專利名稱：太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)及所使用的太陽光跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬自然環(huán)境加速材料老化實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太陽光跟蹤強(qiáng)化非金屬材料環(huán)境老化加速曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)及所使用的太陽光跟蹤方法。
背景技術(shù)：
利用人造設(shè)備對試件材料進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)，國內(nèi)外都有相關(guān)報道，但國外進(jìn)行得比較多，其原理都是跟蹤太陽光，利用太陽光進(jìn)行多倍均勻聚集，投射非金屬材料表面，以設(shè)定的溫度濕度環(huán)境，模擬自然環(huán)境條件老化并加速這個過程。國外利用太陽光對非金屬材料的野外強(qiáng)化老化實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)，同時也有相應(yīng)的野外強(qiáng)化老化實(shí)驗(yàn)裝置以及太陽光跟蹤系統(tǒng)的報道。但是國外的各種野外強(qiáng)化老化實(shí)驗(yàn)裝置都存在一定的缺陷。
一是國外的各種野外強(qiáng)化老化實(shí)驗(yàn)裝置沒有考慮在沙漠等特殊地區(qū)的大風(fēng)沙條件下對主機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)問題，因此這些裝置在沙漠地區(qū)的使用受到了限制。
二是國外的各種野外強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置尚未見有關(guān)對平面鏡水霧防護(hù)的報道，而這些實(shí)驗(yàn)裝置在模擬雨、霧條件時，反射鏡上不可避免地會沾上水霧，從而會影響平面鏡對太陽光的反射。
三是國內(nèi)外各種太陽光跟蹤方式多采用光傳感器檢測光照強(qiáng)度，并以此作為跟蹤依據(jù)，比如在氣象檢測中使用的輻射計，其一維軌道跟蹤就采用這種方式。專利號為CN2040257的名為“全自動陽光跟蹤器”的中國專利采用了感光器感知光線的強(qiáng)弱和方向后，電子控制部分就控制陽光跟蹤器工作，達(dá)到自動跟蹤陽光的目的。但是由于沒有考慮其他光源的影響以及云層等氣象現(xiàn)象的影響，這種跟蹤方式在跟蹤過程中受外界干擾較大，不能很準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對太陽光的跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有過內(nèi)、外裝置存在的不足，發(fā)明一種太陽光跟蹤強(qiáng)化非金屬材料環(huán)境老化加速曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，設(shè)計了主機(jī)防護(hù)罩以及平面鏡水霧防護(hù)裝置，具有很好的防護(hù)手段，并采用了日點(diǎn)軌跡方程作為基準(zhǔn)路線用于跟蹤日光的方法，抗干擾能力增強(qiáng)。
本發(fā)明的基本原理是通過日點(diǎn)軌跡方程跟蹤日光，測量并記錄光照強(qiáng)度，同時測量試件及環(huán)境溫度，并通過冷風(fēng)單元調(diào)節(jié)試件箱溫度，噴水/霧系統(tǒng)模擬自然環(huán)境的雨霧，控制系統(tǒng)總成接收各系統(tǒng)的信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到模擬自然環(huán)境中太陽光照、雨、霧等條件對非金屬材料試件進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。
