CN109470603B - 一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其方法，其特征在于所述系统包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置，主要由空气压缩机、高压气瓶、气体增压器、高压缓冲容器、减压阀、机械压力表、高温高压可视容器、压力变送器、单向控制阀、微流量高压柱塞泵、冷光源、真空泵、真空缓冲容器、温度控制器、冷凝器、背压阀、CCD相机和图像分析仪等设备组成。本发明可以实现高温高压环境下，甚至是水的超临界状态下的接触角测量，尤其适用于高温高压环境下水在金属表面的浸润行为研究。本发明具有工况参数高，应用范围广，操作便捷灵活，使用寿命长以及便于拓展改造等优点。

Description

一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其 方法

技术领域

本发明涉及到表面工艺、超临界CO₂地质封存技术和以沸腾传热为核心的动力装置、换热设备和热控系统中的强化换热等与表面浸润性有关的研究领域，尤其涉及到高温高压环境下，甚至是超临界环境下水在金属表面的浸润性的实验研究。

背景技术

浸润性是固体材料的最重要的表面特性之一。接触角(即静态接触角)是直接表征表面浸润性的主要参数。固体表面浸润性的研究和调控，对实际工业应用具有非常重要的作用，尤其是超亲水/疏水表面具有广阔的应用前景，例如超疏水表面的自清洁功能，超亲水表面的防雾功能。在能源动力、石油化工以及交通运输等领域，以沸腾传热为核心的动力装置、换热设备和热控系统中，超亲水/疏水表面应用于强化热交换，提高热效率，达到节能的目的。

从热力学的角度出发，表面浸润性对于传热的影响是显而易见的。在固体材料和液体工质组合确定的情况下，表面浸润性(接触角)受到各种因素的影响，包括表面的形貌和粗糙度以及环境温度和压力等。目前，针对环境温度和压力对表面浸润性的影响的研究很少，作用机理尚不明确，高温高压条件下水在金属表面上的浸润行为的研究相当有限，特别是在水的超临界状态下。超临界流体兼具气液两相的性质和优点，在超临界流体萃取，超临界锅炉以及超临界核反应堆等领域中具有积极而重要的作用，因此探究超临界状态下的浸润性无论是促进化学反应还是强化超临界流体的换热都是至关重要的。

但是，由于高温高压的实验工况给实验装置设计制造带来的很大困难，尤其是达到水的超临界状态，还将面临恶劣的氧化腐蚀等问题。在国内还未有适用于研究高温高压环境下甚至是超临界环境下水在金属表面的接触角变化规律的实验系统及方法。综上，发明制造出可靠的实验系统，开发出有效的接触角原位表征方法，有助于深入理解液体的浸润行为这一基础物理现象，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于设计发明出一个适用于测量高温高压环境下，甚至是水的超临界状态下液体在固体表面上的接触角的可视化实验系统及方法，以此来完成接触角的原位表征；同时，满足实验测试要求，具备较高的安全性；还可以实现智能且精准地变实验工况和图像采集及分析，具备灵活的改造拓展性和多种实验研究的适应性，便于研究液体在高温高压环境下的浸润行为这一基础物理现象，探究其理论机理。为此，并提供了一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统。

具体技术方案如下：

一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置。

测试装置包括圆柱形的高温高压可视容器，高温高压可视容器外壁安装有均匀嵌入6只加热管的加热缸套。高温高压可视容器的轴向两端设有两个视窗法兰。该容器径向的侧壁处开设有用于安装可拆卸测试平台的法兰。高温高压可视容器上开设有三个孔，第一开孔用于接入配气装置和安全阀，第二开孔位于高温高压容器轴向对称面的中心线处，用于接入压力传感器和进样装置，并采用不锈钢毛细针管进行液滴进样，第三开孔用于接入温度传感器和调压装置。

测试装置还包括可拆卸测试平台。可拆卸测试平台是一个圆柱体凸台，通过法兰与高温高压可视容器连接，用于承载实验固体表面，并设有两个卡夹以固定住实验固体表面。其内部装有加热管和温度传感器，以保证实验固体表面达到设定温度值，并实时监控。可拆卸测试平台的目的是为了拆装方便，且可做拓展性改造。无需拆卸高温高压可视容器，保证容器的完整性和密封性，即可便捷地更换实验固体表面。

