CN103969172A - 基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置。装置分为夏季仓、风雨仓和冬季仓。三个仓通过保温库房门相连组成一体。夏季仓内有可移动日照，可用来模拟中高温环境，以及不同辐射强度和角度的日照效果；风雨仓顶部带降雨装置，可进行降雨模拟，并通过吹风装置模拟风雨组合侵蚀效果；冬季仓内，可用来进行低温环境，降雪和日照融雪的模拟；地面铺设钢轨，方便试验件在各仓间的移动。本发明既可在三个仓内独立测试不同试验件，又可实现同一试验件在三个仓间的连续流转循环测试。极大提高了测试灵活性、装置使用效率和设备的可靠性，为研究多因素耦合共同对石窟、壁画等土遗址的劣化作用提供了试验平台。

Description

基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种石窟围岩风化与壁画盐害机理多场耦合模拟试验装置。该装置能够模拟文物保护地区高低温度、高低湿度、温湿度交变、日照、降雨、风雨组合、降雪及日照融雪各环境因子交织耦合的试验条件。

背景技术

环境模拟技术是各种自然环境的人工再现技术和在模拟环境下的试验技术的一门新的综合性工程技术，广泛应用于工业领域。目前，环境模拟技术进入了成熟和规范化阶段。不同的模拟环境适用不同的设备体系，通常有地面环境模拟设备、空中环境模拟设备和空间环境模拟设备。地面环境模拟设备主要有低温环境模拟、高温环境模拟、湿热环境模拟、太阳辐照环境模拟、砂尘环境模拟、雨环境模拟、浸渍环境模拟、酸性环境模拟、爆炸性大气环境模拟、积冰/冻雨环境模拟和霉菌环境模拟等设备。目前环境模拟设备和环境试验技术已经由单参数模拟发展到多参数模拟，从静态模拟前进到动态模拟。今后的发展方向是研发整机多参数综合动态环境模拟设备和进行多参数综合动态环境模拟试验及人机系统综合环境模拟试验。利用单一因素的环境模拟试验，如高温、低温、湿度、气压、沙尘、盐雾、淋雨、风、太阳辐射、空间环境等气候环境模拟试验以及静载、振动、冲击等力学环境模拟试验，易于找出单一环境因素对结构性能的影响规律。综合环境模拟是指两个以上环境参数同时作用的模拟试验，可以真实地模拟实验对象实际经受、同时发生的环境，产生综合的环境效应，增加试验的真实性和可靠性。该技术在科学研究中具有自然界无法实现的时间可控性、条件重复性和数据精确性等突出优点。多场耦合条件下的环境模拟技术是综合各自然环境的人工再现技术以及在模拟环境下工程试验的一门新技术，已经在解决环境模拟和环境试验的理论及实践中形成了独立的技术理论体系，具有时间可控性、条件重复性和数据精确性等突出优点，然而，该技术在文物保护的研究中还是一个空白。

由于文物保护的特殊性和现有实验方法在文物保护中应用的局限性，目前石窟围岩风化和壁画盐害机理的研究多采取单场或多场物理叠加的方式进行，导致病害机理揭示深度不够；同时大量取样进行室内研究以及很多可用于岩土原位测试的仪器和方法均无法在石窟保护中使用，只能通过一些无损测试和模拟试验的方法来研究石窟围岩风化和壁画盐害的发生、发展过程。

发明内容

本发明的目的旨在研发一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，打造我国首个不可移动文物领域的模拟实验室、保护材料综合评估实验室。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，包括夏季仓1、风雨仓2、冬季仓3和一个控制系统，其特征是夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3仓体依次相连，仓体都由保温板4搭成，夏季仓1和风雨仓2之间，风雨仓2和冬季仓3之间各有一扇隔热密闭大门5，仓体地面铺设导轨6，试验件8放置在移动平台7上沿着导轨6在各仓间移动；夏季仓1内设有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9和一套可以调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11；风雨仓2内设有一套控制仓内温度的空调装置10，一套可控制降雨量的局部降雨装置13，一套可控制风速的吹风模拟装置14；冬季仓内置有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9，一套可控制降雪量的局部降雪装置16，一套可以调整位置的全光谱日照模拟装置17；控制系统分别与夏季仓1内的控制仓内温度和湿度的空调装置9和调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11连接；与风雨仓2内控制仓内温度的空调装置10、控制降雨量的局部降雨装置13、控制风速的吹风模拟装置14连接；与冬季仓3内控制仓内温度和湿度的空调装置9，控制降雪量的局部降雪装置16和调整位置的全光谱日照模拟装置17连接；可依据时间变化，连续模拟一天早午晚，温度、湿度、日照强度、降雨量、风速和降雪量的交替变化。

