CN112986110A - 一种多空间环境模拟的便携装置 - Google Patents

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CN112986110A CN201911280535.8A CN201911280535A CN112986110A CN 112986110 A CN112986110 A CN 112986110A CN 201911280535 A CN201911280535 A CN 201911280535A CN 112986110 A CN112986110 A CN 112986110A
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罗宏杰
***
尹文彬
黄晓
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Abstract

本发明涉及一种多空间环境模拟的便携装置，包括：容纳进行实验模拟的样品的样品箱；与所述样品箱相连且内部填充沙石并能够向所述样品箱供给水盐溶液的水盐溶液补给箱；对所述样品箱和水盐溶液补给箱内的温度和水盐溶液的液位进行检测和控制的测控***；所述样品箱包括容纳所述样品的样品室，且所述样品室的两端开口，一端与环境相接触，另一端与所述水盐溶液补给箱相连通。本发明可以在常用环境模拟箱中实现多个环境控制的多空间环境模拟。

Description

一种多空间环境模拟的便携装置
技术领域
本发明涉及文物模拟样品的劣化研究领域，尤其涉及一种多空间环境模拟的便携装置。
背景技术
近年来文化实力已成为一个国家综合国力的重要组成部分，世界各国对文化事业都展现出前所未有的重视，文化遗产保护研究是文化事业重要的基石之一，它不只是对文化遗存的保护，也是对文化遗存内涵发掘的工作，更是体现了一个国家科技水平所能达到的高度。但是，由于文化遗存的珍贵性，因此，前期探索性的研究都必须在实验室进行，而文物模拟样品的劣化研究是必不可少的工作。
到目前为止，文物模拟样品的劣化实验主要在恒温恒湿箱以及环境模拟箱中完成，由于环境模拟控制技术等条件的限制，一般实验室用恒温恒湿箱的容积都比较小，所以模拟样品也必须随之小型化。而且，多数文物劣化模拟实验的周期都比较长，从几个周到几个月不等。在这个过程中模拟样品内部的温度与恒温恒湿箱内的温度达到平衡，这与文物实际劣化的情况是不相符的，因此，实验的过程及结果也很难还原文物劣化过程，也不能解释文物的劣化机理，就更谈不上精确地指导文物保护工作。
长期以来文保研究是一个被忽视的小众化学科领域，有着鲜明的交叉学科的特点，很多的实验研究技术都是借鉴其它学科，这本质上要求对研究技术以及设备都做一定的针对性改变。所以这样的实验设备的制备是文保科技领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以在常用环境模拟箱中实现多个环境控制的多空间环境模拟的便携装置。
本发明的多空间环境模拟的便携装置包括：容纳进行实验模拟的样品的样品箱；与所述样品箱相连且内部填充沙石并能够向所述样品箱供给水盐溶液的水盐溶液补给箱；对所述样品箱和水盐溶液补给箱内的温度和水盐溶液的液位进行检测和控制的测控***；所述样品箱包括容纳所述样品的样品室，且所述样品室的两端开口，一端与环境相接触，另一端与所述水盐溶液补给箱相连通。
根据本发明，可以配合实验室常规使用的恒温恒湿箱，即可实现水盐运移/溶解/析晶的环境模拟实验的多空间环境模拟，尤其是实现温度梯度，实现实验室环境模拟数据与自然环境的吻合。
较佳地，所述水盐溶液补给箱形成为双层中空结构，包括填充沙石的水盐溶液补给沙石槽和套设于该水盐溶液补给沙石槽外且能循环恒温流体的水盐溶液补给沙石槽保温腔。
较佳地，所述样品箱形成为双层中空结构，还包括套设于所述样品室外且能循环恒温流体的样品箱保温腔。
较佳地，所述样品箱还包括绕设于所述样品室外的加热线圈。
较佳地，所述样品室的壁由导热材料制备。
较佳地，所述样品箱保温腔的外壁由隔热材料制备。
较佳地，所述水盐溶液中的盐选自NaCl，Na2SO4，NaNO3中的一种或多种。
较佳地，所述恒温流体包括水、导热油或气体。
附图说明
图1是本发明第一实施形态的多空间环境模拟的便携装置的结构示意图；
图2是本发明第二实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的纵剖面结构示意图；
