智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置及控温方法与流程

本发明涉及一种智能测试技术，尤其是一种对测试材料在不同低温状态下动态响应的霍普金森压杆试验技术，具体地说是一种智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置及控温方法。

背景技术：

分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bars，SHPB）实验技术是研究中高应变率（10²~10⁴s^-1）下材料力学性能的最主要的实验方法，是爆炸与冲击动力学实验技术的重要组成部分。其核心思想是实验杆中传播的应力波同时承担加载盒测试的功能，根据杆中应力波传播的信息来求解杆件与试样端面的应力-位移-时间关系，从而得到试样的应力-应变关系。因此，半个多世纪以来，分离式霍普金森压杆实验得到了深入讨论和广泛应用。

随着科学技术的进步与清洁切削的要求，以液氮作为有效冷却剂的先进切削加工技术受到了人们的广泛关注，包括深冷切削技术、低温磨削技术与低温微磨料气射流加工技术等。例如：运用低温微磨料气射流对PDMS材料进行冲蚀加工时，由于PDMS材料在低温状态下的玻璃态转变而使得其硬度提高40~60%，从而在加工过程中大大减少了磨料嵌入程度；再如：金刚石刀具不能用来加工黑色金属。而美国一学者采用液氮冷却系统对不锈钢用金刚石刀具进行车削加工，由于低温抑制了碳原子的扩散和石墨化，大大减少了刀具磨损，并取得了极好的加工质量。但是，人们对低温状态下的材料去除机理的认识还不够深入。究其原因是所加工材料在低温状态的力学性能较常温下有较大不同。因此，对低温状态下材料的的动态力学响应测试就有这非常重要的工程和科研意义。

目前，还没有专门针对霍普金森杆实验设备用的制冷系统，研究人员在进行低温状态下的霍普金森杆试验中用到得制冷系统基本上都是根据具体实验要求而自行设计的。

公告号为CN104913971A的专利公开了一种霍普金森杆低温实验装置，该装置包括氮气发生装置、保温实验装置和氮气导管，获得了范围较广（RT~-175℃）的实验温度；公告号为CN108776060A的专利公开了一种用于实时低温分离式霍普金森压杆实验的温度补偿装置，该装置包括低温环境箱、低温液氮瓶和气压泵。该装置通过调节调压阀至所需压力并稳定输出气体，获得RT~-100℃的低温测试环境。上述两个专利中所公开的霍普金森杆用低温加载装置均可提供测试过程中所需一定范围的低温环境，但不可避免地存在下述三方面问题：①难以提供有效地超低温测试环境；②难以对测试环境的温度进行实时调控；③由于将低温氮气直接接入保温箱中，难以短时间内在保温箱中营造所需的低温测试环境，且低温环境温度场分布不均匀。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的霍普金森杆试验装置用低温加载装置存在难以短时间内营造均匀的低温测试环境且难以实时控温等技术问题，设计一种智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置，同时提供一种相应的控温方法。。

本发明的技术方案之一是：

一种智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置，它包括液氮罐17、液氮汽化瓶12和低温测试箱1，液氮罐17通过液氮输送软管18与液氮汽化瓶12相连，液氮汽化瓶12通过低温氮气输送管7及相应的低温连接管将低温氮气送入低温测试箱1中对测试试样38进行冷却，其特征是在液氮汽化瓶12中安装有第一电加热丝13，第一电加热丝13与控制器20电气连接，控制器20同时与安装在液氮输送软管18上的液氮电磁阀16电气连接；在液氮汽化瓶12的出口端安装有第一热电偶10，第一热电偶10连接有与控制器20进行无线通讯的第一热电偶无线连接器系统11，控制器20根据第一热电偶测量的液氮汽化瓶12出口端的温度控制第一电加热丝13的通断及液氮电磁阀16的开启；在低温氮气输送管7中安装有第二电加热丝6，第二电加热丝6与温控仪25电气连接，在低温测试箱1中安装有第二热电偶30，第二热电侧30连接有与温控仪25进行无线通讯的第二热电侧无线连接器系统31，温控仪25接收第二热电偶30的温度，从而控制第二电加热丝6的工作状态。

