CN108387603A - 一种红外加热测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外加热测试装置，红外涂层设置在加热器的底部，隔热装置设置在加热器上，加热器设置在试验台的横梁上，功率调节装置与加热器连接，多个温度传感器设置在沥青试样的表面及不同深度位置，温度传感器和功率调节装置分别与上位机连接，上位机通过功率调节装置调节控制加热器的输出功率，并用于采集温度传感器的数据。该测试装置采用不同的恒定加热功率对沥青试样进行再生加热，得到加热效率最高的红外波长。

Description

一种红外加热测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，具体为一种红外材料发射率测试方法及装置。

背景技术

随着我国公路的高速发展，以前修建的沥青公路，由于受交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重以及施工质量等因素影响，致使沥青路面远未达到使用年限即出现了裂缝、坑槽、车辙、沉陷等病害，因此急需适当的沥青路面养护技术对此加以适当的养护。而传统的养护方法是翻挖、铣刨、灌缝有病害的沥青路面，这种方法在实施工程中不仅会污染环境，而且也会造成大量优质的沥青的浪费。

面对这种情况，需要采用更环保、更节约的沥青路面养护方法，所以就出现多种养护方式，其中沥青就地热再生就以通过对旧沥青路面加热，使沥青软化、降低沥青的黏结力、从而减少后续铣刨环节中再生作业对骨料的破碎，铣刨后的沥青混合料仅需添加少量再生剂和新骨料，进行均匀搅拌便可直接用于沥青路面面层摊铺。实现了旧料的完全再生利用，省掉了搬运废料过程及堆放场地，且施工周期短，摊铺压实后2～3个小时即可通车，将施工对交通的影响减低至最低。

因此，沥青路面就地热再生技术，具有保护自然环境、节省运输费用、降低再生成本、施工速度快及施工质量高等诸多优点，在养护维修沥青路面过程中日益受到重视。

就地热再生技术中，沥青路面加热是关键环节之一，也是难点所在。众所周知，沥青路面以整体形式存在且沥青混凝土是热的不良导体，加热器位于沥青路面上方，通过对流换热或辐射换热形式将热能输入到沥青路面表层，加热过程中加热器与沥青路面只是在表面完成热交换，完成热交换以后输入沥青路面的热能仅以传导方式向沥青路面内部传递。目前，一般要求沥青路面表面加热温度不超过180℃，最大热再生深度处的温度达到100℃左右，加热深度为4～5cm时最为理想，这样铣刨回收过程中不会造成骨料的过度破碎。

根据以上叙述，在沥青路面加热过程中，沥青路面表面会率先达到要求温度。若继续加热使沥青路面4至5cm达到要求温度，则沥青路表面会出现烧焦现象，这会极大降低加热效率。红外辐射加热具有效率高、相对节能、环保等优点，但在在加热过程中存在路面施工温度梯度较大的缺陷。因此，如何利用红外波长特性及红外加热非匹配理论是提高沥青路面加热效率的重点所在。故本发明提供一种红外材料发射率测试方法及装置，以此加热沥青路面来研究沥青路面加热效率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种红外加热测试装置，通过红外装置采用不同的恒定加热功率对沥青试样进行再生加热，得到加热效率最高的加热方案

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种红外加热测试装置，其特征在于，包括加热器、红外涂层、功率调节装置、温度传感器、隔热装置和上位机；

其中，所述红外涂层设置在加热器的底部，隔热装置设置在加热器的顶部，加热器设置在试验台的横梁上，功率调节装置与加热器连接，多个温度传感器设置在沥青试样的表面及不同深度位置，温度传感器和功率调节装置分别与上位机连接，上位机通过功率调节装置调节控制加热器的输出功率，并用于采集温度传感器的数据。