上述夏季仓和冬季仓的空调装置9内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置。

上述风雨仓2的空调装置10内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置。

本发明的优点和产生的有益效果是：

通过研究不可移动文物的环境模拟、试验设计、耦合环境的实现以及特种设备仪器的应用等关键技术，提出多场耦合实验室的建设方案，合理确定实验室的布局、功能、技术性能指标，探讨人工气候环境实验室设备、仪器的优化配置，为敦煌石窟围岩风化和壁画盐害机理研究乃至全国石窟与壁画保护研究提供高技术环境仿真试验平台。

附图说明

图1为本发明结构平面示意图。

图2为本发明结构立面示意图。

图3为本发明夏季仓日照结构示意图。

具体实施方式

本发明在实施过程中使用的：加热装置是螺旋翅片管电加热；镇江东方电热有限公司生产；一套冷量可调的制冷装置，制冷装置冷却盘管内的冷却液为氟利昂，或为乙二醇水溶液；

大连冷冻机股份有限公司生产）；加湿装置是一个喷蒸汽格栅；生产厂家：SPIRAX；供给蒸汽格栅的蒸汽可以由锅炉提供，也可以由小型电加湿装置提供；调节蒸汽量的方法可以通过调节电动阀门的开度，或者通过可控硅调节电加湿装置的输入功率。

制冷量可以通过调节冷却液的流量的方法来实现；调节冷却液流量的方法可以通过调节电动阀门的开度。

调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11是由全光谱金属卤素灯和电子光强调整器组成；生产厂家：MITRONIC；电子光强调整器可以调整日照强度。

控制降雨量的局部降雨装置13由大中小三种降雨喷嘴组成。喷嘴的口径分别为：3/8”、2/8”和1/8”，对应最大降雨量分别为200mm/h，60mm/h，20mm/h），水通过加压后经由喷嘴喷出；雨量可以通过调节阀控制。

控制风速的吹风模拟装置18是一个轴流风机（TBE系列）；生产厂家：KRUGER；风速通过一个变频器改变风机的转速来实现。

上述控制系统为计算机，且/或PLC系统，且/或程序控制器。

下面结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

如图1-3所示，一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，包括夏季仓1、风雨仓2、冬季仓3和一个控制系统。夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3仓体依次相连，并设进出口。仓体都由保温板4搭成，夏季仓1和风雨仓2之间，风雨仓2和冬季仓3之间各有一扇隔热密闭大门5，仓体地面铺设导轨6，试验件8放置在移动平台7上沿着导轨6在各仓间移动；夏季仓1内设有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9和一套可以调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11；风雨仓2内设有一套控制仓内温度的空调装置10，一套可控制降雨量的局部降雨装置13，一套可控制风速的吹风模拟装置14；冬季仓内置有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9，一套可控制降雪量的局部降雪装置16，一套可以调整位置的全光谱日照模拟装置13；夏季仓和冬季仓的空调装置9内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置；可以实现温度和/或湿度的交变控制；风雨仓2的空调装置10内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置；可以实现温度的交变控制。计算机分别与夏季仓1内的控制仓内温度和湿度的空调装置9和调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置15连接；与风雨仓2内控制仓内温度的空调装置10、控制降雨量的局部降雨装置13、控制风速的吹风模拟装置14连接；与冬季仓3内控制仓内温度和湿度的空调装置9，控制降雪量的局部降雪装置12和调整位置的全光谱日照模拟装置13连接；可依据时间变化，连续模拟一天早午晚，温度、湿度、日照强度、降雨量、风速和降雪量的交替变化。