配气装置包括空气压缩机、高压气瓶、气体增压器、高压缓冲容器和减压阀。其主要目的是为了向高温高压可视容器内提供高压的气体环境，并维持其腔内的压力。其中，空气压缩机为气体增压器提供气体驱动力去压缩高压气瓶内的气体，增压后的气体进入高压缓冲容器进行缓冲稳压，通过减压阀调整至合适的压力输送至高温高压可视容器内。

进样装置包括单向控制阀和微流量高压柱塞泵。微流量高压柱塞泵通过单向控制阀向高温高压可视容器内无脉冲且稳定地输送微量的液体，完成实验液体的进样。

真空装置由真空泵和真空缓冲容器组成。真空缓冲容器安设在高温高压容器和真空泵之间并通过管道与两者相连，且真空缓冲容器进出口处都加装有阀门。在试验开始前和结束后，真空泵抽除高温高压可视容器内的杂质气体，抽出的气体在真空缓冲容器内缓冲并存储。

调压装置包括冷凝器和背压阀。冷凝器安装在背压阀进气管路中，并与高温高压可视容器直接相连，背压阀的出口接入大气环境。其目的是为了调节高温高压可视容器内因加热温升引起的压力升高，当高温高压可视容器内的压力超出实验设定的压力值时，背压阀将会开启，高温高压气体经冷凝器冷却降温后经背压阀排出。冷凝器是为了冷却卸载出的高温气体，以满足背压阀的工作温度，同时避免高温高压安全事故。

光学成像装置包括CCD相机和冷光源。CCD相机捕捉高温高压可视容器内的液滴在固体表面上的形态，冷光源为其拍摄提供充足的光线。所获得的图像传送至监控装置的图像分析仪进行分析。

监控装置包括温度传感器、压力变送器、温度控制器、机械压力表和图像分析仪。该装置包含两个温度传感器，其中一个温度传感器的测点布置在高温高压可视容器腔体内，另一个的测点布置在可拆卸测试平台内，2个温度传感器分别与两个温度控制器相连；压力变送器通过开设在高温高压可视容器上的测孔插入该容器的腔体内；5个机械压力表安装在配气装置的管道中，分别位于高压气瓶的出口处，气体增压器的进口处，空气压缩机的出口处，减压阀的出口处和高压缓冲容器处，还有2个机械压力表分别安装在真空装置和调压装置中，位于真空缓冲容器处和调压装置的背压阀进口处；监控装置精准控制实验系统内的温度和压力，并完成智能地数据采集与图像分析。

微流量高压柱塞泵的最高工作压力可高达7500psi，最低流量低至0.001mL/min。微流量高压柱塞泵通过连接毛细不锈钢针管和相应的管阀连接件来实现进样。调压装置主要是为接触角测试区域提供高压的气体环境。

进一步优选，高温高压可视容器的容积为68.2mL(d*L＝40mm*50mm)圆柱体结构。

进一步优选，光学成像装置则由大功率冷光源系统和高变倍的CCD相机构成，以清晰获取测试过程中水滴轮廓的图像。

进一步优选，两个温度传感器，其中一个布置在高温高压可视容器腔体里距离实验固体表面中心6mm的位置；另一个的测点布置在可拆卸测试平台内距离圆柱体凸台的上表面中心2mm的位置。

作为优选，配气装置设置了可切换气路。可切换气路包括空气压缩机、气体增压器及不同气体钢瓶。空气压缩机与气体增压器相连，压缩空气驱动气体增压器加压不同气体钢瓶内的气体，不同气体钢瓶通过多通接头汇成同一出气接口与气体增压器相连，并在每个气体钢瓶的出口处加装阀门以控制不同气体钢瓶的接入与切断；运行过程中，如需切换实验气路，打开对应气体钢瓶的出口阀门，并关闭其他气体钢瓶的出口阀门，完成气路的切换。

进一步优选，气体增压器的最高出口压力为60MPa。

进一步优选，不同气体钢瓶内的气体为氮气或惰性气体等。

作为优选，气体增压器调控高压气瓶中的气体压力在0～60MPa范围变化。空气压缩机作为驱动气体增压机的动力气源，压缩后的高压气体储存于高压缓冲容器中，以达到缓冲和稳压的目的。用此方法可以达到水的超临界状态。为了精准控制接触角测试区域的温度和压力，在压力容器的内部需布置温度和压力传感器以监控测试环境中的温度与压力变化。

