一种非接触式高温熔体基础物性测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种非接触式高温熔体基础物性测量装置及方法，装置包括调温及悬浮系统、温度测量系统、熔体运动及形态光学测量系统、定点负压投送系统、装置框架本体平台；调温及悬浮系统使样品悬浮并达到预设温度条件；温度测量系统测量样品的温度数据；熔体运动及形态光学测量系统用于高温熔体的轮廓成像，并据此推算样品在高温熔体状态下的密度、粘性系数和表面张力系数；定点负压投送系统用于将样品送入预定悬浮位置。方法主要包括样品预处理，程序编制，系统调节设定，样品悬浮，样品控温，激励加载，各传感器测量，数据分析，样品后处理等步骤。本发明专利技术能够通过非接触式的控制和信号采集方式进行高温熔体密度、粘性系数、表面张力系数等物理量的测量。系数等物理量的测量。系数等物理量的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式高温熔体基础物性测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于材料研究领域，具体涉及一种非接触式高温熔体基础物性测量装置。

技术介绍

[0002]高温熔体基础物性测量技术在材料基础科研及核电安全研究领域有着重要的意义。除此之外，在钢铁、冶金、石油化工等生产
，高温熔体基础物性测量技术也可在钢水物性确定、高炉炉渣粘度变化测量等方面发挥作用。
[0003]高温流体的粘度系数测量通常利用旋转法原理，通过测量流体作用于转子的粘性力矩或转子的转速来确定流体的粘度。现有的依靠旋转法原理的粘度仪主要包括测试装置和加热装置：测试装置连接转子，而加热装置内设置坩埚，流体承载于坩埚内。当流体与浸入其中的转子二者之一或两者都做旋转运动时，转子将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速和转矩，从而可通过粘度仪直接测量流体的粘度(参见CN201285366Y、CN201540238Y、CN101685058A)。现有的表面张力系数可通过拉筒法测量，密度参数可以通过阿基米德法测量(CN105716997)。
[0004]现有的旋转法原理粘度仪中吊丝或扭矩法测量装置存在一定局限，例如：吊丝装配过程复杂，吊丝位置很难与电动机轴线重合，使其不易准确控制，造成较大误差；又如加热装置和测试装置距离较近时，温度范围受限，一般只能到300℃左右；又如测温范围在100
‑
1000℃之间，加热装置与测试装置距离较远，在测试过程中为了避免转子与坩埚壁面发生碰撞，转子与坩埚之间必须保留较大的距离，从而限制了粘度测试的下限(参见CN105300842A)。现有的拉筒法测表面张力及阿基米德法测密度都涉及装置某些部件跟高温熔体接触，容易污染、熔化(CN105716997)。同时温度监测一般使用热电偶等接触式测量方法，温敏元件很难长期耐受高温或盐类物质的腐蚀作用。
[0005]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种非接触式高温熔体基础物性测量装置，以能够通过非接触式的控制和信号采集方式进行高温熔体密度、粘性系数、表面张力系数等物理量的测量。
[0007]为实现此目的，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种非接触式高温熔体基础物性测量装置，包括调温及悬浮系统、温度测量系统、熔体运动及形态光学测量系统、定点负压投送系统和装置框架本体平台；
[0009]所述调温及悬浮系统、温度测量系统、熔体运动及形态光学测量系统和定点负压投送系统均安装在装置框架本体平台上；
[0010]所述调温及悬浮系统用于使样品悬浮并处于预设温度环境；
[0011]所述温度测量系统用于测量样品的温度数据；
[0012]所述熔体运动及形态光学测量系统用于测量样品的高温熔体密度、粘性系数和表面张力系数；
[0013]所述定点负压投送系统用于将样品送入预定悬浮位置。
[0014]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述调温及悬浮系统包括三轴声学稳定悬浮系统、可调温惰性气体悬浮系统和激光加热系统；
[0015]所述的三轴声学稳定悬浮系统的三轴正交点与可调温惰性气体悬浮系统的样品悬浮点重合；
[0016]所述的激光加热系统的光路水平连线穿过所述样品悬浮点并与所述可调温惰性气体悬浮系统的出口气体路径垂直。
[0017]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的三轴声学稳定悬浮系统包括3组空间正交且两两相对的声波换能器；每对换能器均以连线中点两两正交，并与竖直平面成45
°
夹角固定于所述的装置框架本体平台。
[0018]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的可调温惰性气体悬浮系统包括气源、加热结构和气体加热装置本体；所述气源与所述气体加热装置本体的入口连接以提供惰性气体；所述加热结构设置在所述气体加热装置本体中以调节出口的惰性气体温度。
[0019]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述激光加热系统包括激光器、光导臂、防反镜、圆偏镜、全反镜和可调节汇聚透镜；
[0020]所述激光器发射的激光经过光导臂内的防反镜、圆偏镜、全反镜后由汇聚透镜聚焦以使光斑相向投射到样品表面。
[0021]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的温度测量系统包括两台呈小角度布置、且高低量程拼接自适应的高精度红外双色温度传感器，所述的高精度红外双色温度传感器用于采集样品表面的温度，架设于样品的斜上方。
[0022]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的定点负压投送系统包括可自动伸缩负压投送器；
[0023]所述的自动伸缩负压投送器为负压杆式设备，能够吸附样品，并按指定路径将样品移动至预定悬浮位置，切断负压后投送并撤回。
[0024]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的熔体运动及形态光学测量系统包括激光定位及样品表面点/线形变子系统、光学图像采集子系统和相关数据分析子系统；
