CN105955348B - 一种材料万能试验机的环境箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料万能试验机的环境箱，涉及材料低温环境模拟与性能测试技术领域。所述环境箱包括箱体和支架，所述箱体固定在支架上便于箱体位移和升降调节；气化散热器和吹扫管路组成干燥氮气吹扫系统，两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路组成制冷制热控制系统。本发明提出了箱体微正压控制和干燥气体吹扫两种方法解决低温结霜、除雾的问题；通过电动式升降支架，实现环境箱的大行程升降功能，从而提高环境箱对不同试验机的适应性。

Description

一种材料万能试验机的环境箱

技术领域

本发明涉及材料低温环境模拟与性能测试技术领域。具体地说，是指一种材料万能试验机的环境箱。

背景技术

材料低温性能测试技术是随着结构材料在低温或深冷环境中使用需求而逐渐发展起来的，其核心是提供一个精准可控的低温测试环境。目前获取低温的方式主要有两种：一、采用压缩机制冷，该方法经济而稳定，可获得-40℃的恒定温度；二、采用液态气体制冷，如液氮可获得-196℃的温度，液氩可获得-269℃的极限温度。其中，采用液氮制冷是获取理想低温的常用方法。它在制冷温度需求和经济性之间可以得到较好的平衡。

对于低温测试技术，除了能够模拟较好的低温环境之外，环境箱还需能够尽量满足低温下材料性能数据采集的需求。如低温引伸计、声发射、超声检测、非接触式应变测量装置等。配合该类装置对材料性能的顺利采集，需解决箱体内部传感器信号导出、箱体内部空气除雾、箱体观察窗及样品表面除霜等由低温引发的系列问题。

发明内容

针对低温下的多种测试问题，本发明提出了箱体微正压控制和干燥气体吹扫两种方法解决低温结霜、除雾的问题。通过电动式升降支架，实现环境箱的大行程升降功能，从而提高环境箱对不同试验机的适应性。

本发明首先提供一种材料万能试验机的环境箱，所述的环境箱包括箱体和支架，所述箱体固定在支架上，便于调整箱体的位移和高度等参数。所述箱体为立方体结构，在箱体外面，前面设置隔热门，隔热门上设置观察窗口；后面设置氮气排气口，用于箱体内外空气连通；后上方设置混气装置、蜂窝状热交换装置和液氮喷嘴，用于为箱体内环境提供气化液氮；上下表面开有U型孔，用于试验及家具装卸和加载；侧面设置有BNC转接接头，用于连接箱体内的无损检测探头和箱体外的检测设备。在箱体内部，前后各设有照明装置，底部设有液体留置槽，同时还设有电热丝，所述照明装置和电热丝均与箱体外的控制器连接。

所述环境箱还包括气化散热器、吹扫管路、两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路。所述的气化散热器和吹扫管路组成干燥氮气吹扫系统，气化散热器一端与杜瓦罐气化输出端相连通，另一端通过吹扫管路与箱体内部连通。所述的两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路组成制冷制热控制系统，所述杜瓦罐内储存液氮；所述液氮管路的一端连接杜瓦罐的液氮出口端，另一端连接箱体液氮喷口，为箱体内部提供液氮。在所述的液氮管路上设置有电磁阀，电磁阀与控制器连接，电磁阀根据箱体内温度的变化自动开启或关闭，用于控制液氮的流量。所述两个Pt电阻测温传感器，一个捆绑于试样表面，另一个悬置于箱体内，分别用于测量箱体内试样温度和环境温度。所述温控仪表带有PID温度调节控制功能，所述的两个Pt电阻测温传感器的引线均通过氮气排气口引出并连接于制冷制热控制系统的温控仪表的传感器接线端子上。控制器与温控仪表相互通讯。

本发明的优点在于：

模拟恒定的低温环境是进行材料低温性能测试的前提条件，在低温下尽可能的满足一些非常规测试设备的测试要求可大大降低材料数据获取的难度，提升一次实验过程中获取的材料性能数据量。