作为优选，视窗法兰为蓝宝石视窗法兰。

作为优选，视窗法兰以及用于安装可拆卸测试平台的法兰均以石墨纤维密封圈进行密封，以压紧螺栓进行紧固。

作为优选，高温高压可视容器以镍基合金材料加工制造；设计压力和设计温度分别为40MPa和500℃，改参数均已超过水的临界参数。

作为优选，高温高压可视容器外围覆有保温层以减少热量散失。

进一步优选，保温层采用纳米保温材料制作。

能否实现本实验系统的关键在于该高温高压可视容器的合理设计。容器腔内高温高压的实验环境和可视化的实验需求给压力容器的设计制造带来了极大的挑战，如保证蓝宝石视窗的高温密封。因此，要求压力容器具备较高的强度，密封性和安全性。为了克服以上技术难点，高温高压可视容器以耐高温的高强度镍基合金材料加工制造。以透光性好，耐高温、高强度的蓝宝石作为可视化视窗，并以耐高温的石墨纤维密封圈进行密封。鉴于压力容器材料导热问题，避免局部温升过快，温度过高影响材料应力形变，从而导致密封失效的问题。本发明采用嵌入加热管的加热缸套的加热方式，通过合理的布置，严格控制升温速率以及确保加热合理。为防止热量散失，采用低导热率的纳米保温材料对高温高压可视容器进行保温。

本发明还提供了一种高温高压环境下测量表征接触角的方法，其具体步骤如下：

实验开始前，检查实验系统的密封性。开启真空泵抽除高温高压可视容器腔内的空气，关闭真空装置的阀门。启动空气压缩机压缩空气，打开其出口阀门，驱动气体增压器。设定气体增压器的出口压力值。增压后的气体在高压缓冲容器内缓冲稳压。调节减压阀至设定压力值。打开高压缓冲容器出气阀，向高温高压可视容器中注入高压气体。通过高温高压可视容器的机械压力表和压力变送器数值进行校对，高温高压可视容器达到实验设定压力值的60％，稳压半小时，关闭高压缓冲容器出气阀。确保无压力泄露的情况下，开启加热缸套以及可拆卸测试平台内的加热管对高温高压可视容器进行加热，温度传感器进行实时校对，线性升温到设定温度值后，稳定温度10分钟。开启高压缓冲容器出气阀补偿压力至设定压力值。通过调压装置对高温高压可视容器内的压力进行调节，设置背压阀为设定压力值。当高温高压可视容器内的实际压力因加热温升超过设定压力值时，背压阀会自动打开，卸掉多余的压力。冷凝器对高温气体进行冷却，保证背压阀正常工作与人身安全。

当高温高压可视容器内压力和温度都达到设定值，且稳定不变。启动微流量高压柱塞泵，设定进样流量。当液滴滴至实验固体表面上后，关闭单向控制阀。通过蓝宝石视窗对液滴的形态变化进行观察。为排除液滴蒸发对接触角的影响，待液滴停至实验固体表面上后，用CCD相机和冷光源拍摄液滴形态大于5秒钟。所得图像传输至图像分析仪进行处理，选取多组形态相同的图像测得液滴的接触角，并取平均值。依次关闭所有阀门和所有设备，带高温高压可视容器冷却后，泄压。

若需要进行第二次测试，只需要拆卸高温高压可视容器中的可拆卸测试平台，清洁高温高压可视容器内腔，更换实验固体表面，改变表面种类和表面结构等表面特性。更换不同气氛的高压气瓶，改变高温高压可视容器内的实验气体环境。调节微流量高压柱塞泵的进样流量，改变液滴尺寸。更换微流量高压柱塞泵内的进样液体，改变液滴的种类。重复以上实验步骤，精准地测量表征高温高压不同气体环境下不同液滴在不同固体表面的接触角。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)能实现高温高压环境下，甚至是水的超临界状态下的接触角原位测量。

(2)采用合理结构设计，能适应多种测量接触角的方法。

(3)采用模块化分区的设计理念，便于对系统进行维护和改装。

(4)适用于多种理论实验研究，如温度，压力，气体环境，固体表面特性(如粗糙度和均匀度等)，液滴大小等一系列影响表面浸润性的因素的理论研究。此外，还适用于超临界环境下金属材料的抗氧化防腐蚀性能的研究。

