CN110057496A - 一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法 - Google Patents

一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶，所述非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶的出口分别顺序连接有减压阀与截止阀，所述截止阀的出口经汇流混合后与低压储气罐的进气阀相连接，所述低压储气罐的出口经流量计与校准舱，所述校准舱上设置有校准模块，校准舱的出口经抽气阀、真空泵与废气吸收装置相连接，所述低压储气罐和校准舱抽气阀与废气吸收装置之间还设置有排气气路；压敏漆校准方法包含多组分猝灭气体配置、压敏漆校准及实验后进行废气处理。该压敏漆校准系统及校准方法可实现对猝灭气体极低分压条件下的压敏漆猝灭特性校准。

Description

一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法
技术领域
本发明涉及一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法。
背景技术
压敏漆（Pressure-sensitive paint，简称PSP）测压技术是一种非接触式表面压力光学测量技术，相比于传统的离散测压孔方法，压敏漆测压技术可以获得气动模型表面高分辨率的全场压力分布，无需开测压孔破坏模型表面，不影响流场，在测量分辨率、经济性、操作性等方面具有显著优势。压敏漆测量的基本原理是具有顺磁性的气体分子“猝灭”压敏漆中的光致发光分子，空气中的氧气是一种典型的猝灭气体，其它具有顺磁性的猝灭气体还包括一氧化氮、二氧化氮等。
将压敏漆技术应用于空气动力学试验前，需在特殊的校准系统中对压敏漆的发光特性进行校准，获得压敏漆发光强度与其表面猝灭气体压力的关系。在国内外已有的研究中，通常以氧气作为应用压敏漆的工质，因此相应的压敏漆校准系统也以氧气作为单一猝灭气体。压敏漆的某些潜在应用场景，如真空羽流气动力测量，羽流中不含有氧气，而含有一氧化氮、二氧化氮，这就需要专门的校准系统对一氧化氮和二氧化氮猝灭压敏漆的特性进行校准，特别是在猝灭气体分压极低条件下的压敏漆校准。西北工业大学申请的专利CN108956002A《一种压力敏感涂料的浓度标定法及标定装置》中提出的标定装置，通过流量计控制并掺混空气和另一种非猝灭气体得到具有不同氧分压的混合气体，调节氧气浓度变化范围为0%至21%，从而标定压敏漆发光强度与其表面氧分压的关系。但该标定装置不使用密闭容器，只适用于以氧气为猝灭气体的压敏漆校准，不适用于氮氧化物这类有毒猝灭气体；且该标定装置不使用真空泵，受限于流量计的控制精度，无法获得具有极低分压猝灭气体的混合气体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法，该压敏漆校准系统及校准方法可实现对猝灭气体极低分压条件下的压敏漆猝灭特性校准。
本发明的技术方案在于：一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶，所述非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶的出口分别顺序连接有减压阀与截止阀，所述截止阀的出口经汇流混合后与低压储气罐的进气阀相连接，所述低压储气罐的出口经流量计与校准舱，所述校准舱上设置有校准模块，校准舱的出口经抽气阀、真空泵与废气吸收装置相连接，所述低压储气罐和校准舱抽气阀与废气吸收装置之间还设置有排气气路。
进一步地，所述非猝灭气体高压气瓶的出口顺序连接有非猝灭气体减压阀和非猝灭气体截止阀，所述猝灭气体一高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体一减压阀和猝灭气体一截止阀；所述猝灭气体二高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体二减压阀和猝灭气体二截止阀；所述非猝灭气体截止阀、猝灭气体一截止阀及猝灭气体二截止阀汇流混合后与进气阀的入口相连接。