所述的低温连接管为管螺纹连接管5或低温氮气输送管38；管螺纹连接管5与安装在低温测试箱1内的螺旋式低温氮气输送管36的进气端相连通，螺旋式低温氮气输送管36缠绕在输入杆2和射出杆32上；低温氮气输送管38的出气端直接与低温测试箱1相连通，在低温测试箱1的周围对称安装有均温用的低温风扇40。

所述的螺旋式低温氮气输送管36与测试试样37相对的内侧面上设有通气孔33，以便于低温氮气直接作用于测试试样37上。

所述的管螺纹连接管5上包覆有螺旋式低温氮气输送管入口端保温层4，所述的低温氮气输送管38上包覆有低温氮气输送管保温层30。

所述的第二热电偶30安装在离测试试样37周围5-8毫米处，第二热电偶30将测得的试样周围温度通过第二热电侧无线连接器系统31以无线电波的形式进行传输，被温控仪25中的无线电接受模块29所接收。

所述的液氮输送软管18通过右法兰14和右法兰垫片15与液氮汽化瓶12的进气端相连通；低温氮气输送管7通过左法兰8和左法兰垫片9与液氮汽化瓶12的出气端相连通；所述的液氮汽化瓶12外壁面施加有绝热材料，控制被汽化的低温氮气过度升温，提高液氮汽化效率的精准度

所述的第一热电偶10的安装位置略高于液氮汽化瓶12左出气端口底部，以便于根据该位置的温度对液氮的加注进行实时控制，避免液氮进入低温氮气输送管7内。

控制器20中的无线电接受模块23接收第一热电偶10所测的温度信号，并将其传送给控制器信号处理模块22，通过控制器信号处理模块22中的信号比较器将第一热电偶10所测的温度信号与设定的液氮温度T=-196°C进行对比，控制器信号处理模块22中的对比结果将以电信号的形式传送给液氮电磁阀控制器21，液氮电磁阀控制器21与液氮电磁阀16的控制装置电气连接，继而对液氮电磁阀16的通断进行实时控制；温控仪25中的无线电接受模块29接受到第二热电偶30所测得的温度信号后，将其转变为电信号并传送给温控仪信号处理模块28，温控仪信号处理模块28将实测温度与设定温度进行对比处理，将其对比结果传送给电流调节模块27，电流调节模块27与第二电热丝控制器26进行电气连接，继而控制第二电热丝6的发热量，实现对低温测试箱1中的温度进行在线智能调节。

所述的第二电热丝6的放热量Q2放由霍普金森压杆测试实验环境所需温度来确定，

即：Q2放=cm△t；

式中：c为氮气的比热容：1.083KJ/(KG.℃)；m为液氮的输送质量；△t为第二热电偶所测温度值与温控仪中设定值之差；

所述第一热电偶无线连接器系统11与第二热电偶无线连接器系统31进行不同地址的编码，确保其所发出带有温度信号的无线电波能够分别被控制器无线电接受模块23和温控仪无线电接受模块29所接受，避免相互干扰。

本发明的技术方案之二是：

一种霍普金森压杆实验用低温加载装置的温度控制方法，其特征是它包括如下步骤：

（1）首先，在液氮汽化瓶与低温氮气输送管内固定安装一电热丝；

（2）其次，分别在略高于液氮汽化瓶左端出气口处与低温测试箱内安装一个热电偶，并通过导线将热电偶所测得的温度传输给带有无线电发射模块的热电偶无线连接器，热电偶无线连接器将所测得的温度信号以无线电波的形式发送出去；

