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专利名称：一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法
一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法
一、 技术领域'
本发明涉及温度测量领域，具体是一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法。
二背景技术：
温度测量是一个广泛应用于各种行业的技术，长期以来都是温度计、接触式热电 偶和光谱比色作为主要的测试手段，其原理是依靠热胀冷縮、热电材料发热电阻变化 或者物体受热发射光子的光谱的比较，来实现温度大小的比较。 一般水银温度计是以 汞的热胀冷縮体积变化来测量和标定温度的，虽然直观，但汞本身是有毒的，测温最 高范围有限；而热电偶是靠合金热电效应变化测定温度的，测定材料有特殊要求，要 电信号转换显示；光谱比色靠热源发出的光谱来测定温度，必须是热源温度足够高发 射出光谱才可以，而且其测定精度和适用范围是有限制的。
三
发明内容
为克服现有技术中存在的温度测定方法适用范围有限制的不足，本发明提出了一 种利用纳米颗粒判定温度高低的方法。
为实现上述目的，本发明利用纳米颗粒在液体中布朗运动的增强的特性，通过比 较两个不同温度液体条件下纳米颗粒在液体中透光率的变化判定温度的不同；或者通 过比较加热前测定的纳米颗粒的透光率与加热后的纳米颗粒的液体透光率，得到对应 的温度范围和数值。
本发明选用憎水性二氧化钛纳米颗粒，或者四氧化三钴纳米颗粒，或者其他种类 不溶性纳米颗粒，并将所选纳米颗粒加入水或者乙醇中，根据纳米颗粒受热后在液体 中的运动状态判定温度的高低。
本发明优选的方案有两种
第一种方案是根据纳米颗粒在液体中的运动状态判定温度的高低，其具体过程是 步骤一首先在两个标有刻度的柱状透明容器中装入同等量的水或者乙醇；再在 这两个容器中分别加入同等量的不透光的、或对光线有散射作用的、或对光线有折射 作用的纳米四氧化三钴、纳米二氧化钛、钛酸钡颗粒纳米颗粒，所加入的颗粒为形貌 均匀，且粒径应小于lOOni加入的纳米颗粒质量以分光光度计能够检出或目视能够 分辨为佳。将容器一端用导热材料封口。
步骤二将两个容器导热材料封口一端朝下，静置48小时或者用离心机离心沉降，
3让纳米颗粒沉淀于容器瓶口端，然后分别放置于不同温度的热源上；在放置相同的时 间段后，用分光光度计测量两个容器同一高度处水平方向的透光率，并比较透光率大 小所测热源温度高的，由于纳米颗粒上升运动较强，使液体透明度降低，故透光率 较差；反之，所测热源的温度较低的，由于纳米颗粒上升运动要相对弱一些，使液体 透明度增加，故透光率较好。通过这一方式就可以比较出两者物体温度的不同。而判 定透光率大小可以依靠人眼粗略判断，或者借助于分光光度计来测定。 第二种方案的具体过程是先测定温度数据，然后直接测定温度 步骤一，在一个标有刻度的柱状透明容器中，装入透明液体；加入粒^小T i()0nm 纳米颗粒；将容器一端用导热材料封口。
