CN110721756B - 具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法 - Google Patents

具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法 Download PDF

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CN110721756B CN201911139411.8A CN201911139411A CN110721756B CN 110721756 B CN110721756 B CN 110721756B CN 201911139411 A CN201911139411 A CN 201911139411A CN 110721756 B CN110721756 B CN 110721756B
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Abstract

本发明涉及一种具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法，属于温控实验设备领域。包括圆形旋转平台、加热组件、制冷组件、温控系统、驱动组件和支撑平台。圆形旋转平台用于安装固定试验样品、加载温度梯度、并可实现0~5000r/min的旋转运动。加热组件通过感应加热方式对旋转平台进行加热，制冷组件通过冷却液在旋转平台中心部位制冷，温控系统通过测量旋转平台温度并根据所测温度调整实验台的工作参数，在旋转平台径向上含盖‑20℃~500℃的温度区间，实现从旋转平台中心至边缘温度近似线性变化。可用于液滴与实验样品在不同温度梯度及旋转速度下的冷凝、蒸发及动态撞击等多种实验，具有操作便捷、易于维护、便于观察等优点。

Description

具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法
技术领域
本发明涉及温控实验设备领域，特别涉及一种具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法。可用于液滴与实验样品在不同温度梯度及旋转速度下的冷凝、蒸发及动态撞击等多种实验。在固液接触状态、冷凝传热、集水运输、自清洁材料等研究中具有重要作用。
背景技术
随着科技工业的进步，对材料的表面特性提出了更高的要求，表面科学、流体动力学的研究对实验装备的要求也日益增高。由于实际应用中各种表面存在着旋转运动、温度梯度等特殊情况，而目前的界面研究缺少具有温度梯度控制功能的旋转平台，因此无法充分考虑实际的工况。急需可控温度梯度的旋转平台进行宽温度范围的冷凝、蒸发、离心实验，为观测固液、固气相互作用提供实验基础，对样品材料与表面结构的性能进行观测，在固液接触状态、冷凝传热、集水运输、自清洁材料等研究中具有重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可实现0～5000r/min的旋转运动，并在径向上涵盖-20℃～500℃的温度区间，实现从旋转平台中心至边缘温度近似线性变化。实现旋转运动、温度梯度场的加载。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
具备温度梯度场的高速旋转实验台，包括旋转平台3、驱动组件、加热组件、制冷组件、温控系统和支撑平台11；所述加热组件包括感应线圈电源1、感应线圈2和感应线圈固定座8，感应线圈2通过感应线圈固定座8与感应线圈电源1相连，安装于旋转平台3外侧，通过感应线圈2在旋转平台3外边缘产生涡流，对旋转平台3进行非接触式加热；
