CN113933344B - 一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备，属于材料检测设备技术领域，包括炉体外壳和工业计算机，炉体外壳的内部设有加热系统和温控系统，炉体外壳的上部设有在线图像采集系统，炉体外壳的中下部设有重量采集系统；加热系统、温控系统、在线图像采集系统、重量采集系统均通过数据线与所述工业计算机连接，温控系统包括测温元件和温度控制器；在线图像采集系统包括设置在炉体内腔上方的工业相机。本发明能够解决无机非金属材料在高温条件下难以进行形貌观察的难题，实现在线检测试样在室温到1600℃范围内温度变化过程中的重量变化和形貌变化信息，从而掌握材料在高温下的物性特点，为无机非金属材料的研究和利用提供依据。

Description

一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备

技术领域

本发明涉及材料检测设备技术领域，具体是一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备。

背景技术

高温分解特性、烧结温度、熔化温度等高温性能是无机非金属材料的重要性能参数。然而，受高温条件限制，一些检测设备难以在高温下发挥作用，导致无机非金属材料的这些高温性能难以在线检测。一些无机非金属材料的高温分解特性可以通过差热分析或热重分析等设备进行检测，但由于差热分析设备使用的样品数量仅为几十毫克，而天然的无机非金属矿物等工业原料存在着不均匀问题，导致取样位置对结果存在极大的误差，且差热分析和热重分析设备主要是检测高温下的吸热或放热变化或重量变化，无法获得试样在高温下的形貌变化。此外，为了使得取样有代表性，差热分析的试样需要研磨成细粉，然而一些无机非金属矿物是以颗粒的形式作为原料，研磨为细粉之后破坏了原料的使用状态，获得的测试结果与其实际高温性能存在差别。

一些无机非金属材料的烧结温度和熔化温度分别是通过耐火度设备和熔点仪进行测试分析，这两类设备的共同点是需要将试样研磨成细粉，加入粘结剂后压制成三角锥或圆柱后，在耐火度设备和熔点仪烧结评估获得。耐火材料通常是通过不同颗粒级配制备获得，不同大小的颗粒烧结性能存在差别，研磨成细粉之后测得的耐火度与其实际情况存在比较大的偏差，熔渣和熔盐的熔化温度测试过程用样也都仅有0.1g以下，均存在取样偏差会带来比较大的结果误差问题。此外，这些设备都是仅能获得耐火度和熔化温度数据，无法测试升温过程试样分解温度及重量变化。因此，设计开发一种能够使用大量样品（大于1g）、检测工业产品分解温度、熔化温度、耐火度和重量变化结果的设备至关重要。

公布号为CN 113029807 A的专利文献公开了一种材料高温服役性能检测设备，包括：炉体单元，用于提供对被检测材料进行检测的实验空间；所述炉体单元上设有可视窗口模块，所述可视窗口模块用于提供光学检测单元对被检测材料进行检测的窗口；加热冷却单元，用于加热被检测材料和冷却炉体单元；所述加热冷却单元的冷却模块设置于炉体单元的外侧；载荷单元，用于为被检测材料提供竖向荷载；真空单元，用于将炉体单元的内部空间抽成真空状态；光学检测单元，用于实时检测被检测材料的变化；所述光学检测单元设置于炉体单元的外侧，并与可视窗口模块的高度相匹配；声学检测单元，用于采集检测过程中的声波变化。该发明可以实时直观地观测被检测材料高温服役过程中的变化状态，能够实现材料高温状态下内部微裂纹形成、扩展及颗粒滑移等不可见信息和材料表面宏观应变分布信息的多尺度同步探测分析。但是，该发明无法实现试样重量的在线分析。