优选的，所述加热器包括加热铜板和电阻丝；所述加热铜板的顶部设置有凹槽，所述电阻丝设置在凹槽中，所述电阻丝与功率调节装置连接。

优选的，所述凹槽为螺旋凹槽，电阻丝设置在螺旋凹槽中。

优选的，所述加热器和隔热装置之间还设置有绝缘层。

优选的，所述隔热装置包括隔热海绵和隔热网罩；所述隔热海绵通过隔热网罩固定加热器的顶部和侧面。

优选的，所述加热装置通过调节支架固定在试验台的横梁上，调节支架用于调节加热器与沥青试样的距离。

优选的，所述调节支架包括多个双头螺柱和夹紧板；所述双头螺柱的下端穿过隔热装置与加热器连接，夹紧板活动套装在双头螺柱上。

优选的，所述功率调节装置为程控电源。

本发明还提供了该红外加热测试装置的测试方法，包括以下步骤；

1)在沥青试样的表面以及沥青试样40mm-50mm的深度位置分别设置温度传感器；

2)将步骤1)得到的沥青试样放置在托盘中，调整加热器的位置直至加热器与沥青试样的距离为设定的距离值，所述距离值在10mm～20mm；

3)调整加热器的加热功率至设定的功率值，加热器对沥青试样进行加热，上位机采集加热过程中的加热器的功率、加热过程的总时长、以及不同时间的沥青试样的表面温度和沥青试样40mm-50mm深度的温度；

当沥青试样表面温度达到180℃而40mm-50mm深度处的温度未达到100℃时，停止加热，待沥青试样表面温度冷却至160℃时，加热器再次开始加热，重复以上操作，直至沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃时，加热测试完成；

4)调整设定的功率值，重复步骤3)，直至完成所有需要的功率值的测试；

5)根据步骤3)采集的数据，得到使沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃的能耗最小的红外波长，以及沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃的总加热时间最短的红外波长。

优选的，所述步骤1)中还在沥青试样的10mm、20mm、30mm、40mm和50mm的深度处分别设置温度传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

该红外加热测试装置，通过加热器加热红外涂层，使红外涂层发射红外光线加热沥青试样，同时采用功率调节装置来控制红外材料所发射的红外光线波长，减轻沥青路面在加热过程中的路面施工温度梯度较大的缺陷，同时红外加热加热效率高而且节能环保。

在沥青路面加热过程中，为了让沥青试样达到加热均匀的效果，需要加热器加热均匀，因此将电阻丝螺旋布置方式均匀安装在加热铜板中。

在给铸铜加热器供电时，电压是否稳定对于功率的控制影响很大，并且出于安全性等方面的考虑，直流电较交流电优势比较突出，因此选择直流电源给铸铜加热器供电。

在隔热装置和加热器之间设置绝缘层，提高了操作的安全性，同时也能够降低热量向上的扩散。

采用程控电源保证了电流稳定的输出，提高了控制和测量的精度。

采用调节支架将加热器固定在试验台上，操作灵活便捷，根据实验需要调整加热器与沥青试样的加热距离。

采用该加热测试装置通过不同的加热功率对多个沥青试样进行加热试样，同时采集加热过程中的实验数据，通过比较得到加热效率最高，以及耗能最小的的红外波长，该测量方法操作简单，安全性高。

在沥青试样的不同深度处分别设置温度传感器，能够分析沥青试样从上至下的温度分布情况，为研究沥青试样内部温度梯度方向提供理论依据。

附图说明

图1是本发明装置的主视图；

图2是本发明装置的俯视图；

图3是电阻丝分布图；

图4是图3中A-A面剖视图；

图5是本发明装置的工作原理图。

图中：1-双头螺柱、2-螺母、3-平底垫圈、4-夹紧板、5-隔热网罩、6-隔热海绵、7-绝缘板、8-加热铜板、9红外涂层、10-沥青试样、11-螺栓孔、12-电阻丝、13-加热器接线柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和2所示，一种红外加热测试装置，包括加热装置、隔热装置和夹紧板4。加热装置的底面，即加热面涂红外发射材料9，能有效将加热板产生的热能转变为以红外的方式传递的能量，加热装置与程控电源连接，程控电源与上位机连接；隔热装置包覆在加热装置的侧壁和的顶面，在隔热装置和加热装置之间设置绝缘层。

如图3所示，加热装置上设置4个螺栓孔，双头螺柱1的下端穿过隔热装置和绝缘层与加热装置连接，双头螺柱上还套设有夹紧板4，通过夹紧板4将测试装置安装在试验台的横梁上，同时通过调节双头螺柱1上顶端的螺母，能够调整加热装置与沥青试样10的加热距离。

