CN104914126A - 低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置 - Google Patents

Abstract

低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，属于材料技术领域。满足了用于辐射条件下低熔点半透明材料相变过程实验的装置的需求，还满足了在相变过程中同时测量半透明材料在相变过程中的温度分布的需求。本发明通过红外灯箱中卤素乌灯发出的红外热辐射光，经抛物线形反光罩反射后从正上方垂直照射到样品槽中的样品上。样品槽中沿竖直方向布置了多个热电偶，样品槽底部和竖直侧壁上设置有保温层，样品槽的外沿上开有观测缝，通过观测缝观察样品的相变界面的移动。样品层中温度分布由热电偶监测，热电偶信号由无纸记录仪记录，满足了观察样品的相变过程及记录样品相变过程中的温度变化的需求。适用于同时观察相变过程和记录温度变化。

Description

低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及用于低熔点半透明材料相变过程辐照加热和温度测量装置。

背景技术

低熔点半透明材料在热辐射作用下的相变过程对于很多技术和科学问题来说非常重要，尤其是辐射诱发的熔化过程是当前人们非常感兴趣的。例如冰层自然融化速率的预测、相变节能墙体材料的研制，辐射除冰、相变材料隐身等等，这些传热问题都与材料在辐射作用下的熔化过程紧密相关。相变过程中的温度分布对材料的成形和应用有重要的影响，温度不均匀会导致材料内部出现应力、材料萌生微裂纹，甚至发生早期破裂，温度梯度对晶体缺陷(诸如位错、气孔等)也有很大影响，温度分布还会影响到材料的光学、电磁、强度等特性。所以开展半透明材料相变过程实验，测量材料相变过程中的温度分布具有非常实际的意义。

目前，低熔点相变材料加热装置主要采用导热和对流两种形式，例如在相变材料中布置电加热板来加热半透明相变材料，实现熔化过程，或者将承装相变材料的容器放置在恒温流体中加热。相变过程中，主要采用热电偶来测量材料的温度，热电偶具有成本低，可测量材料内部温度的优点。现有技术缺乏一种能提供辐射条件下对低熔点半透明材料相变进程、时间特性、温度变化进行测量和研究辐射贡献的装置。

发明内容

本发明为了满足对用于辐射条件下低熔点半透明材料相变过程实验的装置的需求，还用于满足在相变过程中同时测量半透明材料在相变过程中的温度分布的需求。提出一种低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置。

低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，它包括稳压电源、红外灯箱、样品槽、n个热电偶和无纸记录仪；n为正整数；

稳压电源为红外灯箱供电；样品槽用于放置样品；

红外灯箱位于样品槽的正上方，用于产生红外热辐射光，且该红外热辐射光沿竖直方向照射到样品槽上，使样品熔化发生相变；

n个热电偶沿竖直方向均匀布置在样品槽内，用于监测样品熔化发生相变过程中的样品温度的变化情况；

无纸记录仪用于记录、显示及保存n个热电偶监测的样品温度的变化情况。

低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，它还包括风扇和T型热电偶；

风扇位于红外灯箱内，用于降低红外灯箱内的温度；

T型热电偶用于监测红外灯箱内的温度，并将监测的温度信号发送至无纸记录仪，无纸记录仪采集T型热电偶发送的温度信号；当T型热电偶监测的温度超过设定值时，无纸记录仪触发继电器动作，使风扇工作，使其对红外灯箱进行冷却降温；当T型热电偶监测的温度低于设定值时，无纸记录仪触发继电器动作，使风扇停止工作，停止对红外灯箱进行冷却降温。

低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，所述红外灯箱包括底板、两块上分型、两块下分型、反光罩、连接块、卤素乌灯和侧面连接板；底板上开有通风孔；所述风扇位于底板上的通风孔处；