所述制冷组件包括制冷管路保温层7、冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、冷却液回流管路20、循环制冷机6，冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、旋转平台3、动力输出轴13、冷却液回流管路20、冷却管路连接法兰17与循环制冷机6构成回路，冷却液往复循环对旋转平台3中心区域制冷；
所述温控系统的四个非接触式温度传感器4等距布置在温度传感器固定支架5上。
所述的感应线圈2采用多匝、半包络式结构，部分线圈固定于旋转平台3外侧，部分固定于旋转平台3边缘的下方，且越靠近旋转平台3中心，线圈线材直径越小。
所述的双螺旋冷却喷头19与冷却管路连接法兰17固连，并与冷却管路进水管18连接，冷却液经双螺旋冷却喷头19与旋转平台3中心区域接触；所述双螺旋冷却喷头19端部伸入到旋转平台3孔径内的环状凹槽内，通过改变冷却液流量，调节对旋转平台3的制冷效果。
所述的旋转平台3上表面沿径向加工有凹槽，在固定试验样品后，动力输出轴13内部仍能保持与大气连通，所述旋转平台3中心下方环形槽外侧，加工有多个T形槽，增加冷却液与旋转平台3的接触面积。所述旋转平台3的下表面加工有斜槽，用于减小由于旋转平台3温度梯度引起的变形。
本发明的另一目的在于提供一种具备温度梯度场的高速旋转实验台的温度控制方法，包括如下步骤：
步骤一、通过工控机输入实验台所要进行试验的实验台中心温度、实验台边缘温度以及转速；
步骤二、设备进行自检，检测步骤一中输入的参数是否合理；温度传感器4、运动控制卡、感应线圈电源1以及循环制冷机6是否正确连接；所有设备是否准备就绪；若存在问题，返回步骤一；
步骤三、以默认工作参数开启感应线圈电源1以及循环制冷机6，读取靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器4温度；
步骤四、当靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器4温度差达到5℃时，实验台开始以设定转速旋转；
步骤五、调整循环制冷机6的目标温度为所设定的实验台中心温度低5℃；逐渐增加感应加热功率，直至温度传感器4的温度T3与步骤一设定的实验台温度的差小于5℃；
步骤六、根据采集实验台测量点的实际温度和实验台中心到边缘温度呈线性分布时各测量点的温度之间的关系，进一步调整实验台的工作参数；温度传感器4采集由实验台中心至边缘的温度分别为T0、T1、T2、T3，取
Figure BDA0002280498360000031
式中，Tx表示通过T0和T3直线插值得到的T1位置温度，Ty表示表示通过T0和T3直线插值得到的T2位置温度；
步骤七、通过比较T0、T1、T2、T3以及Tx、Ty之间的关系，调整工作参数，保证实验台表面温度梯度均匀，重复执行步骤六、步骤七。
步骤一所述的实验台的工作参数包括感应线圈电源1的工作频率、加热功率及循环制冷机6循环流量；所述工作频率的调节范围为10kHz～20kHz，所述加热功率的调节范围为0～5kW，所述循环流量的调节范围为0～20L/min。
本发明的有益效果在于：构思新颖，结构简单，使用方便。具有加热、制冷效率高、温度响应快等优点。可进行不同温度、不同温度梯度下的冷凝、蒸发、离心等实验，用来观测不同材料、不同表面结构的样品的固气、固液动态特性。相比于传统感应加热线圈，本发明采用半包络式感应加热线圈，降低趋肤效应产生的影响，使得温度梯度更为均匀。冷却部分采用双螺旋冷却喷头、利用加工的环形槽，实现了旋转运动与冷却的结合、保证平台稳定性、提高冷却效果，保证驱动系统不受高温的影响。实验平台下方设计仿生环形槽，用于降低实验平台由于温度梯度产生的变形。实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的局部剖视图；
图3为本发明的旋转平台的结构示意图；
图4为本发明的驱动组件的结构示意图；
图5为图2中A处局部放大图；
图6为本发明的感应加热线圈及支架的结构示意图；
