CN102879278B - 一种高低温动态冷热循环热力学试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，适用于高低温环境下的力学性能测试。本发明的试验箱采用了内外两腔体设计，内外腔隔板自上而下设有四个出风口，并在内外腔隔板正中设有吸风口，试验箱还包含光学应变观测窗、除霜热风机和多点直流照明源，此外试验系统还包含双输出PID控制器，DIC全场应变测量仪和自切换液氮制冷系统。本发明弥补了现有热稳态试验系统不具备热瞬态和热循环的功能以及低温制冷受到液氮罐容量的限制而无法持续不间断的供给的缺陷；同时解决了高温热浪冲击和低温霜雾对全场应变测量带来的干扰等技术问题，从而实现了高低温环境下测试材料热稳态、热瞬态、冷热循环等过程的力学性能及同步测量试样应变场的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，适用于高低温环境下材料热稳态，热瞬态，冷热循环等力学性能测试，并能同步测量试样表面应变场。
背景技术
在航空航天，电子，生物，机械等领域，复杂的服役温度环境对材料的热稳态，热循环，热疲劳等力学性能提出了很高的要求，同时某些智能材料能在不同温度及温度变化率下表现出独特的热力学响应特性。因此材料在高低温交变作用的瞬态力学响应一直是材料热力学检测的难点，目前现有技术和相关热力学试验产品中无法实现对环境温度瞬态速率的不间断精确控制，特别是宽温度范围下，实现大变温速率，温度线性变化控制，使得材料在长周期温度高低循环交变作用的瞬态力学响应难以测试。另一方面，DIC(Digital Image Correlations,数字图像相关)全场应变测量是最新的应变测量技术，因其能快速，高精度的测量试样表面应变场而在近五年得到了飞速发展与应用，但在高温与低温下拍摄一直是目前的难点。该技术除了对高低温环境下的照明条件有特殊的要求外，另一方面高温产生的热浪会改变空气的折射率，同时低温又会产生霜雾，能对DIC全场应变测量带来巨大干扰，甚至容易导致测量失败。
发明内容
为了弥补现有热稳态环境热力学试验系统不具备在热瞬态和热循环的缺陷，低温制冷受到液氮罐容量的限制而无法持续不间断的供给；同时避免高温热浪冲击和低温产生霜雾对应变测量带来的干扰，以及DIC全场应变测量技术较高的照明要求等特点，本发明提供了一种高低温动态冷热循环环境热力学试验系统，可配合电子万能试验机，液压伺服疲劳试验机等力学试验机使用，并可在热循环期间同步测量试样表面的应变场变化。
本发明的技术方案如下：
一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，包括试验箱，箱内照明系统，液氮制冷系统，观测窗以及系统控制柜，试验箱由内外腔隔板分隔成内腔体和外腔体，内腔体含有加热丝和搅风涡轮，隔板上设有出风口和吸风口，其特征在于：所述的加热丝包括上加热丝组和下加热丝组；该试验系统还包括双输出PID控制器以及DIC全场应变测量仪；所述的液氮制冷系统采用自切换液氮制冷系统，自切换液氮制冷系统包含一号液氮罐和二号液氮罐两个自增压液氮罐，在每个液氮罐的输液阀处分别安装输液电磁阀，在每个液氮罐的增压阀处分别安装增压电磁阀，且每个液氮罐底部设有质量传感器，两个液氮罐内的液氮分别通过一号液氮输液管和二号液氮输液管输送进入试验箱；所述的双输出PID控制器设置在系统控制柜内，双输出PID控制器中一路连接可控硅调节上加热丝组和下加热丝组的加热功率，另一路连接液氮罐上面的输液电磁阀和增压电磁阀控制制冷功率；所述的DIC全场应变测量仪置于试验箱外部的正前方，透过试验箱箱门上的观测窗测量试样的应变场；内外腔隔板自上而下设有第一出风口、第二出风口、第三出风口和第四出风口；第一出风口和第二出风口之间设有上柔性风道调节版，第三出风口和第四出风口之间设有下柔性风道调节版；所述吸风口设置在内外腔隔板的正中间。
本发明的另一技术特征在于：所述的一号液氮输液管和二号液氮输液管分别从试验箱的上下两个位置伸入内腔，液氮从四个不同角度通过四个喷头喷向内腔中部的搅风涡轮。
