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专利名称：应用于6～8型二级推进型超高压装置的数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据采集系统，尤其涉及一种应用6 8型二级推进型超高压装置上的数据采集系统。
背景技术：
自然界中绝大部分实体物质(如地球等星体内部)都处于高压状态，高压科学将是人类认识自然奥妙、开启宇宙之门的钥匙，高压科学研究的突破将大大推动人类知识创新。工欲善其事，必先利其器，发展相应的高压高温合成装置是推动高压新物质研制的基础。现代高压技术的发展集中在两条主要线路上，其一为大腔体压机系统(简称为“大压机”)，其二为以金刚石压腔为代表的小压机体系。和金刚石压腔相比，大压机系统具有样品体积大、压力均勻、易于同时产生高温高压状态等优点，所以特别适合高温高压新物质的研制和研究。
现阶段利用大压机系统对高压新物质的研制主要集中在常压到5GPa(lGPa = 1万大气压)的压力区间，这类基本技术的需求源于对人造金刚石的研发，今天已经形成了一个重要的产业。而且，这里使用的是单级压砧推进技术，但这种技术很难突破lOGPa。
6 8型二级推进超高压装置为国际最先进的超高压高温合成装置；6 8型二级推进压机的基本特征为利用分割球原理，产生双重加压效果，从而实现对样品更高压力作用。它产生的压力可高达20GPa，同时可以加热到2000°C的高温。在10 20GPa这一新的压力区间将预期有大量的新物质出现，将大大提升对高压新物质态研究创新能力。
但是，在诸如6 8型二级推进超高压装置的这类超高压和高温装置中，直接测量压腔内的压力和温度的成本较高。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于6 8型二级推进型超高压装置上的数据综合采集系统，能够获取压力关系曲线和温度关系曲线，根据这些曲线通过外部测量即可获取超高压装置中的压腔内部的压力和温度，降低了成本、提高了效率。
根据本发明的一个方面，提供一种应用于超高压装置上的数据综合采集系统，所述超高压装置通过油泵加压，所述超高压装置的压腔内的样品适于通过外部加热电源进行加热，该系统包括外部参数传感器，适于获取所述油泵的油压和/或加热电源的功率；内部参数传感器，适于获取所述压腔内的压力和/或温度；和计算机，适于利用所述外部参数传感器和内部参数传感器的数据，拟合压力关系曲线和/或温度关系曲线；所述压力关系曲线为油泵的油压与压腔内压力的对应关系曲线；所述温度关系曲线为压腔温度与所述加热电源施加的加热功率之间的对应关系曲线。
可选的，所述外部参数传感器为油泵内的压力传感器；所述压力传感器输出的电流与油压之间存在预定的对应关系；所述内部参数传感器包括采集位于超高压装置的压腔内的压标样品电阻值的传感器；所述压标样品适于在已知的压力值下发生相变，表现为压标样品电阻的突变；所述计算机适于通过所述电流值计算油压，通过所述电阻值获取压腔压力，并拟合压力关系曲线。
可选的，所述数据综合采集系统，还包括数据采集卡，适于读取所述外部参数传感器和内部参数传感器的数值，并提供给所述计算机。
可选的，所述压力传感器输出4 20mA电流，对应表明油压为0 IOOOOPsi。
可选的，所述加热电源对位于超高压装置的压腔的加热器加热；所述内部参数传感器为位于超高压装置的压腔的加热器内的热电耦以及采集该热电耦电压的传感器；当压腔的温度与预定温度存在差别时，所述热电耦的两端产生相应的电势差；所述外部参数传感器包括采集所述加热电源施加的加热功率的传感器；所述计算机适于通过所述电压计算温度，并拟合加热功率与温度之间的温度关系曲线。
可选的，所述外部参数传感器还包括交流电压表，适于测量所述加热器的输入电压；交流互感器，其输入端适于与所述加热电源和加热器串联；所述交流互感器的输出端得到一个同比缩小的输出电流；标准电阻，适于与交流互感器的输出端串联；和第二交流电压表，适于测量所述标准电阻的电压；所述加热功率通过所述加热器的输入电压、通过标准电阻的电流值以及交流互感器的互感比计算。
可选的，所述数据综合采集系统还包括数据采集卡，适于读取所述外部参数传感器和内部参数传感器的数值，并提供给所述计算机。
可选的，所述交流互感器的互感比为2000 5。
