CN110470595A - 材料表面覆冰强度在线测量装置及覆冰过程实时监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是材料表面覆冰强度在线测量装置及覆冰过程实时监控系统，包括离心测试模块和数据采集模块，离心测试模块包括从下至上布置的固定支架、环形水冷盒、样品转台及覆冰模具，固定支架上装有升降驱动机构，环形水冷盒与升降驱动机构连接，固定支架上还装有步进电机，步进电机的输出轴穿过环形水冷盒与样品转台固定连接；所述数据采集模块包括金属护罩和振动传感器，还包括采集步进电机转速信号和振动传感器信号的控制器；本发明除能精确测量不同材料表面覆冰粘附强度外，还能分析温度、湿度、雨滴大小、雨滴撞击速度、风速、风温对待测样品表面水滴结冰时间、冰层厚度、冰粘附强度和融冰能耗的影响，为防覆冰材料的研发提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及防覆冰材料（涂层）研发领域技术领域，具体是材料表面覆冰强度在线测量装置及覆冰过程实时监控系统。
背景技术
覆冰会给人们的生产、生活带来诸多不便。如2008年南方遭受历史罕见的大范围冰雪灾害，电网瘫痪、交通运输中断、农作物绝收，直接经济损失超过1500亿。因此，防覆冰材料（涂层）的研究成为中国、美国、加拿大等经常遭受覆冰危害国家研究人员关注的重点。现有的覆冰试验多为观察输电线路绝缘子、导线和各种道路覆冰情况设计。自荷叶的“自清洁效应”被发现以来，超疏水材料凭借其优异的憎水特性被广泛应用于防覆冰领域。但近年来也有研究认为超疏水材料并非都具有良好的防覆冰性能。微(纳)米级别的粗糙结构会带来更多的异相成核位置，导致超疏水材料比光滑材料更易结冰，而如果液滴凝固成冰时与表面微微(纳)米粗糙结构由于机械力锁在一起，将十分不利于冰层的脱落。因此，十分有必要深入研究超疏水材料表面精细结构对防覆冰性能的影响。
冰在材料表面的粘附强度是防覆冰材料研究中重要的指标。测量材料表面冰粘附强度的方法有推拉力法和离心力法，截至目前，国内外缺乏统一的标准，测试平台也多为自行研制。实验条件、测试手段的不规范、不统一。如专利《一种用于测量材料表面覆冰粘附力的测量装置》（申请号：CN108195757A），采用推拉力法在线测量覆冰粘附强度，但未提及气候箱内温度、湿度控制方式、范围和精度，而冰粘附强度对环境温、湿度极为敏感，如不加控制会产生较大偏差。专利《一种覆冰模具及利用其测量覆冰剪切力的装置》(公开号：CN103755106A)，则是利用电子拉力试验机测量冰与材料间的粘附剪切力，需将覆冰模具从试验箱中取出，然后安装在电子拉力试验机上，过程繁琐，不能直接测量冰粘附强度。需要强调的是，当测试过程为非在线检测时，结冰模具从结冰环境移出时冰层可能就已经部分消融，以致所测得的数据失真。专利《一种冰粘附法向力测试方法及装置》（CN109765175），利用气泵匀速向密闭气箱中充气，直至冰脱离待测试件表面，利用气压大小转换成冰粘附法向力。专利《一种测试电力设备介质表面与覆冰/雪粘接强度的装置》（公开号：CN108956452A），利用离心伺服电机产生的离心力测量冰粘附强度，需另设覆冰气候室，但如何确定冰脱落瞬间转速未详细告知。
