CN108872054A - 一种平板氙灯老化实验装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平板氙灯老化实验装置，包括：箱体，其内部具有分隔板，将所述箱体分隔为工作室和冷却室，所述工作室顶部具有进气口，底部具有出风口；平板氙灯，其通过调整架设置在所述工作室顶部；冷却风道，其中部具有鼓风机和进气阀门，一端连接所述进气口，另一端连接所述出风口；喷嘴，其设置在所述工作室顶部；制冷装置，其设置在所述冷却室内，本装置，平板氙灯角度可调，即能够调整实验件光照角度，模拟性好，还提供了一种平板氙灯老化实验装置的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉本发明涉及老化实验装置领域，尤其涉及一种平板氙灯老化实验装置和一种平板氙灯老化实验装置控制方法。
背景技术
在高分子材料老化人工加速试验中，氙灯老化试验箱作为对太阳光谱模拟性最好的人工光源模拟户外环境的加速老化装置已经被广泛应用，目前主要涉及标准有国际标准(ISO)、美标(ASTM)、国标(GB/T)等60多个标准。我国《GB/T16422塑料实验室光源暴露试验方法》在1999年由广州合成材料研究院起草并使用。该标准在ISO4892的基础上翻译而来。针对这些不标准。国外主要由美国ATLAS公司生产的CI系列氙灯老化试验箱作为标准试验设备可满足标准内的辐照度、温湿度以及试验室结构参数的要求。近年来国内针对该类标准要求也有相应的试验设备研发使用。而该类标准与国军标GJB150.7A在辐照度、温湿度、以及结构等方面存在较大差别。
发明内容
本发明设计开发了一种一种平板氙灯老化实验装置，平板氙灯角度可调，即能够调整实验件光照角度，能够模拟太阳照射角度，模拟性好。
本发明还有一个目的是提供一种平板氙灯老化实验装置控制方法，给出实验温度、湿度和时间的计算公式，并给出氙灯转角的控制方法，能够真实模拟太阳辐射，性能显著提升。
本发明提供的技术方案为：
一种平板氙灯老化实验装置，包括：
箱体，其内部具有分隔板，将所述箱体分隔为工作室和冷却室，所述工作室顶部具有进气口，底部具有出风口；
平板氙灯，其通过调整架设置在所述工作室顶部；
冷却风道，其中部具有鼓风机和进气阀门，一端连接所述进气口，另一端连接所述出风口；
喷嘴，其设置在所述工作室顶部；
制冷装置，其设置在所述冷却室内。
优选的是，所述调整架为三维光学调整架。
优选的是，还包括冷却套，包括：
内过滤罩，其套设在氙灯本体上；
外过滤罩，其套设在所述内过滤罩上，所述外过滤罩一端与所述内过滤罩一端连通；
进水口，其连接所述内过滤罩另一端；
出水口，其连通所述外过滤罩另一端；
其中，所述内过滤罩长度大于所述外过滤罩长度。
优选的是，还包括：
水箱，其设置在所述冷却室内；
水泵，其设置在所述水箱内；
水管，其一端连接所述水泵，另一端连接所述喷嘴。
优选的是，所述喷嘴内部具有流量调节片。
优选的是，还包括反光板，其设置在所述工作室内壁。
一种平板氙灯老化实验装置控制方法，包括：
根据实验件的性能要求确定实验条件，包括使用寿命，气密性、耐高温、耐低温性能；
根据使用条件设定实验温度，其计算公式为
其中，A为模型参数，其数值为0.000182，α2为拟合参数，其数值为0.3430056，Kb为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K，T0为实验件实验温度，Ea为材料相关的激活能，Ea＝9.89×1020J，ΔT为与温度相关的系数，其取值为0.76K。
设定实验温度Ts，并结合实验件的目标使用寿命TM，设定实验装置的实验时间t，其计算公式为：
Is为氙灯的光照强度，Iu为日照强度，TM实验件的目标使用寿命，Ts为设定实验温度，T0为实验件实验温度；
根据实验件的气密性要求，得到实验湿度，并计算喷嘴流量，其计算公式为：
其中，c为糙率系数，R为喷嘴内流量调节片开孔半径，h为喷嘴距离实验件高度，g为重力加速度，n为喷嘴数量，Q为工作室体积；
采用光电传感器实时测量实验装置内氙灯的光照强度Iα，检测实验装置内温度Tα
将所述氙灯的光照强度Iα和平均光照强度作比较得到光照强度偏差信号，将实验装置内温度与设定实验温度作比较得到温度偏差信号；
光照强度偏差信号经过微分计算得到光照强度变化率信号，温度偏差信号经过微分计算得到温度变化率信号；
将光照强度变化率信号和温度变化率信号输入模糊控制器，输出为平板氙灯转角。
优选的是，光照强度变化率信号和温度变化率信号模糊集为{NB，NM，AZ，NS，ZR，PS，PM，PB}，PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，ZR表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。
优选的是，所述模糊控制器的输入和输出变量隶属度函数为三角隶属度函数。
优选的是，采用高性能的STM单片机作为主控制器。
本发明所述的有益效果
本发明设计开发了一种一种平板氙灯老化实验装置，平板氙灯角度可调，即能够调整实验件光照角度，能够模拟太阳照射角度，模拟性好。
本发明还有一个目的是提供一种平板氙灯老化实验装置控制方法，给出实验温度、湿度和时间的计算公式，并给出氙灯转角的控制方法，能够真实模拟太阳辐射，性能显著提升。
附图说明
图1为本发明所述的平板氙灯老化实验装置的结构示意图。