本发明的又一技术特征在于：该试验系统还包括除霜热风机；试验箱箱门正中间的观测窗由外光学石英玻璃和内光学石英玻璃组成，外光学石英玻璃和内光学石英玻璃中间留出中空的风道；观测窗下部设有除霜风道入口，观测窗上部设有除霜风道出口，除霜热风机通过除霜风道入口与观测窗连接形成自下而上的除霜风道。本发明所述的箱内照明系统分为两组，包含前照明装置和后照明装置，且每组照明装置由多个直流照明源组成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
①试验箱设计采用了内外两腔体方案，内腔为加热制冷源，外腔为工作腔，内部风循环的采用内腔中心吸风，上下四通道向外腔送风的方式建立风道。试验箱内壁采用四周全面加强筋板方案防止冷热疲劳，并采用多点式直流照明方案为DIC全场应变测量仪提供均匀连续照明，同时试验箱内腔采用防腐蚀，防漫反射式设计。②控温设计采用双输出温度控制器，一路连接可控硅单元调节加热丝的功率，一路连接液氮电磁阀控制制冷功率。通过PID控制器综合计算调节两路输出功率来保证瞬态环境温度变化速率。另外全部控制功能通过PLC控制器实现，并集成与控制软件中。③制冷部分采用双自增压液氮容器，通过控制电磁阀开闭时间间隔来控制制冷量，并通过检查液氮罐重量的方案来检查罐内液氮含量，液氮余量的判断和空罐自动切换功能由PLC控制器实现。④观测窗采用双层光学石英玻璃构成中空式设计方案，利用控制玻璃之间气流温度的方式来实现除霜和消除高温热浪。⑤通过嵌入式系统编写程序控制软件，实现对整个环境试验系统所有功能的人机交互控制。
总之，本发明能实现对环境温度瞬态速率的不间断精确控制，特别是宽温度范围下，实现大变温速率，温度线性变化控制，使得材料在长周期温度高低循环交变作用的瞬态力学响应能够测试，低温制冷能长时间不间断连续供给、并可在热循环期间同步测量试样表面的应变场变化等。本发明可控冷热变温循环范围为[-130℃,+320℃]，可实现双向冷热循环，并且升温降温速度在[-40,-0.1]∪[0.1,40]℃/min可控，均温区内温度实现线性变化，且温度波动与偏差均小于±3℃，同时热稳态实验温度范围[-185℃,+350℃]，且均温区温度波动和温度偏差小于±2℃。
附图说明
图1为高低温动态冷热循环环境热力学试验系统的结构原理示意图。
图2为试验箱结构及风循环示意图。
图中：1-试验箱；2-前照明装置；3-后照明装置；4-搅风电机；5-质量传感器；6-输液电磁阀；7-增压电磁阀；8-第一液氮罐；9-第二液氮罐；10-除霜热风机；11-DIC全场应变测量仪；12-系统控制柜；13-外光学石英玻璃；14-内光学石英玻璃；15-除霜风道出口；16-除霜风道入口；17-外腔体；18-上外循环风道；19-上内循环风道；20-下外循环风道；21-下内循环风道；22-第三出风口；23-第四出风口；24-第二出风口；25-第一出风口；26-下柔性风道调节版；27-上柔性风道调节版；28-上加热丝组；29-下加热丝组；30-搅风涡轮；31-上液氮输液管；32-内腔体；33-下液氮输液管；34-双层加强筋板；35-外腔体内表面；36-试样；37-第一液氮喷头；38-第二液氮喷头；39-第三液氮喷头；40-第四液氮喷头；41-吸风口；42-内外腔隔板；43-试验箱箱门。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的结构、原理和具体实施方式进行进一步清楚、完整的描述。图1为高低温动态冷热循环热力学试验系统总体结构示意图，该系统包括试验箱1，箱内照明系统，液氮制冷系统，观测窗以及系统控制柜，试验箱1由内外腔隔板分隔成内腔体32和外腔体17，内腔体32含有加热丝和搅风涡轮，隔板上设有出风口和吸风口；该试验系统还包括双输出PID控制器以及DIC全场应变测量仪；所述的液氮制冷系统采用自切换液氮制冷系统，自切换液氮制冷系统包含一号液氮罐8和二号液氮罐9两个自增压液氮罐，在每个液氮罐的输液阀处分别安装输液电磁阀6，在每个液氮罐的增压阀处分别安装增压电磁阀7，且每个液氮罐底部设有质量传感器5，两个液氮罐内的液氮分别通过一号液氮输液管31和二号液氮输液管33输送进入试验箱1；所述的双输出PID控制器设置在系统控制柜12内，双输出PID控制器中一路连接可控硅调节上加热丝组28和下加热丝组29的加热功率，另一路连接液氮罐上面的输液电磁阀(6)和增压电磁阀7控制制冷功率；所述的DIC全场应变测量仪11置于试验箱1外部的正前方，透过试验箱箱门43上的观测窗测量试样36的应变场。
