CN112345438A - 一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置，包括：内部形成有供容纳样品的空间的箱体，箱体的一侧设置有能开启或密封空间的箱门，且箱体的顶部设置有透明的观察窗；设于箱体内的控制器；设于箱体内并与控制器电连接的各传感器，至少包括有温度传感器、湿度传感器、二氧化硫浓度传感器；设于箱体内并与控制器电连接的各执行器；以及与控制器电连接且供输入参数数值的控制面板；控制器以使各传感器监测到的数值等于输入的对应的参数数值的方式来控制各执行器。由此能设置多个可调控参数，实现多因素耦合作用下石窟文物的风化试验，密闭空间能保证试验不受到外界的干扰影响，同时能够通过观察窗实时观测过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置，用于模拟多因素耦合作用下的石窟文物风化试验，属于文化遗产保护设备技术领域。
背景技术
中华民族在悠久历史中创造并保留了大量灿烂辉煌的文化遗产，石窟文物无论是从数量还是保存价值而言均占有重要地位。但石窟文物长期以来一直暴露在室外环境下，与外界众多自然因素相互作用，遭受了不可逆转的风化侵蚀作用，产生了不同层度、多种类型的风化病害，整体结构发生了显著变化，石窟原有的艺术色彩已不复存在。
造成石窟风化的自然因素众多，加上岩石自身性质的多样性，导致其风化机理尚不明确，风化主控因子依然不明。因此，依据石窟现场环境开展模拟风化研究具有重要意义。实验室的模拟风化试验可以在较短时间内模拟石窟长期风化的过程，是学者们研究其风化机理的有效方法，这一过程通常需要借助相应的多功能环境模拟试验装置来完成。但由于装置的局限性，针对石窟风化的机理研究仍停留在单一因素或两个因素下，难以真正实现多因素耦合作用下石窟文物的模拟风化试验。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置，包括：
内部形成有供容纳样品的空间的箱体，所述箱体的一侧设置有能开启或密封所述空间的箱门，且所述箱体的顶部设置有透明的观察窗；
设于所述箱体内的控制器；
设于所述箱体内并与所述控制器电连接的各传感器，至少包括有温度传感器、湿度传感器、二氧化硫浓度传感器等；
设于所述箱体内并与所述控制器电连接的各执行器，至少包括有温湿度调节设备、二氧化硫进气装置、二氧化碳进气装置及二氧化氮进气装置；以及
与所述控制器电连接且供输入参数数值的控制面板；
所述控制器以使各传感器监测到的数值等于输入的对应的参数数值的方式来控制各执行器。
本发明的装置能设置包括温度、湿度、二氧化硫浓度、二氧化碳浓度和二氧化氮浓度在内的多个可调控参数，能够模拟石窟现场的复杂环境，实现多因素耦合作用下石窟文物的风化试验。控制器、各传感器及各执行器均设置在箱体内的密闭空间中，保证试验达到所需要求，且不会受到外界的干扰影响。与此同时，能够通过观察窗实时观测箱体内样品的风化过程。
也可以是，本发明还包括设于所述箱体顶部位于所述观察窗处附近的照明装置，所述照明装置发出的光线能穿过所述观察窗并照亮所述箱体内部的空间。由此，便于通过观察窗实时观测箱体内样品的风化过程。
也可以是，所述箱门和所述观察窗均为双层中空钢化玻璃结构。由此，使观察窗和箱门这种需要在箱体上开洞口的位置也具有良好的隔热隔音效果，避免外界的干扰影响。
也可以是，所述箱门的边缘设置有硅橡胶圈。由此，能确保关闭箱门时，箱体的内部是一个密闭的空间。
也可以是，所述箱体在设置有所述箱门的侧面上形成有向外凸出于该侧面且开口朝上的水槽，所述水槽设置于所述箱门的下方，且所述水槽的长度不小于所述箱门的宽度。由此，当箱门未正常关闭导致箱体内的液体从箱门处溢出时，液体能够直接流入水槽中积存，避免污染箱体和地面。
也可以是，所述温湿度调节设备包括设置于所述箱体顶部且供加热所述箱体内部的空间的电加热装置，所述电加热装置设置于所述观察窗的周围。由此，能够避免内部相对湿度过高时产生凝露现象而影响从观察窗进行实时观测的效果。
也可以是，所述温湿度调节设备包括设于所述箱体内部的空间中靠近顶部处且供喷淋液体的喷淋装置。由此，能使液体充分且均匀地喷淋至试验样品表面。
也可以是，所述温湿度调节设备包括设置于所述箱体外部并与所述箱体内部的空间连通的制冷除湿装置，所述制冷除湿装置包括相互连接的压缩机、蒸发器和干燥过滤器。由此，能实现对空间环境的降温和除湿，且由于制冷除湿装置以分体式软连接的方式与箱体连接，还能减少地面震动对试验的影响。