图3是本发明第三实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的半剖面结构示意图；
图4是图1所示多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的与水盐溶液补给箱相连通的一端向上的示意图；
图5是本发明第四实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的多温度区型的样品箱的结构示意图；
图6是示有测控***的图1所示多空间环境模拟的便携装置置于恒温恒湿箱中的概略示意图；
附图标记：
1-样品箱；2-水盐溶液补给箱；3-样品室；4-样品室内壁；5-样品箱恒温流体入口；5-A-样品箱第一温区恒温流体入口；5-B-样品箱第二温区恒温流体入口；5-C-样品箱第三温区恒温流体入口；6-样品箱恒温流体出口；6-A-样品箱第一温区恒温流体出口；6-B-样品箱第二温区恒温流体出口；6-C-样品箱第三温区恒温流体出口；7-法兰；8-A-样品环境暴露口；8-B-样品水盐溶液吸入口；9-水盐溶液补给沙石槽；10-水盐溶液补给沙石槽保温腔；11-沙石槽恒温流体入口；12-沙石槽恒温流体出口；13-水盐溶液入口；14-测控***；15-样品箱保温腔；15-A-样品箱保温腔（波浪型）；15-B-样品箱保温腔（螺旋式）；16-流体通道隔板；17-多孔网罩；18-第一温度区；19-第二温度区；20-第三温度区；21、22-恒温单元；23、24-液位测控单元；25、26、27、28-水管；29、30-导线；31、32-液位计；33-恒温恒湿箱。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明针对已有技术的不足，提供一种小型的多空间环境模拟的便携装置，可用于岩土工程、油气勘探、文化遗产保护等领域研究水盐运移/溶解/析晶的环境模拟实验，能够在实验室恒温恒湿箱中模拟实现样品存放的自然环境，尤其是温度梯度。
图1是根据本发明一实施形态的多空间环境模拟的便携装置的结构示意图。图6是示有测控***的图1所示多空间环境模拟的便携装置置于恒温恒湿箱中的概略示意图。如图1和图6所示，本实施形态的多空间环境模拟的便携装置包括用于容纳进行实验模拟的样品的样品箱1、与样品箱1相连且内部填充沙石并能够向样品箱1供给水盐溶液的水盐溶液补给箱2和对样品箱1和水盐溶液补给箱2的温度和水盐溶液的液位进行检测和控制的测控***14。
如图1所示，样品箱1包括容纳样品的样品室3，且样品室3的两端开口，一端（图1所示实施形态中的右端）与环境相接触，另一端（图1所示实施形态中的左端）与水盐溶液补给箱2相连通。上述样品（即模拟对象）可以为各种土壤样品、硅酸盐质地文物（陶器、砖块、水泥，壁画、城墙等）、岩体等。
如图1所示，本实施形态中，样品箱1为一个套式中空结构，即双层中空结构，包括内腔体和套于该内腔体外的中空腔体。内腔体为安置实验模拟样品的样品室3，样品室3的壁（即图1所示样品室壁4）可采用导热材料制备，优选高导热材料，如：铜，铝，及铜铝银合金等。中空腔体为保持样品恒温的样品箱保温腔15，其外壁可采用隔热材料制备，充满可循环的恒温流体，保持样品一直处于某一温度下。
样品箱1可以是图1所示的筒状结构，样品箱内径以及长度均可参考岩土实验标准制备。具体地，样品室3可以是筒状腔体，样品箱保温腔15可以是同轴地套设于该样品室3外的环状的中空腔体，但本发明的样品箱的形状不限于此，可依据实验进行设计，例如，样品箱1也可设计为长方体状。此外，在其他实施形态中，样品箱保温腔也可以设计为波浪型或螺旋式的结构。
图2是本发明第二实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的纵剖面结构示意图，在该第二实施形态中，样品箱保温腔15-A形成为波浪型的结构。该波浪型的结构可以如下形式构成：在样品箱保温腔15-A内，沿轴向在样品箱保温腔15-A外壁内侧设有波浪型构件。
图3是本发明第三实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的半剖面结构示意图。图3所示的样品箱也为筒状结构，包括样品室3和套设于该样品室3外的环状的样品箱保温腔15-B。与图1所示实施形态中的样品箱不同之处在于，图3所示的实施形态中，在样品箱保温腔15-B中还设有流体通道隔板16，该流体通道隔板16沿着样品箱保温腔15-B的轴向环绕，从而使样品箱保温腔15-B内形成螺旋形状的通道，液体在其中环绕流动。即构成螺旋式的样品箱保温腔15-B。