图7为本发明的控制系统连接示意图；
图8为本发明的工作流程示意图。
图中：1、感应线圈电源；2、感应线圈；3、旋转平台；4、温度传感器；5、温度传感器固定支架；6、循环制冷机；7、制冷管路保温层；8、感应线圈固定座；9、电机；10、传动组件上盖；11、支撑平台；12、电机轴上法兰；13、动力输出轴；14、输出轴上法兰；15、传动组件下盖；16、电机端主动齿轮；17、冷却管路连接法兰；18、冷却管路进水管；19、双螺旋冷却喷头；20、冷却液回流管路；21、电机固定法兰。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图8所示，本发明的具备温度梯度场的高速旋转实验台及其控制方法，本发明可用于液滴与实验样品在不同温度梯度及旋转速度下的冷凝、蒸发及动态撞击等多种实验，具有操作便捷、易于维护、便于观察等优点。在固液接触状态、冷凝传热、集水运输、自清洁材料等研究中具有重要作用。
参见图1至图8所示，本发明的具备温度梯度场的高速旋转实验台包括旋转平台3、驱动组件、加热组件、制冷组件、温控系统和支撑平台11；所述加热组件包括感应线圈电源1、感应线圈2和感应线圈固定座8，感应线圈2通过感应线圈固定座8与感应线圈电源1相连，安装于旋转平台3外侧，通过感应线圈2在旋转平台3外边缘产生涡流，对旋转平台3进行非接触式加热，使旋转平台3外侧能够达到500℃。
所述制冷组件包括制冷管路保温层7、冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、冷却液回流管路20、循环制冷机6，冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、旋转平台3、动力输出轴13、冷却液回流管路20、冷却管路连接法兰17与循环制冷机6构成回路，冷却液经冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、旋转平台3、动力输出轴13、冷却液回流管路20、冷却管路连接法兰17回到循环制冷机6中，往复循环对旋转平台3中心区域制冷，保证旋转平台中心区域温度能够小于-20℃；
所述温控系统的四个非接触式温度传感器4等距布置在温度传感器固定支架5上。
所述的感应线圈2采用多匝、半包络式结构，部分线圈固定于旋转平台3外侧，部分固定于旋转平台3边缘的下方，且越靠近旋转平台3中心，线圈线材直径越小。使得旋转平台3表面的温度梯度更为均匀。
所述的双螺旋冷却喷头19与冷却管路连接法兰17固连，并与冷却管路进水管18连接，冷却液经双螺旋冷却喷头19与旋转平台3中心区域接触；所述双螺旋冷却喷头19端部伸入到旋转平台3孔径内的环状凹槽内，通过改变冷却液流量，调节对旋转平台3的制冷效果。
所述的旋转平台3上表面沿径向加工有凹槽，在固定试验样品后，动力输出轴13内部仍能保持与大气连通，便于冷却液的快速循环。所述旋转平台3中心下方环形槽外侧，加工有多个T形槽，增加冷却液与旋转平台3的接触面积，减缓冷却液向下方流动速率，提高制冷效果。所述旋转平台3的下表面加工有斜槽，用于减小由于旋转平台3温度梯度引起的变形；所述双螺旋冷却喷头19采用双喷管双螺旋结构，在保证冷却效果的同时，减小运动输出轴13内液体的飞溅，提高旋转平台3运动的稳定性。所述旋转平台3的平台上有螺纹孔，试样可通过螺栓安装固定于旋转平台3上，也可直接粘接于旋转平台3上。
参见图7及图8所示，本发明的具备温度梯度场的高速旋转实验台的温度控制方法，包括如下步骤：
步骤一、通过工控机输入实验台所要进行试验的实验台中心温度、实验台边缘温度以及转速；
步骤二、设备进行自检，检测步骤一中输入的参数是否合理；温度传感器4、运动控制卡、感应线圈电源1以及循环制冷机6是否正确连接；所有设备是否准备就绪；若存在问题，返回步骤一；
步骤三、以默认工作参数开启感应线圈电源1以及循环制冷机6，读取靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器4温度；
