CN116296228A - 一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，基于光源和摄像机实现，该装置包括：校准容器、压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统、温度测量与控制系统以及部署在上位机的控制模块；其中，校准容器，用于为涂覆有低温压敏漆的校准样片提供测试环境，通过摄像机拍摄获得涂料特性；压力测量与控制系统和氧含量测量与控制系统，分别为校准样片提供压力可控可测量的氮气源和超低氧含量氧气源；温度测量与控制系统，用于实现温度可控；控制模块，用于控制工作时序，用于根据校准容器的压力值，氧含量以及温度值进行控制；还用于在达到实验目标值时，触发光源与相机工作，采集实验图像实现低温压敏漆静态校准与涂料特性研究。
Description
技术领域
本发明属于航空航天工业空气动力学技术领域，具体涉及一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置。
背景技术
压敏漆测量技术(Pressure Sensitive Paint,PSP)是一种基于高分子聚合物光致发光过程和动态氧猝灭效应的新型光学非接触式压力测量方法。自20世纪80年代提出以来，以其技术优势和巨大的发展前景，受到了世界各国航空航天领域的广泛关注和深入研究。目前，美国、俄罗斯和欧洲等航空航天大国在PSP测量技术应用研究方面已十分成熟，在各类大型生产型风洞中建立了先进的PSP测量系统。
2000年以来，德国宇航院DLR、美国NASA兰利中心、日本宇航研究中心JAXA等气动研究机构和相关大学在成功开发常规PSP技术的基础上，广泛开展了低温PSP测压技术基础和试验研究，并使之进入工程应用，发展成为低温高雷诺数风洞重要的试验技术之一。目前，国内在低温PSP领域研究基础相对薄弱，仍处于起步阶段。低温风洞是以低温氮气为运行介质的连续闭口回流式跨声速风洞，而基于有机高分子光致发光氧猝灭原理的低温压力敏感涂料测量要求来流必须具有一定浓度的氧气。为了实现低温风洞PSP测量，需要在风洞适当位置喷注干燥空气或者氧气。为了控制试验成本，同时不影响风洞来流参数控制，风洞来流氧含量一般低于3000ppm。为了验证不同来流氧含量、来流温度下的低温PSP涂料特性，亟需建立静态校准装置。
发明内容
本发明为了实现低温风洞PSP测量，提出了一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置。
为了实现上述目的，本发明提出了一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，基于光源和摄像机实现，所述装置包括：校准容器、压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统、温度测量与控制系统以及部署在上位机的控制模块；其中，
所述校准容器，用于为涂覆有低温压敏漆的校准样片提供温度、压力和氧浓度可控的环境，通过校准容器顶部的视窗，外部光源照射到涂覆有压敏漆的校准样片上，由摄像机对该校准样片进行拍摄，获得涂料特性；
所述压力测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片提供压力可控可测量的氮气源；
所述氧含量测量与控制系统，用于在满足压力控制的前提下，在控制模块的控制下为校准样片提供可控可测量的超低氧含量氧气源，所述超低氧含量为100ppm～3000ppm；
所述温度测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片分别提供可控可测量的制冷量和制热量，实现温度可控；
所述控制模块，用于控制压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统和温度测量与控制系统的工作时序，用于根据校准容器的压力值，氧含量以及温度值，结合实验目标值分别进行控制；还用于在达到实验目标值时，触发光源与相机工作，采集相应状态的实验图像，从而实现低温压敏漆静态校准与涂料特性研究。
作为上述装置的一种改进，所述校准容器采用304不锈钢材质，能够承受真空负压和正压，表面光洁。
作为上述装置的一种改进，所述校准容器外部还包括一定厚度的保温层。
作为上述装置的一种改进，所述校准容器顶部的视窗采用设定厚度的高强度石英玻璃，具有K9透光率，视窗玻璃通过法兰和校准容器压紧，并采用硅橡胶圈进行密封。
作为上述装置的一种改进，所述压力测量与控制系统包括设定纯度的氮气瓶、减压阀、针尖阀、真空泵和快速通断电磁阀；其中，
所述设定纯度的氮气瓶和减压阀，用于向校准容器提供压力稳定、达到纯度要求的氮气源；