其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案如下本發(fā)明的太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)上包括有機(jī)架、平面反射鏡、試件箱、供水單元、主控制柜和計算機(jī)控制系統(tǒng)。機(jī)架內(nèi)安裝傳動機(jī)構(gòu)。計算機(jī)控制系統(tǒng)包含有太陽跟蹤控制單元，輻射量記錄測量單元，溫度控制單元，噴水/霧控制單元。本發(fā)明與現(xiàn)有裝置不同的地方是計算機(jī)控制系統(tǒng)還包含有防護(hù)罩控制單元，在整個主機(jī)之外設(shè)防護(hù)罩，由防護(hù)罩控制單元自動控制其啟閉；另外在平面反射鏡之上設(shè)有防水罩，由噴水控制單元控制其啟閉。
本發(fā)明的太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)所使用的太陽光跟蹤方法是采用日點(diǎn)軌跡方程作為基準(zhǔn)路線用于跟蹤日光，其具體由計算機(jī)控制系統(tǒng)中的太陽跟蹤控制單元來實(shí)現(xiàn)，由前一日軌跡方程的平均值加上赤緯角的影響作為后一日的日點(diǎn)初始軌跡。其控制原理是由太陽時時鐘給出日點(diǎn)軌跡的角度，驅(qū)動電路發(fā)出信號，轉(zhuǎn)動驅(qū)動太陽反射架達(dá)到給定的日點(diǎn)位置，反射架上的日點(diǎn)跟蹤器每日定時給出日點(diǎn)誤差方位值與給定的日點(diǎn)軌跡比較，若誤差大于5％，修改日點(diǎn)軌跡方程。
因此，和國內(nèi)外相關(guān)發(fā)明相比較本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明針對實(shí)驗(yàn)機(jī)在沙漠等特殊地區(qū)的使用，增加了主機(jī)防護(hù)罩，用于在風(fēng)力過大的自然條件下防止風(fēng)、沙對主機(jī)的破壞。
本發(fā)明在平面鏡上設(shè)置平面鏡防水罩，當(dāng)系統(tǒng)開始噴水(霧)時，防水罩打開，防止平面鏡沾染水霧。
本發(fā)明采用日點(diǎn)軌跡方程作為太陽光跟蹤依據(jù)，就可以排除這些因素的影響，準(zhǔn)確地將平面鏡對準(zhǔn)太陽。在誤差消除方式上，采用定時間間隔采集日點(diǎn)參數(shù)用于調(diào)整日點(diǎn)軌道的方式，以有效的抵抗環(huán)境的干擾。


圖1是本機(jī)的工作系統(tǒng)圖；
圖2是本機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；圖3是本機(jī)的折疊式防水罩結(jié)構(gòu)圖；圖4是本機(jī)的滾筒拉幕式防水罩結(jié)構(gòu)圖；圖5是本機(jī)的太陽跟蹤單元原理圖；圖6是本機(jī)的輻射量記錄測量單元原理圖；圖7是本機(jī)的溫度控制單元原理圖；圖8是本機(jī)的防護(hù)罩控制單元原理圖；圖9是本機(jī)的折疊板式防護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖；圖10是本機(jī)的圓形蓬布式防護(hù)罩結(jié)構(gòu)圖；圖11是本機(jī)的控制系統(tǒng)集成總成圖。
具體實(shí)施例方式
曝曬機(jī)設(shè)置環(huán)境為北緯18°-54°的中國地區(qū)，戶外設(shè)置，環(huán)境為雨、雪、雹、露、風(fēng)、塵的自然氣候環(huán)境，開機(jī)風(fēng)力小于7級，天空晴好，地面無明顯振動，云遮時間不大于30分鐘。工作環(huán)境溫度-32.2℃-44.1℃，工作環(huán)境濕度41％-81％。實(shí)驗(yàn)機(jī)使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)交流電，城鎮(zhèn)自來水。
本機(jī)的工作系統(tǒng)如圖1所示。當(dāng)主機(jī)滿足開機(jī)條件時，防護(hù)罩11打開，太陽跟蹤單元計算日點(diǎn)軌跡，對二維傳動單元1發(fā)出轉(zhuǎn)動信號，轉(zhuǎn)動試件箱達(dá)到給定位置；同時輻射量記錄單元通過日光開始記錄日光輻射量；溫度控制單元測量試件箱內(nèi)的溫度，控制冷風(fēng)單元(即風(fēng)扇4)調(diào)節(jié)試件箱內(nèi)的溫度；噴水定時單元定時向試件箱噴水，調(diào)節(jié)箱內(nèi)的濕度，同時打開防水罩9；控制系統(tǒng)總成通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸線路記錄各個系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)處理。