沥青试样设置在加热板的底部，沥青试样10中设置有多个温度传感器，温度传感器通过热电偶补偿块、数据采集仪连接到上位机，上位机中的数据采集系统进行数据采集。

加热装置包括加热铜板8、电阻丝12和加热器接线柱13；加热铜板8为矩形结构，加热铜板8顶面加工有螺纹状凹槽，电阻丝采用螺旋的方式设置在凹槽中，电阻丝12通过加热器接线柱13与程控电源连接，红外发射材料9涂在加热铜板8的底部。

电阻丝采用镍铬合金电阻丝，镍铬合金电阻丝在高温环境中的强度高，长期高温运行不易变形，不易改变结构。采用螺旋布置方式，使加热铜板受热更加均匀，进而使沥青路面达到加热均匀的效果。

绝缘层为绝缘板7，该绝缘板采用橡胶材料制成，绝缘板7设置在加热板的顶部，对电阻丝11进行封闭，保证电阻丝工作时的电流不会对使用者造成安全隐患。同时螺母2位于绝缘板7的顶部，避免螺母在旋紧过程中对铜块的磨损，也提高了操作的安全性。

程控电源为了实现温度的控制和功率的测量，采用可编程直流电源，保证了控制和测量的准确度。

隔热装置包括隔热海绵6和隔热网罩5；隔热海绵6包覆在绝缘板的顶部以及加热装置的四周的侧壁上，在隔热海绵6的上安装隔热网罩5用于对隔热海绵6进行固定。隔热海绵是高温隔热棉，主要是防止加热装置中在加热过程中热量向四周逸散，提高测量精度。

夹紧板4采用木质材料，绝缘并且以便加工双头螺柱所需螺孔。夹紧板四周共有四个螺孔，双头螺柱需要四个，分别布置在夹紧板和加热铜板8的四周，双头螺柱采用导热系数较小的尼龙材料制成，有效减小电阻丝在向铜块传热过程中通过双头螺柱向外散发热量。螺母2和平底垫圈3均于双头螺柱配套使用，材料是导热系数较小的尼龙材料，所需数量是八套。

该测试装置包括中空的整体外框架，整体外框架由上而下依次设置有夹紧板和加热装置，加热装置采用电阻丝作为发热源，电阻丝的工作原理即电热效应，加热装置在工作时，电流通过电阻丝，电阻丝就会发热，将电能转化为热能，并传导给加热铜板8，由于铜材料的导热系数比较高，因此传热比较快，可以将热量快速的传递给红外发射材料，进而通过红外辐射来加热沥青路面。通过程控电源改变加热功率，进而改变红外发射材料在加热后所发出的红外波长。加热装置顶部设置有绝缘材料，保证电阻丝工作时的电流不会对使用者造成安全隐患。

测试装置在工作过程中，为了沥青试样加热均匀，将电阻丝螺旋式布置。为了减少通过加热铜板8所散失的热量，提高传热效率，应尽可能增大铜块表面放置电阻丝所铣的沟槽的深度，缩短电阻丝与红外材料的距离，详见图4。

图5是该测试装置的工作原理图，程控电源使电流通过电阻丝，电阻丝发热将电能转换成热能。热能通过加热铜板传递给红外发射材料，使红外发射材料发射出红外线，红外线穿透沥青实验块表面，进而加热沥青路面。电阻丝产生的热量由焦耳定律可得：

式中：

Q₀-电阻丝在时间t内产生的热量，J；

P-程控电源的加热功率，W；

t-加热时间，s；

I-程控电源输出的电流，A；

R-电阻丝的电阻，Ω；

U-程控电源输出的电压，V；

其中，装置在工作过程中，红外材料接收的热量按照下式计算：

Q₁＝Q₀*α (1-2)

式中：

Q₁-红外发射材料接收的热量，J；

Q₀-电阻丝在时间t内产生的热量，J；

α-热能从铜块传递到红外发射材料的传热效率；

红外发射材料发射的热量按下式计算：

Q₂＝Q₁ (1-3)

式中：

Q₂-红外发射材料发射的热量，J；

Q₁-红外发射材料接收的热量，J。

程控电源的功率越大，加热器的温度就越高，红外材料发射的红外波长就越短，发射的红外能量就越高，用于加热沥青试验块的能量也就越高；反之，电源的功率越小，加热器的温度就越低，红外材料发射的红外波长就越长，发射的红外能量就越少，则用于加热沥青试验块的能量也就越少。