公告号为CN 209372206 U的专利文献公开了一种高温检测装置，包括外箱体、内箱体以及称重传感器；称重传感器置于外箱体内部；内箱体置于外箱体内部且置于称重传感器上方；内箱体内部设置有温度传感器，外箱体上设置控制面板；温度传感器以及称重传感器均与控制面板相连接，内箱体内设置有层板托架，层板托架上方设置有加热部件，加热部件为电热管；内箱体内部设置置于层板托架两侧的离心风机，内箱体上方设置有与离心风机相连的电机。该实用新型提供能适用于各种材料及元器件高温适应性试验，能降低热能损耗、有效防止操作人员烫伤、能实时观察记录被检测物质的质量。但是，该高温检测装置的称重传感器设置在内箱外部，不能准确检测试样重量变化，另外，该实用新型无法获取试样形态变化，从而不能解决上述技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提供了一种能够实时获取试样重量变化和形貌变化信息的无机非金属材料用高温性能在线检测设备。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备，包括炉体外壳和工业计算机，所述炉体外壳的内部设有加热系统和温控系统，所述炉体外壳的上部设有在线图像采集系统，所述炉体外壳的中下部设有重量采集系统；所述加热系统、温控系统、在线图像采集系统、重量采集系统均通过数据线与所述工业计算机连接；所述加热系统包括设置在所述炉体外壳内的炉体内腔，以及设置在所述炉体内腔四周的加热元件；所述温控系统包括设置在炉体内腔中上部的测温元件，以及设置在炉体外壳底部的温度控制器；所述在线图像采集系统包括设置在所述炉体内腔上方的工业相机；所述重量采集系统包括设置在所述炉体内腔底部的电子天平，以及设置在所述电子天平上的耐高温坩埚。

进一步的，所述加热元件为电加热管或者电加热丝，所述测温元件为热电偶，所述加热元件和测温元件均与所述温度控制器通过数据线连接，所述温度控制器与所述工业计算机通过数据线连接，用于炉体内腔温度控制和温度数据在线采集。

进一步的，所述工业相机垂直设置于所述耐高温坩埚的正上方，并且通过数据线与所述工业计算机连接，用于耐高温坩埚内试样形貌的在线监控和数据采集。

进一步的，所述耐高温坩埚放置在所述电子天平上，所述电子天平与所述工业计算机通过数据线连接，用于耐高温坩埚内试样重量的实时监控和数据采集。

进一步的，所述电子天平上设置隔热支架，所述耐高温坩埚放置在所述隔热支架上。

进一步的，所述炉体内腔包括加热腔和设备腔，所述加热腔与设备腔之间设有隔热板，所述设备腔内设有电动升降装置，所述电子天平设置在所述电动升降装置上，所述设备腔前侧设有开口，用于取放所述耐高温坩埚。

进一步的，所述隔热板上设有供所述隔热支架伸出的通孔，所述设备腔内还设有若干风冷装置，所述风冷装置设置在隔热板下侧，用于对所述隔热支架和电子天平散热。

进一步的，所述电子天平上涂覆隔热涂层。

本领域现有技术人员在对材料进行高温检测时，由于检测温度过高，需要使用专用的差热分析或热重分析等设备进行检测，但是，无法获得试样在高温下的形貌变化，而且也无法进行大剂量试样的检测，为了解决这个问题，现有技术人员想到的是在炉体上设有可视窗口模块，为了防止高温对称重设备造成损坏，将称重设备设置在加热腔外部，如公告号为CN 113029807 A专利文献公开的一种材料高温服役性能检测设备，包括：炉体单元，用于提供对被检测材料进行检测的实验空间；所述炉体单元上设有可视窗口模块，所述可视窗口模块用于提供光学检测单元对被检测材料进行检测的窗口；加热冷却单元，用于加热被检测材料和冷却炉体单元；所述加热冷却单元的冷却模块设置于炉体单元的外侧；载荷单元，用于为被检测材料提供竖向荷载；真空单元，用于将炉体单元的内部空间抽成真空状态；光学检测单元，用于实时检测被检测材料的变化；所述光学检测单元设置于炉体单元的外侧，并与可视窗口模块的高度相匹配；声学检测单元，用于采集检测过程中的声波变化；公告号为CN 209372206 U专利文献公开的一种高温检测装置，包括外箱体、内箱体以及称重传感器；称重传感器置于外箱体内部；内箱体置于外箱体内部且置于称重传感器上方；内箱体内部设置有温度传感器，外箱体上设置控制面板；温度传感器以及称重传感器均与控制面板相连接，内箱体内设置有层板托架，层板托架上方设置有加热部件，加热部件为电热管；内箱体内部设置置于层板托架两侧的离心风机，内箱体上方设置有与离心风机相连的电机。上述两项专利文献分别解决了试样的可视检测和高温对称重设备影响，但是，这两项专利文献依然存在以下问题：1.试样放置在耐高温坩埚内进行检测时，设置在炉体侧面的可视化模块和光学检测模块无法有效观测到试样全体的变化，得到的检测信息不够准确；2.称重设备设置在内箱体外部，当试样重量较小时，重量变化不易快速获知，检测准确度下降。因此，本申请采用在炉体上部设置工业相机对试样状态进行实时检测，在炉体内腔的内部设置隔热板、隔热支架和升降装置，避免了高温对电子天平的影响，而且实现重量检测准确的技术方案，对本领域技术人员来说是不容易想到和实现的。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明无机非金属材料用高温性能在线检测设备，包括加热系统、温控系统、重量采集系统、在线图像采集系统和控制系统，设备的炉体外壳上部安装有高清工业相机，用于在线图像采集，底部安装有温控系统，与炉体内坩埚上部附近的高精度热电偶和坩埚四周安装加热元件相连接，实现炉内温度的精确调控，坩埚底部安装有高精度电子天平，可以对坩埚内试样重量精密监测，加热系统、温控系统、重量采集系统、在线图像采集系统通过线路与控制系统相连接，可以实现试样自动检测和数据实时采集功能。本发明能够解决无机非金属材料在高温条件下难以进行形貌观察的难题，实现在线检测试样在室温到1600℃范围内温度变化过程中的重量变化和形貌变化信息，从而掌握材料在高温下的物性特点，为无机非金属材料的研究和利用提供依据。