进一步地，所述校准模块包括设置于校准舱前端的观察窗，所述校准舱内设置有表面覆盖有压敏漆涂层的测试样片，所述观察窗的前侧设置有用于发出光线并经低通滤光片、观察窗照射压敏漆涂层的激发光源，观察窗的前侧还设置有经高通滤光片、观察窗接收压敏漆涂层发出的光线的光电探测器，所述光电探测器与计算机相连接。
进一步地，所述校准舱内设置有一端与校准舱底部相粘贴并外接温度控制器的半导体温控片，所述半导体温控片的另一端与测试样片底面相粘贴，校准舱的后端设置有用于半导体温控片散热的散热块，所述校准舱上安装有校准舱压力表。
进一步地，所述半导体温控片连接导线并经设置于校准舱侧壁上的电接口与温度控制器相连接。
进一步地，所述排气气路包括连接于低压储气罐与废气吸收装置之间的第一管路，所述第一管路设置有储气罐排气阀及与储气罐排气阀并联的储气罐安全阀；所述校准舱与废气吸收转装置设置有第二管路，所述第二管路上设置有校准舱排气阀及与校准舱排气阀并联的校准舱安全阀。
进一步地，所述低压储气罐安装有储气罐压力表。
一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准方法，包括一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括以下步骤：
（1）多组分猝灭气体配置：
（1.1）调节非猝灭气体减压阀，打开非猝灭气体截止阀、储气罐进气阀，将储气罐内的空气置换为非猝灭气体后，依次关闭储气罐进气阀及非猝灭气体截止阀，此时储气罐内压力为p 1；
（1.2）调节猝灭气体一减压阀，打开猝灭气体一截止阀，待储气罐内压力为p 2时关闭猝灭气体一截止阀，其中p 2> p 1，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 - p 1)/ p 2；
（1.3）调节猝灭气体二减压阀，打开猝灭气体二截止阀，待储气罐内压力为p 3时关闭猝灭气体二截止阀，其中p 3> p 2，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p 3 – p 2，所占的比例为(p 3 – p 2)/ p 3；
（2）压敏漆校准：
（2.1）开启激发光源和光电探测器，预热至稳定状态；
（2.2）打开校准舱抽气阀，开启真空泵，将校准舱抽至真空，排除校准舱内空气；
（2.3）调节温度控制器，使测试样片表面温度达到温度T；
（2.4）进行正压校准时，关闭校准舱抽气阀，打开校准舱排气阀；进行负压校准时，关闭校准舱排气阀，打开校准舱抽气阀；
（2.5）调节流量计，使校准舱达到不同压力，记录压力计数值p，此时校准舱内猝灭气体一的分压为p (p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p (p 3 – p 2)/ p 3；
（2.6）激发光源照射测试样片，光电探测器记录测试样片在不同压力p时的发光强度I，可通过计算机计算得到当前温度下压敏漆的压力灵敏度；
（2.7）重复步骤（2.3）-（2.5），获取不同温度T下测试样片在不同压力p下的发光强度I，可通过计算机计算得到不同温度T下压敏漆的压力灵敏度，及压敏漆的温度敏感度；
（2.8）重复步骤（1.1）-（2.6），调节猝灭气体一与猝灭气体二的比例，可得到多组分猝灭气体在不同分压比条件下，压敏漆的压力灵敏度及温度敏感度；
（2.9）校准实验结束后，关闭温度控制器、激发光源和光电探测器。
进一步地，实验后进行废气处理：关闭流量计；待校准舱抽至真空后，依次关闭校准舱抽气阀和真空泵；打开储气罐排气阀和储气罐进气阀，打开非猝灭气体减压阀和非猝灭气体截止阀，将储气罐中的气体置换为氮气后，依次关闭储气罐排气阀、储气罐进气阀、非猝灭气体截止阀及非猝灭气体减压阀。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1. 适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统和校准方案，可对任意单组分或不发生化学反应的多组分猝灭气体进行压敏漆猝灭特性校准，使压敏漆猝灭特性的研究不再局限于氧气单一猝灭气体，从而大大拓展压敏漆测压技术的应用范围；