步骤二，将容器导热材料封口一端朝下，使纳米颗粒沉淀于容器中液体底端，此 时的温度设定为初始温度，然后先后依次放置于不同温度的已知温度热源上，每个温 度源上放置的相同时间，然后测定在容器相同高度的刻度处的透光率，即可得到在该 温度条件下透光率的关联数值；每个温度源测定完后，应当使容器中液体温度降回至 初始温度，并使纳米颗粒沉淀于容器瓶口端。通过测定容器中纳米颗粒在相同时间内、 不同温度情况下在相同刻度处的透光率，得到一组不同温度热源与透光率数据的关联 值，形成了不同温度时纳米颗粒的透光率值，利用所测得的透光率值，即可确定热源 的未知温度。
步骤三，先让容器中液体温度降回到初始温度，然后让纳米颗粒沉淀于容器瓶口 端。将容器放在热源上，测定容器中纳米颗粒在相同时间内、不同温度情况下在相同 刻度处的透光率，并与已经测定好的透光率数据库数值比较，査出其对应的温度数值， 实现测定温度的目的。在进行确定热源的未知温度时，其测定条件应与取得透光率数 值的测定条件相同。
由于纳米颗粒受液体分子运动产生的布朗运动影响剧烈，温度不同，布朗运动强 度也会不同，温度高的热源对液体加热快，在相同时间内，液体温度升得高，液体分 子布朗运动强度也强，纳米颗粒在液体中随着布朗运动在容器中上升速度会很快。这 样在同一刻度位置，纳米颗粒会更密集分布，就会较大的降低这一位置的水平方向透 光率，分光光度计会测得较低的透光率数值；反之，热源温度低，分光光度计争测得 较高的透光率数值，并通过比较加热前测定的纳米颗粒的透光率与加热后的纳米颗粒 的液体透光率，得到对应的温度范围和数值。本发明所采用的技术方案形成了一种非接触式的温度测量方法，能够测定常温到 数千度的高温，并可用于现有测温仪器的大部分应用领域，也可以应用于高温电炉、 工业窑炉、各种炼钢炉、锅炉等场合，具有直观、便捷、快速和测温和判定温度范围 适用广泛的特点。
具体实施例方式
实施例一
本实施例是用于比较某高温电炉的温度，将两个容器分别放置于大约50(TC和
150(TC的高温电炉上，当液体受热后，会发生温差导致的重力垂直方向液体对流，使
纳米颗粒会很快随流体上升，通过比较透光率以比较温度的差异。具体实施过程是
步骤一:在两个标有刻度的柱状透明容器内均装入同容量的水；然后在两个容器中 分别加入同样质量的、平均粒径为50纳米的憎水性二氧化硅纳米颗粒，该纳米颗粒质 量为液体的5%;柱状容器一端采用纯银箔封口。
步骤二测定温度时，将两个容器的封口一端朝下，让纳米颗粒沉淀于容器封口 端。将两个容器分别放置于50(TC和1500'C的高温电炉上，30秒后，在透明容器3厘 米处，用721分光光度计测定容器水平方向的透光率。由于纳米颗粒受液体分子运动 产生的布朗运动影响剧烈，温度不同，布朗运动强度也会不同，因此就会使纳米颗粒 在液体中随着布朗运动在容器中上升速度不同，比较透光率降低的程度就可以比较布 朗运动的强度。透光率降低大，说明布朗运动强，热源温度高；透光率降低�。�布朗 运动弱，说明热源温度低。以此反映热源的温度高低，实现判定定温度高低的目的。 实施例二
本实施例是用于比较某高温电热板的温度，将两个容器分别放置于不同温度的高 温电热板上，当液体受热后，会发生温差导致的重力垂直方向液体对流，使纳米颗粒
会很快随流体上升，通过比较透光率以比较温度的差异。具体实施过程是
步骤一在1和2两个长度为20厘米、直径为'3厘米柱状透明容器中，标有刻度， 装入同一种透明液体乙醇。在这两个容器中，分别加入同样质量的、平均粒径为70 纳米四氧化三钴纳米颗粒，纳米颗粒的加入量为液体乙醇的O. 5%。容器底端采用纯不 锈钢膜封口。 .