在夏季仓1内，可覆盖模拟夏季的温度、湿度和日照条件。温度模拟范围10～60℃±0.5℃，湿度模拟范围10～90%RH±3%RH，日照强度600～1200W/m²（全光谱）。温度和湿度控制范围见图3。温度和湿度通过一套空调装置9进行控制。空调装置9内至少有一套热量可调的加热装置；一套冷量可调的制冷装置；一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置。通过加热装置升高温度，冷却装置降低温度达到温度控制的目的；通过加湿装置提高湿度，除湿装置降低湿度，达到湿度控制的目的。其中，除湿装置可以是化学转轮除湿机（MXS系列；生产厂家：MUNTERS）。空调装置9可以实现温度和/或湿度的交变控制。调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11需采用全光谱日照，安装在可圆弧形支架12上，日照位置、照射角度可电动调节，强度可按不同时间段的设定自动调节，以模拟早、午、晚等时间的不同日照状况。

在风雨仓2内，可覆盖模拟降雨季温度、降雨、吹风，风雨组合侵蚀条件。温度模拟范围10～40℃±0.5℃，降雨量10～200mm/h±0.5mm/h，风速5～17m/s，模拟风速达7级。温度通过一套空调装置10进行控制。空调装置10内有一套热量可调的加热装置和一套冷量可调的制冷装置。通过加热装置升高温度，冷却装置降低温度达到温度控制的目的，空调装置10可以实现温度的交变控制。其次，再通过一套局部降雨装置17控制降雨，采用大中小（口径分别为：3/8”、2/8”和1/8”，对应降雨量分别为75～200mm/h，25～75mm/h，10～25mm/h）三种降雨喷嘴，可模拟小雨至大雨的雨强，不同雨滴形态，以及接近自然降雨的冲击力。吹风模拟装置18可以采用一台轴流风机，用变频驱动控制出口风速，出风口可以采用整流罩整流，风机安装在风机支架19上可以移动，并可升降调整吹风高度。降雨装置17和吹风装置18可以同时工作，对风雨组合侵蚀试验件的情况进行模拟。

在冬季仓3内，可覆盖模拟冬季温度、湿度、降雪和日照融雪条件。温度模拟范围-30～20℃±0.5℃，湿度模拟合适的湿度用于降雪，降雪量5～20mm/h，日照强度600W/m²（全光谱）。温度和湿度通过一套空调装置9进行控制。空调装置9内有至少一套热量可调的加热装置，一套冷量可调的制冷装置，一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置，通过加热装置升高温度，制冷装置降低温度达到温度控制的目的；通过加湿装置提高湿度，除湿装置降低湿度，达到湿度控制的目的。空调装置9可以实现温度和/或湿度的交变控制。冬季仓3内通过一套控制降雪量的局部降雪装置12控制降雪，降雪量非连续可控，分大中小（对应24h降雪量分别为15~20mm/h，10~15mm/h，5~10mm/h）三级模拟不同等级的降雪，降雪厚度自动测量。调整位置的全光谱日照模拟装置17采用全光谱日照，安装在可移动支架18上，日照强度不可以调节，用于融雪。

夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3采用一套控制系统，控制系统由计算机和PLC组成。通过控制系统，可以控制每个仓进行完全独立的模拟试验。在夏季仓1内，可依据时间的变化，连续模拟夏季一天早午晚，温度、湿度、日照强度的交替变化；在风雨仓2内，可依据时间的变化连续模拟雨季一天早午晚，温度、降雨、风速的交替变化；在冬季仓3内，可依据时间的变化连续模拟冬季一天早午晚，温度、湿度、降雪、融雪的交替变化。控制系统也可以实现同一试验件8在各仓间的连续流转循环测试，可依据时间的变化任意顺序模拟夏季、冬季、雨季的交替变化。在打开夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3之间的隔热密闭大门5后，试验件8放置在移动平台7上，通过地面导轨6可以方便的在夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3内流转移动。

计算机上安装了系统控制软件，该软件提供人机界面，控制软件可以通过VB、LABVIEW编写；计算机通过以太网与PLC相连；PLC通过A/D转换器与各传感器相连；PLC通过内部运算模块将输入测量信号转换为输出控制信号；然后通过PLC的D/A转换器与各个执行单元相连。温度传感器用于测量房间温度，相对湿度传感器用于测量房间湿度，日照强度传感器用于侧量日照强度，降雪厚度传感器用于测量降雪厚度，降雨量测量传感器用于测量降雨量，风速计用于测量风速，各传感器将测量到的不同物理量信号转换成模拟量信号，再通过A/D转换器进入PLC，PLC依据测量值和程序设定值的偏差对各执行机构进行调整，以实现相关参数的控制。各传感器的信号同时进入一台数据采集仪；数据采集仪与计算机通过以太网相联。