（3）第三，在控制器与温控仪上安装无线电接收模块，用于接收第一热电偶与第二热电偶所测得的温度信号；

（4）控制器中的无线电接受模块接收到第一热电偶无线连接器发出的无线电波，经过控制器无线电处理模块，将所测得的温度问设定温度进行对比以控制液氮电磁阀的开启与闭合，如果测量得到的温度值等于设定值（液氮温度T=-196°C），则可关闭液氮电磁阀，如果所测量得到的温度值低于设定值（液氮温度T=-196°C），则保持液氮电磁阀的打开状态；

（5）温控仪中的无线电接受模块接收到第二热电偶无线连接器发出的无线电波，经过温控仪无线电处理模块，将所测得的温度与设定温度进行做差，并将其差值换算为电流调节信号，经过温控仪中的电流调节模块来控制第二电热丝的发热量。

本发明的有益效果：

本发明通过有效控制液氮汽化与智能调控低温测试箱内的温度，可有效地为霍普金森压杆实验提供均匀的超低温测试环境，温度范围在RT~-190℃。改变了以往直通式制冷不均匀且效果差等弊端，减少了液氮的损耗量，达到节约能源的目的。

本发明利用配置在液氮汽化瓶与低温测试箱中连接有无线电发射系统的热电偶分别对液氮汽化瓶出口处温度与低温测试箱内温度进行实际测量，并将所测得的实际温度信号以不同频段的方式进行无线传输。两种带有温度信号的不同频段无线电波被安装在温控仪与控制器中的无线电波接受模块所接受，再将其传输给相应的信号处理模块，将温度信号传送给相应的控制模块，对液氮电磁阀的通断与第二电热丝的发热量进行控制，继而做到对低温测试箱内的温度进行精确调控。在低温测试箱中通过均布有气孔的螺旋式低温氮气输送管或在测试箱内壁对称配置两个风扇来加速其内部的气体流动的方式来快速获得所需的均匀温度氛围。通过有效控制液氮汽化与智能调控低温测试箱内的温度，可有效地为霍普金森压杆实验提供均匀的超低温测试环境，温度范围在RT~-190℃，减少了液氮的损耗量，达到节约能源的目的。

本发明也可作为物品的临时低温冷却装置使用。

附图说明

图1为本发明的装置工作原理示意图。

图2为本发明的液氮汽化装置结构示意图。

图3为本发明的螺旋式低温测试箱结构示意图。

图4为本发明的环流式低温测试箱结构示意图。

图5为本发明的低温测温箱底座结构示意图。

图6为本发明的液氮汽化装置中国液氮有效汽化服务程序流程图。

图7为本发明的低温测试箱环境温度智能调控时的控制流程图。

图中：1、低温测试箱；2、输入杆；3、压杆穿孔；4、螺旋式低温氮气输送管入口端保温层；5、管螺纹连接管；6、第二电加热丝；7、低温氮气输送管；8、左法兰；9、左法兰垫片；10、第一热电偶；11、第一热电偶无线连接器系统；12、液氮汽化瓶；13、第一电加热丝；14、右法兰；15、右法兰垫片；16、液氮电磁阀；17、液氮罐；18、液氮输送软管；19、液氮罐压力表；20、控制器；21、液氮电磁阀控制模块；22、控制器无线电处理模块；23、控制器无线电接受模块；24、第一电加热丝控制模块；25、温控仪；26、第二电加热丝控制模块；27、温控仪电流调节模块；28、温控仪无线电处理模块；29、温控仪无线电接受模块；30、第二热电偶；31、第二热电偶无线连接器系统；32、射出杆；33、通气孔；34、低温测试箱底座；35、调节脚座；36、螺旋式低温氮气输送管；37、测试试样；38、低温氮气输送管；39、低温氮气输送管保温层；40、低温风扇。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-5所示。