也可以是，所述二氧化硫进气装置、二氧化氮进气装置及二氧化碳进气装置上各自均设置有气体流量计，且所述二氧化氮进气装置上还设有二氧化氮进气时间控制器，所述二氧化碳进气装置上还设有二氧化碳进气时间控制器。由此，能够获取的气体的流入量和进气时间，并以此计算出各气体的进气速率。
也可以是，本发明还包括设置于所述箱体外部并与所述箱体内部的空间连通的尾气处理设备，所述尾气处理设备包括内部中空且积留有氢氧化钠溶液的积水筒和设置于所述积水筒内且位于所述氢氧化钠溶液上方的活性炭过滤网，以使试验后的尾气经所述氢氧化钠溶液和所述活性炭过滤网净化处理再排放。由此，避免试验对环境的污染。
针对石窟文物室内风化试验结果难以解释岩石的动态风化过程这一问题，本发明设置了多个可观测角度，包括钢化玻璃箱门和顶部双层中空玻璃观察窗，并将制冷除湿装置与箱体分离地设置，减少地面震动，实现岩石模拟风化过程的动态精细监测。
附图说明
图1是本发明一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置的立体结构图；
图2是本发明一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置中箱体的俯视图；
符号说明：
1-箱体；2-总开关；3-箱门；4-观察窗；5-水槽；6-喷淋装置；7-喷淋开关；8-照明开关；9-控制面板；10-进气量控制装置；11-进气时间控制装置；12-气体流量计；13-通讯接口；14-压缩机；15-蒸发器；16-干燥过滤器；17-自动报警器；18-积水筒；19-阀门；20-过滤结构；21-排气管；22-电加热装置；23-照明装置。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解为，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
参见图1，图1是本发明一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置的立体结构图。本发明的一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置用于对包括岩石、文物等的样品模拟石窟现场的复杂环境。本装置具备箱体、控制系统及尾气处理设备。其中，箱体1内部形成容纳样品的空间，大小为400*500*500mm3，由此可放置一定数量的试验样品。另外，箱体1的内外层材料优选采用耐腐蚀性强的进口聚氯乙烯（PVC）塑料。
进一步结合图2所示，图2是本发明一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置中箱体的俯视图。该箱体1的一个侧面设有可开合的箱门3，顶部设有观察窗4，该箱门3和观察窗4均为透明玻璃以便观察箱体1内部的情况，且优选采用双层中空钢化玻璃，从而能起到良好的隔热隔音效果。箱门3的边缘设置有硅橡胶圈，从而确保关闭箱门时，箱体1的内部是一个密闭的空间。箱门3的底部与箱体1的底部之间留有一定的间距。箱体1在设置有箱门3的侧面上形成有向外凸出于该侧面且开口朝上的水槽5，该水槽5设置于箱门3的下方，且水槽5的长度不小于箱门3的宽度，从而当箱门3未正常关闭或凝露现象导致箱体1内的液体从箱门3处溢出时，液体能够直接流入水槽5中积存，避免污染箱体和地面。箱体1在该观察窗4附近还设有照明装置23，所述照明装置23为LED照明灯23，本发明不限定照明装置23的具体结构及安装位置，只要能使光线能穿过观察窗并照亮箱体1内空间，并能从外部清楚地观察到室内的试验状况即可。箱体1在设有箱门的侧面的位于箱门右上方处设置有照明开关8，该照明开关8与照明装置23电连接且用于开启/关闭该照明装置23。
箱体1在设有箱门的侧面的位于箱门上方处还设置有供开启/关闭后述的控制系统的总开关2、供开启/关闭后述的喷淋装置6的喷淋开关7、以及自动报警器17。该喷淋开关7设置于照明开关8的旁边，自动报警器17设置于总开关2的上方。当试验过程中出现过载、水位不足、风机过热、漏电等故障时，自动报警器17进行报警，且后述的控制系统自动关闭以防事故发生。