[0025]所述的激光定位及样品表面点/线/面形变子系统包括3个测试平面正交的点/线/面激光位移传感器，用于测量样品的移动轨迹及液态样品表面形变；
[0026]所述光学图像采集子系统用于记录样品的周期/非周期形态变化。
[0027]所述相关数据分析子系统用于分析所述光学图像采集子系统和所述的激光定位及样品表面点/线形变子系统的数据。
[0028]进一步地，上述的高温熔体基础物性测量装置，所述的光学图像采集子系统包括高速摄像机、单色激光照明设备、窄带滤波片和微距镜头；
[0029]所述的单色激光照明设备位于样品其中一侧，激光轴心穿过样品球心并与其保持水平，光斑完全覆盖样品；所述的窄带滤波片、微距镜头和高速摄像机位于样品另一侧，并与样品保持水平同轴；所述的窄带滤波片架设于所述微距镜头的一侧，仅能允许所述单色激光照明设备发出的光通过；所述微距镜头的另一侧与高速摄像机连接，所述单色激光照
明设备射出的激光经过样品后最终被所述高速摄像机捕捉，最终呈现样品的轮廓。
[0030]一种采用上述装置进行高温熔体基础物性测量的方法，包括如下步骤：
[0031]1)样品悬浮：打开调温及悬浮系统中可调温惰性气体悬浮系统的惰性气体阀门，调节气体流量控制器至2
‑
3L/min，运行气体温度控制程序将惰性气体加热至500℃以上，用定点负压投送系统将球形样品放至在喷口以上2
‑
3cm，使其在竖直方向基本保持受力平衡，同时启动调温及悬浮系统中三轴声学稳定悬浮系统使球形样品在三维空间中保持稳定；
[0032]2)样品控温加热：打开调温及悬浮系统中激光加热系统电源及配套设备冷却系统，调节两组汇聚透镜与样品之间的距离使激光光斑投射到球形样品表面的直径为3
‑
6mm，运行激光功率控制输入卡程序，使样品按预定程序加热熔化，并保持在待测温度上；
[0033]3)激励加载：在样品密度测量过程中，无需激励本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非接触式高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，包括调温及悬浮系统、温度测量系统、熔体运动及形态光学测量系统、定点负压投送系统和装置框架本体平台；所述调温及悬浮系统、温度测量系统、熔体运动及形态光学测量系统和定点负压投送系统均安装在装置框架本体平台上；所述调温及悬浮系统用于使样品悬浮并达到预设温度条件；所述温度测量系统用于测量样品的温度数据；所述熔体运动及形态光学测量系统用于高温熔体的轮廓成像，并据此推算样品在高温熔体状态下的密度、粘性系数和表面张力系数；所述定点负压投送系统用于将样品送入预定悬浮位置。2.根据权利要求1所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述调温及悬浮系统包括三轴声学稳定悬浮系统、可调温惰性气体悬浮系统和激光加热系统；所述的三轴声学稳定悬浮系统的三轴正交点与可调温惰性气体悬浮系统的样品悬浮点重合；所述的激光加热系统的光路水平连线穿过所述样品悬浮点并与所述可调温惰性气体悬浮系统的出口气体路径垂直。3.根据权利要求2所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的三轴声学稳定悬浮系统包括3组空间正交且两两相对的声波换能器；每对换能器均以连线中点两两正交，并与竖直平面成45
°
夹角固定于所述的装置框架本体平台。4.根据权利要求2所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的可调温惰性气体悬浮系统包括气源、加热结构和气体加热装置本体；所述气源与所述气体加热装置本体的入口连接以提供惰性气体；所述加热结构设置在所述气体加热装置本体中以调节出口的惰性气体温度。5.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述激光加热系统包括激光器、光导臂、防反镜、圆偏镜、全反镜和可调节汇聚透镜；所述激光器发射的激光经过光导臂内的防反镜、圆偏镜、全反镜后由汇聚透镜聚焦以使光斑相向投射到样品表面。6.根据权利要求1所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的温度测量系统包括两台呈小角度布置、且高低量程拼接自适应的高精度红外双色温度传感器，所述的高精度红外双色温度传感器用于采集样品表面的温度，架设于样品的斜上方。7.根据权利要求1所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的定点负压投送系统包括可自动伸缩负压投送器；所述的自动伸缩负压投送器为负压杆式设备，能够吸附样品，并按指定路径将样品移动至预定悬浮位置，切断负压后投送并撤回。8.根据权利要求1
‑
7任一所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的熔体运动及形态光学测量系统包括激光定位及样品表面点/线形变子系统、光学图像采集子系统和相关数据分析子系统；所述的激光定位及样品表面点/线/面形变子系统包括3个测试平面正交的点/线/面激光位移传感器，用于测量样品的移动轨迹及液态样品表面形变；所述光学图像采集子系统用于记录样品的周期/非周期形态变化。
所述相关数据分析子系统用于分析所述光学图像采集子系统和所述的激光定位及样品表面点/线形变子系统的数据。9.根据权利要求8所述的高温熔体基础物性测量装置，其特征在于，所述的光学图像采集子系统包括高速摄像机、单色激光照明设备、窄带滤波片和微距镜头；所述的单色激光照明设备位于样品其中一侧，激光轴心穿过样品球心并与其保持水平，光斑完全覆盖样品；所述的窄带滤波片、微距镜头和高速摄像机位于样品另一侧，并与样品保持水平同轴；所述的窄带滤波片架设于所述微距镜头的一侧，仅能允许所述单色激光照明设备发出的光通过；所述微距镜头的另一侧与高速摄像机连接，所述单色激光照明设备射...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢继，霍小东，元一单，马卫民，张丽，龚耀鹏，曾骁，全峰阳，李炜，郭勇，闵金坤，郭强，韩旭，杨小明，朱柏霖，李贺，
申请(专利权)人：中国核电工程有限公司，
类型：发明
国别省市：