步骤四、当靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器4温度差达到5℃时，实验台开始以设定转速旋转；
步骤五、调整循环制冷机6的目标温度为所设定的实验台中心温度低5℃；逐渐增加感应加热功率，直至温度传感器4的温度T3与步骤一设定的实验台温度的差小于5℃；
步骤六、根据采集实验台测量点的实际温度和实验台中心到边缘温度呈线性分布时各测量点的温度之间的关系，进一步调整实验台的工作参数；温度传感器4采集由实验台中心至边缘的温度分别为T0、T1、T2、T3，取
Figure BDA0002280498360000061
式中，Tx表示通过T0和T3直线插值得到的T1位置温度，Ty表示表示通过T0和T3直线插值得到的T2位置温度；
步骤七、通过比较T0、T1、T2、T3以及Tx、Ty之间的关系，按照表1调整工作参数，保证实验台表面温度梯度均匀，重复执行步骤六、步骤七。
步骤一所述的实验台的工作参数包括感应线圈电源1的工作频率、加热功率及循环制冷机6循环流量；所述工作频率的调节范围为10kHz～20kHz，所述加热功率的调节范围为0～5kW，所述循环流量的调节范围为0～20L/min。
实施例：
参见图1所示，本发明的具备温度梯度场的旋转实验台由旋转平台3、驱动组件、加热组件、制冷组件、温控系统和支撑平台11组成。所述加热组件由感应线圈电源1、感应线圈2和感应线圈固定座8组成。圆形的旋转平台用于安装固定试验样品、加载温度梯度、并可实现0～5000r/min的旋转运动。加热组件通过感应加热方式对旋转平台进行加热，制冷组件通过冷却液在旋转平台中心部位制冷，温控系统通过测量旋转平台温度并根据所测温度调整实验台的工作参数，在旋转平台径向上含盖-20℃～500℃的温度区间，实现从旋转平台中心至边缘温度近似线性变化。
参见图6所示，感应线圈2由不同直径的铜棒弯曲制成，焊接于感应线圈固定座8上。感应线圈固定座8与感应线圈电源1通过螺栓固定连接，保持感应线圈2处于旋转平台3的下方和外侧，使得旋转平台3外侧以及下表面的部分区域被感应线圈2包络。感应线圈2与旋转平台3保持3～10mm的间距。感应线圈电源1输出端口与感应线圈固定座8通过螺栓连接，通过控制感应线圈电源1向感应线圈2中通入一定频率的激励电流，对旋转平台3外侧进行非接触式的感应加热。通过改变感应线圈电源1输出脉冲激励的频率和幅值，可改变旋转平台3感应电流的渗透深度及感应加热功率，进而控制旋转平台3的加热功率的分布。
所述制冷组件由制冷管路保温层7、冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、冷却液回流管路20、循环制冷机6组成。冷却管路进水管18、双螺旋冷却喷头19、旋转平台3、动力输出轴15、冷却液回流管路20、冷却管路连接法兰17与循环制冷机9构成回路，冷却液往复循环对旋转平台3中心区域制冷，保证旋转平台中心区域温度能够小于-20℃。
所述旋转平台3的平台上有螺纹孔，实验样品可通过螺栓安装固定于旋转平台3上，也可直接粘接于旋转平台3上，其中实验样品主要为新材料或表面经过处理的基材。所述旋转平台3中心加工有小孔，保证动力输出轴13内部与大气连通，旋转平台3上表面沿径向加工有凹槽，在固定试验样品后，旋转平台3径向的凹槽能够保证动力输出轴13内部仍保持与大气连通，便于冷却液的快速循环。所述旋转平台3中心下方环形槽侧壁外侧，加工有多个T形槽，增加冷却液与旋转平台3的接触面积，减缓冷却液向下方流动速率，提高冷却效果。所述旋转平台3的下表面加工有多个环形倾斜槽，随着距旋转平台3中心距离的减小，槽深逐渐减小，用于减小由于旋转平台3温度梯度引起的变形。所述双螺旋冷却喷头19由两根螺旋状喷管组成，在保证冷却效果的同时，有效减少运动输出轴13内液体的飞溅，提高旋转平台3运动的稳定性。