另外，炉体内腔包括加热腔和设备腔，加热组件设置在加热腔四周，使加热腔内均匀快速升温，加热腔与设备腔之间安装隔热板，防止高温对设备腔内的电子天平造成损坏，设备腔内设置电动升降装置，便于取放试样，试样放置在耐高温坩埚后，电动升降装置升高使试样进入加热腔，而隔热支架能够避免电子天平进入加热腔，设备腔内的风冷装置能够降低电子天平和隔热支架的温度，进一步提高电子天平的防护。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图；

图2是本发明实施例二的局部剖视图；

图3是本发明实施例三中固定底座的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例一

如图1所示，一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备，包括炉体外壳1和工业计算机9，所述炉体外壳1的内部设有加热系统和温控系统，所述炉体外壳1的上部设有在线图像采集系统，所述炉体外壳1的中下部设有重量采集系统；所述加热系统、温控系统、在线图像采集系统、重量采集系统均通过数据线与所述工业计算机9连接；所述加热系统包括设置在所述炉体外壳1内的炉体内腔10，以及设置在所述炉体内腔10四周的加热元件2；所述温控系统包括设置在炉体内腔10中上部的测温元件7，以及设置在炉体外壳1底部的温度控制器5；所述在线图像采集系统包括设置在所述炉体内腔10上方的工业相机6；所述重量采集系统包括设置在所述炉体内腔10底部的电子天平4，以及设置在所述电子天平4上的耐高温坩埚3。

具体的，所述加热元件2为电加热管，四个电加热管均匀设置在所述炉体内腔10四周，所述炉体内腔10为微晶陶瓷制成的圆柱形腔室，四个电加热管产生的热量通过微晶陶瓷垂直传热，传热效率高，而且热量集中，对处于炉体内腔10上方的工业相机6影响较小，所述测温元件7为热电偶，所述加热元件2和测温元件7均与所述温度控制器5通过数据线连接，所述温度控制器5与所述工业计算机9通过数据线连接，用于炉体内腔温度控制和温度数据在线采集。

所述工业相机6垂直设置于所述耐高温坩埚3的正上方，并且通过数据线与所述工业计算机9连接，用于耐高温坩埚内试样形貌的在线监控和数据采集。

所述耐高温坩埚3放置在所述电子天平4上，所述电子天平4与所述工业计算机9通过数据线连接，用于耐高温坩埚内试样重量的实时监控和数据采集。

实施例二

如图2所示，本发明实施例的无机非金属材料用高温性能在线检测设备，作为实施例一的进一步改进，其与实施例一的不同之处在于：

所述加热元件为电加热丝，电加热丝环绕设置在所述炉体内腔四周。

所述电子天平4上设置隔热支架11，所述耐高温坩埚3放置在所述隔热支架11上。

所述炉体内腔包括加热腔12和设备腔13，所述加热腔12与设备腔13之间设有隔热板14，所述设备腔13内设有电动升降装置，所述电子天平4设置在所述电动升降装置上，所述设备腔13前侧设有开口，用于取放所述耐高温坩埚3。所述电动升降装置包括电动伸缩杆15，以及设置在所述电动伸缩杆15上端的固定底座16，所述电子天平4固定于所述固定底座16。

所述隔热板14上设有供所述隔热支架11伸出的通孔，所述设备腔13内还设有若干风冷装置17，所述风冷装置17设置在隔热板14下侧，用于对所述隔热支架11和电子天平4散热。所述风冷装置17的数量为1个，所述风冷装置17的出风口水平设置在所述隔热支架11左侧，吹出的风不会对电子天平造成影响，保证重量检测准确性。

