CN114486699B - 一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，降雨系统在电控配电系统的控制下模拟降雨情景，风系统在电控配电系统的控制下模拟刮风情景，能够模拟不同风速、降雨强度环境条件，实现足尺试样或较大尺度试验在舱体模拟不同赋存冬季环境条件，最大程度的利用设备较准确地仿真或还原冬季气候条件，全面揭示试样在不同冬季条件环境的侵蚀作用机制，量化捕捉试样侵蚀病害发育、材料老化失效全过程。

Description

一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体

技术领域

本发明涉及环境试验技术及文物保护技术领域，特别是涉及一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体。

背景技术

中国境内石窟寺与土遗址等不可移动文物种类丰富、数量繁多，生动再现了中华文明的发展历程，是中国物质文化遗产中十分重要的实物资料和艺术瑰宝。长期以来，中国在石窟寺、壁画、土遗址等文物保护领域的研究处于抢救性保护阶段。随着中国研究机构的科研投入和科学管理，部分遗址逐渐由抢救性保护阶段向预防性保护阶段转变，取得了众多研究成果。但由于试验条件的限制，无法实现真实环境的足尺、多因素耦合的环境模拟试验，阻碍了文物病害机理、材料老化和措施有效评价研究、保护技术的推广和应用。

近年来，学界更多关注赋存环境与遗址病害发育过程、材料老化、加固措施有效性评价的研究，特别是风沙、降雨环境对遗址影响更为显著，更多研究还处于对小型试验或现场不均衡模拟实验，无法实现刮风、降雨条件室外文物面临风沙侵蚀、雨水冲蚀、渗透、软化、干缩开裂等多因素耦合和尺寸效应影响，室内小型试验和现场非标准模拟实验结果与实际情况差异较大，足尺仿真物理模拟实验刚刚起步，特别是强降雨作用下遗址全生命周期损伤状态测试方法、模型构建、量化表征等相关工作均未开展，很大程度上，自然界中降雨因子受降雨强度、降雨时长、雨滴速度、雨滴大小、风速等因素的影响，过程中以上变量均不可控，时间更不可控，实验不可重复，每种因素均对破坏方式与程度有一定影响。因此，急需一种能够模拟足尺试验在不同风雨环境条件，特别是可重复可控制的风雨强度作用下捕捉试样病害发生、发展过程、保护措施失效和材料耐久性评估的装置，对进一步研究病害特征与赋存环境关系、雨水冲蚀和风磨蚀循环作用下遗址劣化机制以及保护材料与工艺适用性和耐久性研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，能够模拟不同风速、降雨强度环境条件，实现足尺试样或较大尺度试验在舱体模拟不同赋存冬季环境条件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，所述装置包括：风雨舱、降雨系统、风系统和电控配电系统；

所述风雨舱为密闭腔体，降雨系统和风系统均设置在风雨舱的内部；

降雨系统与电控配电系统连接，降雨系统用于在电控配电系统的控制下模拟降雨情景；

风系统与电控配电系统连接，风系统用于在电控配电系统的控制下模拟刮风情景。

可选的，所述降雨系统包括：电机、可移动的降雨机构和多组降雨喷头；

多组降雨喷头均设置在可移动的降雨机构上；

每组降雨喷头包括4个大小不同的喷头，4个大小不同的喷头分别用于模拟4种不同的降雨量；

所述可移动的降雨机构的驱动端与电机的驱动轴连接。

可选的，所述可移动的降雨机构包括：方形钢桁架、圆柱钢桁架、多个钢桁架支架、多个导轨、多个降雨头连接板和多个限位开关组；

每个钢桁架支架的两端分别连接方形钢桁架和圆柱钢桁架；多个导轨分别一一对应地设置在多个钢桁架支架上，多个降雨头连接板分别一一对应地设置在多个导轨上，多组降雨喷头分别一一对应地设置在多个降雨头连接板上；

多个限位开关组分别一一对应地设置在多个导轨上；每个限位开关组包括两个限位开关，每个限位开关组中的两个限位开关分别设置在一个导轨的两端；

每个降雨头连接板可移动的设置在导轨上；

多个降雨头连接板的驱动端均与电机的驱动轴连接，降雨头连接板用于在电机的驱动下带动降雨喷头在导轨上移动。

可选的，所述风系统包括：轴流风机、风速传感器和可移动升降架；

轴流风机设置在可移动升降架上；风速传感器设置在轴流风机的出风口处；

轴流风机与电控配电系统连接，所述轴流风机用于按照电控配电系统预设的风速值产生气流；

所述可移动升降架用于调节轴流风机的高度，模拟不同的来风角度；

风速传感器的信号输入端与电控配电系统连接，电控配电系统用于获取风速传感器测量的轴流风机出风口的气流的风速，并根据测量的风速控制所述轴流风机产生的气流的风速，进而模拟风速。