两块下分型分别固定在底板的两端，侧面连接板固定在两块下分型的同一侧，且靠近底板；

反光罩为抛物线形反光罩；反光罩夹在上分型和下分型之间，且上分型和下分型的接触面形状与反光罩的形状相同；所述上分型和下分型通过连接块固定；

每个上分型上开有圆形通孔，且该圆形通孔位于上分型的焦点所在的直线上；卤素乌灯固定在两个上分型的圆形通孔之间。

本发明所采用的技术方案是利用卤素乌灯产生红外线辐照加热低熔点半透明材料，使之熔化，观测相变界面的移动，记录材料相变过程中的温度分布。

本发明所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，通过红外灯箱中卤素乌灯发出的红外热辐射光，经抛物线形反光罩反射后从正上方垂直照射到样品槽中的样品上。样品槽中沿竖直方向布置了多个热电偶，样品槽底部和竖直侧壁上设置有保温层，样品槽的外沿上开有观测缝，通过观测缝观察样品的相变界面的移动。样品层中温度分布由热电偶监测，热电偶信号由无纸记录仪记录。满足了辐射条件下低熔点半透明材料相变过程实验的装置的需求。而且，满足了在相变过程中同时测量半透明材料在相变过程中的温度分布的需求。

本发明中的红外灯箱发出近似平行的红外线，辐射热流密度稳定，辐射功率可以连续调节，模块化设计，方便改变反光罩面型以及改变热电偶测点布置。

本发明实现了低熔点半透明材料在平行红外辐射作用下的熔化、相变过程，监测相变界面的移动，同时记录样品竖直层面上的温度分布。本发明适用于观察相变过程。

附图说明

图1是低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的平面示意图；

图2是低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的立体示意图；

图3是低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的红外灯箱立体剖面图；

图4是防辐射罩和热电偶的结构示意图；

图5是样品槽的结构示意图；

图中1稳压电源、2红外灯箱、3样品槽、4热电偶、5无纸记录仪、6实验样品、7观测缝、8保温板、9底板、10连接块、11侧面连接板、12压条、13反光罩、14上分型、15卤素乌灯、16下分型、17风扇、18 T型热电偶、19防辐射罩。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，它包括稳压电源1、红外灯箱2、样品槽3、n个热电偶4和无纸记录仪5；n为正整数；

稳压电源1为红外灯箱2供电；样品槽3用于放置样品；

红外灯箱2位于样品槽3的正上方，用于产生红外热辐射光，且该红外热辐射光沿竖直方向照射到样品槽3上，使样品熔化发生相变；

n个热电偶4沿竖直方向均匀布置在样品槽3内，用于监测样品熔化发生相变过程中的样品温度的变化情况；

无纸记录仪5用于记录、显示及保存n个热电偶4监测的样品温度的变化情况。

本实施方式中，将样品放置在样品槽3内。开启稳压电源1，为红外灯箱2供电，红外灯箱2工作，发出红外热辐射光；该红外热辐射光沿竖直方向照射到样品槽3内的样品上，使样品熔化发生相变。位于样品槽3内的热电偶4记录不同高度的样品在发生相变过程中的温度变化情况。无纸记录仪5记录、显示及保存热电偶4记录的样品层在发生相变过程中的温度变化情况。

本发明所述的辐射加热和测温装置，满足了辐射条件下对低熔点半透明材料的相变过程的实验的装置的需求，而且通过热电偶4及无纸记录仪5实时监测样品在相变过程中的温度变化情况的需求。

具体实施方式二、参照图3和图5说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式一所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括风扇17和T型热电偶18；

风扇17位于红外灯箱2内，用于降低红外灯箱2内的温度；

T型热电偶18用于监测红外灯箱2内的温度，并将监测的温度信号发送至无纸记录仪5，无纸记录仪5采集T型热电偶18发送的温度信号；当T型热电偶18监测的温度超过设定值时，无纸记录仪5触发继电器动作，使风扇17工作，使其对红外灯箱2进行冷却降温；当T型热电偶18监测的温度低于设定值时，无纸记录仪5触发继电器动作，使风扇17停止工作，停止对红外灯箱2进行冷却降温。