步骤二测定温度时，将1和2两个容器的导热封口材料一端朝下，采用离心机 离心方式使纳米颗粒沉淀于容器的瓶口端，分别放置于不同温度的热源上方。当容器
5底端不锈钢膜受热，液体也被加热后，发生温差导致的重力垂直方向液体对流，纳米
颗粒会很快随流体上升。30秒钟后，在容器2厘米处，用721分光光度计测定容器水 平方向的透光率。由于纳米颗粒受液体分子运动产生的布朗运动影响剧烈，温度不同， 布朗运动强度也会不同，因此就会使纳米颗粒在液体中随着布朗运动在容器中上升速 度不同，从而导致相同时间内、相同高度处透光率数值降低大小不同，这样就可以比 较布朗运动的强度。透光率数值降低大，布朗运动强，说明热源温度高；透光率数值
降低�。�布朗运动弱，说明热源温度低，以此就可以比较出两个热源的温度高低，实 现判定比较温度大小目的 实施例三
本实施例是用于比较某高温锅炉管道的温度。将两个容器分别放置于不同温度的 锅炉管道上，当液体受热后，会发生温差导致的重力垂直方向液体对流，使纳米颗粒
会很快随流体上升，通过比较透光率以比较温度的差异。具体实施过程是
步骤一在1和2两个标有刻度的柱状透明容器中均装满水，然后在这两个容器
中分别加入1%液体量的平均粒径30nm 二氧化钛纳米颗粒。纳米颗粒质量为液体的。 容器一端均采用纯金箔封口。
步骤二首先同时颠倒振荡两个容器，使二氧化钛纳米颗粒在液体中均匀分布； 将容器的封口端分别放置于未知温度的锅炉管道上；在5分钟后，测定两个容器在IO 厘米处的透光率变化值。如果是温度高的热源处放置1容器，布朗运动强烈，对液体 受热温度增加快，使得纳米颗粒沉降速度明显减慢；反之，如是温度低处放置2容器， 由于热源温度低，使得2容器中纳米颗粒液体沉降速度相对1容器中较快，会导致其 透光率在相同高度位置有不同，这样就可以判定锅炉管道不同位置处温度的高低。这 样可以实现不用将测温探头插入管道中，就可以判定管中蒸汽温度高低的目的。
实施例四 '
本实施例是分别测定纳米颗粒在20(TC， 500°C， 800°C， IOO(TC， 1500。C的条件 下的透光率数值，以得到一组温度和透光率关系的数据库或者以这些数据描出一条以 温度和透光率为坐标参数的函数曲线。具体方法是
步骤一，将一个标有刻度的柱状透明容器中装入80%乙醇液体，然后加入10%液体 质量的10nm二氧化钛纳米颗粒，柱状容器一端采用纯铝箔封口。
步骤二，将容器依次先后放置于2Q(TC， 5Q0。C， 8Q0。C， IOO(TC， 1500。C温度条
6件下的热源上；分别测定容器被加热IO秒钟时，容器中的纳米颗粒在2厘米处透光率 的数值。这样就可以得到一组温度和透光率关系的数据库或者以这些数据描出一条以 温度和透光率为坐标参数的函数曲线。
步骤三，在使用本发明时，把1柱状透明容器放在热源上，采用原始数据测定时 的相同条件，测定时间10秒钟时容器2厘米处水平方向的透光率，与己经测定好的透 光率数据库数值或者以这些数据描出一条以温度和透光率为坐标参数的函数曲线数据 比较，就可以知道其对应热源的温度范围和数值，实现测定热源温度的目的。
实施例五
本实施例是通过分别测定纳米颗粒在l(TC， 30°C， 50°C， 7CTC， IO(TC的条件下 的透光率数值，以得到一组温度和透光率关系的数据库或者以这些数据描出一条以温 度和透光率为坐标参数的函数曲线。具体方法是
步骤一，在一个标有刻度，长度为100厘米，直径为50厘米的柱状透明容器中， 装入纯水，加入5(W液体质量的30nm二氧化硅纳米颗粒。柱状容器一端采用纯铜箔封 □。
步骤二，测定温度时，将柱状容器反复颠倒数次，让纳米颗粒与水均匀混合；将 容器的导热封口材料一端朝下，依次先后分别放置于不同温度的热源上，先测定好容 器中纳米颗粒在100秒时，在10。C， 30°C， 50°C， 70°C， IO(TC不同的温度条件下， 容器50厘米处的透光率数值，这样就可以得到一组温度和透光率关系的数据库或者以 这些数据描出一条以温度和透光率为坐标参数的函数曲线。
步骤三，使用本发明时，把容器放在热源上，测定100秒钟时，在12厘米处的透 光率数值，与已经测定好的透光率数据库数值比较，就可以知道其对应的温度范围和 数值，实现测定温度和判定温度区间的目的。
实施例六
本实施例是通过
分别测定纳米颗粒在55。C， 75°C， 115°C， 205'C的条件下的透光率数值，以得到 一组温度和透光率关系的数据库或者以这些数据描出一条以温度和透光率为坐标参数 的函数曲线。具体方法是 丄