可选的，所述风雨舱包括：舱板、墙体、舱门和顶棚；

舱板设置在墙体的内壁上；

所述舱板包括内层舱板、保温板和外层舱板；保温板设置在内层舱板和外层舱板之间。

可选的，所述装置还包括：空调系统；

所述空调系统包括空调箱和间冷系统；

空调箱和间冷系统均与电控配电系统连接，所述电控配电系统用于控制空调箱和间冷系统使风雨舱内部的温度调节至预设温度。

可选的，所述间冷系统包括：一次侧制冷回路、蒸发器和二次侧制冷回路；

所述一次侧制冷回路的两端与蒸发器的一次侧盘管的两端首尾连接；

所述二次侧制冷回路的空气进风口和空气出风口分别与风雨舱连接，所述二次侧制冷回路的制冷剂出口和制冷剂入口分别与蒸发器的二次侧盘管的两端连接；

所述一次侧制冷回路与电控配电系统连接，所述一次侧制冷回路用于产生低温制冷剂液体，并将所述低温制冷剂液体按照所述电控配电系统控制的低温制冷剂流量传输至蒸发器的一次侧盘管；

所述二次侧制冷回路与电控配电系统连接，所述二次侧制冷回路用于与风雨舱进行热交换，输出高温制冷剂，并将高温制冷剂按照所述电控配电系统控制的高温制冷剂流量传输至蒸发器的二次侧盘管；

所述蒸发器的二次侧盘管用于将蒸发器的二次侧盘管中的高温制冷剂与蒸发器的一次侧盘管中的低温制冷剂液体进行热交换，降低蒸发器的二次侧盘管中的高温制冷剂的温度，并将降低温度后的高温制冷剂传输至所述二次侧制冷回路。

可选的，所述一次侧制冷回路包括：压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、第一温度传感器和第一制冷剂；

压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器的一次侧盘管依次首尾连接；第一温度传感器设置在蒸发器的一次侧盘管上；

所述第一温度传感器的信号输出端与电控配电系统连接，所述电控配电系统用于根据所述第一温度传感器测量的蒸发器的一次侧盘管的温度输出一次侧制冷剂流量控制指令；

所述压缩机用于将蒸汽状态下的第一制冷剂加速后转化为高温高压的液体制冷剂；

所述冷凝器用于释放高温高压的液体制冷剂的热量，获得低温高压的液体制冷剂；

所述电子膨胀阀的控制端与电控配电系统连接，所述电子膨胀阀的输出端与蒸发器的一次侧盘管的一端连接，所述电子膨胀阀用于对低温高压的液体制冷剂进行降压，根据电控配电系统输出的一次侧制冷剂流量控制指令调节流经电子膨胀阀的降压后的液体制冷剂的流量，并将流出的制冷剂传输至蒸发器的一次侧盘管。

可选的，所述二次侧制冷回路包括：电动调节阀、空气换热器、第二温度传感器和第二制冷剂；

蒸发器的二次侧盘管、空气换热器的制冷剂输入端、空气换热器的制冷剂输出端和电动调节阀依次首尾连接；空气换热器的进风口和出风口分别与风雨舱连接；第二温度传感器设置在风雨舱的内部；

所述第二温度传感器的信号输出端与电控配电系统连接，电控配电系统用于根据所述第二温度传感器测量的风雨舱内部的温度输出二次侧制冷剂流量控制指令；

所述空气换热器用于将蒸发器的二次侧盘管传输的低温状态的第二制冷剂与风雨舱内部的空气进行热交换，输出第二高温制冷剂；

所述电动调节阀的控制端与电控配电系统连接，所述电动调节阀用于根据电控配电系统输出的二次侧制冷剂流量控制指令调节流经电动调节阀的第二高温制冷剂的流量，并将流出的第二高温制冷剂传输至蒸发器的二次侧盘管。

可选的，所述装置还包括：加湿系统；

加湿系统与电控配电系统连接，所述加湿系统用于在电控配电系统的控制下使风雨仓内部的湿度调节至预设湿度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，降雨系统在电控配电系统的控制下模拟降雨情景，风系统在电控配电系统的控制下模拟刮风情景，能够模拟不同风速、降雨强度环境条件，实现足尺试样或较大尺度试验在舱体模拟不同赋存冬季环境条件，最大程度的利用设备较准确地仿真或还原冬季气候条件，全面揭示试样在不同冬季条件环境的侵蚀作用机制，量化捕捉试样侵蚀病害发育、材料老化失效全过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体的系统结构图；