本实施方式中，无纸记录仪5是一种针对各种工业现场的实际需求设计生产的，集显示、处理、记录、积算、报警和配电等多功能无纸记录仪种功能于一身的新型记录仪。是有纸记录仪的升级换代产品，同时替代了数显仪表，其具有屏幕大、操作性强、历史数据可查询、丰富的显示画面等特点。无纸记录仪中自带继电器、处理器等模块。

无纸记录仪5采集红外灯箱2内的温度，当温度超过设定值时，无纸记录仪5触发继电器动作，开启风扇17对红外灯箱2进行冷却降温，当温度降低后，无纸记录仪5触发继电器动作，使风扇17停止工作。

具体实施方式三、参照图3说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式二所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，所述红外灯箱2包括底板9、两块上分型14、两块下分型16、反光罩13、连接块10、卤素乌灯15和侧面连接板11；底板9上开有通风孔；所述风扇17位于底板9上的通风孔处；

两块下分型16分别固定在底板9的两端，侧面连接板11固定在两块下分型16的同一侧，且靠近底板9；

反光罩13为抛物线形反光罩；反光罩13夹在上分型14和下分型16之间，且上分型14和下分型16的接触面形状与反光罩13的形状相同；所述上分型14和下分型16通过连接块10固定；

每个上分型14上开有圆形通孔，且该圆形通孔位于上分型14的焦点所在的直线上；卤素乌灯15固定在两个上分型14的圆形通孔之间。

本实施方式中，如图3为红外灯箱2的立体结构图。图中，上分型14和下分型16均为抛物线形状，且上分型14为凸起弧，下分型16为凹陷弧，上下分型弧度与抛物线形状相同，起到固定和限制反光罩13面型的作用。

红外灯箱2由稳压电源1供电，电压从0V到110V连续调节，连续改变红外灯箱2中卤素乌灯15的功率。卤素乌灯15的上方安装了抛物柱面反光罩13，增加红外线利用率，提高热流密度，产生平行的红外热辐射光。

具体实施方式四、本具体实施方式是对具体实施方式三所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，所述T型热电偶18位于反光罩13的外弧侧。

T型热电偶18监测反光罩13的温度及红外灯箱2内的温度。当温度超过设定值时，无纸记录仪5触发继电器动作，开启风扇17对红外灯箱2进行冷却降温，当温度降低并满足延时条件，无纸记录仪5触发继电器动作，断开风扇17，停止冷却降温。

具体实施方式五、本具体实施方式是对具体实施方式四所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，所述反光罩13由镜面铝板制成，且其平均反射率98％。

本实施方式中，反光罩13由高反射率镜面铝板制成。该镜面铝板对波长0.2～4μm的光反射率高，反射特性曲线平坦，可以很好地反射卤素乌灯15发出的热辐射。

本发明采用的反光罩是采用数值算法经过计算获得的反光罩13。通过模拟不同抛物线方程的反光罩对辐射热流的影响，结合实验的具体要求，优化了反光罩13面型方程。最后得出反光罩13的焦距为12.5mm，抛物线开口宽度为112mm，总有效反射长度为190mm时，反光罩反射的辐射热流的效果最好。该反光罩使卤素乌灯15发出的红外线有70％以上以平行光方式输出，红外热辐射光的辐射效果明显。

具体实施方式六、参照图3说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式五所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括压条12；压条12用于压紧固定反光罩13的边沿，且该压条12固定在上分型14上。

本实施方式中，压条12压紧固定反光罩13的边沿，且该压条12固定在上分型14上，使反光罩13被固定得更加牢固。

具体实施方式七、参照图5说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式六所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，所述样品槽3为高纯度PMMA样品槽，样品槽3包括外沿3-1及凹槽3-2；凹槽3-2嵌固在外沿3-1内，用于放置样品；样品槽3外沿3-1的上表面粘贴铝箔，样品槽3外沿3-1的侧面敷有m层聚苯乙烯保温板8；m为正整数。