为方便超疏水防覆冰材料的研发，需要在线分析温度、湿度、雨滴大小、雨滴撞击速度、风速、风温对待测样品表面水滴结冰时间、冰层厚度、冰粘附强度和融冰能耗的影响，进而分析超疏水表面精细结构与防覆冰性能间的关系，而目前还没有一种在线观测覆冰过程的监控系统。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有覆冰强度测试装置不是在线进行，测试数据失真的问题，提供一种材料表面覆冰强度在线测量装置及覆冰过程实时监控系统。
本发明的具体方案是：材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：包括离心测试模块和数据采集模块，所述离心测试模块包括从下至上布置的固定支架、环形水冷盒、样品转台及覆冰模具，固定支架上装有升降驱动机构和导向杆，所述环形水冷盒上装有与导向杆配合的导向套，环形水冷盒与升降驱动机构连接，固定支架上还装有步进电机，步进电机的输出轴穿过环形水冷盒与样品转台固定连接，样品转台包括从下至上依次固定连接的下导热板、半导体制冷片、上导热板，下导热板上装有两个与半导体制冷片连接的弹性导电触头，上导热板顶部沿轴向对称设有两个用于固定待测样品的卡槽，所述覆冰模具放置在待测样品表面，所述环形水冷盒为中空结构，侧壁装有进水管和出水管，环形水冷盒顶部对称地设有两个弧形槽，每个弧形槽内装有一个弧形导电体，当环形水冷盒上升时两个弧形导电体分别接触两个弹性导电触头使半导体制冷片通电工作；所述数据采集模块包括直径略大于样品转台的金属护罩，金属护罩外壁装有振动传感器，数据采集模块还包括采集步进电机转速信号和振动传感器信号的控制器。
优选的，所述升降驱动机构包括两台驱动电机，每台驱动电机的输出端装有一根螺杆，所述环形水冷盒上固定装有与螺杆配合的螺母，两台驱动电机同步启动实现环形水冷盒升降运动。
优选的，所述覆冰模具包括凸形套筒，凸形套筒底部内腔固定装有一块海绵，海绵底端与凸形套筒底端间距0.5-2mm，套筒的直径根据需要可有多种选择。
优选的，所述半导体制冷片的控制回路上装有微型功率表用于测量结冰或融冰的能耗。
优选的，所述覆冰强度在线测量装置还包括一个封闭的试验箱，所述离心测试模块放置在试验箱内，试验箱具有温湿度调节功能。
材料表面覆冰过程实时监控系统，包括一个封闭的试验箱，试验箱内装有上述覆冰强度在线测量装置，所述测量装置不包括覆冰模具及金属护罩，所述测量装置的样品转台顶部放置有一个金属斜台，金属斜台的斜面上可固定待测样品，试验箱内位于测量装置上方装有雨滴模拟模块，试验箱一侧装有高速相机图像采集模块，高速相机图像采集模块的镜头对准待测样品及金属斜台，试验箱内相对于高速相机的另一侧设有高亮冷光源。
优选的，所述试验箱内还装有风速风温模拟模块，风速风温模拟模块包括两端开口的矩形翅片壳体，翅片壳体外壁装有若干半导体制冷片，半导体制冷片外端装有长形水冷盒，每个长形水冷盒上设有进水管和出水管，翅片壳体一端装有风扇，风扇外侧装有引风罩，引风罩外端装有一根引风管，引风管末端朝向所述金属斜台。
优选的，所述引风管的出风口处装有热敏风速测定仪，热敏风速测定仪与控制器连接。
优选的，所述雨滴模拟模块包括高度可调的输液瓶，输液瓶底部装有输液管，输液管上装有流量控制阀，雨滴模拟模块还包括设置在金属斜台上方的支架，支架上装有与输液管连接的针头。
本发明的工作原理如下：