所述温度传感器4等间距固定于温度传感器固定支架5上，温度传感器固定支架5与支撑平台11通过螺栓固定。通过温度传感器4测量旋转平台3在径向上4点的温度，并通过测量点温度推算理想的线性温度规律，调整加热组件与制冷组件的工作参数，从而控制旋转平台3的温度分布。旋转平台3外圈最高温度可达500℃以上，中心最低温度可达-20℃以下。
所述的温度传感器4为非接触式红外温度传感器且数量为4个。
参见图3至图5所示，所述双螺旋冷却喷头19与冷却管路连接法兰17固连，并与冷却管路进水管18过盈连接，保证冷却液可经喷头与旋转平台3中心区域接触；所述冷却液喷头19端部伸入到旋转平台3孔径内的环形凹槽内，通过改变冷却液流量，进而调节对旋转平台3的制冷效果，调节旋转平台3的温度分布。冷却液回流管路20与冷却管路连接法兰17过盈连接，制冷管路保温层7与冷却管路连接法兰17过盈连接，并将冷却管路进水管18、冷却液回流管路20包裹在内。旋转平台3的下具有外螺纹，与驱动组件的动力输出轴13的内螺纹相连接。
参见图2及图4所示，所述驱动组件放置于支撑平台11上方槽内，并通过螺栓与支撑平台11固连。所述驱动组件由电机9、动力输出轴13、电机端主动齿轮16、输出轴上法兰14、传动组件上盖10、传动组件下盖15、电机轴上法兰12、冷却管路连接17组成。传动组件上盖10与传动组件下盖15通过螺栓连接。电机9与电机固定法兰21通过螺栓固定。电机固定法兰21与传动组件下盖15通过螺栓固定。电机9的输出轴与电机端主动齿轮16激光焊接固连，电机9带动电机端主动齿轮16旋转。所述动力输出轴13为齿轮轴，下端为直径较小的薄壁结构，动力输出轴13下端深入到冷却管路连接法兰17内部，避免冷却液飞溅至驱动组件内部，影响驱动组件内部的润滑。电机端主动齿轮16与动力输出轴13啮合。最终实现旋转平台30～5000r/min的旋转运动。电机轴上法兰12、输出轴上法兰14通过螺栓与传动组件上盖10固连。
所述旋转平台3处于开放环境下，便于实验的进行与观测。滴管可从旋转平台3上方将液滴滴落；观测设备(如高速相机)可布置于实验台外侧，能够直接对实验过程进行观测。
参见图7所示，为实验台各个模块控制系统的连接方式。四个温度传感器4通过数据采集卡连接至工控机上，将温度传感器数据传输至工控机中。感应线圈电源1与循环制冷机6分别与工控机连接，实现对感应加热频率、感应加热功率以及冷却液流量的控制。工控机与运动控制卡连接，电机驱动器与运动控制卡、直流电源以及电机连接，实现对实验台旋转的控制。所有模块通过工控机统一控制。
参见图8所示，通过工控机输入实验台所要进行试验的实验台中心温度、实验台边缘温度以及转速。实验装置经自检，确定输入的参数是否合理；温度传感器4、运动控制卡、感应加热电源1以及循环制冷机6是否正确连接；所有设备是否准备就绪。以默认工作参数开启冷却水泵，开启感应加热电源，对旋转平台3进行加热及冷却。温度传感器4采集由实验台中心至边缘的温度分别为T0、T1、T2、T3。当靠近旋转平台3中心处温度T0与靠近旋转平台3边缘处温度T3温度差超过5℃后，控制实验台以设置的目标转速旋转。调整循环制冷机6的目标温度为所设定的实验台中心温度低5℃。逐渐增加感应加热功率，直至温度传感器T3与步骤一设定的实验台温度差小于5℃。根据表1，进一步调整感应线圈电源1与循环制冷机6的工作参数，使实验台温度梯度更为均匀，旋转平台3径向温度接近于线性变化，其中
Figure BDA0002280498360000091
式中，Tx表示通过T0和T3直线插值得到的T1位置温度，Ty表示表示通过T0和T3直线插值得到的T2位置温度。不断重复采集温度传感器4数据，根据表1对实验台工作参数进行调整。
表1
Figure BDA0002280498360000092
