一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法，用于观测试样材料表面水滴结冰过程，包括：冻结模块、冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块；通过获取并存储各个模块采集的形态变化特征参数、粘附面积、内部温度变化特征参数及温度区域分布图、结冰界面应变特征参数和切向粘附力，并根据结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据粘附面积和切向粘附力计算切向粘附强度，充分了解水在材料表面的粘附过程形成机理，有助于开发、优化防除冰技术，降低清除材料表面覆冰时产生的高耗能、高成本以及污染环境的弊端。端。端。

【技术实现步骤摘要】
一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法


[0001]本专利技术涉及结冰探测
，更具体的说是涉及一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法。

技术介绍

[0002]在高纬、高海拔区域以及低温环境中，水易粘附在部件表面，并相变冻结结冰，附着在材料表面不易清除。冰粘附作为一种常见现象，但却给风机、电力输送、交通运输等工程领域，影响设备部件的正常运行，甚至引起安全事故以及人员伤亡。为减小冰粘附对工程领域的危害，工程领域已开发了多种防除冰技术，但通常是以高成本、高能耗、污染环境为代价。
[0003]了解水在冻结过程中特征参数的变化可有助于开发、优化现有防除冰技术，但是，已有结冰特征参数采集分析装置仅能采集水冻结过程中单一的特征参数，未能对冻结过程中水/冰形态特征、内部温度及其分布区域、水/冰粘附界面应力以及材料表面的粘附强度进行同步综合采集、对比分析，仅能从冻结过程中的单一特性分析水的冻结过程。
[0004]因此，如何提供一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法，同时对材料表面附着水在冻结过程中形态特征、温度特征、粘附强度特征以及界面应力特征进行同步原位采集和分析，充分了解水在材料表面的粘附过程形成机理，有助于开发、优化防除冰技术，降低清除材料表面覆冰时产生的高耗能、高成本以及污染环境的弊端。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：/>[0007]一种原位多功能结冰物理特性观测系统，用于观测试样材料表面水滴结冰过程，包括：冻结模块、冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块；
[0008]所述冻结模块包括半导体制冷片，所述试样材料置于所述半导体制冷片上，所述冻结模块用于通过所述半导体制冷片对所述试样材料的表面水滴进行冷却冻结；
[0009]所述冻结过程观测模块，用于观察采集所述水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，并获取冻结后冰的粘附面积；
[0010]温度特征采集模块，用于采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图；
[0011]所述结冰界面应力测量采集模块包括应变片，所述应变片置于所述试样材料与所述半导体制冷片之间，所述结冰界面应力测量采集模块用于采集所述水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；
[0012]所述结冰粘附强度测量模块包括可移动推拉力计，所述结冰粘附强度测量模块用
于通过所述可移动推拉力计清除试样材料表面覆冰测量所述水滴冻结后的切向粘附力。
[0013]优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括计算分析模块，所述冻结过程观测模块、所述温度特征采集模块、所述结冰界面应力测量采集模块和所述结冰粘附强度测量模块均与所述计算分析模块连接；
[0014]所述计算分析模块，用于获取并存储所述形态变化特征参数、所述粘附面积、所述内部温度变化特征参数及温度区域分布图、所述结冰界面应变特征参数和所述切向粘附力，并根据所述结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据所述粘附面积和所述切向粘附力计算切向粘附强度。
[0015]优选的，所述冻结模块还包括冷却浴、冷却扇、冷却头和可调直流电源；
[0016]所述冷却浴、所述冷却扇与所述冷却头依次连接，所述冷却头和所述可调直流电源均与所述半导体制冷片连接；
[0017]所述冷却浴和所述冷却扇进行冷循环对所述半导体制冷片进行制冷，所述可调直流电源用于通过调节电源的电流和电压改变半导体制冷片的功率。
[0018]优选的，所述冻结过程观测模块包括CCD和物镜，所述CCD与所述物镜连接，所述物镜分别置于正对所述试样材料的竖直方向和水平方向。
[0019]优选的，所述温度特征采集模块包括多通道温度记录仪、温度传感器和红外摄像头，所述多通道温度记录仪与所述温度传感器连接，用于采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数，所述红外摄像头设于所述试样材料一侧，用于采集所述水滴冻结过程中的温度区域分布图。
