CN107643782B - 可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统及其控制方法。本发明将石英灯泡安装在圆柱型装置的内壁上，对待测物在全周向均匀受热；通过功率控制器控制石英灯泡的加热温度，并通过联轴器将圆柱型装置连接至电机驱动系统，控制圆柱型装置按设定的速率转动，从而待测物能够在较短时间内均匀加热；在圆柱型装置外设置散热罩形成一个均匀的温度场；在待测物内设置温度传感器，将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性；与现有的平行板石英灯温度加热系统的升温速度提升至少200％，待测物体体积要小60％，能源节省至少30％；在目前的石英灯加热技术中实现了高效率低消耗的特点。

Description

可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及石英灯温度测试领域，具体涉及一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统及其控制方法。

背景技术

热试验系统需要数字仿真的环节包括热、力载荷施加系统、热试验环境边界、试验对象、热试验控制系统、功率供给系统、测量系统等。目前热试验的热载荷施加系统常用的为石英灯加热系统，石英灯辐射加热器属于高加热率辐射加热设备，其最大优点是热惯性小，便于控制，易于组装成各种形状与试件外形相适应的加热器目前许多国家试验室仍然以使用石英灯加热器为主。目前，典型的石英灯加热器主要以平板式对面加热的方式为主。该方法具有加热速度快、灵敏度高等特点。然而，平板型石英灯加热的方式同样有弊端，主要是以加热不均匀、当升温速度过快无法使待测物内外的温度保持一致为主。其中，加热不均匀主要体现在将待测物置于两极板中间时，很容易出现待测物的边缘受热与中心受热不均匀的情况。而由于石英灯测试系统通常使用双极板加热的方式，那么当其左右两面可以做到均匀加热时，其上下两面是无法同时做到受热均匀的，此问题尤其出现在圆柱体待测物的情况下。同样的，对于石英灯本身来说升温速度是可控的，在升温速度过快时，现有的石英灯组件是无法做到四周向同时受热均匀，那么当待测物体型较小时，就无法做到利用简单的双极性平板式石英灯系统进行温度测试。

因此，研究一种新型的石英灯温度测试系统，兼有可均匀加热以及可控速度加热和升温的性能，可在待测物较小的情况下也可在短时间内均匀受热，意义重大。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统，基于石英灯本身的基本原理和使用方式以及利用电机进行石英灯柱形阵列进行旋转而在短时间内使得被测物温度均匀上升，可测试升温速度至少提高2倍以上，具有均匀加热、可测快速升温物体内部温度等特点；并且，本发明中的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统可测试温度并不比一般的石英灯测试装置低，反而在石英灯箱外加了使散热更加均匀的散热罩以提高和稳定温度的平稳上升，以实现可以调速并且均匀加热的目的。

本发明的一个目的在于提出一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统。

本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统包括：石英灯泡、圆柱型装置、固定支架、功率控制器、联轴器、电机驱动系统、温度传感器、数据采集系统、计算机和散热罩；其中，圆柱型装置为内部中空的圆柱形的壳体，圆柱型装置的轴线为竖直方向；在圆柱型装置顶部的内壁上均匀设置多个石英灯泡，在侧面的内壁上与轴线方向平行均匀设置多排石英灯泡，形成石英灯柱阵列；每一个石英灯泡通过导线连接至外部的功率控制器，功率控制器通过电源线连接至电源，并通过数据线连接至计算机；在圆柱型装置内的底部设置固定支架；在固定支架上放置待测物，待测物位于圆柱型装置内的中心；在待测物的内部放置温度传感器；温度传感器连接至外部的数据采集系统；数据采集系统连接至计算机；圆柱型装置的底部通过联轴器与电机驱动系统连接；在圆柱型装置外设置底部不封闭的散热罩；计算机设定功率控制器的功率，功率控制器控制石英灯泡的加热温度；在加热的同时，计算机控制电机驱动系统，通过联轴器带动圆柱型装置绕着轴线按照设定的转速转动，从而石英灯泡对待测物均匀加热；温度传感器采集待测物内的温度，并传输至数据采集系统；数据采集系统得到待测物内的温度，传输至计算机；计算机生成待测物内部的升温曲线，计算机根据设定的功率控制器的功率，得到石英灯泡的升温曲线，将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性。