图2为本发明提供的可移动的降雨机构的结构图；

图3为本发明提供的风系统的结构连接图；

图4为本发明提供的间冷系统的结构图；

图5为本发明提供的空调箱的结构图；

图6为本发明提供的加湿系统的结构连接图。

符号说明：1风雨舱，2电控配电系统，3电路保护系统，4控制及反馈系统，5空调系统，6风系统，6-1轴流风机，6-2风速传感器，6-3可移动升降架，7降雨系统，8加湿系统，9冷冻机组，10空调箱，10-1空调进风口，10-2排水管，10-3电加热器，10-4温度保护器，10-5热交换器，10-6空调风机10-7加湿喷管，10-8空调出风口，11间冷系统，11-1压缩机，11-2冷凝器，11-3电子膨胀阀，11-4蒸发器，11-5电动调节阀，11-6空气换热器，11-7循环风机，12纯水系统，12-1原水箱，12-2原水泵，12-3机械过滤器，12-4活性炭过滤器，12-5软水器，12-6离子交换器，12-7纯水箱，12-8温控器，12-9纯水泵，12-10电子流量计，12-11降雨喷嘴，13降雨机构，13-1方形钢桁架，13-2导轨，13-3降雨头连接板，13-4降雨喷头。

具体实施方式

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。

本发明的目的是提供一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，能够模拟不同风速、降雨强度环境条件，实现足尺试样或较大尺度试验在舱体模拟不同赋存冬季环境条件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

目前，刮风、降雨气候条件对遗址侵蚀作用多以野外监测、开展室内小尺寸干湿循环实验为主，全面呈现遗址本体受自然环境全生命周期各种劣化损伤状态，深入分析不同阶段和节点的物理、化学、生物和水理性质变化，科学剖析不同阶段文物损伤特征、病害成因与侵蚀机制，是病害机理、保护技术、保护材料、保护工程等其他各种研究的基础。研发适合文化遗产不同残损状态与阶段检测、监测评估方法与装备，全面揭示赋存环境与病害孕育-诱发-发展-加速不同阶段的关联关系，特别是风雨作用下的病害发展发育与材料失效作用机制，是文物本体病害发育机制与加固材料与工艺失效评价的关键节点问题。

为了模拟不同风速、降雨强度环境条件，实现足尺试样或较大尺度试验在舱体模拟不同赋存冬季环境条件，最大程度的利用设备较准确地仿真或还原冬季气候条件，本发明提供了一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，如图1所示，装置包括：风雨舱1、降雨系统7、风系统6和电控配电系统4。

风雨舱1为密闭腔体，降雨系统7和风系统6均设置在风雨舱1的内部。降雨系统7与电控配电系统4连接，降雨系统7用于在电控配电系统4的控制下模拟降雨情景。风系统6与电控配电系统4连接，风系统6用于在电控配电系统4的控制下模拟刮风情景。

1)舱体结构

舱体包括：舱体结构体、保温材料、舱体照明设施、电动大门。其中舱体几何尺寸为长9.0m，宽10.0m，高5.5m；为保证舱板外观和隔热效果，舱板采用聚氨酯夹芯板，表面采用镀锌钢板表面喷涂，钢板厚度0.6mm；内表面采用不锈钢板，钢板厚度0.6mm；中间的保温层是厚度为100mm的聚氨酯发泡保温板，可保证有效隔热；舱内照明采用防爆泛光灯，分两组控制交齐使用；舱门采用电动大门，两侧布置光电传感器，如有物体穿过会阻断电信号的接受，正在关闭的大门会自动回到打开状态。

2)降雨系统

降雨系统7包括：电机、可移动的降雨机构13和多组降雨喷头13-4。多组降雨喷头13-4均设置在可移动的降雨机构13上。每组降雨喷头13-4包括4个大小不同的喷头，4个大小不同的喷头分别用于模拟4种不同的降雨量。可移动的降雨机构13的驱动端与电机的驱动轴连接。