图2为试验箱结构及风循环示意图。为了保证在动态冷热循环期间保证试样与环境的充分、快速热量交换以及温度场的均匀性与温度偏差，试验箱1由内腔体32和外腔体17组成，内腔体32包含上加热丝组28和下加热丝组29；内外腔隔板42自上而下设有四个出风口(第一出风口25，第二出风口24，第三出风口22，第四出风口23)，内腔体正中间包含吸风口41，搅风涡轮30位于内腔体32的正中间。箱内风循环的采用内腔体32中心吸风，上下四个出风口向外腔体17送风的方式建立四条内部风循环通道(图2中的18-上外循环风道，19-上内循环风道，20-下外循环风道，21-下内循环风道)。具体加热的风循环方式为：上加热丝为28和下加热丝为29产生的热量通过搅风涡轮30的旋转，沿内腔体风道分别从第一出风口、第二出风口、第出风口和第一出风口送到外腔体17，在外腔体17中交换热量后从吸风口41流回到内腔体32。
内部液氮喷射方式为：液氮喷射方式为四点式喷射，一号液氮输液管31和二号液氮输液管33分别从上下两个位置伸入内腔32，液氮从四个不同角度通过四个喷头(第一液氮喷头37，第二液氮喷头38，第三液氮喷头39，第四液氮喷头40)喷向内腔32中部的搅风涡轮30，利用搅风涡轮30的旋转把液氮均匀的散射到内腔32并使液氮气化，随后气化的液氮便可沿着内部风道从第一出风口25，第二出风口24，第三出风口22，第四出风口23送到外腔体17，在外腔体17中交换热量后从吸风口41流回到内腔体32。
该试验箱结构在实际过程中有效实现内腔32与外腔17的快速热交换，同时保证外腔17中部试样36周围环境温度均匀性，大大降低温度跟随偏差。此外内外腔隔板42的上下四个出风口周围还包含下柔性风道调节版26和上柔性风道调节版27，以方便调节内部风道和均温区位置。试验箱内侧采用了四周添加双层加强筋板34的方式增强其抗热冲击和抗热疲劳的能力，以保证冷热循环不对试验箱产生疲劳、损伤。
为了配合DIC全场应变测量仪11的原位应变测量，试验箱外腔内表面35采用喷砂工艺处理，防止眩光对应变测量仪11带来干扰。箱内照明系统分为两组，包含前照明装置2和后照明装置3，并每组照明装置采用多个直流照明源组成，以保证照明均匀。
整个试验箱的控制柜12包含了PID温度控制器、PLC控制器、液晶触控操作面板等单元组成。控温部分选用高精度双输出PID温度控制器，采用双路编程控制方式。其一路连接可控硅调节上加热丝组28和下加热丝组29控制加热功率，另一路连接液氮罐上面的输液电磁阀6和增压电磁阀7，通过控制电磁阀的开闭时间来控制制冷功率，PID综合计算调节加热制冷的输出量来保证瞬态环境温度变化速率。整体控制柜通过PLC控制器编程实现各种控制，例如实现液氮余量自动检测、液氮空罐报警提示、空/满自动切换的功能，除霜装置开闭，加热制冷开闭，程序控制与定制控制切换，箱内照明开闭及亮度调节等，搅风电机4及除霜电机10风速调节，超温报警，过流报警，急停等。同时整个系统的所有功能，都通过嵌入式系统编写程序软件在控制柜12中实现集成，实验员可在控制柜12上对整个环境试验系统所有功能进行操控。
本发明为了实现不间断的进行动态冷热循环力学实验，设计了自切换液氮制冷系统。该系统包含一号液氮罐8和二号液氮罐9两个大容量自增压优质不锈钢液氮容器，同时分别在每个液氮罐的输液阀处安装输液电磁阀6和增压阀处安装增压电磁阀7，并且每个液氮罐底部设有质量传感器5，通过电磁阀的同时开闭来控制罐内压力及液氮的流量。
该系统的具体工作方式为：通过每个液氮罐底部设置的质量传感器5来检查每个液氮罐的质量变化，并将采集的液氮罐质量变化通过RS232通信方式传递给控制柜12，并在液晶触控操作面板上实时监测罐内的液氮余量。在做热循环实验时，先将两个个液氮罐8和9加注满，然后开始冷热循环力学实验。当一号液氮罐8中液氮即将耗尽时，通过PLC控制报警电路来提示实验人员更换液氮，同时程序会自动关闭一号液氮罐8的输液电磁阀6和增压电磁阀7，并同步打开二号液氮罐9，让二号液氮罐9开始切换为工作状态并为试验箱内继续提供制冷，此时实验人员便可将一号液氮罐8重新加满液氮。直到二号液氮罐9液氮再次耗尽时，程序检查一号液氮罐8余量后让其重新参与制冷，并再次停掉二号液氮罐9，留给实验人员更换液氮。通过对以上步骤的重复，便可实现采用较小的代价实现不间断的宽变温范围的冷热循环实验。