附图说明

图1为本发明所述环境箱的箱体的外观结构示意图。

图2为本发明所述箱体支架示意图。

图3为本发明制冷制热控制系统及干燥氮气吹扫系统示意图。

图4为本发明所述环境箱体和箱体支架组装结构示意图。

图中：

1.箱体；2.支架；101.隔热门；102.观察窗口；103.混气装置；104.电热丝；201.悬臂梁；202.万向脚轮；203.电动升降装置；

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细描述本发明。

本发明提供一种材料万能试验机的环境箱，如图4所示，所述的环境箱包括箱体1和支架2，还包括用于进行试验的制冷制热控制系统和干燥氮气吹扫系统。

如图1所示，所述箱体1为不锈钢密封的立方体结构，箱体长、宽、高各不超过700mm；箱体1为钣金焊接结构，箱体1壁厚约50mm，箱体壁内部为真空保温结构。

所述箱体1前部设置有取送试样的隔热门101，隔热门101上以及箱体1后面均设置有一个用于观察试样的观察窗口102，观察窗口102采用真空双层玻璃进行隔热处理，玻璃为光学抛光。隔热门101与箱体1之间使用铰链连接，隔热门101与箱体1之间采用麻布和硅橡胶进行隔热密封。

所述箱体1后部还设有一个氮气排气口。所述的氮气排气口将箱体1与大气直接连通。

箱体内部设有一个电热丝104，电热丝104与控制器连接，根据控制器的控制指令信号加热箱体内部空气。

所述环境箱体1的上下面各开有一个方便试验机夹具装卸和加载的U型孔，所述的U型孔采用抽拉式的真空绝热挡板密封，所述真空绝热挡板与箱体1之间通过柔性海绵密封。

所述箱体1侧面设有3个BNC转接接头，箱体外表面为三个公头，箱体内部对应位置表面为三个公头，内外表面的接头彼此间一一对应连接。

所述箱体1后方上部设有混气装置103、蜂窝状热交换装置和液氮喷嘴，所述蜂窝状热交换装置和液氮喷嘴分别位于混气装置103的前端和后端。液氮喷嘴喷出的液氮，首先进入混气装置103与空气充分混合并雾化，雾化后的液氮通过蜂窝状热交换装置，蜂窝状热交换装置能够加速氮气的气化并促进环境降温。所述的液氮喷口通过电磁阀依据温度自动控制液氮喷出量。所述的电磁阀与控制器连接。

所述箱体1内部，在前后各设有一个照明装置，照明装置用于试样前后表面的照明；底部设有井字状的液体留置槽，防止未挥发的液氮从箱体底部流出。

如图2所示，所述箱体1的支架2为悬臂梁结构，用于支撑箱体1，箱体1放置于悬臂梁201之上并固定；所述支架2配有四个带制动的万向脚轮202；所述支架2配有电动涡轮蜗杆电动升降装置203，升降行程为500mm。

如图3所示，所述制冷制热控制系统包括：两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路。

所述杜瓦罐内储存液氮。所述液氮管路的一端连接杜瓦罐的液氮出口端，另一端连接箱体1后方混气装置103后端的液氮喷口，为箱体1内部提供液氮。在所述的液氮管路上设置有电磁阀，电磁阀与控制器连接，电磁阀根据箱体内温度的变化自动开启或关闭，用于控制液氮的流量。所述两个Pt电阻测温传感器，一个捆绑于试样表面，另一个悬置于箱体1内，分别用于测量箱体内试样温度和环境温度，以试样温度控温为主。所述温控仪表带有PID温度调节控制功能，所述的两个Pt电阻测温传感器的引线均通过氮气排气口引出并连接于制冷制热控制系统的温控仪表的传感器接线端子上。所述控制器带有温度、时间的数据采集与整理显示功能，以及与温控仪表交换控温信号的功能。控制器与温控仪表相互通讯，可实现温度、时间的实时数据采集，同时将温控仪表的控制信号经过功率放大后输出到电磁阀，从而控制电磁阀的自动开启或关闭。