图1所示为一种智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置的工作原理示意图，该装置包括自增压液氮罐17、液氮汽化瓶12、低温测试箱1等结构，包括带有无线电发生模块的热电偶10/30（型号可为：OMEGA公司的UWRTD-2型号，T型热电偶）、无线电接受模块23/29（型号可为：OMEGA公司的UWTC-REC1多通道工业接受器）、第一电热丝温度控制器20、温控仪电流调节模块（采用脉冲宽度调制式原理电路加以实现）26、螺旋式低温氮气输送管36或低温专用风扇40，所述的控制器20负责给第一电热丝13提供电源，并调节液氮汽化效率，避免自增压液氮罐17中的液氮过量流出而来不及汽化，流进低温测试箱1中，干扰低温测试箱1中温度调控的精确性；所述的温控仪25通过对第二热电偶30所测的温度与设定温度的对比，来调节第二电热丝6的发热量，继而调节低温测试箱1中的温度。

详述如下：

一种智能可控温式霍普金森压杆试验用低温加载装置，它包括：

一液氮汽化装置，所述的液氮汽化装置主要包括自增压液氮罐17、液氮汽化瓶12、右连接法兰14、左连接法兰8、第一电热丝13、液氮输送软管18与低温氮气输送管7，所述的液氮汽化瓶12分别与液氮输送软管18与低温氮气输送管7通过右法兰14与左法兰8进行可拆卸连接，所述的液氮汽化瓶12底部配置有第一电热丝13，其中控制第一电热丝13的电气连接线通过密封塞在液氮汽化瓶容器壁的锥形孔处穿出，所述的液氮汽化瓶12左端处还布置第一热电偶10，其位置略高于液氮汽化瓶12左出气端口底部，以便于根据该位置的温度对液氮的加注进行实时控制，避免液氮进入低温氮气输送管7内；

一液氮汽化控制系统，所述的液氮汽化系统主要包括第一热电偶10、第一热电偶无线连接器11、控制器20与控制器无线电接受模块23、控制器处理模块22与第一电热丝控制模块24，所述的液氮从自增压液氮罐17中经过液氮输送软管18流进液氮汽化瓶12中，液氮汽化瓶12中的第一电热丝13具有固定的发热功率，第一电热丝13提供热量促使液氮快速有效汽化，使得液氮汽化为温度为-190°C的低温氮气，以便于为下一步低温测试箱1进行有效冷却；

一智能控温系统，所述的智能控温系统主要包括第二电热丝6、第二热电偶30、第二热电偶无线连接器31、温控仪25、温控仪无线电接受模块29与第二电热丝控制模块26，经过液氮汽化瓶12汽化后，低温氮气经过低温输送管7进入低温测试箱1内，所述的低温输送管7内布置第二电热丝6，其发热量由第二电热丝控制模块26控制。第二电热丝6的放热量Q2放由霍普金森压杆测试实验环境所需温度来确定，

即：Q2放=cm△t；

式中：c为氮气的比热容：1.083KJ/kg(KG. ℃)；m为液氮的输送质量,kg；△t为第二热电偶所测温度值与温控仪中设定值之差。

低温测试箱1中布置第二热电偶30，第二热电偶30对低温测试箱1内的温度进行实时测量，并通过第二热电偶无线连接器31发出带有温度信号的无线电波，温控仪25中的无线电接受模块29用于接受第二热电偶所采集到的温度信号；

一低温测试箱1，低温测试箱1安装在低温测试箱底座34上，低温测试箱底座34的下部安装有调节脚座35，如图5所示。具体实施时，低温测试箱可有两种实现方式：

方式一：螺旋式低温氮气输送管36将低温测试箱1中的入射杆2、射出杆32与测试试样37包围起来，且螺旋式低温氮气输送管36的内壁面加工出通气孔33。如图3所示。

方式二：在低温测试箱1中的左右两侧分别布置一个低温专用风扇40，低温专用风扇需对称配置，两种方式共同的作用在于能够使测试试样的周围环境能够快速控温，并且温度分布均匀。如图4所示。

所述的液氮汽化瓶12的进液口与出气口分别通过右法兰14和左法兰8与液氮输送软管18与低温氮气输送管7进行可拆卸连接，所述第一热电偶10与第一电热丝13的电气连接线通过密封塞从液氮汽化瓶容器壁的锥形孔处穿出。如图2所示。