(5)集温度和压力监控、光学成像、数据采集和图像处理于一体，智能便捷。

附图说明

图1为本发明的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统的示意图。

图2为高温高压可视容器的正面剖视图。

图3为高温高压可视容器的侧面剖视图。

附图中，各部件的如下：1空气压缩机；2高压气瓶；3气体增压器；4高压缓冲容器；5减压阀；6机械压力表；7高温高压可视容器；8压力变送器；9单向控制阀；10微流量高压柱塞泵；11冷光源；12真空泵；13真空缓冲容器；14第一温度控制器；15冷凝器；16背压阀；17CCD相机；18图像分析仪；19第二温度控制器；20保温层；21第一紧固螺栓；22高温高压腔体；23加热缸套；24不锈钢毛细针管；25安全阀；26第一石墨纤维密封圈；27第二石墨纤维密封圈；28蓝宝石视窗；29第一法兰；30第一法兰螺栓；31第二法兰螺栓；32可拆卸测试平台；33第二紧固螺栓；34第三石墨纤维密封圈；35第二法兰；36第一温度传感器；37实验固体表面；38卡夹；39第一加热管；40第二温度传感器；41第二加热管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，是本发明的一较佳实施例。一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置。

测试装置包括圆柱形的高温高压可视容器7。高温高压可视容器7以镍基合金材料加工制造.设计压力和设计温度分别为40MPa和500℃，改参数均已超过水的临界参数。

如图2-3所示，高温高压可视容器7外壁安装有均匀嵌入6只第一加热管39的加热缸套23。高温高压可视容器7内部为高温高压腔体22，一个容积为68.2mL(d*L＝40mm*50mm)的圆柱体结构。高温高压可视容器7的轴向两端设有两个第一法兰29，作为视窗法兰，设置蓝宝石视窗28。两个第一法兰29通过第一石墨纤维密封圈26、第二石墨纤维密封圈27密封，并且安装有多个第一法兰螺栓30，再通过多个第一紧固螺栓21紧固。该容器径向的侧壁处开设有用于安装可拆卸测试平台的第二法兰35。第二法兰35通过第三石墨纤维密封圈34密封，并装有多个第二法兰螺栓31，再通过多个第二紧固螺栓33紧固。高温高压可视容器7上开设有三个孔，第一开孔用于接入配气装置和安全阀25，第二开孔位于高温高压容器轴向对称面的中心线处，用于接入压力传感器和进样装置，并采用不锈钢毛细针管24进行液滴进样，第三开孔用于接入第一温度传感器36和调压装置。

高温高压可视容器7外围覆有保温层20以减少热量散失，且保温层20采用纳米保温材料制作。

测试装置还包括可拆卸测试平台32。可拆卸测试平台32是一个圆柱体凸台，通过第二法兰35与高温高压可视容器7连接，用于承载实验固体表面37，并设有两个卡夹38以固定住实验固体表面37。其内部装有第二加热管41和第二温度传感器40，以保证实验固体表面37达到设定温度值，并实时监控。可拆卸测试平台32的目的是为了拆装方便，且可做拓展性改造。无需拆卸高温高压可视容器7，保证容器的完整性和密封性，即可便捷地更换实验固体表面37。

本实施例中，第一温度传感器36布置在高温高压可视容器腔体里距离实验固体表面中心6mm的位置；第二温度传感器40的测点布置在可拆卸测试平台内距离圆柱体凸台的上表面中心2mm的位置

配气装置包括空气压缩机1、高压气瓶2、气体增压器3、高压缓冲容器4和减压阀5。其主要目的是为了向高温高压可视容器内提供高压的气体环境，并维持其腔内的压力。其中，空气压缩机1为气体增压器3提供气体驱动力去压缩高压气瓶2内的气体，增压后的气体进入高压缓冲容器4进行缓冲稳压，通过减压阀5调整至合适的压力输送至高温高压可视容器7内。

此外为了满足不同的实验需求。配气装置设置了可切换气路。多个不同的气体钢瓶通过多通接头汇成同一出气接口与气体增压器3相连，并在每个气体钢瓶的出口处加装阀门以控制不同气体钢瓶的接入与切断；运行过程中，如需切换实验气路，打开对应气体钢瓶的出口阀门，并关闭其他气体钢瓶的出口阀门，完成气路的切换。