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具备温度梯度场的高速旋转实验台，其特征在于：包括旋转平台(3)、驱动组件、加热组件、制冷组件、温控系统和支撑平台(11)；所述加热组件包括感应线圈电源(1)、感应线圈(2)和感应线圈固定座(8)，感应线圈(2)通过感应线圈固定座(8)与感应线圈电源(1)相连，安装于旋转平台(3)外侧，通过感应线圈(2)在旋转平台(3)外边缘产生涡流，对旋转平台(3)进行非接触式加热；
所述制冷组件包括制冷管路保温层(7)、冷却管路进水管(18)、双螺旋冷却喷头(19)、冷却液回流管路(20)、循环制冷机(6)，冷却管路进水管(18)、双螺旋冷却喷头(19)、旋转平台(3)、动力输出轴(13)、冷却液回流管路(20)、冷却管路连接法兰(17)与循环制冷机(6)构成回路，冷却液往复循环对旋转平台(3)中心区域制冷；
所述温控系统的四个非接触式温度传感器(4)等距布置在温度传感器固定支架(5)上；
所述的感应线圈(2)采用多匝、半包络式结构，部分线圈固定于旋转平台(3)外侧，部分固定于旋转平台(3)边缘的下方，且越靠近旋转平台(3)中心，线圈线材直径越小；
所述的双螺旋冷却喷头(19)与冷却管路连接法兰(17)固连，并与冷却管路进水管(18)连接，冷却液经双螺旋冷却喷头(19)与旋转平台(3)中心区域接触；所述双螺旋冷却喷头(19)端部伸入到旋转平台(3)孔径内的环状凹槽内，通过改变冷却液流量，调节对旋转平台(3)的制冷效果。
2.根据权利要求1所述的具备温度梯度场的高速旋转实验台，其特征在于：所述的旋转平台(3)上表面沿径向加工有凹槽，在固定试验样品后，动力输出轴(13)内部仍能保持与大气连通，所述旋转平台(3)中心下方环形槽外侧，加工有多个T形槽，增加冷却液与旋转平台(3)的接触面积；所述旋转平台(3)的下表面加工有斜槽，减小由于旋转平台(3)温度梯度引起的变形。
3.一种利用权利要求1或2所述的具备温度梯度场的高速旋转实验台实现的具备温度梯度场的高速旋转实验台的温度控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、通过工控机输入实验台所要进行试验的实验台中心温度、实验台边缘温度以及转速；
步骤二、设备进行自检，检测步骤一中输入的参数是否合理；温度传感器(4)、运动控制卡、感应线圈电源(1)以及循环制冷机(6)是否正确连接；所有设备是否准备就绪；若存在问题，返回步骤一；
步骤三、以默认工作参数开启感应线圈电源(1)以及循环制冷机(6)，读取靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器(4)温度；
步骤四、当靠近实验台中心及靠近实验台边缘的温度传感器(4)温度差达到5℃时，实验台开始以设定转速旋转；
步骤五、调整循环制冷机(6)的目标温度为所设定的实验台中心温度低5℃；逐渐增加感应加热功率，直至温度传感器(4)的温度T3与步骤一设定的实验台温度的差小于5℃；
步骤六、根据采集实验台测量点的实际温度和实验台中心到边缘温度呈线性分布时各测量点的温度之间的关系，进一步调整实验台的工作参数；温度传感器(4)采集由实验台中心至边缘的温度分别为T0、T1、T2、T3，取
Figure FDA0004141166700000021
式中，Tx表示通过T0和T3直线插值得到的T1位置温度，Ty表示表示通过T0和T3直线插值得到的T2位置温度；
步骤七、通过比较T0、T1、T2、T3以及Tx、Ty之间的关系，调整工作参数，保证实验台表面温度梯度均匀，重复执行步骤六、步骤七。
4.根据权利要求3所述的具备温度梯度场的高速旋转实验台的温度控制方法，其特征在于：步骤一所述的实验台的工作参数包括感应线圈电源(1)的工作频率、加热功率及循环制冷机(6)循环流量；所述工作频率的调节范围为10kHz～20kHz，所述加热功率的调节范围为0～5kW，所述循环流量的调节范围为0～20L/min。
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