根据本发明的另一个方面，提供一种应用上述数据综合采集系统所得到的压力关系曲线进行监测的方法，包括步骤一、读取压力传感器的电流值；步骤二、利用所述压力传感器的电流和油压对应关系，通过所述电流值获取油压；和步骤三、利用压力关系曲线， 通过所述油压确定压腔压力。
根据本发明的另一个方面，提供一种应用上述数据综合采集系统所得到的温度关系曲线进行监测的方法步骤一、获取所述加热器的功率；和
步骤二、利用温度关系曲线，通过所述功率确定压腔温度。
根据本发明的再一个方面，提供一种应用于6 8型二级推进型超高压装置上的日常监测系统，所述超高压装置的压腔内的样品的加热源自加热电源，该系统包括
交流电压表，适于测量所述加热器的输入电压；
交流互感器，适于与所述加热电源和加热器串联；所述交流互感器的输出端得到一个同比缩小的输出电流；
标准电阻，适于与交流互感器的输出端串联；
第二交流电压表，适于测量所述标准电阻的电压；和
计算机或控制单元，适于利用所述交流电压表、第二交流电压表的电压值，交流互感器的互感比，以及已知的温度关系曲线，确定压腔温度；所述温度关系曲线为压腔温度与所述加热电源施加的加热功率之间的对应关系曲线。
根据本发明的又一个方面，提供一种获取压力关系曲线的方法，包括
步骤一、选取压标样品，并将其放入所述超高压装置的压腔内；所述压标样品适于在已知的压力值下发生相变，表现为压标样品电阻的突变；
步骤二、增大油泵压力，测量压标样品的电阻随油压的变化；
步骤三、当电阻-油压曲线发生突变时，确定此油压对应的压腔内产生的压力值即压腔压力；和
步骤四、选取多个不同的压标样品，重复步骤一到步骤三，得到一组压腔压力和油压的对应数据，并基于该组数据拟合压力关系曲线。
与现有技术相比，本发明的优点在于
(1)获取压力关系曲线，即能够确定特定油压的作用下压腔内产生的压力值；
(2)获取温度关系曲线，即能够确定样品腔温度与外部施加的加热功率之间的对应关系，之后，只需给定一个功率值，即可确定压腔内的温度值；
(3)应用上述曲线，根据外部测量参数实现对超高压装置内部参数的日常监测。


图1是本发明一个实施例中提供的应用于超高压装置上的数据综合采集系统的压力校准子系统的结构示意图2是本发明另一个实施例中提供的应用于超高压装置上的数据综合采集系统的温度校准子系统的结构示意图3是本发明另一个实施例中提供的日常监测系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
6 8型二级推进超高压装置通过油泵推动活塞从而在压腔内产生压力。因此，需要确定油泵的油压与压腔内压力的对应关系，以便在实验时，能够通过读取油压换算出压腔内的压力。
压力校准的目标是确定特定油压的作用下压腔内产生的压力值，即油压与压腔压力之间的关系，得到压力关系曲线。
根据本发明的一个实施例，提供一种应用于超高压装置上的数据综合采集系统。 如图1所示，该数据综合采集系统包括压力校准子系统100(即压力校准系统)。
参考图1，压力校准系统100包括直流电压表103和104、直流数字源表105、标准电阻106、数据采集卡102 (例如GPIB卡)和计算机或控制单元101。
在油泵加压时，油泵内的压机控制箱109中的压力传感器110输出4 20mA电流，对应地表明油压为0 IOOOOPsi (IPsi = 0. 06895大气压)。因此只需要测定电流值， 即可确定油压。本实施例中，测量方法是将1欧标准电阻106串联于压力传感器的电流输出端构成回路，利用一块直流电压表104对标准电阻106两端的电压V进行测量，通过公式 I = V/1 Ω计算电流I从而换算出相应的油泵压力(即油压)。
同时，使用直流数字源表105作为恒流源给压标样品107提供恒定电流，再用第二块直流电压表103测量压标样品的电压，并计算其电阻，电阻=电压/电流。
采用上述压力校准子系统100进行压力校准过程如下
首先，选取常用的压力标定样品107(即压标样品，其在已知的压力值下会发生相变，表现为压标样品电阻的突变)，并将其放入压腔108内；
通过增大油压，测量压标样品的电阻随油压的变化；
当电阻-油压曲线发生突变时，即可确定此油压对应的压腔内产生的压力值(简称为压腔压力)；
重复上述过程，选取多个不同的压力标定样品107，可以得到一组压腔压力和油压的对应数据，便可以拟合出一条压力关系曲线。
在之后的实验中，可以通过油压值直接换算出压腔内的压力值。