在线测试覆冰强度的操作步骤及原理为：首先设置好试验箱内的温度和湿度，然后将待测样品对称固定在样品转台两侧的卡槽内，将两个覆冰模具（凸形套筒）对称放置在待测样品表面上，采用注射器从凸形套筒顶部注入定量水使水充满凸形套筒下部且被海绵吸住不溢出，盖上金属护罩，启动驱动电机使环形水冷盒上升使两个弧形导电体接触两个弹性导电触头，半导体制冷片开始制冷，半导体制冷片的上端为低温端，下端为热端，热端与环形水冷盒接触被循环冷却水带走热量，待覆冰模具内水完全结冰后降下环形水冷盒并启动步进电机，步进电机的转速按预设程序逐渐提高，步进电机的转速信号与金属护罩上的振动传感器信号通过控制器同步传输至电脑，当覆冰模具在离心力的作用下脱离待测样品表面并撞击金属护罩内壁时，振动传感器接收到振动信号，程序自动记录此时步进电机转速，根据覆冰模具总质量、接触面积、旋转半径及脱离时的转速便可计算出待测样品表面冰粘附强度。
实时监控覆冰过程的工作原理如下：将金属斜台放置在样品转台上，将待测样品用导热硅脂黏附在金属斜台上；接着按实验目的调节试验箱温度、湿度，调节雨滴模拟模块的雨滴大小及速度，调节风速风温模拟模块吹出的风速和风温，开启高亮冷光源，通过高速相机图像采集水滴撞击样品表面的实时画面。其中雨滴大小借用标准标尺读数，雨滴撞击速度借助高速相机拍摄到的相邻两帧画面中雨滴位移推算。
本发明具有以下有益效果：1、传统覆冰粘附强度测量装置往往忽略环境温度、湿度的影响，而本发明装置可放置于温度、湿度精确可调的高低温湿热试验箱温度内，实现在线测量覆冰粘附强度，保证测试结果的准确性；2、以离心力法测量冰粘附强度的关键在于测定冰(柱)脱离样品表面时的瞬间转速，通过振动传感器记录覆冰模具从待测样品表面脱离瞬间步进电机瞬时转速来转化计算覆冰强度，相比与现有的测试装置更易于实现，结构更简单；3、本发明覆冰模具为凸型套筒确保重心较低，减少高速旋转过程附加弯矩的影响，下端内部填充吸水海绵，该海绵与待测样品相距较近，但不直接接触，既能确保注入的水不从覆冰模具底部外泄，也能保证水结冰后与待测样品完全接触；4、本发明在样品转台内置制冷片，既能制冷也能加热，既能模拟极低温条件下材料表面结冰过程，也能通过微型功率能表得出不同材料表面结冰、融冰耗能；5、借助高速相机图像采集，本发明实现了实时在线分析温度、湿度、雨滴大小、雨滴撞击速度、风速、风温对待测样品表面水滴结冰时间、冰层厚度、冰粘附强度和融冰能耗的影响，为防覆冰材料研发提供指导。
附图说明
图1是本发明测量装置的立体视图；
图2是本发明离心测试模块的主视图；
图3是图2的A-A视图；
图4是图2的俯视图；
图5是本发明覆冰模具的结构示意图；
图6是本发明风速风温模拟模块的立体视图；
图7是图6的主视图；
图8是本发明覆冰过程实时监控系统的结构示意图；
图9是本发明实施例二不同润湿性材料表面静态水滴结冰时间对比
图10是本发明实施例四不同润湿性材料表面水滴动态结冰实验对比
图中：1-计算机，2-试验箱，3-测量装置，31-固定支架，32-螺杆，33-弧形导电体，34-样品转台，341-上导热板，342-半导体制冷片，343-下导热板，35-金属护罩，36-振动传感器，37-覆冰模具，371-凸形套筒，372-海绵，38-卡槽，39-弹性导电触头，310-环形水冷盒，311-进水口，312-出水口，313-导向杆，314-驱动电机，315-步进电机，316-输出轴，317-导向套，4-冷光源，5-雨滴模拟模块，6-控制器，7-保温盒，8-高速相机图像采集模块，9-风速风温模拟模块，91-翅片壳体，92-水冷盒，93-半导体制冷片，94-风扇，95-引风罩，10-引风管，11-金属斜台。