本发明的试验箱箱门43正中间的观测窗由外光学石英玻璃13和内光学石英玻璃14组成，采用双层高透射比的光学玻璃组成的中空式设计，即外光学石英玻璃13和内光学石英玻璃14中间留出中空的风道。观测窗下部设有除霜风道入口16，观测窗上部设有除霜风道出口15，除霜热风机10通过除霜风道入口16与观测窗连接。除霜热风机10工作时，风从除霜风道入口16进入，穿过外光学石英玻璃13和内光学石英玻璃14之间的风道，从除霜风道出口15吹出，形成自下而上的风道(如图2所示)。
除霜除雾的具体方式为：利用热风幕原理，通过下面的加热除霜风机送出的热风从两层密封玻璃之间通过，将玻璃加热在露点以上，防止在低温下玻璃结霜结雾而阻挡DIC应变测量仪11拍摄；而当试验箱内温度高时，PLC控制器关闭除霜加热元件，此时两层密封玻璃之间通过气流为凉风，降低了外光学石英玻璃13与内光学石英玻璃14的温度，避免了热浪对拍摄图像造成的干扰。同时除霜风机10采用了可拆卸式设计，以方便实验员的拆装试样和DIC应变测量仪11的摆放。
Claims (4)
1.一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，包括试验箱(1)，箱内照明系统，液氮制冷系统，观测窗以及系统控制柜，试验箱(1)由内外腔隔板分隔成内腔体(32)和外腔体(17)，内腔体(32)含有加热丝和搅风涡轮，隔板上设有出风口和吸风口，其特征在于：所述的加热丝包括上加热丝组(28)和下加热丝组(29)；该试验系统还包括双输出PID控制器以及DIC全场应变测量仪；所述的液氮制冷系统采用自切换液氮制冷系统，自切换液氮制冷系统包含一号液氮罐(8)和二号液氮罐(9)两个自增压液氮罐，在每个液氮罐的输液阀处分别安装输液电磁阀(6)，在每个液氮罐的增压阀处分别安装增压电磁阀(7)，且每个液氮罐底部设有质量传感器(5)，两个液氮罐内的液氮分别通过一号液氮输液管(31)和二号液氮输液管(33)输送进入试验箱(1)；所述的双输出PID控制器设置在系统控制柜(12)内，双输出PID控制器中一路连接可控硅调节上加热丝组(28)和下加热丝组(29)的加热功率，另一路连接液氮罐上面的输液电磁阀(6)和增压电磁阀(7)控制制冷功率；所述的DIC全场应变测量仪(11)置于试验箱(1)外部的正前方，透过试验箱箱门(43)上的观测窗测量试样(36)的应变场；内外腔隔板(42)自上而下设有第一出风口(25)、第二出风口(24)、第三出风口(22)和第四出风口(23)；第一出风口(25)和第二出风口(24)之间设有上柔性风道调节版(27)；第三出风口(22)和第四出风口(23)之间设有下柔性风道调节版(26)；所述吸风口(41)设置在内外腔隔板(42)的正中间。
2.根据权利要求1所述的一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，其特征在于：所述的一号液氮输液管(31)和二号液氮输液管(33)分别从试验箱的上下两个位置伸入内腔(32)，液氮从四个不同角度通过四个喷头喷向内腔(32)中部的搅风涡轮(30)。
3.根据权利要求1所述的一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，其特征在于：该试验系统还包括除霜热风机(10)；试验箱箱门(43)正中间的观测窗由外光学石英玻璃(13)和内光学石英玻璃(14)组成，外光学石英玻璃(13)和内光学石英玻璃(14)中间留出中空的风道；观测窗下部设有除霜风道入口(16)，观测窗上部设有除霜风道出口(15)，除霜热风机(10)通过除霜风道入口(16)与观测窗连接形成自下而上的除霜风道。
4.根据权利要求1所述的一种高低温动态冷热循环热力学试验系统，其特征在于：所述的箱内照明系统分为两组，包含前照明装置(2)和后照明装置(3)，且每组照明装置由多个直流照明源组成。
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