本发明采用将石英灯泡设置在圆柱型装置的内壁上，从而对待测物在全周向均匀受热。石英灯泡通过固定器安装在圆柱型装置的内壁上。现有技术中使用的石英灯加热壳体为正方体型壳体，方便平行板石英灯板进行加热，并且正方体型壳体的上下内表面并不固定石英灯泡。本发明采用圆柱型装置固定石英灯泡，能够改善四边和中心受热和散热不均匀的情况。将待测物置于圆柱型装置的中心，那么待测物相距于周围石英灯泡的距离是相同的。为了增加待测物均匀升温的速率，本发明在圆柱型壳体外增加了横向和纵向与圆柱型壳体的外壁之间的距离大于5cm的散热罩，以增加散热速率。通过增加散热罩，能够使石英灯泡加热的范围内形成一个均匀的温度场，使待测物固定于任何方位都可以均匀受热，从而减少为了形成均匀温度场而使用的时间。时间的减少就意味着石英灯的升温速率提升。

圆柱型装置的内壁上设置多排石英灯泡，每一排石英灯泡中，相邻的两个石英灯泡的中心距离不小于石英灯泡直径的两倍；相邻的两排石英灯泡的中心距离不小于石英灯泡直径的两倍。

石英灯泡通过功率控制器连接至电源，电源为380V交流电源，使石英灯能够稳定升温并且能够在短时间内使圆柱型装置的内部环境达到预期的温度值。功率控制器进行加热过程中的控温，通过控制其功率控制温度的上升速度，由于一般的石英灯加热装置较大，为使其周围环境温度达到平稳上升而不出现周边温度较大而中心温度较小的温度不均匀情况，则使用功率控制器来控制其升温速度，以达到给待测物均匀加热的目的。

在本发明中石英灯泡排布相对较稀松，那么如果保持一个静态加热的话很难在短时间达到稳定升温的效果。所以为了使待测物可以在较短时间内均匀加热，本发明在圆柱型装置的底部设置一个电机驱动系统，来驱动整个圆柱型装置的旋转，从而使其石英灯泡在短时间内全周向加热升温。电机驱动系统包括依次相连接的驱动电路、电机和减速器；其中，驱动电路驱动电机按照设定的转速旋转；电机按照驱动电路设定的转速进行匀速的旋转；电机连接至减速器，减速器通过联轴器固定在圆柱型装置的底部，从而实现匹配转速和传递扭矩的作用。对于本发明来说，为了达到温度平稳上升的效果，驱动电路的转速不能过快也不能过慢，因为过快的转速会使得其本身产生热量而影响试验的测试效果，而转速过慢则会使其无法达到本发明中的快速均匀升温的要求。基于以上的问题，本发明中的驱动电路会将转速控制在0.1m/s～1.0m/s的区间范围内可调，以满足不同大小物体的快速均匀加热。减速机是电机系统中不可或缺的一部分，其主要目的是令电机减速的同时降低负载的惯量，那么在本发明中，作为电机控制系统的最后一环，需要由联轴器将圆柱型装置与减速器进行连接固定，从而起到能用电机驱动加热装置按照既定速度旋转的效果。