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1-5，本实施例材料表面覆冰强度在线测量装置包括离心测试模块和数据采集模块，所述离心测试模块包括从下至上布置的固定支架31、环形水冷盒310、样品转台34及覆冰模具37，固定支架31上装有升降驱动机构和导向杆313，所述环形水冷盒310上装有与导向杆313配合的导向套317，环形水冷盒310与升降驱动机构连接，固定支架31上还装有步进电机315，步进电机315的输出轴316穿过环形水冷盒310与样品转台34固定连接，样品转台34包括从下至上依次固定连接的下导热板343、半导体制冷片342、上导热板341，下导热板343上装有两个与半导体制冷片342连接的弹性导电触头39，上导热板341顶部沿轴向对称设有两个用于固定待测样品的卡槽38，所述覆冰模具37放置在待测样品表面，所述环形水冷盒310为中空结构，侧壁装有进水管311和出水管312，环形水冷盒310顶部对称地设有两个弧形槽，每个弧形槽内装有一个弧形导电体33，当环形水冷盒310上升时两个弧形导电体33分别接触两个弹性导电触头39使半导体制冷片342通电工作（通过调整接线的正反向切换制冷或制热，正向通电时上端是冷端使覆冰模具37内的水结冰，反向通电时上端是热端使覆冰模具37内的冰融化）；所述数据采集模块包括直径略大于样品转台34的金属护罩35，金属护罩35外壁装有振动传感器36，数据采集模块还包括采集步进电机315转速信号和振动传感器36信号的控制器6，控制器将6将采集的数据传输到计算机1内储存。
所述升降驱动机构包括两台驱动电机314，每台驱动电机314的输出端装有一根螺杆32，所述环形水冷盒310上固定装有与螺杆32配合的螺母，两台驱动电机314同步启动实现环形水冷盒310升降运动。
参见图5，所述覆冰模具37包括凸形套筒371，凸形套筒371底部内腔固定装有一块海绵372，海绵372底端与凸形套筒371底端间距1mm。
参见图8，所述半导体制冷片342的控制回路上装有微型功率表用于测量结冰或融冰的能耗。
参见图8，所述覆冰强度在线测量装置3还包括一个封闭的试验箱2，所述离心测试模块放置在试验箱2内，试验箱2内还装有环境温度和湿度的调节装置（本实施例试验箱选用林频LRHS-225B-LS型，温控范围零下40℃至150℃，温控精度±0.1℃，湿度控制范围20-98%R.H，精度1％R.H），便于在不同环境温度及湿度的条件下，测试样品材料的覆冰粘附强度。
进行覆冰粘附强度测试实验过程中，每次均需观察冰柱是否完整脱离样品，若发现冰柱自身断裂则说明粘附强度大于冰柱自身强度，表示实验数据不准确，则需要更换直径更大的覆冰模具37重新做试验，直至冰柱整体脱离样品。
参见图6-8，本实施例材料表面覆冰过程实时监控系统包括一个封闭的试验箱2，试验箱2内装有上述覆冰强度在线测量装置3拆除金属护罩35和覆冰模具37，测量装置3的样品转台34顶部装有一个金属斜台11，金属斜台11的斜面上可固定待测样品，试验箱2内位于测量装置3上方装有雨滴模拟模块5，试验箱2一侧装有高速相机图像采集模块8，高速相机图像采集模块8的镜头对准待测样品及金属斜台11，试验箱2内相对于高速相机图像采集模块8的另一侧设有高亮冷光源4，高速相机图像采集模块8被包裹在一保温盒7内，保温盒7上位于镜头处装有高透光玻璃，玻璃上铺设有加热电阻丝防止透光玻璃雾化影响成像质量。
所述试验箱2内还装有风速风温模拟模块9，风速风温模拟模块9包括两端开口的矩形翅片壳体91，翅片壳体91外壁装有若干半导体制冷片93，半导体制冷片93外端装有长形水冷盒92，每个长形水冷盒92上设有进水管和出水管，翅片壳体91一端装有风扇94，风扇94外侧装有引风罩95，引风罩95外端装有一根引风管10，引风管10末端朝向所述金属斜台11。