本发明实施例的无机非金属材料用高温性能在线检测设备，在检测之前，通过设备腔前侧的开口，将待检测的试样放入耐高温坩埚中，然后控制电动升降装置升高，将所述耐高温坩埚移送至加热腔内，使其在加热腔内进行高温性能在线检测，在室温到1600℃范围内温度变化过程中，实时检测重量变化和形貌变化信息，并且通过工业计算机获得试样分解温度、熔化温度、耐火度和重量变化信息。

实施例三

如图3所示，本发明实施例的无机非金属材料用高温性能在线检测设备，作为实施例二的进一步改进，其与实施例二的不同之处在于：

所述固定底座包括底板18，所述底板18的相对两侧均设置挡板19，两所述挡板19均与所述底板18一体连接，且两所述挡板19和所述底板18内部均设置空腔；两所述挡19板上均设置通孔，两所述通孔内均设置轴承，两所述轴承内设置转筒20，两所述转筒20内均螺纹连接一螺杆21，两所述螺杆21的端部均设置固定块22；两所述转筒20上均设置第一锥形齿轮23，两所述第一锥形齿轮23分别与一第二锥形齿轮组24传动，两所述第二锥形齿轮组24均与第三锥形齿轮组25啮合传动；其中一个所述转筒20的外端设置旋转把手26，两所述第二锥形齿轮组24分别位于两所述挡板19内的空腔中，所述第三锥形齿轮组25位于所述底板18内的空腔中；顺时针拧动所述旋转把手26，两所述螺杆21在重力和转筒内螺纹的反作用力作用下相向移动，从而将电子天平固定在固定底座上。

实施例四

一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备，包括炉体外壳和工业计算机，所述炉体外壳的内部设有加热系统和温控系统，所述炉体外壳的上部设有在线图像采集系统，所述炉体外壳的中下部设有重量采集系统；所述加热系统、温控系统、在线图像采集系统、重量采集系统均通过数据线与所述工业计算机连接；所述加热系统包括设置在所述炉体外壳内的炉体内腔，以及设置在所述炉体内腔四周的加热元件；所述温控系统包括设置在炉体内腔中上部的测温元件，以及设置在炉体外壳底部的温度控制器；所述在线图像采集系统包括设置在所述炉体内腔上方的工业相机；所述重量采集系统包括设置在所述炉体内腔底部的电子天平，以及设置在所述电子天平上的耐高温坩埚。

具体的，所述加热元件为电加热管，四个电加热管分别设置在所述炉体内腔四周，所述炉体内腔为微晶陶瓷制成的圆柱形腔室，四个电加热管产生的热量通过微晶陶瓷垂直传热，传热效率高，而且热量集中，对处于炉体内腔上方的工业相机影响较小，所述测温元件为热电偶，所述加热元件和测温元件均与所述温度控制器通过数据线连接，所述温度控制器与所述工业计算机通过数据线连接，用于炉体内腔温度控制和温度数据在线采集。

所述工业相机垂直设置于所述耐高温坩埚的正上方，并且通过数据线与所述工业计算机连接，用于耐高温坩埚内试样形貌的在线监控和数据采集。

所述耐高温坩埚放置在所述电子天平上，所述电子天平与所述工业计算机通过数据线连接，用于耐高温坩埚内试样重量的实时监控和数据采集。

所述电子天平上设置隔热支架，所述耐高温坩埚放置在所述隔热支架上。

本发明实施例的无机非金属材料用高温性能在线检测设备，与实施例一的不同之处在于：

所述隔热板上涂覆隔热涂层，所述隔热涂层由以下重量份的组份构成：环氧树脂30份，石棉15份，乙二醇20份，纳米氧化锆8份，陶瓷粉8份，聚丙烯酰胺6份，间苯二胺m-PDAMPD0.3份，去离子水10份。制备方法为：

（1） 先将15重量份石棉加入90%硫酸中，搅拌30分钟，过滤备用；

（2） 取30重量份环氧树脂、20重量份乙二醇、6重量份聚丙烯酰胺，10重量份去离子水加入分散机中，在300～500转/分钟的转速状态下分散10～20分钟；

（3） 将8重量份纳米氧化锆，8重量份陶瓷粉和步骤（1）中过滤得到的石棉依次加入分散机中，在800～1000转/分的转速状态下分散15～25分钟，然后加入0.3重量份间苯二胺m-PDA MPD，在225转/分的转速状态下分散均匀，得到隔热涂料。