所述针尖阀，用于向校准容器提供微小并可调的氮气流量通道；
所述真空泵，用于降低校准容器内的压力；
所述快速通断电磁阀，用于控制向标准容器输送氮气，达到目标含量。
作为上述装置的一种改进，所述氧含量测量与控制系统包括电化学氧浓度分析仪、氧化锆氧浓度传感器、氧气瓶、减压阀、微量调节阀和快速通断电磁阀；其中，
所述电化学氧浓度分析仪，用于在设定范围内测量进入校准容器内的氧浓度；
所述氧化锆氧浓度传感器，用于在整个压力、温度和氧浓度区间内测量校准容器内的氧浓度；
所述氧气瓶经过减压阀、微量调节阀、快速通断电磁阀与校准容器连接；
所述快速通断电磁阀，用于控制向标准容器输送氧气，达到目标含量。
作为上述装置的一种改进，所述温度测量与控制系统包括制冷机组、冷水机组、加热器和控温铜块；其中，
所述制冷机组采用单压缩机制冷，在控制模块控制下，由PLC控制制冷剂通路上电磁阀的开、关时间比例，调节流经控温铜块的制冷剂流量，实现对标准容器的制冷控制；
所述冷水机组，用于为单压缩机降温；
所述加热器，用于在控制模块控制下，通过固态继电器输入由PID参数确定的一定通、断时间比例的电压，控制加热量，实现对标准容器的热量控制；
所述控温铜块和加热器均设置在校准容器内，控温铜块设置在校准样片下部，加热器设置在控温铜块下部，通过制冷量和加热量的平衡实现精确控温，温度梯度小于1K，温度控制精度小于0.1K。
作为上述装置的一种改进，所述控温铜块包括上下两部分，每部分均有4个口径相同的半圆形开槽，上下两部分通过螺钉夹紧，形成4个圆形开槽作为制冷剂通道，用于制冷剂的流入与流出。
作为上述装置的一种改进，所述控温铜块表面均匀，4个制冷剂通道表面积占据控温铜块横截面积的1/2以上，上部分控温铜块的实心部分厚度满足预设值，热导率不小于350W/m·K。
本发明与现有技术相比优点在于：
1、本发明的装置填补了国内空白，提供了低温压敏漆测量技术需要的深低温、超低氧含量等测量条件；
2、本发明的装置采用单压缩机制冷，不需要液氮即可实现最低110K的超低温度控制，控制精度小于±0.1K；
3、本发明的装置通过单调变化控制方式使得校准容器超低氧含量精确控制，控制误差小于±10ppm。
附图说明
图1为本发明的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置外部示意图；
图2为压力测量与控制系统原理图；
图3是氧含量测量与控制系统原理图；
图4是温度测量与控制系统原理图；
图5为控温铜块示意图。
具体实施方式
本发明提供一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置。该装置主要包括校准容器、压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统、温度测量与控制系统、控制系统5大部件组成。校准容器为校准样片提供温度、氧浓度、压力可控的环境；压力控制系统由高纯氮气瓶、减压阀、快速通断电磁阀、针尖阀、真空泵组成，实现校准容器内部精准控制；氧含量测量由电化学氧浓度传感器和氧化锆氧浓度传感器共同完成，实现校准容器内部气体超低氧含量(100ppm～3000ppm)的精准测量；氧含量控制系统由高纯氧气瓶、减压阀、针尖阀、快速通断电磁阀组成，实现校准容器内部气体超低氧含量值(100ppm～3000ppm)的精准控制；温度控制采用制冷量和加热量平衡控温的方式，低温制冷剂流经控温铜块的制冷剂通道，提供的制冷量和加热器的加热量相等，达到温度的稳定；达到温度、氧含量、压力目标值后，向同步控制器发送TTL信号，触发光源与相机工作，采集相应状态的实验图像，从而实现低温压敏漆静态校准与涂料特性研究。控制系统部署在上位机中。
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
实施例
本发明的实施例1提出了低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置；如图1所示，为本装置的外观示意图。如图2所示，为本发明实施例1的装置原理图；主要包括：
本装置基于光源和摄像机实现，装置包括：校准容器、压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统、温度测量与控制系统以及部署在上位机的控制模块；其中，
校准容器，用于为涂覆有低温压敏漆的校准样片提供温度、压力和氧浓度可控的环境，通过校准容器顶部的视窗，外部光源照射到涂覆有压敏漆的校准样片上，由摄像机对该校准样片进行拍摄，获得涂料特性；
压力测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片提供压力可控可测量的氮气源；