步骤一，在一个标有刻度、长度为20厘米，直径为2厘米的柱状透明容器中，装 入透明液体乙醇，液体温度为25。C，然后加入15%液体质量的50nm二氧化钛纳米颗粒，
7柱状容器一端采用纯铜箔封口 。
步骤二，将容器在高速离心机上进行固液离心分离，使纳米颗粒沉淀于容器的封 口端，依次先后封口纯铜箔端朝下分别放置于不同温度的热源上，纳米颗粒受热后会 发生布朗运动上�。�导致液体透光率下降。先测定好容器中的纳米颗粒，例如在35。C
的温度条件下，在300秒时，容器3厘米处的透光率数值；然后将容器中的液体降温 至25"C，在高速离心机上固液离心分离，让纳米颗粒沉淀于容器的封口端。再测定55 °C， 75°C， 115'C， 205t:的温度条件下容器3厘米处的透光率数值。这样就可以得到 一组温度和透光率关系的数据库或者以这些数据描出一条以温度和透光率为坐标参数 的函数曲线。
步骤三，使用本发明时，把容器放在热源上，测定300秒钟时，在3厘米处的透 光率数值，与已经测定好的透光率数据库数值比较，就可以知道其对应的温度范围和 数值，实现测定温度的目的。
权利要求
1. 一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法，其特征在于选用憎水性二氧化钛纳米颗粒、二氧化硅颗粒或者四氧化三钴纳米颗粒，或者其他种类不溶性颗粒，并将所选纳米颗粒加入水或者乙醇等液体中，根据纳米颗粒受热后在液体中的运动状态判定温度的高低，其具体过程是步骤一首先在两个标有刻度的透明容器中装入同等量的水或者乙醇，并在两个容器中分别加入同等量的纳米颗粒；所加入的颗粒为形貌均匀，且粒径应小于180nm；加入的纳米颗粒质量以分光光度计能够检出或目视能够分辨为佳；将容器一端用导热材料封口；步骤二将两个容器导热材料封口一端朝下，静置48小时或者用离心机离心沉降，让纳米颗粒沉淀于容器瓶口端，然后分别放置于不同温度的热源上；在放置相同的时间后，用分光光度计测量两个容器同一高度处水平方向的透光率，并比较透光率大小。根据透光率大小判断热源温度高低。
2. 如权利要求l所述一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法，其特征在于还可以先测 定温度数据，然后直接测定温度，具体过程是步骤一，在一个标有刻度的透明容器中装入同等量的水或者乙醇，并加入纳米颗粒； 将容器一端用导热材料封口；步骤二，将容器导热材料封口一端朝下，使纳米颗粒沉淀于容器中液体底端，此时 的温度设定为初始温度，然后先后依次放置于不同温度的已知温度热源上，每个温 度源上放置的相同时间，然后测定在容器相同高度的刻度处的透光率，即可得到在 该温度条件下透光率的关联数值；步骤三，使容器中液体温度降回到初始温度，纳米颗粒沉淀于容器瓶口端；将容器 放在热源上，测定容器中纳米颗粒在相同时间内、不同温度情况下在相同刻度处的 透光率，并与已经测定好的透光率数据库数值比较，査出其对应的温度数值，实现 测定温度的目的。
3. 如权利要求2所述一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法，其特征在于每个温度源 测定完后，应当使容器中液体温度降回至初始温度。
4. 如权利要求l所述一种利用纳米颗粒判定温度高低，所用颗粒小于100纳米。
全文摘要
本发明是一种利用纳米颗粒判定温度高低的方法。选用憎水性二氧化钛纳米颗粒，或者四氧化三钴纳米颗粒，或者其他不溶性纳米颗粒，利用纳米颗粒在液体中布朗运动的增强的特性，通过比较两个不同温度条件下纳米颗粒在液体中透光率的变化判定温度差异；或者通过比较加热前测定的纳米颗粒的透光率与加热后的纳米颗粒的液体透光率，得到对应的温度范围和数值。本发明所采用的技术方案形成了一种非接触式的温度测量方法，能够测定常温到数千度以上的高温，并可用于现有测温仪器的大部分应用领域，也可以应用于高温电炉、工业窑炉、各种炼钢炉、锅炉、核电站等测温场合，具有直观、便捷、快速和测温和判定温度范围适用广泛的特点。
文档编号G01K11/12GK101470029SQ200710300718
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者乔生儒, 亮 张, 苏力宏 申请人:西北工业大学