所述引风管10的出风口处装有热敏风速测定仪，热敏风速测定仪与控制器6连接。
所述雨滴模拟模块5包括高度可调的输液瓶，输液瓶底部装有输液管，输液管上装有流量控制阀，雨滴模拟模块5还包括设置在金属斜台11上方的支架，支架上装有与输液管连接的针头。
本实施例中所有半导体制冷片的热端与水冷盒之间以及冷端与散热翅片之间均黏贴有导热硅脂。
实施例二
不同润湿性材料表面静态水滴结冰时间对比
本实例采用实施例一中的在线实时检测系统对比分析了亲水样(CA=80°)、疏水样(CA=140°)和超疏水样(CA=160°)表面水滴静态结冰过程。实验前先将样品固定在样品转台卡槽38上，然后用针头往待测样品表面滴加一滴10μL左右的水滴。试验箱2内温度设为0℃，相对湿度65%，样品转台34温度设定为零下5℃。开始阶段静置水滴均为透明状，随着时间延长，水滴温度开始降低，一旦结冰，液滴就变浑浊，不再透明。由于水在液固两相存在明显的密度差异，液滴完全结冰时会出现明显的体积变化，表现为液滴顶部的突然尖锐化。参见图9，亲水样品表面水滴19秒就完全结冰；疏水材样品表面水滴在2分32秒才开始结冰，完全结冰则需要2分59秒；同等条件下，超疏水材料表面水滴直至8分08秒后才开始出现结冰迹象，完全结冰则需要8分42秒。本实验充分说明，超疏水表面具有较好的防静置水滴结冰性能。
实施例三
不同润湿性材料表面融冰能耗对比
本实例对比分析了亲水样(CA=80°)、疏水样(CA=140°)和超疏水样(CA=160°)表面静置水滴结冰后融冰能耗。先按实例二过程进行静态水滴结冰过程，然后给样品转台34内半导体制冷片342反向通电使其加热冰珠（上端为热端，下端为冷端），记录融冰过程所需的时间以及能耗。每次实验重复三次，以求平均值。如下表所示，对于亲水样品，平均耗时为27s，平均耗电量为0.028Wh；对于疏水样品，平均耗时为56s，平均耗电量为0.049Wh；对于超疏水样品，平均耗时为65s，平均耗电量为0.051Wh。正是由于超疏水样品表面存在的空气层，阻碍了热量的传递，才致使实例二中静置水滴结冰时间的大幅延长。该空气层的存在同样会阻碍融冰阶段基底热量向冰粒方向传递，所以平均用时和平均能耗反而增加。
实施例四
不同润湿性材料表面水滴动态结冰实验对比
本实例对比分析了亲水样(CA=80°)、疏水样(CA=140°)和超疏水样(CA=160°)表面上的动态水滴结冰过程，即将0℃的冰水混合液通过针管不断的滴加到倾斜的样品表面。实验前先将倾斜角为30°的金属斜台11固定在样品转台34上，各接触部分涂抹导热硅脂。试验箱2内环境温度设为零下5℃，相对湿度65%，样品转台34温度设定为零下10℃。然后控制阀门开度调节滴加到样品表面水滴频率。其结果如图10所示，在亲水材料表面，水滴滴落至样品表面后，便被吸附住，随着水滴不断滴下，滞留于表面的水滴体积越来愈大，直至在重力作用下变形，上层向下流动。160秒后下层水滴开始结冰，并逐渐向上扩展，直至340秒亲水样品表面完全被冰覆盖；对于疏水样品，动态水滴结冰过程与亲水样品类似，只是在开始结冰时间和完全被冰覆盖时间上略有区别，分别为268秒和578秒；而对于超疏水材料，水滴动态结冰过程则完全不一样，第一滴水滴落到表面后，会迅速弹开，然后滚落到未处理铜片处，后续水滴连续滚落至此，直至此处水滴开始结冰，并向上延伸，而完全被冰覆盖需1200秒。如若将整个测试面全部超疏水化处理，则可进一步延长测试面完全结冰时间。
Claims (9)