本实施方式中，PMMA是聚甲基丙烯酸甲酯的缩写，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种。

样品槽3的外沿3-1的上表面粘贴铝箔，是为了防止红外灯箱2发出的红外热辐射光损伤样品槽表面，也是为了进一步减少表面的辐射换热。

样品槽3的外沿3-1的外表面敷有m层聚苯乙烯保温板8，聚苯乙烯保温板8用于减少样品和样品槽3与周围环境的换热。

具体实施方式八、本具体实施方式是对具体实施方式七所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，样品槽3的凹槽3-2外部设置有保温层。

本实施方式中，保温层用于对样品槽3内的样品保持温度，防止样品受到外界环境温度的影响。

具体实施方式九、参照图4说明本实施方式，本具体实施方式是对具体实施方式八所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，紧邻样品上表面的热电偶4上设置有防辐射罩19，该防辐射罩19为圆筒形，且其前端均匀分布有m个圆形通风孔，m为正整数。

n个热电偶4沿竖直方向均匀布置在样品槽3内。样品放置在样品槽3内后，置于空气中且紧邻样品上表面的热电偶4上设置有防辐射罩。防辐射罩为圆筒型，前端规则地布置多个圆形通风孔。防辐射罩防止了热电偶4与周围环境发生辐射换热，并保证足够的空气流通，尽量使该热电偶4测温点准确代表样品上表面的空气温度。

具体实施方式十、参照图2说明本实施方式，具体实施方式是对具体实施方式九所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置的进一步说明，本实施方式中，所述样品槽3的外沿3-1上开有观测缝7，该观测缝7用于观测样品槽3内凹槽3-2的样品受红外热辐射光照射后的相变过程。

本发明在对低熔点半透明材料加热过程中，为使相变过程稳定进行，保证温度测量精度，进行了以下四方面的设计：

1.采用数值算法模拟了不同抛物线方程的反光罩13对辐射热流的影响，结合实验的具体要求，优化了反光罩13的面型方程，由卤素乌灯管15发出的红外线有70％以上以平行光的方式输出。反光罩13固定方式简便，模块化设计，通过替换分型板，可以方便地在不同的实验要求下改变反光罩13面型。

2.反光罩13吸收部分卤素乌灯15发出的红外线，导致温度升高，通过导热会使整个红外灯箱2升温，为防止反光罩13热变形，同时减少反光罩13和红外灯箱2的长波热辐射对实验的影响，采用风冷的方式对反光罩13和红外灯箱2进行冷却，通过无纸记录仪5采集反光罩13和红外灯箱2的温度信号，当温度超过设定值时，无纸记录仪5触发继电器动作，开启风扇17对反光罩13和红外灯箱2进行冷却降温，当温度降低后，无纸记录仪5触发继电器动断开，自动停止冷却。

3.为了减少半透明材料非主要受辐射面的导热和辐射换热，样品槽3由导热系数较小的PMMA材料制成，并在上表面粘贴铝箔，反射卤素乌灯15发出的热辐射。样品槽3外敷多层聚苯乙烯保温板8，聚苯乙烯的表面粘贴铝箔，进一步减少表面的辐射换热。在聚苯乙烯保温层8前端开设观测缝7，结合刻度尺可以在实验中观测相变界面的移动。

4.热电偶4采用低温范围精度较高的T型热电偶，热电偶4直径0.3mm，时间常数小，在竖直方向均匀布置。使用裸露在样品液面上面的热电偶4测量空气温度，为防止红外线对热电偶4的加热作用，热电偶4加装了防辐射套管，套管前端均匀开设小孔，套管顶端与热电偶测温点的距离S>2D，D为套管内径。

本发明的优点是：可以产生近似平行的红外线，辐射热流密度稳定，功率可以调节，模块化设计，方便替换灯管、改变反光罩面型以及改变热电偶测点布置，可普遍用于低熔点(25-100℃)半透明材料相变过程的辐射加热和温度分布测量。

