CN102520009A - 降温涂料降温性能在线连续检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降温涂料降温性能在线连续检测装置及其检测方法，所述检测装置由四个隔热性能良好的腔室组成，关闭后形成独立空间。上层两腔室顶部设置有红外光源；上下两层腔室间的隔板中心开有两个大小相同的窗口，用于放置空白样板和待测样板。四个腔室均设置有热电偶，通过数据采集系统与计算机相连，对温度的变化进行在线连续检测。本检测方法既可以测量同等强度的红外光照射到不同隔热涂料所造成的表面和背面降温温差，也可以测量同等强度的红外光穿过不同透明材料所引起的降温温差，直接反映涂料的降温效果。本发明所述的检测装置引入了降温性能在线连续检测的设计理念，结构简单、计算机控制、操作方便、所得曲线连续平滑。

Description

降温涂料降温性能在线连续检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种降温涂料降温效果测试装置及其检测方法。

背景技术

在环保节能的国际大环境下，低碳节能减排已成为我国一项既定的可持续发展战略，而降温涂料则是贯彻这一发展战略最行之有效的高科技产品之一。降温涂料既可以大大降低耗能大户建筑物的夏季制冷能耗，也可以显著减少石油粮油储罐夏季的“呼吸”损耗，还可以应用到海上钻井平台、石油管道、汽车、火车、飞机、船壳、甲板、坦克、军舰、火箭以及宇宙飞船上。

虽然降温涂料的发展已有近四十年的历史，降温机理研究也比较系统全面且不乏工业推广应用的实例，但是迄今为止，国际上还没有通用的检测涂料实际降温效果的仪器设备及方法。目前国际及国内相关领域的研究工作者大都参照美国军方标准自行搭建涂料降温效果测试系统。

这些自行搭建的降温效果检测装置虽然能够在一定程度上满足降温效果测试的需求，但仍存在着不足之处，归纳起来主要有两点：一方面，这些装置多为半密闭系统，处于敞开空间中的红外光源不可避免会受到温度、气压、风速等测试环境的影响，势必影响检测结果的精度和重复性。

另一方面，这些自行搭建的降温效果检测装置基本上都无法进行连续不间断的测试，不经拟合的降温效果随时间变化曲线不可避免的为离散的点或者是由这些点连接起来的折线，从曲线变化的图上无法获知任意时刻或者任意照射温度下涂料样品的降温效果。因此，发明一种可进行在线连续检测且隔热性能良好的封密型降温效果检测装置十分必要。

发明内容

本发明旨在提供一种降温涂料降温性能在线连续检测装置及其检测方法，解决自行搭建的降温效果检测装置，检测结果的精度不高，检测结果重复性不好，无法进行连续不间断测试的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种降温涂料降温性能在线连续检测装置，该装置具有隔热性能良好的四个腔室，在上层两个腔室的顶部正中位置设置有两个功率相同的红外光源；左上下两层腔室间和右上下两层腔室间的隔板中间分别具有尺寸相同的开口，两个所述开口分别放置空白样板和待测样板，四个腔室均分别在各自隔板开口的左边固定有金属弹片；四个腔室均设置有热电偶，通过数据采集系统与计算机相连。

所述四个腔室的所有表面均覆盖阻燃性能良好的橡塑保温层。

两个所述开口的尺寸为15cm×15cm，其中心在红外光源的正下方，与红外灯灯丝的距离为20cm。

四个所述金属弹片在需要的情况下，恰好能够将四个热电偶的热端紧紧固定在空白样板和待测样板上下表面的中心。

所述热电偶位置可调，在检测玻璃基材透明降温涂料的降温效果时，可以用于测量各腔室内的空气温度。

所述红外光源并联在一个变压器上，可以根据需要调节光强。

所述数据采集系统可以按任意设定的时间间隔同步连续记录四个热电偶所测温度随时间的变化曲线，并通过相应的软件以图和表的形式将数据导入计算机，在线显示；检测结束后，计算机可以导出和存储数据。

所述热电偶均为K型热电偶；所述光源均为红外光源。

所述装置的测温范围-50～260°C。

一种降温涂料降温性能检测方法，既可以在线连续测量同等强度红外光在穿过空白样板和待测样板所引起的表面降温温差和样板背面降温温差；也可以在线连续测量同等强度的红外光在穿过不同透明降温材料后所引起的降温温差，直接反映降温涂料的降温效果，具体检测方法如下：