2. 利用气体分压定律通过大容积储气罐实现多组分气体的配制，无需采用复杂的气流掺混装置，实验时储气罐内气体压强变化极小，可保证气体工质的稳定供给，简化配气过程；
3. 压力校准过程中同时使用流量计和真空泵控制校准舱内压力，校准压力范围大，可以实现正压和负压条件下的压敏漆校准，特别是在猝灭气体分压极低条件下的压敏漆校准；
4. 校准系统特别针对有毒气体专门设置废气吸收装置，抽气气路、排气气路、安全气路以及储气罐和校准舱设置的安全阀出口均连接至废气吸收装置，使有毒有害气体经废气吸收装置处理后排入大气，保证实验及环境安全。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：GH0-非猝灭气体高压气瓶；GH1-猝灭气体一高压气瓶；GH2-猝灭气体二高压气瓶；GL-低压储气罐；R0-非猝灭气体减压阀；R1-猝灭气体一减压阀；R2-猝灭气体二减压阀；F0非猝灭气体截止阀；F1-猝灭气体一截止阀；F2-猝灭气体二截止阀；F3-进气阀；F4-抽气阀；F5-校准舱排气阀；F6-储气罐排气阀；FM-流量计；CC-校准舱；OW-观察窗；VP-真空泵；LS-激发光源；PD-光电探测器；OF1-低通滤光片；OF2-高通滤光片；SP-测试样片；PE-半导体温控片；HS-散热块；TC-温度控制器；A1 -校准舱安全阀；A2-储气罐安全阀；P1-储气罐压力表；P2-校准舱压力表；PC-计算机；AP-废气吸收装置。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1
一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括非猝灭气体高压气瓶GH0、猝灭气体一高压气瓶GH1和猝灭气体二高压气瓶GH2，所述非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶的出口分别顺序连接有减压阀与截止阀，所述截止阀的出口经汇流混合后与低压储气罐GL的进气阀F3相连接，所述低压储气罐安装有储气罐压力表P1，低压储气罐的出口经流量计FM与校准舱CC，所述校准舱上设置有校准模块，校准舱的出口经抽气阀F4、真空泵VP与废气吸收装置AP相连接，所述低压储气罐和校准舱抽气阀与废气吸收装置之间还设置有排气气路。
本实施例中，所述非猝灭气体高压气瓶的出口顺序连接有非猝灭气体减压阀R0和非猝灭气体截止阀F0，所述猝灭气体一高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体一减压阀R1和猝灭气体一截止阀F1；所述猝灭气体二高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体二减压阀R2和猝灭气体二截止阀F2；所述非猝灭气体截止阀、猝灭气体一截止阀及猝灭气体二截止阀汇流混合后与进气阀的入口相连接。
本实施例中，所述校准模块包括设置于校准舱前端的观察窗OW，所述校准舱内设置有表面覆盖有压敏漆涂层的测试样片SP，所述观察窗的前侧设置有用于发出光线并经低通滤光片OF1、观察窗照射压敏漆涂层的激发光源LS，观察窗的前侧还设置有经高通滤光片OF2、观察窗接收压敏漆涂层发出的光线的光电探测器PD，所述光电探测器与计算机PC相连接。
本实施例中，所述校准舱内设置有一端与校准舱底部相粘贴并外接温度控制器TC的半导体温控片PE，所述半导体温控片的另一端与测试样片底面相粘贴，校准舱的后端设置有用于半导体温控片散热的散热块HS，所述校准舱上安装有校准舱压力表P2。
本实施例中，所述半导体温控片连接导线并经设置于校准舱侧壁上的电接口与温度控制器相连接。
本实施例中，所述排气气路包括连接于低压储气罐与废气吸收装置之间的第一管路，所述第一管路设置有储气罐排气阀F6及与储气罐排气阀并联的储气罐安全阀A2；所述校准舱与废气吸收转装置设置有第二管路，所述第二管路上设置有校准舱排气阀F5及与校准舱排气阀并联的校准舱安全阀A1。
本实施例中，所述废气吸收装置可根据气体的性质，选择活性炭或碱液吸收装置。
一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准方法，包括一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括以下步骤：