本装置还具备与总开关2电连接的控制系统，包括设于箱体1内的未图示的控制器、设于箱体1内且与控制器电连接的各种传感器和各种执行器、以及与控制器电连接的控制面板9。本发明中，为了模拟石窟现场的复杂环境，各种传感器至少包括有：温度传感器、湿度传感器、二氧化硫浓度传感器、二氧化碳浓度传感器及二氧化氮浓度传感器，分别用于监测对应的参数。各种执行器至少包括有：温湿度调节设备、二氧化硫进气装置、二氧化碳进气装置、以及二氧化氮进气装置。优选地，控制器采用PLC电气控制器，控制面板9为PLC触摸控制屏。该控制面板9设置在箱体1上设置有箱门3的侧面上且位于箱门3的左上方的位置，用以输入和设定试验参数数值，输入至控制面板9的参数数值在控制系统启动后传输至控制器，并被发送至对应的各传感器。且，控制器还与一通讯接口13连接，该通讯接口13位于同箱门3一侧的右上方。该通讯接口13可以是USB接口，用于与外部连接，从而导出试验参数数值。其中，本实施形态中的试验参数及其可调范围如下：温度的可调范围是10℃~50℃，湿度（相对湿度）的可调范围是40%~90%，二氧化硫、二氧化碳及二氧化氮浓度的可调范围是10ppm~300ppm，以及有无喷淋。除此之外，控制器还与连通于箱体1内部空间的空气压缩装置（未图示）电连接，控制面板9还能够用于输入尾气处理指令并将该指令发送至控制器，从而与后述的尾气处理装置配合进行尾气处理。
温湿度调节设备包括设置于箱体1内部未图示的电加热丝、箱体1顶部包裹在观察窗4周围的电加热装置22、设置于箱体1外部的同时与箱体1内部连通的制冷除湿装置、以及设置于箱体1内未图示的加湿器。未图示的电加热丝用于加热箱体1内部的空间，电加热装置22用于加热观察窗，能够避免内部相对湿度过高时产生凝露现象而影响从观察窗4进行实时观测的效果。该电加热装置22优选采用电加热管，且进一步地，最佳是采用钛金属加热管。制冷除湿装置包括相互连接的压缩机14、蒸发器15和干燥过滤器16，通过压缩机14、蒸发器15和干燥过滤器16实现制冷和除湿功能是现有技术，因而此处不再赘述。蒸发器15优选采用钛金属加热管。该制冷除湿装置以分体式软连接的方式与箱体1连接，从而能减少制冷除湿引起的地面震动对试验的影响。
本装置还具备用于对试验样品喷淋液体以模拟降雨过程的喷淋装置6，该喷淋装置6设置于箱体1内的靠近顶部处，喷淋速率为3L/min。且进一步地，该喷淋装置6的喷淋方向可调，从而能使液体充分且均匀地喷淋至试验样品表面。喷淋装置6与前述的喷淋开关7电连接，通过喷淋开关7控制喷淋装置6的开启/关闭。
二氧化硫进气装置、二氧化氮进气装置及二氧化碳进气装置与箱体1的内部空间连通，分别用于向箱体1内部空间供给二氧化硫、二氧化氮及二氧化碳。该二氧化硫进气装置、二氧化氮进气装置及二氧化碳进气装置上各自均设置有气体流量计12，用以监测三种气体的流入量。此外，主箱体右上方还设有进气量控制装置10和进气时间控制装置11，从而前述的控制器能够根据获取的气体的流入量和进气时间计算出各气体的进气速率。
在使用本装置时，向控制面板输入试验所需的参数及数值，控制面板将参数数值发送至控制器，控制器收集来自各传感器的信息，并基于此对各执行器进行控制。具体而言，当温度传感器监测到的当前温度低于所需的温度数值，则控制器开启或调大电加热装置且/或关闭或调小制冷除湿装置；反之，当温度传感器监测到的当前温度高于所需的温度数值，则控制器开启或调大制冷除湿装置且/或关闭或调小电加热装置，直至温度传感器监测到的当前温度等于所需的温度数值。同理，当湿度传感器监测到的当前湿度低于所需的湿度数值，则控制器启动加湿器且/或关闭或调小制冷除湿装置；反之，当湿度传感器监测到的当前湿度高于所需的湿度数值，则控制器开启或调大制冷除湿装置且/或关闭加湿器，直至湿度传感器监测到的当前湿度等于所需的湿度数值。当二氧化硫/二氧化氮/二氧化碳浓度传感器检测到的当前气体浓度低于所需的对应气体浓度数值，则控制器开启或调大对应的二氧化硫/二氧化氮/二氧化碳进气装置；反之，当二氧化硫/二氧化氮/二氧化碳浓度传感器检测到的当前气体浓度高于所需的对应气体浓度数值，则关闭或调小对应的二氧化硫/二氧化氮/二氧化碳进气装置，直至二氧化硫/二氧化氮/二氧化碳浓度传感器检测到的当前气体浓度等于所需的对应气体浓度数值。
本装置还包括设于所述箱体外部的尾气处理设备，用于针对试验后残余的酸性腐蚀气体（即尾气），通过氢氧化钠溶液和活性炭过滤器处理后经排气管送至室外，避免对大气环境造成污染。该尾气处理设备包括内部中空且积留有氢氧化钠溶液的积水筒18、连通箱体1和积水筒18的通路、设置于该通路上的阀门19、设置于积水筒18内且位于氢氧化钠溶液上方的活性炭过滤网20和设置于积水筒18的顶部的排气管21。试验过程中保持阀门19开启状态，试验结束后，通过控制面板9输入尾气处理指令，则控制器接收到尾气处理指令后控制空气压缩装置并将外界空气压缩后导入箱体1内，从而将残留的尾气压入积水筒18内，尾气通过积水筒18内的氢氧化钠溶液和活性炭过滤网20净化处理后，经排气管21排至室外，避免了直接排放对环境的污染。其中，阀门19的材料优选采用耐腐蚀的PVC塑料。