该测试装置采用直流开关稳压电源对加热装置进行供电，输出功率稳定，且安全性能高。开关稳压电源内部关键元器件可以在高频状态下工作，并且效率高，稳压范围宽，对电网要求不高，体积小、重量轻。

在进行沥青路面加热时，需要测定稳定状态下加热装置的单位时间热流密度，如果选用一般的直流开关电源，需要在供电电路中另接测流电阻测量电路中的电流值，这样不仅对加热功率的测量带来麻烦，而且需要重新设计电路。因此选用可编程直流电源实现温度的控制和功率的测量，即保证了控制和测量的准确度，又减少了人力物力资源的浪费。常温下，加热铜块的电阻为88Ω，额定电流2.5A。选择Sorensen DLM300-10E可编程直流电源。

当沥青试样较大时，可以采用多个加热铜板进行拼接，将多个加热铜板的固定一个平整的固定板上，双头螺栓的下端与固定板连接，就可实现加热铜板的固定，这样既可根据沥青试样的大小调整加热铜板的加热面积，同时也保证了多个加热铜板的平整度。

下面对该红外加热测试装置的测量方法进行详细的说明，包括以下步骤：

1)首先将加热装置与程控电源连接，程控电源与上位机连接，通过上位机控制程控电源的输出功率。

2)将测试装置安装在试验台上，并位于放置沥青试样的托盘的正上方，调节加热铜板8与沥青试样之间的距离至10mm～20mm。

3)准备多个相同大小的沥青试样。

4)在沥青试样的表面以及表面下10mm、20mm、30mm、40mm和50mm深度位置分别设置温度传感器，用于测量该位置的加热温度，温度传感器通过热电偶补偿块、数据采集仪连接到上位机。

5)将步骤4得到的沥青试样平稳放在试验台上的托盘中。

6)开通电源，程控电源输出设定的加热功率对沥青试样进行加热，在加热过程中加热功率保持不变；

当沥青试样表面温度达到180℃而40mm深度处的温度未达到100℃时，停止加热，待沥青试样表面温度冷却至160℃时，加热器再次开始加热，当沥青试样表面温度再次达到180℃而40mm深度处的温度还未达到100℃时，停止加热，重复以上操作，直至沥青试样表面温度达到180℃且40mm深度处的温度达到100℃时，加热测试完成。

上位机实时记录整个加热过程的试验数据，试验数据包括加热器的功率、加热过程的总时长、每个时间段的加热时长、不同时间的沥青试样的表面温度和沥青试样各个深度的温度参数；

7)更换沥青试样并连接温度传感器，调整程控电源的输出功率至设定的其它加热功率值，重复步骤6)，直至完成所有设定的功率值的测试。

即在程控电源允许的范围内按梯度逐渐降低输出功率，对沥青试样采用恒定加热功率进行加热实验，即每个沥青试样采用一个恒定的加热功率进行加热，多个沥青试样的加热功率不相同，上位机实时记录每个沥青试样加热过程的试验数据。

8)上位机根据多次加热试验数据，选取使沥青试样表面温度达到180℃且40mm深度处的温度达到100℃的能耗最小的红外波长，以及沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃的总加热时间最短的红外波长。

沥青试样加热过程中，设定表面加热温度在160-180℃之间和内部40mm-50mm深处加热至70-100℃均符合要求。

例如，也可以将沥青试样表面加热温度设定为175℃，当加热至175℃时而内部温度未达到100℃时，断开电源，让沥青试样的表面自然温度冷却至165℃，再重新加热，重复这个加热过程，直到40-50mm深处温度达到100℃，此时断开电源，计时结束。

同样的，也可以改变内部40-50mm深处的加热设定温度，如将其设定为80℃。当沥青试样表面至180℃时而内部温度未达到80℃时，断开电源，让沥青实验块冷却至160℃，再重新加热，重复这个加热过程，直到40-50mm深处温度达到80℃，此时断开电源，计时结束。

