温度传感器10、气压传感器12以及抽气系统15均与设置在壳体1内的单片机14信号连接。如此一来，通过在气体扩散系数检测装置中引入单片机，不仅改进了装置的智能化控制水平，简化了控制流程，而且可以确保测试过程中对温度、压力、气体流量等外界可变因素的全程稳定性监控及实时数据获取，从而进一步确保了本装置的测量效果，也提升了气体扩散系数的测试效率。
45.进一步的，壳体1外壁上设有与单片机14信号连接的触摸屏3。具体可参见图1并结合图4所示，本装置中的智能控制部分可以选用stm32单片机完成，开始测量前首先通过温度传感器10及恒温加热板5将温度加热到设定温度，并通过气压传感器12测量初始时的大气气压；开始测量时，抽气系统15工作，石蜡小球11开始向外层容器仓4的连接方向移动，期间会依次经过多个光电传感器13，stm32单片机记录下其通过各个光电传感器13所需的时间，即可根据以下公式由运算模块自动计算出扩散系数，并将其在oled触摸屏幕上进行显示。具体的，使用时用户通过触摸屏3输入预定的温度，气体流量(抽气系统功率)后，该信号被传递给单片机14，由单片机14驱动控制恒温加热板5和抽气系统15一同实现测试过程中的恒温、恒流环境，直至读取到气体扩散系数。从而使得本装置操作简单、省时省力。
[0046][0047]
式中，其中，zi为各光电传感器与第一个光电传感器之间的距离；ti为石蜡小球从第一个光电传感器抵达随后的各光电传感器所用的时长间隔；(为进一步提升计算精度，k的值可通过多次计算后，取平均)；da为气体a的扩散系数；ρa为气体a的密度；r为摩尔气体常数，取8.314；t为设定的恒定温度；ma‑‑‑‑
气体a的相对摩尔质量；p为实验时的大气压强，即开机未实验前压力表测得的气压；p
测
为实验过程中压力表测得的气压；r
管
为水平导管的半径；r
外
为外层容器仓的半径；r
内
为内层容器仓的半径。
[0048]
进一步的，本装置壳体1的底部四周均设置有可调节支撑机构。该可调节支撑机构包括连接在壳体1底部的螺母柱16以及连接在螺母柱16底端的支撑腿17，该支撑腿17是通
过旋转螺母柱16实现对装置本体的高度调节的。如此设置，通过随时调节位于装置本体底部四角各支撑机构的高度，从而进一步确保进行气体扩散系数测试时水平导管6的设置方向能够始终保持水平，保证测量数值不会受到影响，进一步提升了测量结果的准确性。
[0049]
下面对本发明的气体扩散系数检测装置的使用方法进行具体说明：
[0050]
向两个容器仓中注入待测液体，操控触摸屏3开启仪器，并设定好加热温度和气流压力，此时，气压传感器12测得此时的大气压力p；接着，装置在温度传感器10的监测下逐步加热到设定温度，此时，光电传感器13开启预备。
[0051]
开始测量时，抽湿系统15开始工作，气压传感器12测得此时的气流压力p
测
；随外层容器仓4内的气体逐渐被抽出，外层容器仓4内的液体逐渐减少，受连通器影响，内层容器仓9内的液体逐步向外侧容器流动，以此带动水平导管6中的石蜡小球11向外层容器仓4的连接侧移动。石蜡小球11移动过程中，将抵达各个光电传感器13，单片机14同时记录下石蜡小球11通过各光电传感器13所需的时间，并利用上述公式自动计算出气体扩散系数后直接显示在屏幕上。
[0052]
综上所述，本发明技术通过利用连通器原理，将现有气体扩散系数检测装置中的核心检测部件t形管改进为以水平导管相连通的两个分别与大气连通、呈内外套设的容器仓，从而使得外层容器仓内待测液体的挥发情况可以通过水平导管中石蜡小球移动的相应距离得到精确表征，在方便了移动距离获取的同时，也使得本装置的测量精度明显提升。通过在气体扩散系数检测装置中引入单片机，并将该单片机与装置内的抽气系统、恒温加热板、光电传感器、气压监测装置以及温度监测装置均进行信号连接，从而改进了装置的智能化程度，提升了装置的可操作性，简化了控制流程，确保了测试过程中对温度、压力、气体流量等外界可变因素的稳定性控制，进一步确保了本装置的测量效果。
[0053]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。