CN110887759B - 基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台 - Google Patents
基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,主要由总控制台、自动化测量平台、轨道、蓄水池、表面水珠检测装置组成,总控制台包括计时***和控制***,二者相互协调使得自动化测量平台在事先设定好的时间节点移动到各个试块上方,控制表面水珠检测装置的抬起并进行吸水系数测量。自动化测量平台位于蓄水池正上方,可借助轨道在蓄水池上方自由移动,以便自动化测量平台量抓取、放下不同试块。自动化测量平台一共包括3组模块,分别是试块的抓取、放回模块,试块干燥模块,试块称量模块。本发明通过以上装置可实现对蓄水池水位保持±3mm误差的精准控制;质量测量的精度为精确到试件质量的±0.1%。时间测量精度为1秒。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料湿物性测量装置领域,涉及对材料湿物性参数吸水系数的测量,具体是指一种基于部分浸泡法的建筑材料吸水系数自动化测量装置。
背景技术
建筑材料导热系数是建筑冷热负荷、能耗计算的重要热工参数之一。目前,相关规范和手册对建材导热系数的取值大多基于干燥状态下的测量结果,而处于实际使用环境中的多孔建筑材料大多有一定的含湿率,建筑材料含湿后导热系数会发生改变。吸水系数时建筑材料湿物性之一,是评判建筑材料吸湿能力的主要依据,往往作为建筑围护结构的热湿传递数值计算中的一个输入数据。准确测量建筑材料的吸水系数,能在建筑围护结构热湿计算中,对建筑材料导热系数进行相关修正,进而对建筑冷热负荷及能耗进行准确计算。
目前市场上,测量吸水系数的相关自动化测量装置匮乏,常用实验设备无法满足水珠监测、液位调整等特殊需求。因此,开发一款能够完成上述标准试验方法中浸泡、擦拭、称量核心实验步骤,并能实时监测试块顶部水珠析出情况,及时调整蓄水池液位的自动化测量平台成为现实需要。
发明创造内容
针对建筑材料吸水系数自动化测量装置存在的空白,本发明提供一种能够在多个时间节点,对多组实验对象实现自动化测量、记录等功能的吸水系数监测一体化设备,能够在多个时间节点,对多组实验对象实现自动化测量、记录等功能,实现便捷、准确的吸水系数测量功能。
为此,本发明采用以下技术方案:
一种基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,主要由总控制台、自动化测量平台、轨道、蓄水池、表面水珠检测装置组成,所述的总控制台位于蓄水池一侧,用于使得自动化测量平台在预设的时间节点移动到待测材料上方,并对待测材料进行吸水系数测量,所述的总控制台同时用于控制表面水珠检测装置的抬起与放下;
所述的自动化测量平台位于蓄水池正上方,用于在蓄水池上方自由移动,依次包括抓取模块、干燥模块和称量模块,所述的抓取模块用于完成待测材料抓取和放下,所述的干燥模块用于除去待测材料表面水珠,所述的称量模块用于测量待测材料的质量;
所述的表面水珠检测装置用于与待测材料的表面水滴接通并向总控制台传递待测材料存在水滴信号;
总控制台(1)以以下公式计算吸水系数Aw:
其中,tf为测试持续时间,单位为秒;Δm'tf为回归曲线对应于tf的Δm值,单位为kg/m2;Δm'0为回归曲线与坐标轴竖轴截距;Δm为实时质量差,表示待测材料tf时的质量与初始质量的质量差和面积的比值;所述的回归曲线为以测试时间的平方根为横坐标,实时质量差Δm为纵坐标绘制的图像拟合成的回归曲线。
进一步,总控制台包括计时***和控制***,二者相互协调使得自动化测量平台在事先设定好的时间节点移动到各个试块上方,控制表面水珠检测装置的抬起,并进行吸水系数测量。自动化测量平台位于蓄水池正上方,可借助轨道在蓄水池上方自由移动,以便自动化测量平台量抓取、放下同组的不同试块。
所述的自动化测量平台一共包括3组模块,分别是试块的抓取、放回模块,试块干燥模块,试块称量模块。蓄水池由试块支架、水位监测装置、入水口、泄水口,水池组成。表面水珠检测装置安装在蓄水池一侧,用于检测试块表面是否有水珠析出。
根据本发明,所述的总控制平台,可以控制测量平台的定点移动,表面水珠检测装置的起降,试块支架的升降。同时为整套实验装置提供时间节点,并记录特殊时刻。
具体的,所述的自动化测量平台主体为空心金属外壳,内部依次设有可移动试块钩爪,与试块大小接近的海绵块,称量试块质量的精密电子称。
具体的,所述的轨道铺设于蓄水池两侧,自动化测试平台依托连接臂与轨道相连。
具体的,所述蓄水池设有水位监测装置,并可保持水位在某一设定高度。
具体的,所述表面水珠检测装置,可自由升降,感应试块表面是否有水珠析出。
本发明相比现有技术,具有如下有益效果:
1、测试便捷、准确、可靠