将空白样板和涂有降温涂料的待测样板分别置于左右两个开口上，样板尺寸均为17cm×17 cm，以保证没有光线漏过；将四个热电偶固定在相应的位置后，关闭四个腔室；开启数据采集系统和计算机，当空白样板和待测样板上下四个表面或四个腔室的空气温度趋于室温时，同时开启两个红外光源，照射空白样板和待测样板，计算机中的程序以图和表的形式，同步在线连续记录四个表面温度或腔室温度随时间的变化；

测量金属和水泥石棉基材降温涂料降温性能时，分别测量并显示空白样板上下两个表面的温度以及涂有降温涂料样板的上下两个表面的温度，即可得到涂层表面降温温差，以及降温涂料的实际降温效果；

测量玻璃基材透明降温涂料降温性能时，分别测量并显示空白样板所在的上下两个腔室温度以及涂有降温涂料样板所在的上下两个腔室温度，即可得到透明降温涂料的实际降温效果。

所述红外光源的波长范围800～10000nm。

所述降温涂料为不透明金属基材降温涂料、水泥石棉基材降温涂料或玻璃基材透明降温涂料。 

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

一、本发明检测范围广，检测精度高（0.1℃）、检测结果重复性好、自动控制操作方便、可获得连续平滑的温度—时间变化曲线；

二、本发明不仅可以准确便利地测量出所有降温涂料的实际降温效果，还可以用来测量橡塑保温层的导热系数；

三、本发明提供了一种自动控制、可在线连续检测、能准确测定被测涂层升温过程任意时刻降温性能的检测装置及相应的检测方法，适用于水泥石棉基材、金属基材和玻璃基材等降温涂层降温效果的检测。

附图说明

在本发明的下面部分，我们将结合附图、仪器校正和误差分析以及检测实例对本发明作进一步的阐释说明。

图1 降温涂料降温性能在线连续检测装置的结构示意图。

图2 降温涂料降温性能在线连续检测装置在马口铁板基材上的温度校正图。

图3 降温涂料降温性能在线连续检测装置在碳钢板基材上的温度校正图。

图4 降温涂料降温性能在线连续检测装置在水泥石棉板基材上的温度校正图。 

图5 降温涂料降温性能在线连续检测装置在铝板基材上的温度校正图。 

图6 降温涂料S1在连续升温到80℃过程中的降温效果在线连续测试结果。

图7 水泥石棉基材降温涂料S1连续升温到120°C过程中降温效果随时间的变化曲线。

图8 水泥石棉基材降温涂料S2连续升温到120°C过程中降温效果随时间的变化曲线。

图9 水泥石棉基材降温涂料S1与S2降温效果对比测试。

附图标记：1－腔室，2－红外光源，3－空白样板，4－待测样板，5－金属弹片，6－热电偶，7－数据采集系统，8－计算机，9－橡塑保温层，10－变压器。

具体实施方式

一种降温涂料在线连续检测装置如图1所示，由四个隔热的腔室1组成的箱体尺寸为 80 cm×40cm×60 cm，为使系统具有更高的测量精度，应保证四个腔室不与外界或互相之间发生热交换，各腔室1的四壁均衬有0.6cm厚的橡塑保温层9，以保证各腔室之间以及各腔室与外界之间不发生因对流而引起的热交换。上层两个腔室顶部中间设置有功率可调的红外光源2，两个红外光源2的正下方分别设有尺寸为15cm×15cm的正方形，正方形开口处分别放置尺寸为17cm×17 cm的空白样板3和待测样板4，形成四个独立且隔热性能良好的空间，空白样板3和待测样板4与红外光源2的距离为20 cm。为调节红外光源2的功率，满足不同升温速度的需求，两个红外光源通过变压器10与电源相连，通过变压器10调节光源的电流或者电压，以保证达到并保持一定的升温速度和最终的热平衡温度。

四个腔室的相同位置均设置有热电偶6，热电偶6通过一个数据采集系统7与计算机8相连。在测量金属和纤维水泥石棉基材降温涂料降温效果时，两个开口右边的上下各两个金属弹片5，为了提高测温的精度，可用金属弹片5将四个热电偶热端分别固定在空白样板3和待测样板4上下两个表面的中心点，在测量玻璃基材透明降温涂料降温性能时，四个热电偶用于测量四个腔室的空气温度，其中上面的两个热电偶均被放置于远离光源正下方的相同位置处，用以测量腔室内的空气温度。

温度测试元件均采用与数据采集系统相匹配的热电偶，热电偶的温度测试范围为 -50～260℃，分辨率为0.1℃，精度等级为0.5℃。热电偶的冷端与数据采集系统接口的正负极相连，数据采集系统通过相应的端口与计算机对接。通过相应的软件操作系统，以图和表的形式同步记录升温过程中四个温度随时间的变化，上述四个温度可以是T1―空白样板被照射面温度、T2―空白样板背面温度、T3―涂层表面温度和T4―涂层样板背面温度；或TS1₁―降温涂料S₁被照射面温度、TS1₂―降温涂料S₁样板背面温度、TS2₁―降温涂料S₂被照射面温度和TS2₂―降温涂料S₂样板背面温度。