在此实施例中气体增压器3的最高出口压力为60MPa，不同气体钢瓶内的气体为氮气或惰性气体等。气体增压器3调控高压气瓶中的气体压力在0～60MPa范围变化。空气压缩机1作为驱动气体增压机3的动力气源，压缩后的高压气体储存于高压缓冲容器4中，以达到缓冲和稳压的目的。用此方法可以达到水的超临界状态。为了精准控制接触角测试区域的温度和压力，在压力容器的内部需布置温度和压力传感器以监控测试环境中的温度与压力变化。

进样装置包括单向控制阀9和微流量高压柱塞泵10。微流量高压柱塞泵10通过单向控制阀9向高温高压可视容器7内无脉冲且稳定地输送微量的液体，完成实验液体的进样。微流量高压柱塞泵10的最高工作压力可高达7500psi，最低流量低至0.001mL/min。微流量高压柱塞泵10通过连接不锈钢毛细针管24和相应的管阀连接件来实现进样。

真空装置由真空泵12和真空缓冲容器13组成。真空缓冲容器13安设在高温高压可视容器7和真空泵12之间并通过管道与两者相连，且真空缓冲容器13进出口处都加装有阀门。在试验开始前和结束后，真空泵12抽除高温高压可视容器7内的杂质气体，抽出的气体在真空缓冲容器13内缓冲并存储。

调压装置包括冷凝器15和背压阀16。冷凝器15安装在背压阀16进气管路中，并与高温高压可视容器7直接相连，背压阀16的出口接入大气环境。其目的是为了调节高温高压可视容器7内因加热温升引起的压力升高，当高温高压可视容器7内的压力超出实验设定的压力值时，背压阀16将会开启，高温高压气体经冷凝器15冷却降温后经背压阀16排出。冷凝器15是为了冷却卸载出的高温气体，以满足背压阀16的工作温度，同时避免高温高压安全事故。调压装置主要是为接触角测试区域提供高压的气体环境。

光学成像装置包括高变倍的CCD相机17和大功率的冷光源11，以清晰获取测试过程中水滴轮廓的图像。CCD相机17捕捉高温高压可视容器7内的液滴在固体表面上的形态，冷光源11为其拍摄提供充足的光线。所获得的图像传送至监控装置的图像分析仪18进行分析。

监控装置包括第一温度传感器36、第二温度传感器40、压力变送器8、第一温度控制器14、第二温度控制器19、机械压力表6和图像分析仪18。该装置包含两个温度传感器，第一温度传感器36的测点布置在高温高压可视容器7腔体内，第二温度传感器40的测点布置在可拆卸测试平台32内。第一温度控制器14和第二温度控制器19分别与两个温度控制器相连；压力变送器8通过开设在高温高压可视容器7上的测孔插入该容器的腔体内；5个机械压力表6安装在配气装置的管道中，分别位于高压气瓶2的出口处，气体增压器3的进口处，空气压缩机1的出口处，减压阀5的出口处和高压缓冲容器4处，还有2个机械压力表6分别安装在真空装置和调压装置中，位于真空缓冲容器13处和调压装置的背压阀16进口处；监控装置精准控制实验系统内的温度和压力，并完成智能地数据采集与图像分析。

能否实现本实验系统的关键在于该高温高压可视容器的合理设计。容器腔内高温高压的实验环境和可视化的实验需求给压力容器的设计制造带来了极大的挑战，如保证第一法兰29的高温密封。因此，要求压力容器具备较高的强度，密封性和安全性。为了克服以上技术难点，高温高压可视容器7以耐高温的高强度镍基合金材料加工制造。以透光性好，耐高温、高强度的蓝宝石作为第一法兰29，并以耐高温的石墨纤维密封圈进行密封。鉴于压力容器材料导热问题，避免局部温升过快，温度过高影响材料应力形变，从而导致密封失效的问题。本发明采用嵌入加热管的加热缸套的加热方式，通过合理的布置，严格控制升温速率以及确保加热合理。为防止热量散失，采用低导热率的纳米保温材料对高温高压可视容器进行保温。