曝曬機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整機(jī)結(jié)構(gòu)分體為機(jī)架15、平面反射鏡13、試件箱14、手動控制柜12、主控制柜14、供水單元、防護(hù)罩11、計算機(jī)控制系統(tǒng)八個部分。
機(jī)架15內(nèi)安裝由電機(jī)、減速器、軸系構(gòu)成的二維傳動機(jī)構(gòu)。二維傳動機(jī)構(gòu)包括水平方位角傳動單元和高度俯仰角傳動單元，其中軸系的橫向轉(zhuǎn)動軸17可以處于縱向轉(zhuǎn)動軸8的軸心上的任意位置。驅(qū)動電機(jī)可以采用步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)或者其他電機(jī)驅(qū)動，減速器可以采用絲桿傳動或者渦輪渦桿機(jī)構(gòu)。
平面反射鏡13安裝于二維傳動機(jī)構(gòu)之上。平面反射鏡13上設(shè)置有防水罩9，由噴水/霧控制單元控制其啟閉。
試件箱14位于縱向轉(zhuǎn)動軸8的頂端，其內(nèi)包括支架、試件安裝板、護(hù)罩、傳感器支架、暖通裝置。
噴水嘴2位于試件箱14下部，噴水時向上面的試件箱噴水。
主控制柜內(nèi)安裝有顯示屏、面板、開關(guān)按鈕、PC/STD機(jī)箱以及功能板、電源、A/D和D/A轉(zhuǎn)換、接口等。主控制柜與機(jī)架線纜長度小于10米，柜內(nèi)溫度小于60℃，濕度小于80％。
供水單元包括離子或者反滲析裝置、過濾器、泵、閥，與主機(jī)連接管線小于10米，采用高壓管連接，另設(shè)一個手動沖洗水嘴。供水單元的噴頭按交叉覆蓋固定位置。
主機(jī)之外設(shè)置防護(hù)罩11，由防護(hù)罩控制單元控制，防護(hù)罩11為自啟閉棚式，棚布內(nèi)外表面為高反射率附膜，能夠遮蔽陽光射入試樣區(qū)和遮蔽噴水水霧。水壓的啟閉，由噴霧程序決定。
圖3和圖4為防水罩可以采用的兩種方案，分別為折疊式防水罩設(shè)計方案和滾筒拉幕式設(shè)計方案的簡圖。
本曝曬機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)由太陽跟蹤控制單元、輻射量記錄測量單元、溫度控制單元、噴水(霧)控制單元和防護(hù)罩控制單元組成。
圖5為太陽跟蹤單元原理圖。太陽跟蹤系統(tǒng)由太陽時時鐘給出日點(diǎn)軌跡的角度，驅(qū)動電路發(fā)出信號，驅(qū)動太陽反射架使其達(dá)到給定的日點(diǎn)位置，反射架上的日點(diǎn)跟蹤器5每日定時測出日點(diǎn)誤差方位值與給定的日點(diǎn)軌跡比較，若誤差大于5％，修改日點(diǎn)軌跡方程。
圖6為輻射量記錄測量單元原理圖。輻射量記錄測量系統(tǒng)通過日光輻射量測頭(紫外線光頭6、日光照度測頭7)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入微處理機(jī)作數(shù)據(jù)分析。記錄采樣時間10分鐘(可調(diào))一次，以采樣平均電平作為平均積分電壓計算輻射能量及其數(shù)據(jù)統(tǒng)計值。
圖7為溫度控制單元原理圖。溫度控制系統(tǒng)包括測量黑白柵條溫差的黑白柵條背部的接觸式熱敏電阻；測量大氣背景溫度的熱敏電阻；以及試樣測溫器3由試樣板后設(shè)置的5個非接觸式熱輻射傳感器所組成。根據(jù)黑白柵條溫差、試樣溫度和背景溫度設(shè)置可編程處理程序，用以控制冷風(fēng)動力單元。
噴水/霧定時單元中的水處理單元設(shè)置高壓汽缸保持供水高壓＞10kg/cm2；可編程程序設(shè)定噴水間隔以及延續(xù)時間；控制系統(tǒng)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換放大后按程序啟閉水閥；噴水控制程序控制防水罩的運(yùn)動。
圖8為防護(hù)罩控制單元。防護(hù)罩控制單元由主機(jī)上設(shè)置風(fēng)力傳感器10傳遞信號，當(dāng)風(fēng)力大于7級時或者當(dāng)日光測試數(shù)據(jù)、溫度測試數(shù)據(jù)得出陰天、雨天、雪天結(jié)論時，發(fā)出信號啟閉防護(hù)罩11。圖9為采用折疊板式的防護(hù)罩設(shè)計圖，該方案通過控制三個防護(hù)板的轉(zhuǎn)動來啟閉防護(hù)罩。圖10為采用圓形棚布式的防護(hù)罩設(shè)計圖，支撐桿16繞鉸鏈18轉(zhuǎn)動，拉動棚布來啟閉防護(hù)罩。