除此以外，在本发明的其他实施形态中，样品箱也可设置为线圈加热型结构，在样品室3外可绕设有加热线圈（即加热线圈绕在样品室壁外），通过该加热线圈保持样品室的温度。
回到图1，上述样品箱保温腔15上设有样品箱恒温流体入口5和样品箱恒温流体出口6。样品箱恒温流体入口5和样品箱恒温流体出口6分别设于或靠近样品箱1的轴向两端处。恒温流体从样品箱恒温流体入口5进入中空的样品箱保温腔15，并从样品箱恒温流体出口6流出，保持样品室3的温度恒定。该恒温流体可以在样品箱保温腔15中循环，且可以为一定温度的水；也可以为导热油，如：烷基苯型（苯环型）导热油、烷基萘型导热油、矿物型导热油等；抑或是一定温度的气体。该恒温流体可通过流体导管和泵由外部的恒温流体槽供给，并可构成恒温流体循环***。
样品箱1的样品室3的轴向的两端开口，分别为样品环境暴露口8-A与样品水盐溶液吸入口8-B。样品箱1一端通过样品环境暴露口8-A与恒温恒湿箱33或者自然环境接触。即将本发明的多空间环境模拟的便携装置放置在恒温恒湿箱33（如图6所示）或者自然环境中时，样品室3经由样品环境暴露口8-A与恒温恒湿箱33内的环境或者自然环境相通。样品箱1另一端通过样品水盐溶液吸入口8-B与水盐溶液补给箱2联结。且样品箱1在该另一端处设有法兰7，可通过该法兰7将样品箱1安装于水盐溶液补给箱2上。样品置于样品室3内，优选地，样品的长度长于样品室3的长度，即样品可通过样品环境暴露口8-A从样品室3延伸出。由此，样品室3内的样品可实现只有一面与环境接触，样品与环境接触面温度就是环境温度，样品伸入到样品室3内的部分则与水盐溶液的温度一致，从而实现温度梯度。
此外，样品箱1可依据实验要求设计为一个温度区，也可以设计为多段温度区。具体地，可以在样品箱保温腔15内设计多个隔段，每个隔段都有独立的恒温流体循环***，可设定不同的温度。图5是本发明第四实施形态的多空间环境模拟的便携装置中的多温度区型的样品箱的结构示意图。如图5所示，在该实施形态中，在样品箱保温腔15内设置了三个隔段，分别形成了三个温度区：第一温度区18、第二温度区19和第三温度区20。每个温度区具备各自的恒温流体入口和恒温流体出口。第一温度区18具备样品箱第一温区恒温流体入口5-A和样品箱第一温区恒温流体出口6-A；第二温度区19具备样品箱第二温区恒温流体入口5-B和样品箱第二温区恒温流体出口6-B；第三温度区20具备样品箱第三温区恒温流体入口5-C和样品箱第三温区恒温流体出口6-C。
还如图1所示，上述水盐溶液补给箱2亦为一个套式中空结构，即双层中空结构，包括内腔体和套于该内腔体外的中空腔体。内腔体为用于填充沙石的水盐溶液补给沙石槽9，其中沙石孔隙是模拟实验所需盐溶液的通道。沙石可以为去盐的石英砂，也可以为多孔氧化铝陶瓷，或者为多孔玻璃等。中空腔体为可循环恒温流体，保持模拟盐溶液的温度恒定的水盐溶液补给沙石槽保温腔10。
水盐溶液补给箱2可以是图1所示的长方体结构，具体地，水盐溶液补给沙石槽9可以是长方体状的腔体，水盐溶液补给沙石槽保温腔10可以是同轴地套设于该水盐溶液补给沙石槽9外的回字形截面的中空腔体，但本发明的水盐溶液补给箱的形状不限于此，可依据实验进行设计，例如，水盐溶液补给箱2也可设计为筒状。水盐溶液补给沙石槽保温腔10也可以设计为容积式。
上述水盐溶液补给沙石槽保温腔10上设有沙石槽恒温流体入口11和沙石槽恒温流体出口12。恒温流体从沙石槽恒温流体入口11进入水盐溶液补给沙石槽保温腔10，并从沙石槽恒温流体出口12流出。该恒温流体可以在水盐溶液补给沙石槽保温腔10中循环，且可以为一定温度的水；也可以为导热油，如：烷基苯型（苯环型）导热油、烷基萘型导热油、矿物型导热油等；抑或是一定温度的气体。该恒温流体可通过流体导管和泵由外部的恒温流体槽供给，并可构成恒温流体循环***。
水盐溶液补给沙石槽9的轴向的两端封闭，且在水盐溶液补给沙石槽9的上部设有水盐溶液入口13。水盐溶液补给沙石槽9中水盐溶液的温度恒定，实验用水盐溶液通过水盐溶液入口13进入水盐溶液补给沙石槽9，再通过样品水盐溶液吸入口8-B被样品室3中的模拟样品吸收。上述水盐溶液中的盐种类可包括以下的一种或多种：NaCl，Na2SO4，NaNO3等。