如图2所示，可移动的降雨机构13包括：方形钢桁架13-1、圆柱钢桁架、多个钢桁架支架、多个导轨13-2、多个降雨头连接板13-3和多个限位开关组。降雨机构13由降雨钢桁架(方形钢桁架13-1和圆柱钢桁架)固定安装于实验室顶部。每个钢桁架支架的两端分别连接方形钢桁架13-1和圆柱钢桁架。多个导轨13-2分别一一对应地设置在多个钢桁架支架上，多个降雨头连接板13-3分别一一对应地设置在多个导轨13-2上，多组降雨喷头13-4分别一一对应地设置在多个降雨头连接板13-3上。多个限位开关组分别一一对应地设置在多个导轨13-2上。每个限位开关组包括两个限位开关，每个限位开关组中的两个限位开关分别设置在一个导轨13-2的两端。每个降雨头连接板13-3可移动的设置在导轨13-2上。多个降雨头连接板13-3的驱动端均与电机的驱动轴连接，降雨头连接板13-3用于在电机的驱动下带动降雨喷头13-4在导轨13-2上移动。

降雨系统7选用9组降雨喷头13-4，每组喷头各包含1个“暴雨”、“大雨”、“中雨”、“小雨”喷头。喷头固定在可水平移动的机构上，机构两端设有限位，碰到限位后机构停止运行(可反向移动)，一般降雨程序为：降雨准备→管道吹扫→降雨→管道吹扫→降雨结束。

降雨系统的工作原理为：降雨机构13由降雨钢桁架13-1固定安装于实验室顶部，其上安装有导轨13-2，喷雨头连接板13-3上安装有降雨喷头13-4通过电机供电控制可以在导轨13-2上依据样品尺寸及降雨需求移动，从而控制降雨范围大小及降雨集中程度。降雨喷头13-4固定在可水平移动的机构上，机构两端设有限位，碰到限位后机构停止运行(可反向移动)。每次降雨前需进行管道吹扫目的在于吹净管道中的残水，从而延长管道使用寿命。

降雨系统7还包括纯水系统12，纯水系统12主要由原水箱12-1、原水泵12-2、机械过滤器12-3、活性炭过滤器12-4、软水器12-5、离子交换器12-6、纯水箱12-7、温控器12-8、纯水泵12-9、电子流量计12-10和降雨喷嘴12-11组成。

纯水系统主要利用两种方法对生水进行软化，一共设立有三个过滤缸，生水进入装置后首先利用过滤器中所装填料来截留水中的悬浮物粘胶质颗粒，再利用反渗透系统与水中的钙镁离子进行交换，将水中的钙镁离子去除。其中反渗透体统选用RO-3000GPD装置，主要包括保安过滤器、高压泵、RO膜、RO膜壳等。

纯水系统的工作原理为：原水箱12-1注水后由原水泵12-2向机械过滤器12-3、活性炭过滤器12-4、软水器12-5、离子交换器12-6泵送原水，经过层层过滤以及离子交换得到纯水，储存于纯水箱12-7，纯水箱12-7中有温控器12-8可以对所制纯水进行温度控制，便于维护降雨系统7管路不受冻裂等影响，当降雨系统7运作时纯水泵12-9可从纯水箱12-7中抽取纯水，电子流量计12-10会根据电脑终端输入的预值控制流量与流速，最终通过管道将纯水运送到降雨喷嘴12-11，利用气压及降雨喷嘴12-11使其出水时成为所需大小的雨滴并以预设值降落到试验样品上。

3)风系统

风系统主要作用装置为轴流风机，风机高度可调，风速5～17m/s连续可调，模拟风速达7级。风机测速传感器安装在出风口处，方向竖直向下。

如图3所示，风系统6包括：轴流风机6-1、风速传感器6-2和可移动升降架6-3。轴流风机6-1设置在可移动升降架6-3上。风速传感器6-2设置在轴流风机6-1的出风口处，方向竖直向下。可移动升降架6-3用于调节轴流风机6-1的高度，模拟不同的来风角度。轴流风机6-1与电控配电系统4连接，轴流风机6-1用于按照电控配电系统4预设的风速值产生气流。轴流风机6-1高度可调，风速5～17m/s连续可调，模拟风速达7级。风速传感器6-2的信号输入端与电控配电系统4连接，电控配电系统4用于获取风速传感器6-2测量的轴流风机6-1出风口的气流的风速，并根据测量的风速控制轴流风机6-1产生的气流的风速，进而模拟风速。

风系统的工作原理为：风系统6首先由控制及反馈系统4输入一个预值，轴流风机6-1开始工作，风速5～17m/s连续可调，模拟风速可达7级。风机测速传感器6-2安装在出风口处，方向竖直向下，可测得当前风速实际值传递给控制系统。风机高度主要通过可移动升降架6-3调整，借此模拟不同的来风角度。降雨系统7配合费风系统6可以模拟出不同的风雨模式，创造多样的风雨环境。