氧含量测量与控制系统，用于在满足压力控制的前提下，在控制模块的控制下为校准样片提供可控可测量的超低氧含量氧气源，所述超低氧含量为100ppm～3000ppm；
温度测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片分别提供可控可测量的制冷量和制热量，实现温度可控；
控制模块，用于控制压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统和温度测量与控制系统的工作时序，用于根据校准容器的压力值，氧含量以及温度值，结合实验目标值分别进行控制；还用于在达到实验目标值时，触发光源与相机工作，采集相应状态的实验图像，从而实现低温压敏漆静态校准与涂料特性研究。
具体来说：
校准容器：校准容器为校准样片提供温度、压力、氧浓度可控的环境。校准容器为304不锈钢圆筒形状，能够承受真空负压和正压。
为适应不同的摄像头和光源，采用Φ150mm的视窗面积。校准容器的尺寸为Φ180×150mm，表面光洁，壁面厚度3mm，法兰厚度10mm。校准容器重量小于20kg，单人即可搬动。校准容器外部是50mm保温层。校准容器顶部是视窗玻璃，采用15mm厚的高强度石英玻璃，具有K9透光率。视窗玻璃通过法兰和校准容器压紧，并采用硅橡胶圈实现密封。
压力测量与控制系统：压力控制系统由高纯氮气瓶、减压阀、快速通断电磁阀、针尖阀、真空泵组成。高纯氮气瓶和减压阀组成了一个压力稳定、高纯度的氮气源。针尖阀作为一个微小、可调的流量通道。真空泵用于降低校准容器内的压力。氮气源、针尖阀、真空泵加上具有快速通断(周期小于2s)的电磁阀，可实现压力控制。其原理图如图2所示。
氧含量测量与控制系统：氧气含量测量由电化学氧浓度分析仪和氧化锆氧浓度传感器共同完成。电化学氧浓度测试仪的优点是精度小于10ppm，量程可低于100ppm。氧化锆氧浓度传感器的优点是自带加热元件，传感器耐低温，可在真空和高压下工作。氧化锆氧浓度传感器工作在整个压力、温度、氧浓度区间，电化学氧浓度测试仪作为常压、常温下氧浓度的对比。两种氧浓度传感器互相校核，可以有效验证氧含量测量的精准度。如何实现氧气进气量微量且可控是超低氧含量精准控制的难点。向校准容器内充入适当的微量氧气是通过多个阀门共同控制来实现的。氧气瓶经过减压阀、微量调节阀、快速通断电磁阀与校准容器连接。因目标氧含量值非常低，阶梯变化量通常小于100ppm，按照常规PID控制方式，很难实现高精度控制或所需控制时间较长。本装置采用氧含量单调变化控制方式：其原理图如图3所示。
当需要增加氧含量时，快速通断电磁阀打开，微量调节阀控制流量逐步向校准容器内输入氧气，接近目标含量时，逐步减少输气量，直到达到目标含量，停止输入；
当需要减少氧含量时，对校准容器抽增真空，使压力略微下降，再补充氮气恢复原来压力，每一次抽充操作在保证压力稳定的情况下，使得氧含量略微下降，重复操作，使氧含量精准下降至设定值，从实现超低氧含量值高精度控制。
温度测量与控制系统：采用单压缩机制冷提供制冷剂，单压缩机制冷机组产生的低温制冷剂进入控温铜块，对铜块降温后返回制冷机组。铜片表面温度要均匀，温度梯度小于1K，温度控制精度小于0.1K。控温铜块由上、下两部分组成，均有4个半圆形开槽。上、下铜块通过螺钉将4个铜管夹紧。铜管内流过低温制冷剂，对铜块降温。控温铜块下装有加热器，通过制冷量和加热量的平衡实现精确控温。加热器的热量和制冷剂的冷量统一通过4个铜管的表面向铜块传递。4个制冷剂通道表面积占据铜块截面积的1/2以上，确保上半部分铜块传热均匀。上半部分铜块的实心部分厚度为9mm，铜块RRR>80，热导率约为350W/m·K，较高热导率确保整体具有较高的温度一致性。温度的稳定性控制通过加热器和制冷剂流量的双PID控制实现的。加热器PID控制是通过固态继电器，向加热器输入由PID参数确定的一定通/断时间比例的电压，从而控制加热量。制冷剂流量PID控制则是由PLC(可编程逻辑控制器，Programmable Logic Controller)控制制冷剂通路上的电磁阀的开/关时间比例，调节流经铜块的制冷剂流量，从而控制制冷量。其原理图如图4所示，图5为控温铜块示意图。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，基于光源和摄像机实现，其特征在于，所述装置包括：校准容器、压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统、温度测量与控制系统以及部署在上位机的控制模块；其中，
所述校准容器，用于为涂覆有低温压敏漆的校准样片提供温度、压力和氧浓度可控的环境，通过校准容器顶部的视窗，外部光源照射到涂覆有压敏漆的校准样片上，由摄像机对该校准样片进行拍摄，获得涂料特性；