制冷制热系统的工作原理为：所述的温控仪表通过Pt电阻测温传感器对箱体1内的环境温度和试样温度进行采集，并将采集的温控信号发送到控制器中，制冷时，控制器向电磁阀发送开启信号，驱动电磁阀的开启，杜瓦罐中的液氮通过液氮管路进入箱体，利用液氮的气化吸热作用实现制冷；制热时，控制器向电磁阀发送关闭信号，驱动电磁阀关闭，向箱体内的电热丝104发送驱动信号，驱动电热丝104工作，实现对箱体1内空气的加热。

所述干燥氮气吹扫系统包括气化散热器和吹扫管路两部分；所述气化散热器为一系列串联的带有鳍片的S型管路，所述S型管路一端为气化散热器的入口端，与杜瓦罐气化输出端相连通，另一端为气化散热器的出口端，通过吹扫管路与箱体1内部连通。所述吹扫管路上设置有流量阀，用于控制氮气的流量。所述吹扫管路上与箱体1内部连通的一端为带有氮气吹扫喷嘴的柔性金属管，所述的氮气吹扫喷嘴布置于箱体前后观察窗口附近，用于对观察窗进行除雾。

以低温拉伸实验为例，详细说明采用本发明的环境箱进行检测的过程如下：

步骤1：如图4，将环境箱的箱体1放置于支架2的悬臂梁201上，以螺丝固定；将箱体1上下密封U型孔的真空绝热挡板取下；开启支架2上的涡轮蜗杆电动升降装置203，调节箱体1的高度，以适应试验机台架的高度要求；

步骤2：将试验机所需的试样加载夹具安装好；

步骤3：松开支架2的万向脚轮202制动，推动支架2，使箱体1移动至试验机的龙门框架中；调整箱体1的位置，使试验机的上下夹具进入箱体1的上下U型孔内，并尽量使夹具的拉伸轴与U型孔圆弧圆心对正；

步骤4：装卡试样，将Pt电阻测温传感器捆绑于试样表面，将另一个Pt电阻测温传感器悬置与箱体1中，引线通过氮气排气口引出连接于制冷制热控制系统的温控仪表的传感器接线端子上；安装真空绝热挡板；

步骤5：将杜瓦罐的液氮出口端通过液氮管路与箱体1的液氮喷口相连接；

步骤6：将杜瓦罐的气化输出端与气化散热器的入口端通过球阀相连接；将吹扫管路的末端的氮气吹扫喷嘴固定于箱体前的观察窗口一侧，目的是防止结霜后无法观察到箱体内的试样。

步骤7：将必要的无损检测探头通过弹簧卡具固定于试样表面；无损检测探头的信号线通过BNC转接接头连接于箱体内壁的BNC转接接头上，再使用BNC跳线从箱体外部的BNC转接接头连接于检测设备之上；

步骤8：关闭环境箱的隔热门101；

步骤9：开启照明系统；将非接触表面变形测试系统的相机架设于箱体前后的玻璃观察窗口前，调整好焦距等测试准备工作；

步骤10：开启杜瓦罐的液氮出口端；开启制冷制热控制系统，设定好预设温度开始降温；

步骤11：开启杜瓦罐的气化输出端，进行氮气吹扫；

步骤12：待达到预设温度并保温一定时间后，开启试验机的机械加载；加载过程中记录所有所需的测试数据。

Claims (5)

1.一种材料万能试验机的环境箱，其特征在于：所述的环境箱包括箱体和支架，所述箱体固定在支架上；所述箱体为立方体结构；

在箱体前面设置隔热门，隔热门上设置观察窗口；在箱体后面设置另一个观察窗口和氮气排气口；在箱体后上方设置混气装置、蜂窝状热交换装置和液氮喷嘴；在箱体上下表面开有U型孔；在箱体侧面设置有BNC转接接头；