本发明的工作过程如下：

实验开始前，检查实验系统的密封性。开启真空泵12抽除高温高压可视容器7腔内的空气，关闭真空装置的阀门。启动空气压缩机1压缩空气，打开其出口阀门，驱动气体增压器3。设定气体增压器3的出口压力值。增压后的气体在高压缓冲容器4内缓冲稳压。调节减压阀5至设定压力值。打开高压缓冲容器4出气阀，向高温高压可视容器7中注入高压气体。通过高温高压可视容器7的机械压力表6和压力变送器8数值校对，高温高压可视容器7达到实验设定压力值的60％，稳压半小时，关闭高压缓冲容器4出气阀。确保无压力泄露的情况下，开启加热缸套23以及可拆卸测试平台32内的加热管41对高温高压可视容器7进行加热，温度传感器14和温度传感器40进行实时校对。线性升温至设定温度值后，稳定温度10分钟。开启高压缓冲容器4出气阀补偿压力至设定压力值。通过调压装置对高温高压可视容器7内的压力进行调节，设定背压阀16为设定压力值。当高温高压可视容器7内的实际压力因加热温升超过设定压力值时，背压阀16会自动打开，卸掉多余的压力。冷凝器15对高温气体进行冷却，保证背压阀16正常工作与人身安全。

当高温高压可视容器7内压力和温度都达到设定值，且稳定不变。启动微流量高压柱塞泵10，设定进样流量。当液滴滴至实验固体表面37上后，关闭单向控制阀9。通过蓝宝石视窗28对液滴的形态变化进行观察。为排除液滴蒸发对接触角的影响，待液滴停至实验固体表面37上后，用CCD相机17和冷光源11拍摄液滴形态大于5秒钟。所得图像传输至图像分析仪18进行处理，选取多组形态相同的图像测得液滴的接触角，并取平均值。依次关闭所有阀门和所有设备，带高温高压可视容器7冷却后，泄压。

拆卸高温高压可视容器7中的可拆卸测试平台32，清洁高温高压可视容器7内腔，更换实验固体表面37，改变表面种类和表面结构等表面特性。更换不同气氛的高压气瓶2，改变高温高压可视容器7内的实验气体环境。调节微流量高压柱塞泵10的进样流量，改变液滴尺寸。更换微流量高压柱塞泵10内的进样液体，改变液滴的种类。重复以上实验步骤，精准测量表征高温高压不同气体环境下不同液体在不同固体表面的接触角。

Claims (5)

1.一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于所述系统包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置；

所述的测试装置包括圆柱形的高温高压可视容器，所述的高温高压可视容器以镍基合金材料加工制造；设计压力和设计温度分别为40MPa和500℃；高温高压可视容器外壁安装有均匀嵌入6只加热管的加热缸套；所述高温高压可视容器外围覆有保温层；所述的保温层采用纳米保温材料制作；高温高压可视容器的轴向两端设有两个视窗法兰；该容器径向的侧壁处开设有用于安装可拆卸测试平台的法兰；所述视窗法兰以及用于安装可拆卸测试平台的法兰均以石墨纤维密封圈进行密封，以压紧螺栓进行紧固；高温高压可视容器上开设有三个孔，第一开孔用于接入配气装置和安全阀，第二开孔位于高温高压容器轴向对称面的中心线处，用于接入压力传感器和进样装置，并采用不锈钢毛细针管进行液滴进样，第三开孔用于接入温度传感器和调压装置；

所述的测试装置还包括可拆卸测试平台；所述可拆卸测试平台是一个圆柱体凸台，通过法兰与高温高压可视容器连接，用于承载实验固体表面，并设有两个卡夹以固定住实验固体表面；其内部装有加热管和温度传感器，以保证实验固体表面达到设定温度值，并实时监控；

所述的配气装置包括空气压缩机、高压气瓶、气体增压器、高压缓冲容器和减压阀；其主要目的是为了向高温高压可视容器内提供高压的气体环境，并维持其腔内的压力；其中，空气压缩机为气体增压器提供气体驱动力去压缩高压气瓶内的气体，增压后的气体进入高压缓冲容器进行缓冲稳压，通过减压阀调整至合适的压力输送至高温高压可视容器内；

所述的进样装置包括单向控制阀和微流量高压柱塞泵；微流量高压柱塞泵通过单向控制阀向高温高压可视容器内无脉冲且稳定地输送微量的液体，完成实验液体的进样；

所述的真空装置由真空泵和真空缓冲容器组成；真空缓冲容器安设在高温高压容器和真空泵之间并通过管道与两者相连，且真空缓冲容器进出口处都加装有阀门；在试验开始前和结束后，真空泵抽除高温高压可视容器内的杂质气体，抽出的气体在真空缓冲容器内缓冲并存储；