[0020]优选的，所述结冰界面应力测量采集模块还包括多通道应变采集仪，所述多通道应变采集仪与所述应变片连接。
[0021]优选的，所述结冰粘附强度测量模块还包括移动支架，所述推拉力计设于所述移动支架上，所述推拉力计通过所述移动支架沿试样材料水平方向移动。
[0022]优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，还包括载物台、玻璃箱和加湿器，所述半导体制冷片固定于所述载物台上表面，所述玻璃箱设于所述载物台上方，所述玻璃箱与所述加湿器连接，用于调节观测环境的湿度。
[0023]一种原位多功能结冰物理特性观测方法，包括以下步骤：
[0024]S1.将一侧粘有应变片的试样材料置于半导体制冷片上，所述试样材料的表面滴定水滴；
[0025]S2.通过所述半导体制冷片对所述试样材料的表面水滴进行冷却冻结；
[0026]S3.观察采集所述水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，同时采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图，以及采集所述水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；
[0027]S4.冻结成冰后，根据所述形态变化特征参数获取所述水滴冻结成冰的粘附面积，并测量所述水滴冻结后的切向粘附力。
[0028]优选的，所述的一种原位多功能结冰物理特性观测方法，还包括：S5.获取并存储所述形态变化特征参数、所述粘附面积、所述内部温度变化特征参数及温度区域分布图、所述结冰界面应变特征参数和所述切向粘附力，并根据所述结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据所述粘附面积和所述切向粘附力计算切向粘附强度。
[0029]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种原位多功能结冰物理特性观测系统及方法，具有以下特点：
[0030](1)本专利技术可同步观测采集水冻结过程中的形态特征参数、内部温度特征参数、粘附界面应力特征以及切向结冰粘附强度特征参数，并可同步获得界面微观应变应力特征，保证了试验条件的统一性和试验结果的准确性；
[0031](2)本专利技术在测试结冰粘附强度时，采用清除表面覆冰的推力作为冰的切向粘附力，利用装置中的CCD获取冻结过程中冰的粘附面积，可精准获得冰的切向粘附强度，减小试验误差；
[0032](3)本专利技术可充分了解水在材料表面结冰过程中的冻结特征参数，有助于分析多种材料和涂层表面对冻结过程的影响，并可进行简易、有效的评价，为工程领域开发、优化防除冰技术奠定理论支撑。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位多功能结冰物理特性观测系统，用于观测试样材料表面水滴结冰过程，其特征在于，包括：冻结模块、冻结过程观测模块、温度特征采集模块、结冰界面应力测量采集模块和结冰粘附强度测量模块；所述冻结模块包括半导体制冷片，所述试样材料置于所述半导体制冷片上，所述冻结模块用于通过所述半导体制冷片对所述试样材料的表面水滴进行冷却冻结；所述冻结过程观测模块，用于观察采集所述水滴的冻结过程中的图像获得形态变化特征参数，并获取冻结后冰的粘附面积；温度特征采集模块，用于采集所述水滴冻结过程中的内部温度变化特征参数及温度区域分布图；所述结冰界面应力测量采集模块包括应变片，所述应变片设于所述试样材料与所述半导体制冷片之间，所述结冰界面应力测量采集模块用于采集所述水滴在冻结过程中的结冰界面应变特征参数；所述结冰粘附强度测量模块包括可移动推拉力计，所述结冰粘附强度测量模块用于通过所述可移动推拉力计清除试样材料表面覆冰测量所述水滴冻结后的切向粘附力。2.根据权利要求1所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，其特征在于，还包括计算分析模块，所述冻结过程观测模块、所述温度特征采集模块、所述结冰界面应力测量采集模块和所述结冰粘附强度测量模块均与所述计算分析模块连接；所述计算分析模块，用于获取并存储所述形态变化特征参数、所述粘附面积、所述内部温度变化特征参数及温度区域分布图、所述结冰界面应变特征参数和所述切向粘附力，并根据所述结冰界面应变特征参数计算冻结过程中的界面应力，以及根据所述粘附面积和所述切向粘附力计算切向粘附强度。3.根据权利要求1所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，其特征在于，所述冻结模块还包括冷却浴、冷却扇、冷却头和可调直流电源；所述冷却浴、所述冷却扇与所述冷却头依次连接，所述冷却头和所述可调直流电源均与所述半导体制冷片连接；所述冷却浴和所述冷却扇进行冷循环对所述半导体制冷片进行制冷，所述可调直流电源用于通过调节电源的电流和电压改变半导体制冷片的功率。4.根据权利要求1所述的一种原位多功能结冰物理特性观测系统，其特征在于，所述冻结过程观测模块包括CCD和物镜，所述CCD与所述物镜连接，所述物镜分别设于正对所述试样材料的竖直方向和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈廷坤，王家旭，秦秀璋，韩丽曼，金敬福，丛茜，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：