（1）多组分猝灭气体配置：
（1.1）调节非猝灭气体减压阀，打开非猝灭气体截止阀、储气罐进气阀，将储气罐内的空气置换为非猝灭气体后，依次关闭储气罐进气阀及非猝灭气体截止阀，此时储气罐内压力为p 1；
（1.2）调节猝灭气体一减压阀，打开猝灭气体一截止阀，待储气罐内压力为p 2时关闭猝灭气体一截止阀，其中p 2> p 1，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 - p 1)/ p 2；
（1.3）调节猝灭气体二减压阀，打开猝灭气体二截止阀，待储气罐内压力为p 3时关闭猝灭气体二截止阀，其中p 3> p 2，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p 3 – p 2，所占的比例为(p 3 – p 2)/ p 3。
（2）压敏漆校准：
（2.1）开启激发光源和光电探测器，预热至稳定状态；
（2.2）打开校准舱抽气阀，开启真空泵，将校准舱抽至真空，排除校准舱内空气；
（2.3）调节温度控制器，使测试样片表面温度达到温度T；
（2.4）进行正压校准时，关闭校准舱抽气阀，打开校准舱排气阀；进行负压校准时，关闭校准舱排气阀，打开校准舱抽气阀；
（2.5）调节流量计，使校准舱达到不同压力，记录压力计数值p，此时校准舱内猝灭气体一的分压为p (p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p (p 3 – p 2)/ p 3；
（2.6）激发光源照射测试样片，光电探测器记录测试样片在不同压力p时的发光强度I，可通过计算机计算得到当前温度下压敏漆的压力灵敏度；
（2.7）重复步骤（2.3）-（2.5），获取不同温度T下测试样片在不同压力p下的发光强度I，可通过计算机计算得到不同温度T下压敏漆的压力灵敏度，及压敏漆的温度敏感度；
（2.8）重复步骤（1.1）-（2.6），调节猝灭气体一与猝灭气体二的比例，可得到多组分猝灭气体在不同分压比条件下，压敏漆的压力灵敏度及温度敏感度；
（2.9）校准实验结束后，关闭温度控制器、激发光源和光电探测器。
（3）实验后进行废气处理：
（3.1）关闭流量计；
（3.2）待校准舱抽至真空后，依次关闭校准舱抽气阀和真空泵；
（3.3）打开储气罐排气阀和储气罐进气阀，打开非猝灭气体减压阀和非猝灭气体截止阀，将储气罐中的气体置换为氮气后，依次关闭储气罐排气阀、储气罐进气阀、非猝灭气体截止阀及非猝灭气体减压阀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统及校准方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，包括非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶，其特征在于，所述非猝灭气体高压气瓶、猝灭气体一高压气瓶和猝灭气体二高压气瓶的出口分别顺序连接有减压阀与截止阀，所述截止阀的出口经汇流混合后与低压储气罐的进气阀相连接，所述低压储气罐的出口经流量计与校准舱，所述校准舱上设置有校准模块，校准舱的出口经抽气阀、真空泵与废气吸收装置相连接，所述低压储气罐和校准舱抽气阀与废气吸收装置之间还设置有排气气路。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述非猝灭气体高压气瓶的出口顺序连接有非猝灭气体减压阀和非猝灭气体截止阀，所述猝灭气体一高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体一减压阀和猝灭气体一截止阀；所述猝灭气体二高压气瓶的出口顺序连接有猝灭气体二减压阀和猝灭气体二截止阀；所述非猝灭气体截止阀、猝灭气体一截止阀及猝灭气体二截止阀汇流混合后与进气阀的入口相连接。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述校准模块包括设置于校准舱前端的观察窗，所述校准舱内设置有表面覆盖有压敏漆涂层的测试样片，所述观察窗的前侧设置有用于发出光线并经低通滤光片、观察窗照射压敏漆涂层的激发光源，观察窗的前侧还设置有经高通滤光片、观察窗接收压敏漆涂层发出的光线的光电探测器，所述光电探测器与计算机相连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述校准舱内设置有一端与校准舱底部相粘贴并外接温度控制器的半导体温控片，所述半导体温控片的另一端与测试样片底面相粘贴，校准舱的后端设置有用于半导体温控片散热的散热块，所述校准舱上安装有校准舱压力表。