基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台能够完成浸泡、擦拭、测量等测试步骤。该自动化测量平台能在多个时间节点,对多组实验对象进行快速和准确地测量,相比人工实验,自动化吸水系数测量平台更加便捷、准确、可靠。实验人员只需摆放好试块,设置相应时间节点即可,解决实验时间跨度长、时间节点分散,实验人员时间安排无法满足实验要求等问题。
2、精确观测水珠析出时刻和实时调整蓄水池液位
该套设备包含表面水珠检测装置和水位监测与控制装置,着力解决实验人员无法长时间观测试块顶部水珠析出情况以及蓄水箱液位是否全程覆盖试块底部等问题。相关装置可以全天候、自动化进行水珠析出时刻记录,自动提升蓄水池液位以满足实验特殊要求。
3、减少实验中的操作误差
本发明的平台可以按照预先设定好的程序进行实验,保证实验按时完成,实验数据真实可靠,减少人为带来的误差。
附图说明
图1自动化测量平台结构示意图
图2水位监测与控制装置结构示意图
图3自动化测试平台的剖视图
图4试块抓取传动臂滑动装置的结构示意图
图5平台平移滑动装置的结构示意图
图6试块平移传动臂移动装置的剖视图
图7试块平移传动臂移动装置、试块平移钩爪、齿条的结构示意图
图8传动臂平移原理图
图9试块抓取钩爪的结构示意图
图10表面水珠检测装置的结构示意图
图11.类型A试件顶部表面没有液态水(左),有液态水(右)
图12类型BΔmt和t.之间的非线性关系示意图。
图中标号分别表示:
1、总控制台,2、蓄水池主体,3、平台移动轨道,4、试块支撑架,5、表面水珠检测装置,6、表面水珠检测装置控制台,7、试块,8、试块抓取钩爪,9、自动化测量平台主体,10、进水口,11、泄水口,12、试块平移传动臂,13、平台连接臂,14、水位监测与控制装置,15、钩爪移动槽,16、试块干燥模块,17、试块称量模块,18、试块平移导轨,19、平台平移滑动装置,20、试块抓取传动臂滑动装置,21、滑轮,22、齿轮,23、齿条,24、试块平移钩爪,25、试块抓取传动臂,26、试块平移传动臂移动装置,27、滑轮导轨,28、电感式顶部水珠检测探头,29、表面水珠检测装置支架。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的平台,申请人的设计思路是,由可自动调节水位的蓄水池提供试块所需通过底面在至少24小时的时间范围与液态水接触的情况,并通过安装在蓄水池一侧的表面水珠检测装置检测试块表面是否有水珠析出。由借助铺设在两侧轨道可自由在蓄水池上方移动的自动化测量平台完成试块的抓取、除水、称量等符合部分浸泡法测定吸水系数的规范操作。
本发明吸水系数的计算方法依据如下原理:
1、假定垂直于水流方向的面积A m2,实验中标准件的底面积为0.09m2,若为非标准件,则应输入试件底面积。
2、总控制台1以下公式计算每次称重时质量的差值和面积的比值:
式中:mt——试块在泡水t时间后的质量,精确度为质量的±0.1%;
mi——稳定状态下,试块的初始质量,精确度为质量的±0.1%。
3、从步骤2得到的图形将是图11所示的两种不同类型(类型A或B)中的一种。在试验中及结束后,总控制台1会实时根据表面水珠检测装置5鉴别试件顶部表面是否有液态水,当顶部出现液态水,停止测量。
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以秒为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以小时为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
5、B型图—如图12所示,B型图显示了Δmt和t.之间的非线性关系。在这样的情况下,在4h(2√h)时的测量值Δmt可以被用于Δmtf,由于材料吸水性能存在差异,故根据时间单位不同,Aw和Ww将由下式计算:
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以秒为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以小时为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距。
实施例1:
参见图1,本实施例给出一种基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台的具体结构,包括总控制台1负责控制自动化测量平台的移动,数据的收集、测量以及结果的呈现。