所述的调压装置包括冷凝器和背压阀；冷凝器安装在背压阀进气管路中，并与高温高压可视容器直接相连，背压阀的出口接入大气环境；其目的是为了调节高温高压可视容器内因加热温升引起的压力升高；当高温高压可视容器内的压力超出实验设定的压力值时，背压阀将会开启，高温高压气体经冷凝器冷却降温后经背压阀排出；

所述的光学成像装置包括CCD相机和冷光源；CCD相机捕捉高温高压可视容器内的液滴在固体表面上的形态，冷光源为其拍摄提供充足的光线；所获得的图像传送至监控装置的图像分析仪进行分析；

所述的监控装置包括温度传感器、压力变送器、温度控制器、机械压力表和图像分析仪；该装置包含两个温度传感器，其中一个温度传感器的测点布置在高温高压可视容器腔体内，另一个的测点布置在可拆卸测试平台内，2个温度传感器分别与两个温度控制器相连；压力变送器通过开设在高温高压可视容器上的测孔插入该容器的腔体内；5个机械压力表安装在配气装置的管道中，分别位于高压气瓶的出口处，气体增压器的进口处，空气压缩机的出口处，减压阀的出口处和高压缓冲容器处，还有2个机械压力表分别安装在真空装置和调压装置中，位于真空缓冲容器处和调压装置的背压阀进口处；监控装置精准控制实验系统内的温度和压力，并完成智能地数据采集与图像分析。

2.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述的配气装置设置了可切换气路；所述可切换气路包括空气压缩机、气体增压器及不同气体钢瓶；空气压缩机与气体增压器相连，压缩空气驱动气体增压器加压不同气体钢瓶内的气体 ，不同气体钢瓶通过多通接头汇成同一出气接口与气体增压器相连，并在每个气体钢瓶的出口处加装阀门以控制不同气体钢瓶的接入与切断；运行过程中，如需切换实验气路，打开对应气体钢瓶的出口阀门，并关闭其他气体钢瓶的出口阀门，完成气路的切换。

3.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述气体增压器调控高压气瓶中的气体压力在0~60MPa范围变化。

4.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述视窗法兰为蓝宝石视窗法兰。

5.一种如权利要求1所述系统的高温高压环境下测量表征接触角的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

实验开始前，检查可视化实验系统的密封性；开启真空泵抽除高温高压可视容器腔内的空气，待腔内达到真空时，关闭真空装置的阀门；启动空气压缩机压缩空气，打开其出口阀门，驱动气体增压器；设定气体增压器的出口压力值；增压后的气体在高压缓冲容器内缓冲稳压；调节减压阀至设定压力值；打开高压缓冲容器出气阀，向高温高压可视容器中注入高压气体；并对高温高压可视容器的压力进行监控，高温高压可视容器达到实验设定压力值的60%后，稳压半小时，关闭高压缓冲容器出气阀；确保无压力泄露的情况下，开启加热缸套以及可拆卸测试平台内的加热管对高温高压可视容器进行加热，并通过温度传感器进行实时监控，线性升温到设定温度值后，稳定温度10分钟；开启高压缓冲容器出气阀补偿压力至设定压力值；通过调压装置对高温高压可视容器内的压力进行调节，设置背压阀为设定压力值；当高温高压可视容器内的实际压力因加热温升超过设定压力值时，背压阀会自动打开，卸掉多余的压力；冷凝器对高温气体进行冷却，保证背压阀正常工作与人身安全；

当高温高压可视容器内压力和温度都达到设定值且稳定不变；启动微流量高压柱塞泵，设定进样流量；当液滴滴至实验固体表面上后，关闭单向控制阀；通过蓝宝石视窗对液滴的形态变化进行观察；为排除液滴蒸发对接触角的影响，待液滴停至实验固体表面上后，用CCD相机和冷光源拍摄液滴形态大于5秒钟；所得图像传输至监控装置的图像分析仪进行处理，选取多组形态相同的图像测得液滴的接触角，并取平均值；停止实验，待高温高压可视容器冷却后，泄压。

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