4)空调系统

空调系统5包括空调箱10、测温装置9和间冷系统11。空调箱10设置在风雨舱1外部的仓顶，空调箱10的出风口对准风雨舱1的内部。测温装置9的信号输出端与电控配电系统4连接，测温装置9用于检测风雨舱1内部的温度，并将风雨舱1内部的温度传输至电控配电系统4。空调箱10用于对空气进行加热，并将加热后的空气通过空调箱10的出风口吹入风雨舱1内部。间冷系统11与电控配电系统4连接，电控配电系统4用于根据风雨舱1内部的温度控制间冷系统11中与舱内空气进行热交换的制冷剂液体的流量。

空调系统包括：冷冻机组9、空调箱10和间冷系统11(乙二醇)组成。冷冻机组置于机房，其包含有两台Bizer螺杆液压机，制冷剂为R404。空调箱10吊装在实验室外部仓顶，实验室在运行过程中为保持舱内温度的稳定，需要同时运行制冷与制热，两者同时调节，使舱内温度达到动态平衡。空气进入空调箱10首先流经电加热器、热交换器，然后由风机抽出，经过加湿喷管吹至实验舱内。在电加热出风侧装有温度保护器，一般设定报警温度为90℃，若温度高于此数值，则空调箱机立即报警停机，防止温度过高引起火灾。热交换器内部乙二醇由间冷系统11供冷，乙二醇流经热交换器会有大量的冷凝水，空调箱10底部设有排水管，能够及时排除冷凝水。

空调箱10的具体工作过程为：温度控制主要通过电加热器10-3和热交换器10-5实现，空气首先通过进风口10-1进入空调箱内部，经过电加热器10-3可对空气进行加热，在电加热出风侧还装有温度保护器10-4，一般设定报警温度为90℃，可通过该装置保护系统温度不会过高，若温度高于设定数值，则空调箱10立即报警停机，防止温度过高引起火灾。经过电加热器10-3加热后由热交换器10-5进行温度调节，热交换器10-5内部充满乙二醇溶液，该乙二醇溶液由间冷系统11提供，乙二醇溶液流经热交换器10-5时会有大量的冷凝水产生，届时便由空调箱10底部设置的排水管进行排出。随后调节好温度的空气将由风机10-6经出风口10-8吹入舱体内部。在出风口10-8处与加湿系统8的加湿喷管相连，可将加湿后的空气一同吹入夏季舱1中。

间冷系统11同时供应空调箱10、风系统6。选用盐水撬块进行温度调节，系统内部介质选用乙二醇水溶液。间冷系统11分为一次侧与二次侧，一次侧的乙二醇水溶液与冷冻机组9进行热交换，二次侧的乙二醇水溶液流到仓顶空调箱中。保证一次侧冷冻机组蒸发器与二次侧间冷冻盘内流量温度，通过三通调节进入冷盘管的盐水温度从而间接调节舱内空气温度。

如图4所示，间冷系统11包括：一次侧制冷回路、蒸发器11-4和二次侧制冷回路。一次侧制冷回路的两端与蒸发器11-4的一次侧盘管的两端首尾连接。二次侧制冷回路的空气进风口和空气出风口分别与风雨舱1连接，二次侧制冷回路的制冷剂出口和制冷剂入口分别与蒸发器11-4的二次侧盘管的两端连接。一次侧制冷回路与电控配电系统4连接，一次侧制冷回路用于产生低温制冷剂液体，并将低温制冷剂液体按照电控配电系统4控制的低温制冷剂流量传输至蒸发器11-4的一次侧盘管。二次侧制冷回路与电控配电系统4连接，二次侧制冷回路用于与风雨舱1进行热交换，输出高温制冷剂，并将高温制冷剂按照电控配电系统4控制的高温制冷剂流量传输至蒸发器11-4的二次侧盘管。蒸发器11-4的二次侧盘管用于将蒸发器11-4的二次侧盘管中的高温制冷剂与蒸发器11-4的一次侧盘管中的低温制冷剂液体进行热交换，降低蒸发器11-4的二次侧盘管中的高温制冷剂的温度，并将降低温度后的高温制冷剂传输至二次侧制冷回路。