鉴于金属和水泥石棉基材降温涂料基于反射、辐射、隔热、热转换和相变等一种或多种机理，其涂层表面的降温效果未必等同于样板背面的降温效果，因此对于此类降温涂料，其表面的降温效果用T1-T3表征，背面的降温效果则用T2-T4来衡量。而玻璃基材透明降温涂料的降温机理则是基于涂层对太阳光谱的选择性屏蔽和透过，具体来讲，通过屏蔽太阳光中外红线（占太阳光能量50%），透过可见光（占太阳光能量45%），在不影响可见光透过率的前提下，实现降温之目的。因此对于透明降温涂料而言，采用下面左右两个腔势的空气温度差T2-T4_，来直接反映涂料的降温效果更为合适。

仪器校正及误差分析

为保证测试结果的准确性和精度，无论是商用还是自行搭建的仪器设备，均需要进行必要的校正。本发明首先对选用的热电偶进行检验校正，确保其在检测温度范围以内（0～120℃）的误差低于0.5℃。在确保热电偶本身精度达到要求的基础上，本发明进一步对升温过程的系统误差进行校正。为此，本发明有针对性地选取水泥石棉板、铝板、马口铁板和碳钢板进行空白样板对比实验，检测连续升温过程中各种基材上下两个表面温度随时间的变化，其实验结果如图2-5所示。图2指以马口铁板为空白样板；图3指以碳钢板为空白样板；图4指以水泥石棉板为空白样板；图5指以铝板为空白样板，其中T1―空白样板1被照射面温度，T2―空白样板1背面温度，T3―空白样板2照射面温度，T4―空白样板2背面温度。

由图2-5可以看出在连续升温过程中，上述基材两块空白样板上下表面的温度差均不超过1℃。显然，在实验误差允许的范围内，本发明所涉及的降温涂料降温性能在线连续检测装置的系统误差可以忽略不计，系统的准确性和精度可靠。

理论上讲，在连续升温的过程中，同一板材上裁下的两块空白样板，其上表面和下表面的温度随时间的变化应该完全一致（即两个样板的温差为零）。而实测结果所表现出的误差来自于以下几个方面：

1、样板厚度不均匀，同一样板所取的空白样板厚度不同，其导热性能不同；

2、两个光源误差所导致的照射误差；

3、热电偶本身的误差。

检测方法及实例

在该发明的最后一部分，本发明结合具体的检测实例对相应的检测方法做进一步的说明。

实验开始前，选择好相应的空白样板和涂有降温涂料且成膜干燥后的样板，两个样板的尺寸均为17 cm×17 cm，以确保样板能够完全遮盖住尺寸为15 cm×15 cm的样品窗。将空白样板3和待测样板4置于放置于两个开口的上方，以不漏光线或者热量为宜，并固定好四个热电偶6的位置。开启数据采集系统7和计算机控制软件并调节变压器10到适当电压，待四个热电偶所显示的温度均趋于室温时，同时打开两个红外光源2开关，红外光源持续不断的照射空白样板和待测样板，四个热电偶同步连续记录四个温度随时间的变化，并以图和表的形式在计算机显示出来。待空白样板上表面的温度达到并恒定在预设温度一定时间后关闭程序和电源。设定的空白样板上下两表面或腔室温度分别为T1―空白样板被照射面温度和T2―空白样板背面温度，待测样板上下两表面或腔室的温度分别为T3―涂层表面温度和T4―涂层样板背面温度等四个温度，随时间的变化通过T1-T3和T2-T4分别表征金属和水泥石棉板基材降温涂层任意温度下的表面和背面降温效果；通过T2-T4表征玻璃基材透明降温涂料的实际降温效果。

计算机中的程序以图和表的形式同步在线显示，实验结束后关闭程序和电源，将数据导出后存储即可。

检测实例1：

将屋顶和外墙体用水性节能涂料S₁喷涂于17 cm×17 cm的纤维水泥石棉板上，涂层厚度控制在200μm左右，干燥成膜后作为待测样板。将同样尺寸的空白水泥石棉板与待测样板分别放置于左右两个样品窗上，用金属弹片将四个热电偶的热端紧紧固定在空白样板和待测样板上下表面的中心位置。按照上述步骤进行降温性能在线连续检测，实验完毕后用相应的软件进行数据处理，得到如图6所示的表面及背面降温效果随温度和时间的变化。由图6不仅可以直观地观察到降温效果随温度或时间的变化规律，还可以准确地求算或者读出任意时刻或者温度下表面及背面降温温差。例如当空白试样照射面温度为70℃时，涂层表面的降温温差为14.9℃，背面降温温差为16.9℃。