5.根据权利要求4所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述半导体温控片连接导线并经设置于校准舱侧壁上的电接口与温度控制器相连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述排气气路包括连接于低压储气罐与废气吸收装置之间的第一管路，所述第一管路设置有储气罐排气阀及与储气罐排气阀并联的储气罐安全阀；所述校准舱与废气吸收转装置设置有第二管路，所述第二管路上设置有校准舱排气阀及与校准舱排气阀并联的校准舱安全阀。
7.根据权利要求6所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，所述低压储气罐安装有储气罐压力表。
8.一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准方法，包括权利要求7所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准系统，其特征在于，包括以下步骤：
（1）多组分猝灭气体配置：
（1.1）调节非猝灭气体减压阀，打开非猝灭气体截止阀、储气罐进气阀，将储气罐内的空气置换为非猝灭气体后，依次关闭储气罐进气阀及非猝灭气体截止阀，此时储气罐内压力为p 1；
（1.2）调节猝灭气体一减压阀，打开猝灭气体一截止阀，待储气罐内压力为p 2时关闭猝灭气体一截止阀，其中p 2> p 1，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 - p 1)/ p 2；
（1.3）调节猝灭气体二减压阀，打开猝灭气体二截止阀，待储气罐内压力为p 3时关闭猝灭气体二截止阀，其中p 3> p 2，根据气体分压定律，此时储气罐内猝灭气体一的分压为p 2 - p 1，所占的比例为(p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p 3 – p 2，所占的比例为(p 3 – p 2)/ p 3；
（2）压敏漆校准：
（2.1）开启激发光源和光电探测器，预热至稳定状态；
（2.2）打开校准舱抽气阀，开启真空泵，将校准舱抽至真空，排除校准舱内空气；
（2.3）调节温度控制器，使测试样片表面温度达到温度T；
（2.4）进行正压校准时，关闭校准舱抽气阀，打开校准舱排气阀；进行负压校准时，关闭校准舱排气阀，打开校准舱抽气阀；
（2.5）调节流量计，使校准舱达到不同压力，记录压力计数值p，此时校准舱内猝灭气体一的分压为p (p 2 – p 1)/ p 3，猝灭气体二的分压为p (p 3 – p 2)/ p 3；
（2.6）激发光源照射测试样片，光电探测器记录测试样片在不同压力p时的发光强度I，可通过计算机计算得到当前温度下压敏漆的压力灵敏度；
（2.7）重复步骤（2.3）-（2.5），获取不同温度T下测试样片在不同压力p下的发光强度I，可通过计算机计算得到不同温度T下压敏漆的压力灵敏度，及压敏漆的温度敏感度；
（2.8）重复步骤（1.1）-（2.6），调节猝灭气体一与猝灭气体二的比例，可得到多组分猝灭气体在不同分压比条件下，压敏漆的压力灵敏度及温度敏感度；
（2.9）校准实验结束后，关闭温度控制器、激发光源和光电探测器。
9.根据权利要求8所述的一种适用于多组分猝灭气体的压敏漆校准方法，其特征至于，实验后进行废气处理：关闭流量计；待校准舱抽至真空后，依次关闭校准舱抽气阀和真空泵；打开储气罐排气阀和储气罐进气阀，打开非猝灭气体减压阀和非猝灭气体截止阀，将储气罐中的气体置换为氮气后，依次关闭储气罐排气阀、储气罐进气阀、非猝灭气体截止阀及非猝灭气体减压阀。
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