在箱体内部，前后各设有照明装置，底部设有液体留置槽，同时还设有电热丝，所述照明装置和电热丝均与箱体外的控制器连接；

所述环境箱还包括气化散热器、吹扫管路、两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路；

所述的气化散热器和吹扫管路组成干燥氮气吹扫系统，气化散热器一端与杜瓦罐气化输出端相连通，另一端通过吹扫管路与箱体内部连通；

所述气化散热器为一系列串联的带有鳍片的S型管路，所述S型管路一端为气化散热器的入口端，与杜瓦罐气化输出端相连通，另一端为气化散热器的出口端，通过吹扫管路与箱体内部连通；所述吹扫管路上设置有流量阀；所述吹扫管路上与箱体内部连通的一端为带有氮气吹扫喷嘴的柔性金属管，所述的氮气吹扫喷嘴布置于箱体前后观察窗口附近，用于对观察窗进行除雾；

所述的两个Pt电阻测温传感器、一个温控仪表、一个控制器、一个杜瓦罐及液氮管路组成制冷制热控制系统，所述杜瓦罐内储存液氮；所述液氮管路的一端连接杜瓦罐的液氮出口端，另一端连接箱体液氮喷口，为箱体内部提供液氮；所述两个Pt电阻测温传感器，一个捆绑于试样表面，另一个悬置于箱体内，所述的两个Pt电阻测温传感器的引线均通过氮气排气口引出并连接于温控仪表的传感器接线端子上；控制器与温控仪表相互通讯。

2.根据权利要求1所述的一种材料万能试验机的环境箱，其特征在于：在所述的液氮管路上设置有电磁阀，电磁阀与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种材料万能试验机的环境箱，其特征在于：所述隔热门与箱体之间采用麻布和硅橡胶进行隔热密封。

4.根据权利要求1所述的一种材料万能试验机的环境箱，其特征在于：所述支架为悬臂梁结构，所述支架配有四个带制动的万向脚轮和一个电动涡轮蜗杆电动升降装置，升降行程为500mm。

5.根据权利要求1所述的一种材料万能试验机的环境箱的应用，其特征在于：采用所述的环境箱进行低温拉伸实验，过程如下：

步骤1：将环境箱的箱体放置于支架的悬臂梁上，以螺丝固定；将箱体上下密封U型孔的真空绝热挡板取下；开启支架上的涡轮蜗杆电动升降装置，调节箱体的高度，以适应试验机台架的高度要求；

步骤2：将试验机所需的试样加载夹具安装好；

步骤3：松开支架的万向脚轮制动，推动支架，使箱体移动至试验机的龙门框架中；调整箱体的位置，使试验机的上下夹具进入箱体的上下U型孔内，并尽量使夹具的拉伸轴与U型孔圆弧圆心对正；

步骤4：装卡试样，将Pt电阻测温传感器捆绑于试样表面，将另一个Pt电阻测温传感器悬置与箱体中，引线通过氮气排气口引出连接于制冷制热控制系统的温控仪表的传感器接线端子上；安装真空绝热挡板；

步骤5：将杜瓦罐的液氮出口端通过液氮管路与箱体的液氮喷口相连接；

步骤6：将杜瓦罐的气化输出端与气化散热器的入口端通过球阀相连接；将吹扫管路的末端的氮气吹扫喷嘴固定于箱体前的观察窗口一侧，目的是防止结霜后无法观察到箱体内的试样；

步骤7：将无损检测探头通过弹簧卡具固定于试样表面；无损检测探头的信号线通过BNC转接接头连接于箱体内壁的BNC转接接头上，再使用BNC跳线从箱体外部的BNC转接接头连接于检测设备之上；

步骤8：关闭环境箱的隔热门；

步骤9：开启照明装置；将非接触表面变形测试系统的相机架设于箱体前后的玻璃观察窗口前，调整好焦距；

步骤10：开启杜瓦罐的液氮出口端；开启制冷制热控制系统，设定好预设温度开始降温；

步骤11：开启杜瓦罐的气化输出端，进行氮气吹扫；

步骤12：待达到预设温度并保温一定时间后，开启试验机的机械加载；加载过程中记录所有所需的测试数据。