在液氮汽化瓶12的左法兰8、右法兰14与液氮输送软管18、低温氮气输送管7的连接面之间安装有低温用法兰垫片15加以密封。如图2所示。

在所述的液氮汽化瓶12左端出气口处配置第一热电偶10，其位置与液氮汽化瓶12左出气端口底部齐平，第一热电偶10与第一热电偶无线连接器11电气连接，第一热电偶10所测得的温度信号以无线电波的形式发出，并被控制器中的无线电接受模块23所接受。

在所述的液氮汽化瓶12左端出气口处安装有第一热电偶10，以用测量液氮汽化瓶12左端出气口处的温度，当测量温度达到液氮温度（T=-196°C）即表示有液氮溢出，并经液氮汽化瓶12左端出口进入低温氮气输送管7中，第一热电偶10实时测量液氮汽化瓶12左端出气口处的温度并显示在控制器上。

通过控制器20对液氮汽化瓶12左端出气口处的温度与设定温度相比较，来控制液氮电磁阀16的通断，继而控制液氮的有效汽化，防止液氮进入低温测试箱中。

所述的低温氮气输送管7中配置第二电热丝6，第二电热线6的电气连接线同样通过密封塞从低温氮气输送管管壁的锥形孔处穿出。

所述的低温测试箱，其方式之一是在低温测试箱1中配置一螺旋式低温氮气输送管36，管壁内表面均匀布置有通气孔33。 螺旋式低温氮气输送管36由黄铜材料制成，通过改变所述的输送管的螺距来实现对低温测试箱1冷却的均匀度进行调节。实验表明：螺距在3~5cm时的冷气换热较均匀。所述的螺旋式低温氮气输送管36与低温氮气输送管7进行可拆卸式的管螺纹连接。

所述的低温测试箱，其方式之一是在低温测试箱1中的左右两侧分别布置一个低温专用风扇40，低温专用风扇40需对称配置，两种方式共同的作用在于能够使测试试样的周围环境能够快速控温，并且温度分布均匀。

所述的低温测试箱中还布置有第二热电偶30，第二热电偶30的位置位于试样周围5~8mm处，第二热电偶30将测得的试样周围温度通过无线电波的形式进行传输，被温控仪中的无线电接受模块29所接受。

所述的霍普金森压杆实验用低温加载装置可提供的有效均匀低温环境温度为RT~-190°C。

实施例二。

如图5-7所示。

一种霍普金森压杆实验用低温加载装置的温度控制方法，它包括如下步骤：

（1）首先，在液氮汽化瓶12与低温氮气输送管7内固定安装一电热丝；

（2）其次，分别在略高于液氮汽化瓶12左端出气口处与低温测试箱1内安装一个热电偶，并通过导线将热电偶所测得的温度传输给带有无线电发射模块的热电偶无线连接器，热电偶无线连接器将所测得的温度信号以无线电波的形式发送出去；

（3）第三，在控制器20与温控仪25上安装无线电接收模块，用于接收第一热电偶10与第二热电偶30所测得的温度信号；

（4）控制器中的无线电接受模块23接收到第一热电偶无线连接器10发出的无线电波，经过控制器无线电处理模块22，将所测得的温度问设定温度进行对比以控制液氮电磁阀16的开光与闭合，如果测量得到的温度值等于设定值（液氮温度T=-196°C），则可关闭液氮电磁阀16，如果所测量得到的温度值低于设定值（液氮温度T=-196°C），则保持液氮电磁阀16的打开状态；

（5）温控仪25中的无线电接受模块29接收到第二热电偶无线连接器31发出的无线电波，经过温控仪无线电处理模块28，将所测得的温度与设定温度进行做差，并将其差值换算为电流调节信号，经过温控仪中的电流调节模块27来控制第二电热丝6的发热量。

尽管上述已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。