一次侧制冷回路包括：压缩机11-1、冷凝器11-2、电子膨胀阀11-3、第一温度传感器和第一制冷剂。压缩机11-1、冷凝器11-2、电子膨胀阀11-3和蒸发器11-4的一次侧盘管依次首尾连接。第一温度传感器设置在蒸发器11-4的一次侧盘管上。第一温度传感器的信号输出端与电控配电系统4连接，电控配电系统4用于根据第一温度传感器测量的蒸发器11-4的一次侧盘管的温度输出一次侧制冷剂流量控制指令。压缩机11-1用于将蒸汽状态下的第一制冷剂加速后转化为高温高压的液体制冷剂。冷凝器11-2用于释放高温高压的液体制冷剂的热量，获得低温高压的液体制冷剂。电子膨胀阀11-3的控制端与电控配电系统4连接，电子膨胀阀11-3的输出端与蒸发器11-4的一次侧盘管的一端连接，电子膨胀阀11-3用于对低温高压的液体制冷剂进行降压，根据电控配电系统4输出的一次侧制冷剂流量控制指令调节流经电子膨胀阀11-3的降压后的液体制冷剂的流量，并将流出的制冷剂传输至蒸发器11-4的一次侧盘管。

二次侧制冷回路包括：电动调节阀11-5、空气换热器11-6、第二温度传感器和第二制冷剂。蒸发器11-4的二次侧盘管、空气换热器11-6的制冷剂输入端、空气换热器11-6的制冷剂输出端和电动调节阀11-5依次首尾连接。空气换热器11-6的进风口和出风口分别与风雨舱1连接。第二温度传感器设置在风雨舱1的内部。第二温度传感器的信号输出端与电控配电系统4连接，电控配电系统4用于根据第二温度传感器测量的风雨舱1内部的温度输出二次侧制冷剂流量控制指令。空气换热器11-6用于将蒸发器11-4的二次侧盘管传输的低温状态的第二制冷剂与风雨舱1内部的空气进行热交换，输出第二高温制冷剂。电动调节阀11-5的控制端与电控配电系统4连接，电动调节阀11-5用于根据电控配电系统4输出的二次侧制冷剂流量控制指令调节流经电动调节阀11-5的第二高温制冷剂的流量，并将流出的第二高温制冷剂传输至蒸发器11-4的二次侧盘管。

间冷系统11的工作过程为：主要通过一次侧制冷剂回路制造低温液体、二次侧载冷剂回路承载低温液体，最终通过舱体内部空气循环达到温度调节(制冷)效果。间冷系统11在一次侧制冷剂为R22，一次侧制冷剂回路中低温低压的R22制冷剂首先经压缩机11-1使得蒸汽状态下的R22制冷剂经过加速后转化为高温高压的液体离开压缩机11-1，高温高压的R22液体经过冷凝器11-2盘管释放热量冷凝为液体以中温高压的状态离开。在经过电子膨胀阀11-3，电子膨胀阀11-3内的插销会根据蒸发器端温度调节制冷剂流量，经电子膨胀阀11-3后压力得以释放，制冷剂R22转变为低温低压液体\蒸汽混合物的状态(该状态下最低压力可使得制冷剂在空气温度中沸腾)。冷却的制冷剂流过蒸发器11-4盘管与二次侧蒸发器11-4进行热交换，制冷剂再次转化为蒸汽状态，开始下一次循环。间冷系统11在二次侧载冷剂为乙二醇水溶液，经过一次间蒸发器的换热，载冷剂以低温状态流经空气换热器11-6与舱内流动空气进行热交换，再由电动调节阀11-5以舱体内温度进行调节流量后流过蒸发器11-4进行换热。间冷系统11通过一次侧、二次侧的制冷和载冷最终与舱内空气进行热交换达到制冷效果，其中舱体内空气循环利用了循环风机11-7，循环风机11-7使得舱内的空气流动了起来并利用空气循环使得舱体温度均匀。

5)加湿系统

加湿系统8与电控配电系统4连接，加湿系统8用于在电控配电系统4的控制下使风雨仓内部的湿度调节至预设湿度。

6)电控配电系统

参照图1，电控配电系统2主要由电路保护系统3和控制及反馈系统(电控配电系统4)两个部分组成。是舱体实现各种环境条件的控制系统。所有配置均作用于风雨舱1，为达到模拟风雨气候条件的效果需电控配电系统2、空调系统5、风系统6、降雨系统7、加湿系统8之间相互配合使得风雨舱内部形成的风雨气候条件达到动态平衡。