用户可在计算机的人机交互界面上完成试验程序编写。在夏季仓，用户可依据当地气象资料，设定一定时间长度内的温度、湿度、日照强度和日照角度与时间相关的函数曲线；在风雨仓，用户可依据当地气象资料，设定一定时间长度内的温度、降雨量和风速与时间相关的函数曲线；在冬季仓，用户可依据当地气象资料，设定一定时间长度内的温度、湿度、降雪量和日照开关与时间相关的函数曲线；然后，计算机通过以太网将用户设定的曲线输出到PLC。

在夏季仓，PLC会启动空调系统和日照装置；同时接收温度传感器、湿度传感器、日照计和角度传感器的信号，经过与设定曲线的比较运算后，再输出控制信号。通过电加热升高温度；通过制冷装置降低温度。通过加湿装置升高湿度；通过除湿装置降低湿度。通过电子光强调整器改变日照强度。通过步进电机改变日照角度。

在风雨仓，PLC会启动空调系统、局部降雨装置和吹风模拟装置；同时接收温度传感器、风速传感器和流量计的信号，经过与设定曲线的比较运算后，再输出控制信号。通过电加热升高温度；通过制冷装置降低温度；通过变频器改变风速；通过调节阀改变降雨量，通过电磁阀切换降雨喷嘴。

在冬季仓，PLC会启动空调系统、降雪装置和日照融雪装置；同时接收温度传感器、湿度传感器、雪深传感器的信号，经过与设定曲线的比较运算后，再输出控制信号。通过电加热升高温度；通过制冷装置降低温度。通过加湿装置升高湿度；通过除湿装置降低湿度。通过电磁阀开关喷嘴，控制降雪量；通过接触器开关日照进行融雪。

在试验过程中，数据采集仪接收个传感器的信号，并通过以太网将信号传给计算机。计算机完成数据的记录。

Claims (4)

1.一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，包括夏季仓1、风雨仓2、冬季仓3和一个控制系统，其特征是夏季仓1、风雨仓2和冬季仓3仓体依次相连，仓体都由保温板4搭成，夏季仓1和风雨仓2之间，风雨仓2和冬季仓3之间各有一扇隔热密闭大门5，仓体地面铺设导轨6，试验件8放置在移动平台7上沿着导轨6在各仓间移动；夏季仓1内设有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9和一套可以调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11；风雨仓2内设有一套控制仓内温度的空调装置10，一套可控制降雨量的局部降雨装置13，一套可控制风速的吹风模拟装置14；冬季仓内置有一套控制仓内温度和湿度的空调装置9，一套可控制降雪量的局部降雪装置16，一套可以调整位置的全光谱日照模拟装置17；控制系统分别与夏季仓1内的控制仓内温度和湿度的空调装置9和调整位置、角度和日照强度的全光谱日照模拟装置11连接；与风雨仓2内控制仓内温度的空调装置10、控制降雨量的局部降雨装置13、控制风速的吹风模拟装置14连接；与冬季仓3内控制仓内温度和湿度的空调装置9，控制降雪量的局部降雪装置16和调整位置的全光谱日照模拟装置17连接；可依据时间变化，连续模拟一天早午晚，温度、湿度、日照强度、降雨量、风速和降雪量的交替变化。

2.根据权利要求1所述一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，其特征是：上述夏季仓和冬季仓的空调装置9内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置、一套加湿量可调的加湿装置和一套除湿量可调的除湿装置。

3.根据权利要求1所述一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，其特征是：上述风雨仓2的空调装置10内至少有一套热量可调的加热装置、一套冷量可调的制冷装置。

4.根据权利要求1所述一种基于多场耦合下的石窟围岩风化及壁画盐害模拟试验装置，其特征是：上述控制系统为计算机，且/或若干PLC系统，且/或若干程序控制器。