图2为本发明所述的冷却风道的结构示意图。
图3为本发明所述的氙灯的结构示意图。
图4为本发明所述的平板氙灯老化实验装置控制方法的流程图。
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，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的平板氙灯老化实验装置，包括：箱体110、平板氙灯120、光学调整架130、冷却风道140、喷嘴150和制冷装置160。
箱体110内部具有分隔板，将箱体110分隔为上下两层，上层空间为工作室111，下层空间为冷却室112，工作室111顶部具有进气口113，工作室111底部具有出风口114；平板氙灯120设置在工作室111顶部；光学调整架130固定在工作室顶部，工作时，将实验件放入工作室111内，开启氙灯120，开启电机123，光学调整架调整角度通过设定电机旋转时间和角度，改变照射在实验件上的光照强度，模拟太阳光谱照射条件。
如图2所示，冷却风道140包括：第一冷却风道141和第二冷却风道142，第一冷却风道141和第二冷却风道142中间具有鼓风机143，第一冷却风道141连通进气口113，第二冷却风道142连通出风口114，第二冷却风道142中部进气阀门142a，老化试验用灯箱具有外循环和内循环两种工作模式，当开启内循环模式时，进气阀门142a关闭，空气在工作室111和冷却室112内流动，当开启外循环模式时，进气阀门142a开启，空气经进气阀门142进入冷却风道140，经鼓风机143吹入进气口113再经过工作室，最后经出风口114排出。喷嘴150设置在工作室顶部，喷嘴150内部具有流量调节片，流量可调，水箱，其设置在冷却室内；水泵设置在水箱内；水管其一端连接述水泵，另一端连接喷嘴150，水或盐水装在水箱内，经水泵泵入喷嘴150，作用在实验件上。冷却室内具有制冷装置。进气口和所述出风口设置有过滤网。过滤网材质为钢制且表面镀有金属锌。
如图3所示，优选的是，氙灯120外侧具有冷却套，包括：内过滤罩210，套设在氙灯本体上；外过滤罩220，套设在内过滤罩210上，外过滤罩220一端与内过滤罩210一端连通；进水口230连接内过滤罩210另一端；出水口240连通外过滤罩220另一端；其中，内过滤罩220长度大于外过滤罩220长度。在另一实施例中，优选的是，还包括反光板，其设置在作室内壁，用于将氙灯120的光线反射到实验件上，增强照射效果。
一种平板氙灯老化实验装置控制方法，其特征在于，包括：
根据实验件的性能要求确定实验条件，包括使用寿命，气密性、耐高温、耐低温性能；
根据使用条件设定实验温度，其计算公式为
其中，A为模型参数，其数值为0.000182，α2为拟合参数，其数值为0.3430056，Kb为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K，T0为实验件实验温度，Ea为材料相关的激活能，Ea＝9.89×1020J，ΔT为与温度相关的系数，其取值为0.76K。
设定实验温度Ts，并结合实验件的目标使用寿命TM，设定实验装置的实验时间t，其计算公式为：
Is为氙灯的光照强度，Iu为日照强度，TM实验件的目标使用寿命，Ts为设定实验温度，T0为实验件实验温度；
根据实验件的气密性要求，得到实验湿度，并计算喷嘴流量，其计算公式为：
其中，c为糙率系数，R为喷嘴内流量调节片开孔半径，h为喷嘴距离实验件高度，g为重力加速度，n为喷嘴数量，Q为工作室体积；
采用光电传感器实时测量实验装置内氙灯的光照强度Iα，检测实验装置内温度Tα
将所述氙灯的光照强度Iα和平均光照强度作比较得到光照强度偏差信号，将实验装置内温度与设定实验温度作比较得到温度偏差信号；
光照强度偏差信号经过微分计算得到光照强度变化率信号，温度偏差信号经过微分计算得到温度变化率信号；
将光照强度变化率信号和温度变化率信号输入模糊控制器，输出为平板氙灯转角。
将光照强度变化率信号ti,j和温度变化率信号ω输入第一模糊控制器，输出为平板氙灯转角；
其中，ti,j、ω的实际变化范围分别为[-0.5,0.5]，[-30,30]；ti,j、ω的离散论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}
则比例因子k1＝6/0.5，k2＝6/30，
定义模糊子集及隶属函数
把单车延误时间变化率信号ti,j分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，结合经验得出光照强度变化率信号ti,j的隶属度函数表，如表1所示。
表1光照强度变化率信号ti,j的隶属度函数表
温度变化率信号ω分为七个模糊状态：PB(正大)，PM(正中)，PS(正小)，0(零)，NS(负小)，NM(负中)，NB(负大)，温度变化率信号ω的隶属度函数表，如表2所示。
表2温度变化率信号ω的隶属度函数表
| ω | -6 | -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | -0 | +1 | +2 | +3 | +4 | +5 | +6 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.2 | 0.7 | 1.0 |