甚至可以同时将沥青试样表面加热温度设定为175℃，断开电源后自然冷却温度设定为165℃，内部40-50mm深处的加热温度设定为80℃。加热过程与上面相同。这并不影响最终得到的能耗最小的红外波长和总加热时间最短的红外波长。

更进一步，当加热实验块材料不局限于沥青试样，即加热其它材料的试样时，测试方法相同，不同之处在于温度和功率的设定以及传感器的设置深度。试样的表面温度和内部温度按照试样材料特性要求设定，保证同一试样在试验过程中所加热深度是相同，这样所得数据具有比较性。试验完成后，通过数据处理，可以得到加热此试样的能耗最小的红外波长与加热时间最短的红外波长。并根据工作要求(是对能耗方面的要求或者对加热时间方面的要求)，最终选择出所需要的红外波长。

更进一步，从所测得的实验数据中，还可以得到其它判定标准的红外波长。例如，可以将加热一个试样过程中断开电源次数作为判定标准，从而寻找出对于一个试样表面加热到要求温度和内部加热到要求温度的加热过程中，加热次数最少的红外波长，这有利于减少试验人员的操作量。

该测试装置通过程控电源和加热铜板来加热红外发射材料，进而发射红外光线加热沥青路面。并通过选择程控电源功率来控制红外材料所发射的红外光线波长，减轻沥青路面在加热过程中的路面施工温度梯度较大的缺陷。除此之外，红外加热还具有加热效率高、相对节能、环保等优点。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种红外加热测试装置，其特征在于，包括加热器、红外涂层(9)、功率调节装置、温度传感器、隔热装置和上位机；

其中，所述红外涂层(9)设置在加热器的底部，隔热装置设置在加热器上，加热器设置在试验台的横梁上，功率调节装置与加热器连接，多个温度传感器设置在沥青试样的表面及不同深度位置，温度传感器和功率调节装置分别与上位机连接，上位机通过功率调节装置调节控制加热器的输出功率，并用于采集温度传感器的数据。

2.根据权利要求1所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述加热器包括加热铜板(8)和电阻丝(12)；所述加热铜板(8)的顶部设置有凹槽，所述电阻丝螺旋状设置在凹槽中，所述电阻丝(12)与功率调节装置连接。

3.根据权利要求2所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述加热铜板的数量为多个，多个加热铜板之间相互拼接。

4.根据权利要求1所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述加热器和隔热装置之间还设置有绝缘层。

5.根据权利要求1所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述隔热装置包括隔热海绵(6)和隔热网罩(5)；所述隔热海绵(6)通过隔热网罩(5)固定加热器的顶部和侧面。

6.根据权利要求1所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述加热装置通过调节支架固定在试验台的横梁上，调节支架用于调节加热器与沥青试样的距离。

7.根据权利要求6所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述调节支架包括多个双头螺柱和夹紧板(4)；所述双头螺柱的下端穿过隔热装置与加热器连接，夹紧板(4)活动套装在双头螺柱上。

8.根据权利要求6所述一种红外加热测试装置，其特征在于，所述功率调节装置为程控电源。

9.一种权利要求1至8任一项所述红外加热测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤；

1)在沥青试样的表面以及沥青试样40mm～50mm的深度位置分别设置温度传感器；

2)将步骤1)得到的沥青试样放置在托盘中，调整加热器的位置直至加热器与沥青试样的距离为设定的距离值，所述距离值在10mm～20mm；

3)调整加热器的加热功率至设定的功率值，加热器对沥青试样进行加热，上位机采集加热过程中的加热器的功率、加热过程的总时长、以及不同时间的沥青试样的表面温度和沥青试样40mm-50mm深度的温度；

当沥青试样表面温度达到180℃而40mm-50mm深度处的温度未达到100℃时，停止加热，待沥青试样表面温度冷却至160℃时，加热器再次开始加热，重复以上操作，直至沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃时，加热测试完成；

4)调整设定的功率值，重复步骤3)，直至完成所有需要的功率值的测试；

5)根据步骤3)采集的数据，得到使沥青试样表面温度达到180℃且40mm-50mm深度处的温度达到100℃的能耗最小的红外波长以及总加热时间最短的红外波长。

10.根据权利要求9所述红外加热测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤1)中还在沥青试样的10mm、20mm、30mm、40mm和50mm的深度处分别设置温度传感器。