所述压力测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片提供压力可控可测量的氮气源；
所述氧含量测量与控制系统，用于在满足压力控制的前提下，在控制模块的控制下为校准样片提供可控可测量的超低氧含量氧气源，所述超低氧含量为100ppm～3000ppm；
所述温度测量与控制系统，用于在控制模块的控制下为校准样片分别提供可控可测量的制冷量和制热量，实现温度可控；
所述控制模块，用于控制压力测量与控制系统、氧含量测量与控制系统和温度测量与控制系统的工作时序，用于根据校准容器的压力值，氧含量以及温度值，结合实验目标值分别进行控制；还用于在达到实验目标值时，触发光源与相机工作，采集相应状态的实验图像，从而实现低温压敏漆静态校准与涂料特性研究。
2.根据权利要求1所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述校准容器采用304不锈钢材质，能够承受真空负压和正压，表面光洁。
3.根据权利要求2所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述校准容器外部还包括一定厚度的保温层。
4.根据权利要求1所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述校准容器顶部的视窗采用设定厚度的高强度石英玻璃，具有K9透光率，视窗玻璃通过法兰和校准容器压紧，并采用硅橡胶圈进行密封。
5.根据权利要求1所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述压力测量与控制系统包括设定纯度的氮气瓶、减压阀、针尖阀、真空泵和快速通断电磁阀；其中，
所述设定纯度的氮气瓶和减压阀，用于向校准容器提供压力稳定、达到纯度要求的氮气源；
所述针尖阀，用于向校准容器提供微小并可调的氮气流量通道；
所述真空泵，用于降低校准容器内的压力；
所述快速通断电磁阀，用于控制向标准容器输送氮气，达到目标含量。
6.根据权利要求1所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述氧含量测量与控制系统包括电化学氧浓度分析仪、氧化锆氧浓度传感器、氧气瓶、减压阀、微量调节阀和快速通断电磁阀；其中，
所述电化学氧浓度分析仪，用于在设定范围内测量进入校准容器内的氧浓度；
所述氧化锆氧浓度传感器，用于在整个压力、温度和氧浓度区间内测量校准容器内的氧浓度；
所述氧气瓶经过减压阀、微量调节阀、快速通断电磁阀与校准容器连接；
所述快速通断电磁阀，用于控制向标准容器输送氧气，达到目标含量。
7.根据权利要求1所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述温度测量与控制系统包括制冷机组、冷水机组、加热器和控温铜块；其中，
所述制冷机组采用单压缩机制冷，在控制模块控制下，由PLC控制制冷剂通路上电磁阀的开、关时间比例，调节流经控温铜块的制冷剂流量，实现对标准容器的制冷控制；
所述冷水机组，用于为单压缩机降温；
所述加热器，用于在控制模块控制下，通过固态继电器输入由PID参数确定的一定通、断时间比例的电压，控制加热量，实现对标准容器的热量控制；
所述控温铜块和加热器均设置在校准容器内，控温铜块设置在校准样片下部，加热器设置在控温铜块下部，通过制冷量和加热量的平衡实现精确控温，温度梯度小于1K，温度控制精度小于0.1K。
8.根据权利要求7所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述控温铜块包括上下两部分，每部分均有4个口径相同的半圆形开槽，上下两部分通过螺钉夹紧，形成4个圆形开槽作为制冷剂通道，用于制冷剂的流入与流出。
9.根据权利要求8所述的低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置，其特征在于，所述控温铜块表面均匀，4个制冷剂通道表面积占据控温铜块横截面积的1/2以上，上部分控温铜块的实心部分厚度满足预设值，热导率不小于350W/m·K。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202211083328.5A CN116296228A (zh) | 2022-09-06 | 2022-09-06 | 一种低温压敏漆静态校准与涂料特性研究实验装置 |
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