在圆柱型装置的底部设置有电极驱动固定口，通过联轴器与电机驱动系统连接。在圆柱型装置的底部还设置有通孔，石英灯泡连接功率控制器的导线，通过通孔引出。

本发明在待测物的内部设置温度传感器，如果待测物内部为中空，则温度传感器直接放置在待测物内；如果待测物为实心体，则在待测物上开设小孔，将温度传感器放置在小孔内。

数据采集系统则是使用最基本的数据采集仪，将每分钟或者每秒钟的温度情况进行采集，绘制成线，可知待测物本身的升温速率与实际的功率的加温速率和温度值能否达到一致。

本发明的另一个目的在于提供一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的控制方法。

本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的控制方法，包括以下步骤：

1)计算机设定功率控制器的功率以及电机驱动系统的转速；

2)功率控制器控制石英灯泡的加热温度；

3)在加热的同时，计算机控制电机驱动系统，通过联轴器带动圆柱型装置绕着轴线按照设定的转速转动，从而石英灯泡对待测物均匀加热；

4)温度传感器采集待测物内的温度，并传输至数据采集系统；；

5)数据采集系统得到待测物内的温度，传输至计算机；

6)计算机生成待测物内部的升温曲线；

7)计算机根据设定的功率控制器的功率，得到石英灯泡的升温曲线；

8)计算机将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性。

其中，在步骤3)中，电机驱动系统的转速控制在0.1m/s～1.0m/s之间。

本发明的优点：

本发明将石英灯泡安装在圆柱型装置的内壁上，对待测物在全周向均匀受热；通过功率控制器控制石英灯泡的加热温度，并通过联轴器将圆柱型装置连接至电机驱动系统，控制圆柱型装置按设定的转速转动，从而待测物能够在较短时间内均匀加热；在圆柱型装置外设置散热罩形成一个均匀的温度场；在待测物内设置温度传感器，将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性；与现有的平行板石英灯温度加热系统的升温速度提升至少200％，待测物体体积要小60％，能源节省至少30％；在目前的石英灯加热技术中实现了高效率低消耗的特点。

附图说明

图1为本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的一个实施例的正视的剖面图；

图2为本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的一个实施例的仰视图；

图3为本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的一个实施例的俯视的剖面图；

图4为本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的一个实施例的结构框图；

图5为本发明的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的一个实施例的电机驱动系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和3所示，本实施例的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统包括：石英灯泡1、圆柱型装置2、固定支架3、功率控制器、联轴器、电机驱动系统5、温度传感器、数据采集系统、计算机和散热罩4；其中，圆柱型装置2为内部中空的圆柱形的壳体，圆柱型装置的轴线为竖直方向；在圆柱型装置2顶部的内壁上均匀设置多个石英灯泡1，在侧面的内壁上与轴线方向平行均匀设置多排石英灯泡，形成石英灯柱阵列；每一个石英灯泡1通过导线连接至外部的功率控制器，功率控制器通过电源线连接至电源，电源为380V交流电源，并通过数据线连接至计算机；在圆柱型装置内的底部设置固定支架3；在固定支架上放置待测物，待测物位于圆柱型装置内的中心；在待测物的内部放置温度传感器；温度传感器连接至外部的数据采集系统；数据采集系统连接至计算机；圆柱型装置通过联轴器与电机驱动系统5连接；在圆柱型装置外设置底部不封闭的散热罩4。

如图2所示，在圆柱型装置的底部设置有电极驱动固定口21，通过联轴器与电机驱动系统连接。在圆柱型装置的底部还设置有通孔22，石英灯泡连接功率控制器的导线，通过通孔引出。

图4是可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的结构框图。

如图5所示，电机驱动系统包括依次相连接的驱动电路、电机和减速器；其中，驱动电路驱动电机按照设定的转速旋转；电机按照驱动电路设定的转速进行匀速的旋转；电机连接至减速器，减速器通过联轴器固定在圆柱型装置的底部。