图4是图1所示多空间环境模拟的便携装置中的样品箱的与水盐溶液补给箱相连通的一端向上的示意图。如图1和图4所示，在样品水盐溶液吸入口8-B与水盐溶液补给箱2联结处可设置网状结构，如多孔网罩17。具体地，水盐溶液补给沙石槽9可通过贯通水盐溶液补给沙石槽保温腔10的贯通口与前述样品箱1的样品水盐溶液吸入口8-B相连通。水盐溶液补给沙石槽9中填充满沙石。在该贯通口处可具备多孔隔离层结构，如多孔网罩17，从而使水盐溶液经由贯通口通过样品水盐溶液吸入口8-B，同时又防止沙石从水盐溶液补给沙石槽9流失。
测控***14可进行温度、湿度、液位的测量和控制，实现对水盐溶液补给箱2，以及样品箱1内的温度、湿度、液位的测试控制。具体地，测控***14可包括若干个模块：检测并调节水盐溶液补给沙石槽保温腔10和样品箱保温腔15的恒温流体的温度的温度测控模块，检测样品室内的湿度的湿度检测模块，以及检测并调节水盐溶液补给沙石槽9和样品箱1的水盐溶液的液位的液位测控模块。测控***14还包括流体循环控制模块，以驱使恒温流体循环，形成温度梯度，完成实验模拟。
具体地，如图6所示，本实施形态中，上述温度测控模块例如可以是恒温单元21、22，其可包括温度探测器、微型自动加热和制冷***等构件。恒温单元21可经由水管25、26分别与样品箱恒温流体入口5、样品箱恒温流体出口6相连。恒温单元22可经由水管27、28分别与沙石槽恒温流体入口11、沙石槽恒温流体出口12相连。本发明不限于此，也可以采用其他现有的温度测控模块，只要能够实现对水盐溶液补给沙石槽保温腔10和样品箱保温腔15的恒温流体的温度进行检测并调节的任何装置即可。
本实施形态中，上述湿度检测模块可包括设于样品室3壁上的微型湿度探头。
还如图6所示，本实施形态中，上述液位测控模块可包括分别安装在水盐溶液补给箱2和样品室3外壁的液位计31、32，液位测控单元23分别经由导线29、30与液位计31、32相连。液位测控单元24可与水盐溶液入口13相连，液位测控模块还可包括感应式开关传感器、蠕动泵等。本发明不限于此，也可以采用其他现有的液位测控模块，只要能够实现对水盐溶液补给沙石槽9和样品箱1内的水盐溶液的液位进行检测并调节的任何装置即可。
本实施形态中，上述流体循环控制模块可包括分别与样品箱保温腔15或水盐溶液补给沙石槽保温腔10相连的恒温流体槽和泵，能够实现样品箱保温腔15和水盐溶液补给沙石槽保温腔10各自独立的恒温流体循环。
测控***14还包括控制单元（例如可以是控制器），与上述各模块相连以进行各种检测和控制。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
以下的实施例中模拟样品岩芯，但应该明确本发明的实验对象不局限于岩芯。可以为各种土壤样品，硅酸盐质地文物（陶器、砖块、水泥，壁画、城墙等），岩体，盐水溶液等。以下实施例以上述第一实施形态为例进行说明。
实施例1
首先制备直径为25±0.1mm，长度为52±0.1mm的砂岩岩芯，把该砂岩岩芯装入样品箱1的样品室3（内径为25+0.2mm，长度为50±0.1mm规格）中，通过法兰7把样品箱1安装于水盐溶液补给箱2上。水盐溶液补给沙石槽9用粒度40-80目的石英砂充满，然后把本发明的多空间环境模拟的便携装置放置在实验室恒温恒湿箱33内，恒温恒湿箱33的温度T1设定为35℃，相对湿度RH为95%，所有的流体管道和控制线路均引出至恒温恒湿箱33外与储液器（未图示）及测控***14连接。
配盐水盐溶液，其中盐选择易溶于水的NaCl，Na2SO4，NaNO3等中的任意单一盐，也可以选择两种或者多种上述盐的复合盐。本实施例1选择NaCl盐溶液，在室温15℃下配制浓度5%NaCl（质量百分比）盐溶液样品，将配制好的盐溶液移液至储液器中。同时，通过测控***14的第一温度测控模块使储液器的温度T2恒定在15℃。
以水作为恒温液，并通过沙石槽恒温流体入口11进入水盐溶液补给沙石槽保温腔10，从沙石槽恒温流体出口12流出。同时，通过测控***14的第二温度测控模块使循环水的温度T3恒定在15℃。
以水作为恒温液，并通过样品箱恒温流体入口5进入样品箱保温腔15，从样品箱恒温流体出口6流出。同时，通过测控***14的第三温度测控模块使循环水的温度T4恒定在15℃。