电路保护系统3对空调系统5、风系统6、降雨系统7、加湿系统8都有保护功能，防止各系统电路过载、短路、仪器运行失控等意外发生。

控制及反馈系统4对空调系统5、风系统6、降雨系统7、加湿系统8都有控制功能，其中空调系统5、加湿系统8均为闭合反馈系统，即输入预值后动态观察获取当下数据反馈于控制系统，当所获反馈数据未满足输入预值时系统继续工作、检测使得所测数据继续靠近预值，反之所获反馈数据满足输入预值时系统进入待工模式，直至检测到的反馈数据不满足所设预值，系统进入再次工作状态。控制及反馈系统4对风系统6控制功能为单向单向反馈即输入预值后系统按照指令值定额输出，接收监测值不与预值对比动态调整输出量。控制及反馈系统4对降雨系统7控制功能为单向反馈与闭合反馈机制相结合的控制方法。降雨系统7即可设置为单向反馈也可设置为闭合反馈。

风雨舱主要技术参数如表1所示。

表1风雨舱技术参数

本发明的舱体结构实现密闭空间，通过舱体结构、空调系统、风系统、纯水系统、降雨系统做功实现刮风、降雨、空气温湿度等不同模拟环境，通过电控配电部件输入舱体内温度、湿度、风速、降雨强度等环境控制参数，通过控制和反馈系统调整做功系统是否需要做功以满足参数需求。实现自然环境中风雨气候条件的人工模拟。本发明突破了环境模拟的局限性，实现了风雨环境不同风速、雨强、温湿度环境条件的大空间控制，可用于足尺试样在风雨作用下病害发育、材料老化和措施失效的大型模拟实验，为足尺环境劣化模拟试验提供了新的仿真环境条件，也为文物保护领域的研究及工程应用提供一种新的思路。

本发明的优点和产生的有益效果是：

(1)本发明装置可控性强，利用舱体的探头可以准确测试舱体内部温度，湿度、风级、雨强等主要控制性指标，并通过数控装置调整模拟不同环境条件，实现现场风雨温度(10～40℃±0.5℃)、降雪(小雨：10～25mm/h，中雨20～50mm/h，大雨45-100mm/h；暴雨90-200mm/h，小于均匀度大于80％，中雨、大雨、暴雨：85％)，吹风(5～17m/s连续可调，模拟风速达7级)的全方面控制。

(2)室内环境可控性强、均匀度高，操作科学规范，效率相对提高。

(3)能源和资源系统均采用双系统，确保试验过程不间断执行任务。

(4)方便大型试验模拟实验工作。环境覆盖面广、可调整间隙小、操作简单、完全实现自动化控制与监测，基本实现了不同区域风雨环境条件仿真。在保护研究方面有着广泛的应用前景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，其特征在于，所述试验舱体包括：风雨舱、降雨系统、风系统和电控配电系统；

所述风雨舱为密闭腔体，降雨系统和风系统均设置在风雨舱的内部；

降雨系统与电控配电系统连接，降雨系统用于在电控配电系统的控制下模拟降雨情景；所述降雨系统的可移动的降雨机构包括：方形钢桁架、圆柱钢桁架、多个钢桁架支架、多个导轨、多个降雨头连接板和多个限位开关组；

每个钢桁架支架的两端分别连接方形钢桁架和圆柱钢桁架；多个导轨分别一一对应地设置在多个钢桁架支架上，多个降雨头连接板分别一一对应地设置在多个导轨上，多组降雨喷头分别一一对应地设置在多个降雨头连接板上；

每组降雨喷头包括4个大小不同的喷头，4个大小不同的喷头用于分别模拟小雨、中雨、大雨和暴雨；

多个限位开关组分别一一对应地设置在多个导轨上；每个限位开关组包括两个限位开关，每个限位开关组中的两个限位开关分别设置在一个导轨的两端；

每个降雨头连接板可移动的设置在导轨上；

多个降雨头连接板的驱动端均与电机的驱动轴连接，降雨头连接板用于在电机的驱动下带动降雨喷头在导轨上移动；

风系统与电控配电系统连接，风系统用于在电控配电系统的控制下模拟刮风情景；电控配电系统中的控制及反馈系统对风系统控制功能为单向反馈，即输入预值后系统按照指令值定额输出，接收监测值不与预值对比动态调整输出量；

所述试验舱体还包括：空调系统；

所述空调系统包括空调箱和间冷系统；

空调箱和间冷系统均与电控配电系统连接，所述电控配电系统用于控制空调箱和间冷系统使风雨舱内部的温度调节至预设温度；

所述间冷系统包括：一次侧制冷回路、蒸发器和二次侧制冷回路；

所述一次侧制冷回路的两端与蒸发器的一次侧盘管的两端首尾连接；

所述二次侧制冷回路的空气进风口和空气出风口分别与风雨舱连接，所述二次侧制冷回路的制冷剂出口和制冷剂入口分别与蒸发器的二次侧盘管的两端连接；

所述一次侧制冷回路与电控配电系统连接，所述一次侧制冷回路用于产生低温制冷剂液体，并将所述低温制冷剂液体按照所述电控配电系统控制的低温制冷剂流量传输至蒸发器的一次侧盘管；