可自动调节水位的蓄水池由蓄水池主体2,试块支撑架4,表面水珠检测装置5,表面水珠检测装置控制台6,进水口10,泄水口11,水位监测与控制装置14组成。试块依次放置在试块支撑架4上,试块支撑架4上设置有试块位置定位点,方便自动化测量平台能够准确抓取试块。试块支撑架4设计放置6块30cm×30cm标准试块。试块依次放置完毕后,通过总控制台1启动水位监测与控制装置14,由实验人员设置标准水位。由于水的自然蒸发,当实际水位低于标准水位时,水位监测与控制装置14会打开进水口10上的电磁阀,补充蓄水池中的水量。当实际水位高于标准水位时,水位监测与控制装置14会打开泄水口11上的电磁阀。当实际水位正好处于标准水位时,水位监测与控制装置14会关闭所有电磁阀。当实验完毕后,实验人员可在总控制台1打开泄水口11上的电磁阀,将蓄水池中的水排出。当总控制台1接收到水位监测与控制装置14的水位符合设定的反馈信号后,启动表面水珠检测装置控制台6,表面水珠检测装置控制台6放下表面水珠检测装置5以检测试块表面是否有水珠析出。至此,实验准备阶段结束。
当试块接触液态水时,即实际水位达到设定水位时,总控制台1开始精确计量时间。当时间达到预先设置的时间节点后,总控制台1会控制自动化测量平台依次对试块支撑架4上放置的六块试块7进行测量。首先总控制台1控制一号表面水珠检测装置5升起,自动化测量平台主体9移动到一号试块7所在的对应位置,试块抓取钩爪8首先向钩爪移动槽15两侧移动,防止钩爪在下降过程中触碰到试块7。当试块抓取钩爪8下降至最低端后,向钩爪移动槽15中心移动,直到抓紧试块7为止。之后试块抓取钩爪8向上移动,将试块7上移至与试块平移钩爪12对接位置。试块平移钩爪12向试块移动,牢牢抓紧试块后,试块抓取钩爪8向钩爪移动槽15两侧移动,再向上移动。至此,试块完成从试块支撑架4上的抓取到试块平移钩爪12的固定过程。试块平移钩爪12的移动依靠试块平移导轨18。
接着进入试块测量阶段,试块平移钩爪12将试块平移至试块干燥模块16处,擦干试块表面所附着的水珠,放置额外附着的水珠对质量称量造成影响。试块干燥模块16由3块海绵组成,分别是底部大海绵以及前后两侧小海绵组成。为保证海绵的吸水性保持不变,即在相同的干燥时间内,海绵不会因为其中水分较少,吸水性较强而吸收试块内部水分;同样也不会因为其中水分较多、吸水性较弱而造成无法吸收完全试块表面水珠。解决方法是在海绵底部放置缓冲试剂盒,缓冲试剂可以调节海绵的含水量,以达到海绵吸水性大体保持不变的效果。缓冲试剂采用硅胶或者氯化钙固体,当海绵水分达到一定量的时候,水分会由于重力作用,向下移动,接触到硅胶或氯化钙固体,由于虹吸作用,水分会不断的被吸入缓冲试剂盒,以达到海绵吸水性基本保持不变的目的。
试块干燥阶段完成,试块平移钩爪12将试块平移至试块称量模块17。测量时,试块平移钩爪12松开,防止干扰质量测量。试块称量模块17将质量数据传输至总控制台1,由其计算试块在相应时间节点的吸水系数,并由显示屏呈现。至此,该试块在此时间节点的测量工作完成。
开始试块的放回阶段,试块平移钩爪12将试块夹紧,将其平移至与试块抓取钩爪8对接位置。试块抓取钩爪8下降至对接位置,再向钩爪移动槽15中心移动,直至抓紧试块。试块平移钩爪12松开试块,试块抓取钩爪8向下移动,直至将试块重新放置在试块支撑架4上。试块抓取钩爪8向钩爪移动槽15两侧移动,再向上移动。总控制台1控制一号表面水珠检测装置5放下。至此,一号试块一个测量周期完成。
总控制台1控制自动化测量平台主体9移动至二号试块对应位置,并重复以上步骤,直至完成所有试块测量。总控制台1控制自动化测量平台主体9重新移动至一号试块对应位置,等待下一个时间节点。
特殊情况,当A号表面水珠检测装置5检测到A号试块表面有水珠析出时,将信号传输至总控制台1。总控制台1记录A号试块饱和时间后,控制自动化测量平台对A号试块进行最后一次测量。
本发明吸水系数的计算方法依据如下原理:
1、假定垂直于水流方向的面积A m2,实验中标准件的底面积为0.09m2,若为非标准件,则应输入试件底面积。
2、总控制台1以下公式计算每次称重时质量的差值和面积的比值:
式中:mt——试块在泡水t时间后的质量,精确度为质量的±0.1%;
mi——稳定状态下,试块的初始质量,精确度为质量的±0.1%。
3、从步骤2得到的图形将是图11所示的两种不同类型(类型A或B)中的一种。在试验中及结束后,总控制台1会实时根据表面水珠检测装置5鉴别试件顶部表面是否有液态水,当顶部出现液态水,停止测量。
4、A型图—如图11所示,A型图显示为线性关系直到测试结束;通过Δmt和得到的点来确定回归曲线,延长回归曲线到竖轴确定Δm'0。由于材料吸水性能存在差异,故根据时间单位不同,吸水系数Aw和Ww将由下式计算:
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以秒为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以小时为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