在上述整个压力标定过程中，GPIB数据采集卡102用于读取直流数字源表105和直流电压表103和104上的电流值和电压值，计算机或控制单元101利用数据采集卡102 采集的数据来实施上述压力校准过程。
本实施例中选择GPIB数据采集卡102是因为其接口是高精度科学仪器的通用接
温度校准的目标是确定样品腔温度与外部施加的加热功率之间的对应关系，得到温度关系曲线。
根据本发明的另一个实施例，提供一种应用于超高压装置上的数据综合采集系统。该数据综合采集系统包括如图1所示的压力校准子系统100，以及如图2所示的温度校准子系统(即温度校准系统)。
参考图2，温度校准系统包括交流电压表212和213、直流电压表203、标准电阻 211、互感比为2000 5的交流互感器214、数据采集卡202、RS232/RS485转换器210和计算机或控制单元101。
一方面，样品腔(即压腔208)的温度通过放置其中的热电耦215进行测量，当样品腔的温度与室温存在差别时，会在热电耦215两端产生电势差，利用直流电压表203对其测量，并与热电耦215自带的分度表进行对照，就可以得到相应的温度值。
另一方面，样品的加热源自外部的交流源217，而且为了保证安全采用了低电压 (小于MV)、大电流(百安培量级)的输入方式。为了测量输入功率大�。颐鞘褂昧肆礁鼋涣魇缘缪贡�212和213，其中一个交流数显电压表213用于测量加热器216的输入电压 Ht)。对于大电流的测量，我们使用互感比(transformer ratio)为2000 5的交流互感器 214环绕输电电缆，在互感器214的输出端得到一个同比缩小的输出电流，再用一个标准电阻211与互感器214的输出端组成回路，使用第二块交流数显电压表212对标准电阻211 两端电压进行测量，利用公式
i(t)=警
计算得到共幻，从而计算出交流源的输入功率卵).
p(t) = v(t) χ i(t) χ [transformer radio]
将功率与温度输入到计算机或控制单元101中作图，即可得到温度关系曲线。
在之后的实验中，只需给定一个功率值，即可确定压腔内的温度值。
在整个温度标定过程中，GPIB数据采集卡202用于读取直流电压表上的电压值， RS232/RS485转接卡210用于连接计算机的COM端口和交流电压表212和213以读取其数值。
日常使用6 8型二级推进超高压装置进行样品制备时，由于是高压高温条件，放置于压腔内部的热电耦有可能被压断，为保证实验在此种情况下可以安全地进行，需要对样品加热的输入功率进行监测，测量原理同上。
通过温度标定得到输入功率与样品腔内部温度的对应关系，从而可以在样品制备过程中安全地监测样品腔内部的温度变化。当热电耦在样品制备过程中出现问题时，就可以以此做为判断样品腔内部温度的依据。
本发明另一个实施例中，还提供一种日常监测系统，其为上述温度校准系统的简化系统。
如图3所示，日常监测系统300由两块交流电压表、一个标准电阻、一个互感比为 2000 5的交流互感器、一个RS232/RS485转换器和一台计算机组成。
与上一个实施例相似，本发明又一个实施例中，还提供一种应用上述压力关系曲线进行监测的方法，包括
步骤一、读取压力传感器的电流值；
步骤二、利用压力传感器的电流和油压对应关系，通过电流值获取油压；和
步骤三、利用压力关系曲线，通过油压确定压腔压力。
本发明又一个实施例中，还提供一种应用上述温度关系曲线进行监测的方法，包括
步骤一、获取加热器的功率；和
步骤二、利用温度关系曲线，通过功率确定压腔温度。
需要注意的是，虽然上述实施例中，本发明的方法和装置以6 8型二级推进超高压装置作为示例进行说明，但是本领域的普通技术人员可以理解，与6 8型二级推进超高压装置相似的任何油泵加压的超高压装置都适用本发明提出的方法和装置。
另外，虽然本发明上述实施例中，使用GPIB数据采集卡作为数据采集卡。在本发明其他实施例中，也可以选择其他能够完成相同功能，即能够读取直流数字源表105和直流电压表103和104上的电流值和电压值的数据采集卡。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
权利要求