圖11為控制系統(tǒng)集成總成?？刂葡到y(tǒng)集成總成采用分布式測控系統(tǒng)，ADAM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制模塊將測量數(shù)據(jù)數(shù)字化以后通過RS485串行總線傳送到上位計算機(jī)進(jìn)行處理。
權(quán)利要求
1.一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括機(jī)架(15)、平面反射鏡(13)、試件箱(14)、供水單元、主控制柜和計算機(jī)控制系統(tǒng)，機(jī)架(15)內(nèi)設(shè)置傳動機(jī)構(gòu)；計算機(jī)控制系統(tǒng)包含有太陽跟蹤控制單元、輻射量記錄測量單元、溫度控制單元、噴水/霧控制單元；其特征在于計算機(jī)控制系統(tǒng)還包含有防護(hù)罩控制單元，整個主機(jī)之外設(shè)有防護(hù)罩(11)，主機(jī)上設(shè)有風(fēng)力傳感器(10)，傳遞信號給防護(hù)罩控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于在平面反射鏡(13)之上設(shè)有防水罩(9)，由噴水控制單元控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于傳動機(jī)構(gòu)為二維傳動，其軸系的橫向轉(zhuǎn)動軸17處于縱向轉(zhuǎn)動軸8的軸心上的任意位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于防水罩(9)設(shè)計為折疊式或者滾筒移動式。
5.權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)所使用的太陽跟蹤方法，其特征在于采用日點(diǎn)軌跡方程作為跟蹤依據(jù)對太陽進(jìn)行跟蹤；太陽跟蹤控制單元由太陽時時鐘給出日點(diǎn)軌跡的角度，驅(qū)動電路發(fā)出信號，轉(zhuǎn)動驅(qū)動太陽反射架達(dá)到給定的日點(diǎn)位置，采用前一日軌跡方程的平均值加上赤緯角的影響作為后一日的日點(diǎn)初始軌跡；誤差消除方式采用反射架上的日點(diǎn)跟蹤器每日定時給出日點(diǎn)誤差方位值與給定的日點(diǎn)軌跡比較，若誤差大于5％，修改日點(diǎn)軌跡方程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，其特征在于輻射量記錄測量單元記錄采樣時間可調(diào)，以采樣電平為平均積分電壓技術(shù)輻射能量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計值。
全文摘要
一種利用太陽光輻射反射聚能曝曬非金屬材料試件，對試件加速環(huán)境老化實(shí)驗(yàn)的太陽跟蹤反射聚能曝曬實(shí)驗(yàn)機(jī)，該系統(tǒng)包括太陽跟蹤控制系統(tǒng)，輻射量記錄測量系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，噴水(霧)控制系統(tǒng)，防護(hù)罩控制系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)集成總成。設(shè)計了主機(jī)防護(hù)罩以及平面鏡水霧防護(hù)裝置，具有很好的防護(hù)手段。系統(tǒng)通過日點(diǎn)軌跡方程跟蹤日光，測量并記錄光照強(qiáng)度，同時測量試件及環(huán)境溫度，并通過冷風(fēng)單元調(diào)節(jié)試件箱溫度，噴水(霧)系統(tǒng)模擬自然環(huán)境的雨霧，控制系統(tǒng)總成接收各系統(tǒng)的信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而模擬自然環(huán)境中太陽光照、雨、霧等條件對非金屬材料試件進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。
文檔編號G01N17/00GK1479088SQ02133688
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月29日
發(fā)明者楊翔宇, 廖林清, 楊新樺 申請人:重慶工學(xué)院