5、B型图—如图12所示,B型图显示了Δmt和t.之间的非线性关系。在这样的情况下,在4h(2√h)时的测量值Δmt可以被用于Δmtf,Aw和Ww将由下式计算:
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以秒为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距
式中:Δm'tf——回归曲线上在时间tf算上对应的Δm值,kg/m2;
tf——测试的持续时间(通常为1天),以小时为单位。
Δm'0——回归曲线延长至竖轴的截距。
Claims (5)
1.一种基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,其特征在于,包括总控制台(1)、自动化测量平台(9)、表面水珠检测装置(5)和蓄水池(2);
所述的总控制台(1)位于蓄水池(2)一侧,用于使得自动化测量平台(9)在预设的时间节点移动到待测材料上方,并对待测材料进行吸水系数测量,所述的总控制台(1)同时用于控制表面水珠检测装置(5)的抬起与放下;
所述的自动化测量平台(9)位于蓄水池(2)正上方,用于在蓄水池(2)上方自由移动,依次包括抓取模块、干燥模块和称量模块,所述的抓取模块用于完成待测材料抓取和放下,所述的干燥模块用于除去待测材料表面水珠,所述的称量模块用于测量待测材料的质量;
所述的表面水珠检测装置(5)用于与待测材料的表面水滴接通并向总控制台(1)传递待测材料存在水滴信号;
总控制台(1)以以下公式计算吸水系数Aw:
其中,tf为测试持续时间,单位为秒;Δm'tf为回归曲线对应于tf的Δm值,单位为kg/m2;Δm'0为回归曲线与坐标轴竖轴截距;Δm为实时质量差,表示待测材料tf时的质量与初始质量的质量差和面积的比值;所述的回归曲线为以测试时间的平方根为横坐标,实时质量差Δm为纵坐标绘制的图像拟合成的回归曲线;
可自动调节水位的蓄水池(2),包括支撑架(4),位于蓄水池(2) 主体内部,蓄水池(2)主体长边一侧的内壁上设置表面水珠检测装置控制台(6),水位监测与控制装置(14)安装在蓄水池(2)主体短边一侧,包括进水口(10)和泄水口(11),蓄水池(2)两侧安装有轨道(3);
所述的表面水珠检测装置(5)具有表面电极,表面电极会被析出的水珠接通,进而向总控制台(1)发出信号;
所述的表面水珠检测装置控制台(6)作为表面水珠检测装置(5)与总控制台(1)间的数据交换媒介;
所述的水位监测与控制装置(14)自行检测水位变化,并根据总控制台(1)设定的标准水位控制进水口(10)和泄水口(11)上的电磁阀开度,保证实际水位和标准水位之间的误差范围;
在自动化测量平台(9)包括三个模块,试块抓取钩爪(8)用于实现试块的抓取和放下;试块干燥模块(16)用于除去试块表面水珠;试块称量模块(17)用于测量试块的质量,试块平移钩爪(12)用于实现试块在各个模块之间的移动;
所述的试块干燥模块(16),包括底部30cm×30cm海绵,以及前后两块30cm×2cm海绵,底部海绵配有缓冲溶液盒。
2.根据权利要求1所述的基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,其特征在于,所述的总控制台(1)包括计时***和控制***,二者相互协调使得自动化测量平台(9)在事先设定好的时间节点移动到各个试块上方,并对试块进行吸水系数测量。
3.根据权利要求1所述的基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,其特征在于,所述的支撑架(4),由不锈钢柱制成,保证支架与试块的线性接触,不妨碍试块的液体吸收且不对试块表面有机械损坏。
4.根据权利要求1所述的基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,其特征在于,所述的进水口(10)和泄水口(11),分别安装于蓄水池(2)短边一侧,配有电磁阀,受水位监测与控制装置(14)控制。
5.根据权利要求1所述的基于部分浸泡法的材料吸水系数自动化测量平台,其特征在于,所述试块称量模块(17)的质量测量的精度为精确到试件质量的±0.1%,且能将数据传回总控制台(1)。
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Non-Patent Citations (1)
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多孔烧结陶片在盐溶液中的吸水特性;潘振皓;《土木建筑与环境工程》;20171215;第39卷;第119页,图2 * |
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