开启测控***14的水循环控制模块，所有的循环水***开始运行，直至水盐溶液补给沙石槽保温腔10和样品箱保温腔15的温度稳定，然后再开启测控***14的液位测控模块，把储液器的5%NaCl（质量百分比）盐溶液通过水盐溶液入口13输入水盐溶液补给沙石槽9，同时还通过测控***14的液位测控模块控制水盐溶液补给沙石槽9的液位。
由此，构建了一个两个温度梯度（即样品轴向由表向内的温度梯度）的空间环境，实现了模拟样品内部温度与表面温度的差异，模拟了石窟类文物在地下水持续供给，气候为高温高湿的季节水盐劣化过程。
实施例2
首先制备直径为25±0.1mm，长度为52±0.1mm的砂岩岩芯，把该砂岩岩芯装入样品箱1的样品室3（内径为25+0.2mm，长度为50±0.1mm规格）中，通过法兰7把样品箱1安装于水盐溶液补给箱2上。水盐溶液补给沙石槽9用粒度40-80目的石英砂充满，然后把本发明的多空间环境模拟的便携装置放置在实验室恒温恒湿箱33内，恒温恒湿箱33的温度T1设定为35℃，相对湿度RH为30%，所有的流体管道和控制线路均引出至恒温恒湿箱外与储液器（未图示）及测控***14连接。
配盐水盐溶液，其中盐选择易溶于水的NaCl，Na2SO4，NaNO3等的中的任意单一盐，也可以选择两种或者多种上述盐的复合盐。本实施例2选择NaCl盐溶液，在室温15℃下配制浓度5%NaCl（质量百分比）盐溶液样品，将配制好的盐溶液移液至储液器中。同时，通过测控***14的第一温度测控模块使储液器的温度T2恒定在15℃。
以水作为恒温液，并通过沙石槽恒温流体入口11进入水盐溶液补给沙石槽保温腔10，从沙石槽恒温流体出口12流出。同时，通过测控***14的第二温度测控模块使循环水的温度T3恒定在15℃。
以水作为恒温液，并通过样品箱恒温流体入口5进入样品箱保温腔15，从样品箱恒温流体出口6流出。同时，通过测控***14的第三温度测控模块使循环水的温度T4恒定在15℃。
开启测控***14的水循环控制模块，所有的循环水***开始运行，直至水盐溶液补给沙石槽保温腔10和样品箱保温腔15的温度稳定，然后再开启测控***14的液位测控模块，把储液器的5%NaCl（质量百分比）盐溶液通过水盐溶液入口13输入水盐溶液补给沙石槽9，同时还通过测控***14的液位测控模块控制水盐溶液补给沙石槽9的液位。
由此，构建了一个两个温度梯度的空间环境，实现了模拟样品内部温度与表面温度的差异，模拟了石窟类文物在地下水持续供给，气候为高温低湿的季节水盐劣化过程。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，包括：
容纳进行实验模拟的样品的样品箱；
与所述样品箱相连且内部填充沙石并能够向所述样品箱供给水盐溶液的水盐溶液补给箱；
对所述样品箱和水盐溶液补给箱内的温度和水盐溶液的液位进行检测和控制的测控***；
所述样品箱包括容纳所述样品的样品室，且所述样品室的两端开口，一端与环境相接触，另一端与所述水盐溶液补给箱相连通。
2.根据权利要求1所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述水盐溶液补给箱形成为双层中空结构，包括填充沙石的水盐溶液补给沙石槽和套设于该水盐溶液补给沙石槽外且能循环恒温流体的水盐溶液补给沙石槽保温腔。
3.根据权利要求1所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述样品箱形成为双层中空结构，还包括套设于所述样品室外且能循环恒温流体的样品箱保温腔。
4.根据权利要求3所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述样品箱还包括绕设于所述样品室外的加热线圈。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述样品室的壁由导热材料制备。
6.根据权利要求3所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述样品箱保温腔的外壁由隔热材料制备。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述水盐溶液中的盐选自NaCl，Na2SO4，NaNO3中的一种或多种。
8.根据权利要求2或3所述的多空间环境模拟的便携装置，其特征在于，
所述恒温流体包括水、导热油或气体。
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