作为一较佳的实施方式，上述的箱体1和尾气处理设备置于一承托板之上，且该承托板的底部设有脚轮，从而便于本装置的移动同时减少地面震动对箱体1内的试验的干扰。
目前，多功能环境模拟试验装置主要以工程应用环境为基础，为工业材料、建筑材料及有关工程试件提供了多种工况下的腐蚀耐久性能测试，但类似的装置在文物保护领域鲜有应用，尤其是用于多因素耦合作用下的石窟文物风化机理研究。而针对这一问题，本发明能设置包括温度、湿度、二氧化硫浓度、二氧化碳浓度、二氧化氮浓度和有无喷淋在内的多个可调控参数，用于模拟石窟现场的复杂环境。同时，本发明设置了多个可观测角度，包括钢化玻璃箱门和顶部双层中空玻璃观察窗，并将制冷除湿装置单独放置，减少地面震动。此外，还可结合现有技术的岩石微观变形非接触测量系统，可在不影响试验正常进行的前提下，通过顶部观察窗实现岩石模拟风化过程的动态精细监测。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，包括：
内部形成有供容纳样品的空间的箱体，所述箱体的一侧设置有能开启或密封所述空间的箱门，且所述箱体的顶部设置有透明的观察窗；
设于所述箱体内的控制器；
设于所述箱体内并与所述控制器电连接的各传感器，至少包括有温度传感器、湿度传感器、二氧化硫浓度传感器、二氧化碳浓度传感器及二氧化氮浓度传感器；
设于所述箱体内并与所述控制器电连接的各执行器，至少包括有温湿度调节设备、二氧化硫进气装置、二氧化碳进气装置及二氧化氮进气装置；以及
与所述控制器电连接且供输入参数数值的控制面板；
所述控制器以使各传感器监测到的数值等于输入的对应的参数数值的方式来控制各执行器。
2.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，还包括设于所述箱体的位于所述观察窗处的照明装置，所述照明装置发出的光线能穿过所述观察窗并照亮所述箱体内部的空间。
3.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述箱门和所述观察窗均为双层中空钢化玻璃结构。
4.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述箱门的边缘设置有硅橡胶圈。
5.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述箱体在设置有所述箱门的侧面上形成有向外凸出于该侧面且开口朝上的水槽，所述水槽设置于所述箱门的下方，且所述水槽的长度不小于所述箱门的宽度。
6.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述温湿度调节设备包括设置于所述箱体顶部且供加热所述箱体内部的空间的电加热装置，所述电加热装置设置于所述观察窗的周围。
7.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述温湿度调节设备包括设于所述箱体内部的空间中靠近顶部处且供喷淋液体的喷淋装置。
8.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述温湿度调节设备包括设置于所述箱体外部并与所述箱体内部的空间连通的制冷除湿装置，所述制冷除湿装置包括相互连接的压缩机、蒸发器和干燥过滤器。
9.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，所述二氧化硫进气装置、二氧化氮进气装置及二氧化碳进气装置上各自均设置有气体流量计、进气量控制装置和进气时间控制装置。
10.根据权利要求1所述的可实时观测的多功能环境模拟试验装置，其特征在于，还包括设置于所述箱体外部并与所述箱体内部的空间连通的尾气处理设备，所述尾气处理设备包括内部中空且积留有氢氧化钠溶液的积水筒和设置于所述积水筒内且位于所述氢氧化钠溶液上方的活性炭过滤网，以使试验后的尾气经所述氢氧化钠溶液和所述活性炭过滤网净化处理再排放。
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