本实施例的可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的控制方法，包括以下步骤：

1)计算机设定功率控制器的功率以及电机驱动系统的转速；

2)功率控制器控制石英灯泡的加热温度；

3)在加热的同时，计算机控制电机驱动系统，通过联轴器带动圆柱型装置绕着轴线按照设定的转速转动，从而石英灯泡对待测物均匀加热；

4)温度传感器采集待测物内的数据，数据为电压数据，并将数据传输至数据采集系统；

5)数据采集系统将电压数据转换成温度数据，传输至计算机；

6)计算机生成待测物内部的升温曲线；

7)计算机根据设定的功率控制器的功率，得到石英灯泡的升温曲线；

8)计算机将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，所述石英灯温度测试加热系统包括：石英灯泡、圆柱型装置、固定支架、功率控制器、联轴器、电机驱动系统、温度传感器、数据采集系统、计算机和散热罩；其中，所述圆柱型装置为内部中空的圆柱形的壳体，圆柱型装置的轴线为竖直方向；在圆柱型装置顶部的内壁上均匀设置多个石英灯泡，在侧面的内壁上与轴线方向平行均匀设置多排石英灯泡，形成石英灯柱阵列；每一个石英灯泡通过导线连接至外部的功率控制器，所述功率控制器通过电源线连接至电源，并通过数据线连接至计算机；在圆柱型装置内的底部设置固定支架；在固定支架上放置待测物，待测物位于圆柱型装置内的中心；在待测物的内部放置温度传感器；所述温度传感器连接至外部的数据采集系统；所述数据采集系统连接至计算机；所述圆柱型装置的底部通过联轴器与电机驱动系统连接；在圆柱型装置外设置底部不封闭的散热罩；计算机设定功率控制器的功率，功率控制器控制石英灯泡的加热温度；在加热的同时，计算机控制电机驱动系统，通过联轴器带动圆柱型装置绕着轴线按照设定的转速转动，从而石英灯泡对待测物均匀加热；温度传感器采集待测物内的温度，并传输至数据采集系统；数据采集系统得到待测物内的温度，传输至计算机；计算机生成待测物内部的升温曲线，计算机根据设定的功率控制器的功率，得到石英灯泡的升温曲线，将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性。

2.如权利要求1所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，所述圆柱型壳体的外壁与散热罩之间的横向或纵向的距离大于5cm。

3.如权利要求1所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，所述圆柱型装置的内壁上设置多排石英灯泡，每一排石英灯泡中，相邻的两个石英灯泡的中心距离不小于石英灯泡直径的两倍；相邻的两排石英灯泡的中心距离不小于石英灯泡直径的两倍。

4.如权利要求1所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，所述电机驱动系统包括依次相连接的驱动电路、电机和减速器；其中，所述驱动电路驱动电机按照设定的转速旋转；所述电机按照驱动电路设定的转速进行匀速的旋转；所述电机连接至减速器，所述减速器通过联轴器固定在圆柱型装置的底部。

5.如权利要求4所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，所述电机驱动系统的驱动电路的转速控制在0.1m/s～1.0m/s之间。

6.如权利要求1所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，在圆柱型装置的底部设置有电极驱动固定口，通过联轴器与电机驱动系统连接。

7.如权利要求1所述的石英灯温度测试加热系统，其特征在于，在圆柱型装置的底部还设置有通孔，石英灯泡连接功率控制器的导线，通过通孔引出。

8.一种可调速均匀加热的石英灯温度测试加热系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)计算机设定功率控制器的功率以及电机驱动系统的转速；

2)功率控制器控制石英灯泡的加热温度；

3)在加热的同时，计算机控制电机驱动系统，通过联轴器带动圆柱型装置绕着轴线按照设定的转速转动，从而石英灯泡对待测物均匀加热；

4)温度传感器采集待测物内的温度，并传输至数据采集系统；

5)数据采集系统得到待测物内的温度，传输至计算机；

6)计算机生成待测物内部的升温曲线；

7)计算机根据设定的功率控制器的功率，得到石英灯泡的升温曲线；

8)计算机将待测物内部的升温曲线与石英灯泡的升温曲线进行对比，确定待测物的材料属性。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，电机驱动系统的转速控制在0.1m/s～1.0m/s之间。

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