1.材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：包括离心测试模块和数据采集模块，所述离心测试模块包括从下至上布置的固定支架、环形水冷盒、样品转台及覆冰模具，固定支架上装有升降驱动机构和导向杆，所述环形水冷盒上装有与导向杆配合的导向套，环形水冷盒与升降驱动机构连接，固定支架上还装有步进电机，步进电机的输出轴穿过环形水冷盒与样品转台固定连接，样品转台包括从下至上依次固定连接的下导热板、半导体制冷片、上导热板，下导热板上装有两个与半导体制冷片连接的弹性导电触头，上导热板顶部沿轴向对称设有两个用于固定待测样品的卡槽，所述覆冰模具放置在待测样品表面，所述环形水冷盒为中空结构，侧壁装有进水管和出水管，环形水冷盒顶部对称地设有两个弧形槽，每个弧形槽内装有一个弧形导电体，当环形水冷盒上升时两个弧形导电体分别接触两个弹性导电触头使半导体制冷片通电工作；所述数据采集模块包括直径略大于样品转台的金属护罩，金属护罩外壁装有振动传感器，数据采集模块还包括采集步进电机转速信号和振动传感器信号的控制器。
2.根据权利要求1所述的材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：所述升降驱动机构包括两台驱动电机，每台驱动电机的输出端装有一根螺杆，所述环形水冷盒上固定装有与螺杆配合的螺母，两台驱动电机同步启动实现环形水冷盒升降运动。
3.根据权利要求1所述的材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：所述覆冰模具包括凸形套筒，凸形套筒底部内腔固定装有一块海绵，海绵底端与凸形套筒底端间距0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：所述半导体制冷片的控制回路上装有微型功率表用于测量结冰或融冰的能耗。
5.根据权利要求1所述的材料表面覆冰强度在线测量装置，其特征是：所述覆冰强度在线测量装置还包括一个封闭的试验箱，所述离心测试模块放置在试验箱内，试验箱具有温湿度调节功能。
6.材料表面覆冰过程实时监控系统，其特征是：包括一个封闭的试验箱，试验箱内装有权利要求1-5任一项所述的测量装置，所述测量装置不包括覆冰模具及金属护罩，所述测量装置的样品转台顶部放置有一个金属斜台，金属斜台的斜面上可固定待测样品，试验箱内位于测量装置上方装有雨滴模拟模块，试验箱一侧装有高速相机图像采集模块，高速相机图像采集模块的镜头对准待测样品及金属斜台。
7.根据权利要求6所述的材料表面覆冰过程实时监控系统，其特征是：所述试验箱内还装有风速风温模拟模块，风速风温模拟模块包括两端开口的矩形翅片壳体，翅片壳体外壁装有若干半导体制冷片，半导体制冷片外端装有长形水冷盒，每个长形水冷盒上设有进水管和出水管，翅片壳体一端装有风扇，风扇外侧装有引风罩，引风罩外端装有一根引风管，引风管末端朝向所述金属斜台。
8.根据权利要求6所述的材料表面覆冰过程实时监控系统，其特征是：所述引风管的出风口处装有热敏风速测定仪，热敏风速测定仪与控制器连接。
9.根据权利要求6所述的材料表面覆冰过程实时监控系统，其特征是：所述雨滴模拟模块包括高度可调的输液瓶，输液瓶底部装有输液管，输液管上装有流量控制阀，雨滴模拟模块还包括设置在金属斜台上方的支架，支架上装有与输液管连接的针头。
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