检测实例2

按照上述实验步骤，分别检测两种不同涂层样品1和2的降温效果，然后将样品1和2分别放置于两个样品窗上进行降温效果对比实验。所得实验结果如图7-9所示，图7和8分别为样品1和2的降温效果图，图9为样品1和2的降温效果对比图。图7指降温涂料S₁连续升温到120°C过程中降温效果随时间的变化曲线；图8指降温涂料S₂连续升温到120°C过程中降温效果随时间的变化曲线；图9指降温涂料S₁与S₂降温效果对比测试。图中：T1―空白样板被照射面温度；T2―空白样板背面温度；T3―涂层表面温度；T4―涂层样板背面温度；T1-T3―涂层表面降温温差；T2-T4―样板背面降温温差；TS1₁―降温涂料S1被照射面温度；TS1₂―降温涂料S1样板背面温度；TS2₁―降温涂料S2被照射面温度；TS2₂―降温涂料S2样板背面温度。图7-9中两种样品降温效果单独检测和对比试验所得结果一致性很好，进一步证明了该装置具有很高的准确性和极好的重复性。

Claims (10)

1.一种降温涂料降温性能在线连续检测装置，其特征是：该装置具有隔热性能良好的四个腔室（1），在上层两个腔室的顶部正中位置设置有两个功率相同的红外光源（2）；左上下两层腔室间和右上下两层腔室间的隔板中间分别具有尺寸相同的开口，两个所述开口分别放置空白样板（3）和待测样板（4），四个腔室均分别在各自隔板开口的左边固定有金属弹片（5）；四个腔室均设置有热电偶（6），通过数据采集系统（7）与计算机（8）相连。

2.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述四个腔室（1）的所有表面均覆盖阻燃性能良好的橡塑保温层（9）。

3.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：两个所述开口的尺寸为15cm×15cm，其中心在红外光源（2）的正下方，与红外灯灯丝的距离为20cm。

4.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：四个所述金属弹片（5）在需要的情况下，恰好能够将四个热电偶的热端紧紧固定在空白样板（3）和待测样板（4）上下表面的中心。

5.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述热电偶（6）位置可调，在检测玻璃基材透明降温涂料的降温效果时，可以用于测量各腔室内的空气温度。

6.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述红外光源（2）并联在一个变压器（10）上，红外光源（2）的波长范围800～10000nm。

7.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述数据采集系统（7）按任意设定的时间间隔同步连续记录四个热电偶所测温度随时间的变化曲线，并通过相应的软件以图和表的形式将数据导入计算机，在线显示；检测结束后，计算机导出和存储数据。

8.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述热电偶（6）均为K型热电偶，装置的测温范围-50～260°C。

9.根据权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，其特征是：所述所述降温涂料为不透明金属基材降温涂料、水泥石棉基材降温涂料或玻璃基材透明降温涂料。

10.一种降温涂料降温性能检测方法，其特征是：利用权利要求1所述的降温涂料在线连续检测装置，既可以在线连续测量同等强度红外光在穿过空白样板（3）和待测样板（4）所引起的表面降温温差和样板背面降温温差；也可以在线连续测量同等强度的红外光在穿过不同透明降温材料后所引起的降温温差，直接反映降温涂料的降温效果，具体检测方法如下：

将空白样板（3）和涂有降温涂料的待测样板（4）分别置于左右两个开口上，样板尺寸均为17cm×17 cm，以保证没有光线漏过；将四个热电偶（6）固定在相应的位置后，关闭四个腔室；开启数据采集系统（7）和计算机（8），当空白样板（3）和待测样板（4）上下四个表面或四个腔室的空气温度趋于室温时，同时开启两个红外光源（2），照射空白样板（3）和待测样板（4），计算机中的程序以图和表的形式，同步在线连续记录四个表面温度或腔室温度随时间的变化；

测量金属和水泥石棉基材降温涂料降温性能时，分别测量并显示空白样板上下两个表面的温度以及涂有降温涂料样板的上下两个表面的温度，即可得到涂层表面降温温差，以及降温涂料的实际降温效果；

测量玻璃基材透明降温涂料降温性能时，分别测量并显示空白样板所在的上下两个腔室温度以及涂有降温涂料样板所在的上下两个腔室温度，即可得到透明降温涂料的实际降温效果。

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