本发明实施例中，通过上述配方制得的隔热涂层，采用稳态热流法 ASTM D5470，测得导热系数为0.08W/m·K，在1100℃的物体表面涂上8mm厚涂层，物体表面的温度能降低到100℃以内，具有良好的隔热效果。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种无机非金属材料用高温性能在线检测设备，包括炉体外壳和工业计算机，其特征在于：所述炉体外壳的内部设有加热系统和温控系统，所述炉体外壳的上部设有在线图像采集系统，所述炉体外壳的中下部设有重量采集系统；所述加热系统、温控系统、在线图像采集系统、重量采集系统均通过数据线与所述工业计算机连接；所述加热系统包括设置在所述炉体外壳内的炉体内腔，以及设置在所述炉体内腔四周的加热元件；所述温控系统包括设置在炉体内腔中上部的测温元件，以及设置在炉体外壳底部的温度控制器；所述在线图像采集系统包括设置在所述炉体内腔上方的工业相机；所述重量采集系统包括设置在所述炉体内腔底部的电子天平，以及设置在所述电子天平上的耐高温坩埚；

所述加热元件为电加热管，四个电加热管均匀设置在所述炉体内腔四周，所述炉体内腔为微晶陶瓷制成的圆柱形腔室，所述测温元件为热电偶，所述加热元件和测温元件均与所述温度控制器通过数据线连接，所述温度控制器与所述工业计算机通过数据线连接，用于炉体内腔温度控制和温度数据在线采集；

所述工业相机垂直设置于所述耐高温坩埚的正上方，并且通过数据线与所述工业计算机连接，用于耐高温坩埚内试样形貌的在线监控和数据采集；

所述耐高温坩埚放置在所述电子天平上，所述电子天平与所述工业计算机通过数据线连接，用于耐高温坩埚内试样重量的实时监控和数据采集；所述电子天平上设置隔热支架，所述耐高温坩埚放置在所述隔热支架上；

所述炉体内腔包括加热腔和设备腔，所述加热腔与设备腔之间设有隔热板，所述设备腔内设有电动升降装置，所述电子天平设置在所述电动升降装置上，所述设备腔前侧设有开口，用于取放所述耐高温坩埚；所述隔热板上设有供所述隔热支架伸出的通孔，所述设备腔内还设有一个风冷装置，所述风冷装置设置在隔热板下侧，用于对所述隔热支架和电子天平散热，所述风冷装置的出风口水平设置在所述隔热支架左侧；

所述电动升降装置包括电动伸缩杆，以及设置在所述电动伸缩杆上端的固定底座，所述电子天平固定于所述固定底座；所述固定底座包括底板，所述底板的相对两侧均设置挡板，两所述挡板均与所述底板一体连接，且两所述挡板和所述底板内部均设置空腔；两所述挡板上均设置通孔，两所述通孔内均设置轴承，两所述轴承内设置转筒，两所述转筒内均螺纹连接一螺杆，两所述螺杆的端部均设置固定块；两所述转筒上均设置第一锥形齿轮，两所述第一锥形齿轮分别与一第二锥形齿轮组传动，两所述第二锥形齿轮组均与第三锥形齿轮组啮合传动；其中一个所述转筒的外端设置旋转把手，两所述第二锥形齿轮组分别位于两所述挡板内的空腔中，所述第三锥形齿轮组位于所述底板内的空腔中；顺时针拧动所述旋转把手，两所述螺杆在重力和转筒内螺纹的反作用力作用下相向移动，从而将电子天平固定在固定底座上；

所述隔热板上涂覆隔热涂层，所述隔热涂层由以下重量份的组份构成：环氧树脂30份，石棉15份，乙二醇20份，纳米氧化锆8份，陶瓷粉8份，聚丙烯酰胺6份，间苯二胺m-PDAMPD0.3份，去离子水10份；制备方法为：

（1）先将15重量份石棉加入90%硫酸中，搅拌30分钟，过滤备用；

（2）取30重量份环氧树脂、20重量份乙二醇、6重量份聚丙烯酰胺，10重量份去离子水加入分散机中，在300～500转/分钟的转速状态下分散10～20分钟；

（3）将8重量份纳米氧化锆，8重量份陶瓷粉和步骤（1）中过滤得到的石棉依次加入分散机中，在800～1000转/分的转速状态下分散15～25分钟，然后加入0.3重量份间苯二胺m-PDA MPD，在225转/分的转速状态下分散均匀，得到隔热涂料。