Claims (10)

1.低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，它包括稳压电源(1)、红外灯箱(2)、样品槽(3)、n个热电偶(4)和无纸记录仪(5)；n为正整数；

稳压电源(1)为红外灯箱(2)供电；样品槽(3)用于放置样品；

红外灯箱(2)位于样品槽(3)的正上方，用于产生红外热辐射光，且该红外热辐射光沿竖直方向照射到样品槽(3)上，使样品熔化发生相变；

n个热电偶(4)沿竖直方向均匀布置在样品槽(3)内，用于监测样品熔化发生相变过程中的样品温度的变化情况；

无纸记录仪(5)用于记录、显示及保存n个热电偶(4)监测的样品温度的变化情况。

2.根据权利要求1所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，它还包括风扇(17)和T型热电偶(18)；

风扇(17)位于红外灯箱(2)内，用于降低红外灯箱(2)内的温度；

T型热电偶(18)用于监测红外灯箱(2)内的温度，并将监测的温度信号发送至无纸记录仪(5)，无纸记录仪(5)采集T型热电偶(18)发送的温度信号；当T型热电偶(18)监测的温度超过设定值时，无纸记录仪(5)触发继电器动作，使风扇(17)工作，使其对红外灯箱(2)进行冷却降温；当T型热电偶(18)监测的温度低于设定值时，无纸记录仪(5)触发继电器动作，使风扇(17)停止工作，停止对红外灯箱(2)进行冷却降温。

3.根据权利要求2所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，所述红外灯箱(2)包括底板(9)、两块上分型(14)、两块下分型(16)、反光罩(13)、连接块(10)、卤素乌灯(15)和侧面连接板(11)；底板(9)上开有通风孔；所述风扇(17)位于底板(9)上的通风孔处；

两块下分型(16)分别固定在底板(9)的两端，侧面连接板(11)固定在两块下分型(16)的同一侧，且靠近底板(9)；

反光罩(13)为抛物线形反光罩；反光罩(13)夹在上分型(14)和下分型(16)之间，且上分型(14)和下分型(16)的接触面形状与反光罩(13)的形状相同；所述上分型(14)和下分型(16)通过连接块(10)固定；

每个上分型(14)上开有圆形通孔，且该圆形通孔位于上分型(14)的焦点所在的直线上；卤素乌灯(15)固定在两个上分型(14)的圆形通孔之间。

4.根据权利要求3所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，所述T型热电偶(18)位于反光罩(13)的外弧侧。

5.根据权利要求4所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，所述反光罩(13)由镜面铝板制成，且其平均反射率98％。

6.根据权利要求5所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，它还包括压条(12)；压条(12)用于压紧固定反光罩(13)的边沿，且该压条(12)固定在两个上分型(14)上。

7.根据权利要求6所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，所述样品槽(3)为高纯度PMMA样品槽，样品槽(3)包括外沿(3-1)及凹槽(3-2)；凹槽(3-2)嵌固在外沿(3-1)内，用于放置样品；样品槽(3)的外沿(3-1)的上表面粘贴铝箔，样品槽(3)的外沿(3-1)的侧面敷有m层聚苯乙烯保温板(8)；m为正整数。

8.根据权利要求7所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，样品槽(3)的凹槽(3-2)外部设置有保温层。

9.根据权利要求8所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，紧邻样品上表面的热电偶(4)上设置有防辐射罩(19)，该防辐射罩(19)为圆筒形，且其前端均匀分布有m个圆形通风孔，m为正整数。

10.根据权利要求9所述的低熔点半透明材料相变过程辐射加热和测温装置，其特征在于，所述样品槽(3)的外沿(3-1)上开有观测缝(7)，该观测缝(7)用于观测样品槽(3)内凹槽(3-2)的样品受红外热辐射光照射后的相变过程。