1.一种应用于超高压装置上的数据综合采集系统， 所述超高压装置通过油泵加压，所述超高压装置的压腔内的样品适于通过外部加热电源进行加热， 该系统包括外部参数传感器，适于获取所述油泵的油压和/或加热电源的加热功率； 内部参数传感器，适于获取所述压腔内的压力和/或温度；和计算机，适于利用所述外部参数传感器和内部参数传感器的数据，拟合压力关系曲线和/或温度关系曲线；所述压力关系曲线为油泵的油压与压腔内压力的对应关系曲线；所述温度关系曲线为压腔温度与所述加热电源施加的加热功率之间的对应关系曲线。
2.根据权利要求1所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，其中，所述外部参数传感器为油泵内的压力传感器；所述压力传感器输出与油压之间存在预定的对应关系的电流；所述内部参数传感器包括采集位于超高压装置的压腔内的压标样品电阻值的传感器；所述压标样品适于在已知的压力值下发生相变，所述相变表现为压标样品电阻的突变；所述计算机适于通过所述电流值计算油压，通过所述电阻值获取压腔压力，并拟合压力关系曲线。
3.根据权利要求1所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，还包括数据采集卡，适于读取所述外部参数传感器和内部参数传感器的数值，并提供给所述计算机。
4.根据权利要求2所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，其中，所述压力传感器输出4 20mA电流，对应表明油压为0 IOOOOPsi。
5.根据权利要求1所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，其中，所述加热电源对位于超高压装置的压腔的加热器加热；所述内部参数传感器为所述加热器内的热电耦以及采集该热电耦电压的传感器；当压腔的温度与预定温度存在差别时，所述热电耦的两端产生相应的电势差； 所述外部参数传感器包括采集所述加热电源施加的加热功率的传感器； 所述计算机适于通过所述电势差计算温度，并拟合加热功率与温度之间的温度关系曲线。
6.根据权利要求5所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，其中，所述外部参数传感器还包括交流电压表，适于测量所述加热器的输入电压；交流互感器，其输入端适于与所述加热电源和加热器串联；所述交流互感器的输出端得到一个同比缩小的输出电流；标准电阻，适于与交流互感器的输出端串联；和第二交流电压表，适于测量所述标准电阻的电压；所述加热功率通过所述加热器的输入电压、通过标准电阻的电流值以及交流互感器的互感比计算。
7.根据权利要求6所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，还包括数据采集卡，适于读取所述外部参数传感器和内部参数传感器的数值，并提供给所述计算机。
8.根据权利要求6所述的应用于超高压装置上的数据综合采集系统，其中，所述交流互感器的互感比为2000 5。
9.一种应用如权利要求1 8所述的数据综合采集系统所得到的压力关系曲线进行监测的方法，包括步骤一、读取压力传感器的电流值；步骤二、利用所述压力传感器的电流和油压对应关系，通过所述电流值获取油压；和步骤三、利用压力关系曲线，通过所述油压确定压腔压力。
10.一种应用如权利要求1 8所述的数据综合采集系统所得到的温度关系曲线进行监测的方法，包括步骤一、获取加热电源的加热功率；和步骤二、利用温度关系曲线，通过所述加热功率确定压腔温度。
全文摘要
本发明提供一种应用于超高压装置上的数据综合采集系统，所述超高压装置通过油泵加压，所述超高压装置的压腔内的样品适于通过外部加热电源进行加热，该系统包括外部参数传感器，适于获取所述油泵的油压和/或加热电源的功率；内部参数传感器，适于获取所述压腔内的压力和/或温度；和计算机，适于利用所述外部参数传感器和内部参数传感器的数据，拟合压力关系曲线和/或温度关系曲线；所述压力关系曲线为油泵的油压与压腔内压力的对应关系曲线；所述温度关系曲线为压腔温度与所述加热电源施加的加热功率之间的对应关系曲线，以及根据这些曲线进行监测的方法。根据这些曲线通过外部测量即可获取超高压装置中的压腔压力和温度，降低了成本、提高了效率。
文档编号G01L9/00GK102494721SQ201110413388
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者冯少敏, 刘青清, 靳常青 申请人:中国科学院物理研究所