所述二次侧制冷回路与电控配电系统连接，所述二次侧制冷回路用于与风雨舱进行热交换，输出高温制冷剂，并将高温制冷剂按照所述电控配电系统控制的高温制冷剂流量传输至蒸发器的二次侧盘管；

所述蒸发器的二次侧盘管用于将蒸发器的二次侧盘管中的高温制冷剂与蒸发器的一次侧盘管中的低温制冷剂液体进行热交换，降低蒸发器的二次侧盘管中的高温制冷剂的温度，并将降低温度后的高温制冷剂传输至所述二次侧制冷回路；

所述一次侧制冷回路包括：压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、第一温度传感器和第一制冷剂；

压缩机、冷凝器、电子膨胀阀和蒸发器的一次侧盘管依次首尾连接；第一温度传感器设置在蒸发器的一次侧盘管上；

所述第一温度传感器的信号输出端与电控配电系统连接，所述电控配电系统用于根据所述第一温度传感器测量的蒸发器的一次侧盘管的温度输出一次侧制冷剂流量控制指令；

所述压缩机用于将蒸汽状态下的第一制冷剂加速后转化为高温高压的液体制冷剂；

所述冷凝器用于释放高温高压的液体制冷剂的热量，获得低温高压的液体制冷剂；

所述电子膨胀阀的控制端与电控配电系统连接，所述电子膨胀阀的输出端与蒸发器的一次侧盘管的一端连接，所述电子膨胀阀用于对低温高压的液体制冷剂进行降压，根据电控配电系统输出的一次侧制冷剂流量控制指令调节流经电子膨胀阀的降压后的液体制冷剂的流量，并将流出的制冷剂传输至蒸发器的一次侧盘管；

所述二次侧制冷回路包括：电动调节阀、空气换热器、第二温度传感器和第二制冷剂；所述第二制冷剂为乙二醇；

蒸发器的二次侧盘管、空气换热器的制冷剂输入端、空气换热器的制冷剂输出端和电动调节阀依次首尾连接；空气换热器的进风口和出风口分别与风雨舱连接；第二温度传感器设置在风雨舱的内部；

所述第二温度传感器的信号输出端与电控配电系统连接，电控配电系统用于根据所述第二温度传感器测量的风雨舱内部的温度输出二次侧制冷剂流量控制指令；

所述空气换热器用于将蒸发器的二次侧盘管传输的低温状态的第二制冷剂与风雨舱内部的空气进行热交换，输出第二高温制冷剂；

所述电动调节阀的控制端与电控配电系统连接，所述电动调节阀用于根据电控配电系统输出的二次侧制冷剂流量控制指令调节流经电动调节阀的第二高温制冷剂的流量，并将流出的第二高温制冷剂传输至蒸发器的二次侧盘管；

所述空调箱的温度控制通过电加热器和热交换器实现，空气首先通过进风口进入空调箱内部，经过电加热器对空气进行加热，经过电加热器加热后由热交换器进行温度调节，热交换器内部充满乙二醇溶液，该乙二醇溶液由间冷系统提供，乙二醇溶液流经热交换器时会有大量的冷凝水产生，随后调节好温度的空气将由风机经出风口吹入舱体内部。

2.根据权利要求1的模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，其特征在于，所述风系统包括：轴流风机、风速传感器和可移动升降架；

轴流风机设置在可移动升降架上；风速传感器设置在轴流风机的出风口处；

轴流风机与电控配电系统连接，所述轴流风机用于按照电控配电系统预设的风速值产生气流；

所述可移动升降架用于调节轴流风机的高度，模拟不同的来风角度；

风速传感器的信号输入端与电控配电系统连接，电控配电系统用于获取风速传感器测量的轴流风机出风口的气流的风速，并根据测量的风速控制所述轴流风机产生的气流的风速，进而模拟风速。

3.根据权利要求1的模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，其特征在于，所述风雨舱包括：舱板、墙体、舱门和顶棚；

舱板设置在墙体的内壁上；

所述舱板包括内层舱板、保温板和外层舱板；保温板设置在内层舱板和外层舱板之间。

4.根据权利要求1的模拟风雨环境侵蚀足尺试样的试验舱体，其特征在于，所述试验舱体还包括：加湿系统；

加湿系统与电控配电系统连接，所述加湿系统用于在电控配电系统的控制下使风雨仓内部的湿度调节至预设湿度。