| PM | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.2 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0.2 |
| PS | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0.2 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NB | 0 | 0 | 0.2 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NM | 0.2 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NS | 1.0 | 0.7 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
模糊推理过程必须执行复杂的矩阵运算，计算量非常大，在线实施推理很难满足控制系统实时性的要求，本发明采用查表法进行模糊推理运算，模糊推理决策采用三输入单输出的方式。
通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，其中参数平板氙灯转角Qy控制规则见表3。
表3为模糊控制规则表
优选的是，采用高性能的STM单片机作为主控制器。
本发明设计开发了一种一种平板氙灯老化实验装置，平板氙灯角度可调，即能够调整实验件光照角度，能够模拟太阳照射角度，模拟性好。
本发明还有一个目的是提供一种平板氙灯老化实验装置控制方法，给出实验温度、湿度和时间的计算公式，并给出氙灯转角的控制方法，能够真实模拟太阳辐射，性能显著提升。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种平板氙灯老化实验装置，其特征在于，包括：
箱体，其内部具有分隔板，将所述箱体分隔为工作室和冷却室，所述工作室顶部具有进气口，底部具有出风口；
平板氙灯，其通过调整架设置在所述工作室顶部；
冷却风道，其中部具有鼓风机和进气阀门，一端连接所述进气口，另一端连接所述出风口；
喷嘴，其设置在所述工作室顶部；
制冷装置，其设置在所述冷却室内。
2.根据权利要求1所述的平板氙灯老化实验装置，其特征在于，所述调整架为三维光学调整架。
3.根据权利要求1所述的平板氙灯老化实验装置，其特征在于，还包括冷却套，包括：
内过滤罩，其套设在氙灯本体上；
外过滤罩，其套设在所述内过滤罩上，所述外过滤罩一端与所述内过滤罩一端连通；
进水口，其连接所述内过滤罩另一端；
出水口，其连通所述外过滤罩另一端；
其中，所述内过滤罩长度大于所述外过滤罩长度。
4.根据权利要求3所述的平板氙灯老化实验装置，其特征在于，还包括：
水箱，其设置在所述冷却室内；
水泵，其设置在所述水箱内；
水管，其一端连接所述水泵，另一端连接所述喷嘴。
5.根据权利要求1所述的平板氙灯老化实验装置，其特征在于，所述喷嘴内部具有流量调节片。
6.根据权利要求1所述的平板氙灯老化实验装置，其特征在于，还包括反光板，其设置在所述工作室内壁。
7.一种平板氙灯老化实验装置控制方法，其特征在于，包括：
根据实验件的性能要求确定实验条件，包括使用寿命，气密性、耐高温、耐低温性能；
根据使用条件设定实验温度，其计算公式为
其中，A为模型参数，其数值为0.000182，α2为拟合参数，其数值为0.3430056，Kb为玻尔兹曼常数，取值为1.38×10-23J/K，T0为实验件实验温度，Ea为材料相关的激活能，Ea＝9.89×1020J，ΔT为与温度相关的系数，其取值为0.76K。
设定实验温度Ts，并结合实验件的目标使用寿命TM，设定实验装置的实验时间t，其计算公式为：
Is为氙灯的光照强度，Iu为日照强度，TM实验件的目标使用寿命，Ts为设定实验温度，T0为实验件实验温度；
根据实验件的气密性要求，得到实验湿度，并计算喷嘴流量，其计算公式为：
其中，c为糙率系数，R为喷嘴内流量调节片开孔半径，h为喷嘴距离实验件高度，g为重力加速度，n为喷嘴数量，Q为工作室体积；
采用光电传感器实时测量实验装置内氙灯的光照强度Iα，检测实验装置内温度Tα
将所述氙灯的光照强度Iα和平均光照强度作比较得到光照强度偏差信号，将实验装置内温度与设定实验温度作比较得到温度偏差信号；
光照强度偏差信号经过微分计算得到光照强度变化率信号，温度偏差信号经过微分计算得到温度变化率信号；
将光照强度变化率信号和温度变化率信号输入模糊控制器，输出为平板氙灯转角。
8.根据权利要求7所述的平板氙灯老化实验装置控制方法，其特征在于，光照强度变化率信号和温度变化率信号模糊集为{NB，NM，AZ，NS，ZR，PS，PM，PB}，PB表示正大，PM表示正中，PS表示正小，ZR表示零，NS表示负小，NM表示负中，NB表示负大，它们的论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。
9.根据权利要求8所述的平板氙灯老化实验装置控制方法，其特征在于，所述模糊控制器的输入和输出变量隶属度函数为三角隶属度函数。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的平板氙灯老化实验装置控制方法，其特征在于，采用高性能的STM单片机作为主控制器。
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