一种湿热海洋环境模拟设备及其辐照强度预测方法
阅读说明：本技术 一种湿热海洋环境模拟设备及其辐照强度预测方法 (Damp-heat marine environment simulation equipment and irradiation intensity prediction method thereof ) 是由 吕天一 王受和 刘贵权 陈川 顾泽波 揭敢新 王俊 毛海莲 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种湿热海洋环境模拟设备及其辐照强度预测方法,本发明能够为受测电器设备同时协同加载包含电压、电流、温湿度、盐雾、紫外辐照的工作环境因素,准确模拟出受测电器设备在湿热海洋环境下工作运行的状态,以提高对受测电器设备进行材料腐蚀与老化等试验的精确度。本发明的辐照强度预测方法,能够预测在不同的温湿度和盐雾浓度对紫外光辐照衰减的影响下,受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度,以在进行材料腐蚀与老化等试验时能够准确获取受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度；并且,本发明通过相应增强或减弱各支紫外荧光灯管的发光强度,能够使得受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到目标紫外辐照强度。(The invention discloses a damp and hot marine environment simulation device and an irradiation intensity prediction method thereof, which can simultaneously and cooperatively load working environment factors including voltage, current, temperature and humidity, salt fog and ultraviolet irradiation for a tested electrical device, and accurately simulate the working and running state of the tested electrical device in a damp and hot marine environment so as to improve the accuracy of tests such as material corrosion, aging and the like on the tested electrical device. The irradiation intensity prediction method can predict the ultraviolet irradiation intensity of the target position of the tested electric equipment under the influence of different humiture and salt mist concentration on ultraviolet irradiation attenuation, so that the ultraviolet irradiation intensity of the target position of the tested electric equipment can be accurately obtained when the tests such as material corrosion, aging and the like are carried out; in addition, the invention can adjust the ultraviolet irradiation intensity of the target position of the tested electric equipment to the target ultraviolet irradiation intensity by correspondingly enhancing or weakening the luminous intensity of each ultraviolet fluorescent lamp tube.)
技术领域
本发明涉及材料腐蚀与老化设备，具体的说是一种湿热海洋环境模拟设备及其辐照强度预测方法。
背景技术
在湿热海洋环境下，电器设备运行环境复杂，高温、高湿、高辐照、高盐雾条件导致电器产品提前失效问题一直存在甚至日益严重。而现有室内环境模拟试验设备加载的环境因素单一，无法准确模拟海洋大气环境中多种环境因素对电器设备腐蚀老化影响的问题。因此设计开发模拟湿热海洋环境的多因素耦合设备，可以实现电压、电流、温湿度、盐雾、紫外辐照等多因素协同加载，显得十分重要。而设计开发可同时加载以上环境因素的设备，需要解答不同温湿度和盐雾浓度对紫外光辐照强度的影响机制问题，当试验箱内存在盐雾时，启动紫外光源后，紫外光辐照会因主试验箱体内盐雾液滴的存在而发生散射、反射、吸收、透射等现象，进而导致内部空间各位置辐照强度不同程度的小于光源发射处的辐照强度。
因此基于设备主试验箱内部盐雾状态建立三维空间辐照强度预测模型显得十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是：提供一种湿热海洋环境模拟设备。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种湿热海洋环境模拟设备，其特征在于，包括：干盐雾发生装置、加湿器、盐雾生成室、主试验箱和温湿度调节系统；
所述干盐雾发生装置能够将微纳级氯化钠干盐颗粒送入所述盐雾生成室内，所述加湿器能够将湿空气送入所述盐雾生成室内，所述盐雾生成室内安装有离心风机，该离心风机的出风口连通所述主试验箱的进气孔，所述进气孔位于主试验箱的侧壁上部位置；其中，所述干盐雾发生装置优选为具有以下功能的现有设备：能够先将普通粒径的氯化钠盐粒进行多次反复碾磨，再通过滤网筛选得到微米级别至纳米级别的微纳级氯化钠干盐颗粒，最后通过鼓风机将微纳级氯化钠干盐颗粒送出。
所述主试验箱的内部安装有多支紫外荧光灯管和用于为受测电器设备供电的电源接口，各支紫外荧光灯管位于所述主试验箱的侧壁上部位置，各支紫外荧光灯管相互平行布置，且各支紫外荧光灯管的共面平行于所述主试验箱的底面；其中，应避免所述紫外荧光灯管对进气孔造成遮挡，所述紫外荧光灯管优选型号为UVA-340nm的紫外荧光灯。
所述温湿度调节系统能够监测并调控所述主试验箱内的空气温湿度。
从而，本发明的湿热海洋环境模拟设备的使用方式如下：
首先，将受测电器设备放置在主试验箱的底面上并连接电源接口，启动受测电器设备，使其在主试验箱内运行；
其次，干盐雾发生装置和加湿器分别向盐雾生成室按预定比例送入一定量的微纳级氯化钠干盐颗粒和湿空气，以在盐雾生成室中混合得到预期浓度的盐雾气溶胶；
然后，离心风机将盐雾生成室内的盐雾气溶胶通过进气孔导入主试验箱内，等待一段时间后，盐雾气溶胶在热力学定律的作用下缓慢扩散充满整个主试验箱的内部空间，以形成相对均匀分布的盐雾液滴层，该盐雾液滴层的每一滴盐雾液滴都是由所示微纳级氯化钠干盐颗粒潮解形成；
最后，通过调节各支紫外荧光灯管的发光强度，使得所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到试验所需的目标紫外辐照强度，即能够为受测电器设备同时协同加载包含电压、电流、温湿度、盐雾、紫外辐照的工作环境因素，准确模拟出受测电器设备在湿热海洋环境下工作运行的状态，以提高对受测电器设备进行材料腐蚀与老化等试验的精确度。
作为本发明的优选实施方式：所述湿热海洋环境模拟设备还包括安装在所述主试验箱内的两部盐雾浓度监测仪、激光颗粒物传感器、用于检测平行定向紫外光的第一光强传感器和用于检测散射紫外光的第二光强传感器；所述两部盐雾浓度监测仪分别位于所述主试验箱的侧壁顶部位置和侧壁底部位置；所述激光颗粒物传感器位于所述进气孔的旁侧位置；所述第一光强传感器和第二光强传感器均安装在所述主试验箱的顶面，且所述第一光强传感器和第二光强传感器与各支紫外荧光灯管的共面之间的距离均在3cm以内。
优选的：所述湿热海洋环境模拟设备还包括电控柜，该电控柜分别与所述干盐雾发生装置、加湿器、温湿度调节系统、离心风机、紫外荧光灯管、盐雾浓度监测仪、激光颗粒物传感器、第一光强传感器和第二光强传感器电性连接，以能够控制湿热海洋环境模拟设备工作，并能够用于运行下述辐照强度预测方法。
优选的：所述盐雾生成室和主试验箱设有能够开合的密封门，以便于放置受测电器设备以及进行清洁。
优选的：所述主试验箱的底部设有抽风口和排水口，以用于沉降盐溶液的排出。
本发明所要解决的技术问题之二是：提供一种湿热海洋环境模拟设备的辐照强度预测方法。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种湿热海洋环境模拟设备的辐照强度预测方法，其特征在于：基于所述湿热海洋环境模拟设备实施，包括：
步骤S1、在所述两部盐雾浓度监测仪测得的盐雾浓度值差距在10%以内后，表示所述主试验箱的内部空间已形成相对均匀分布的盐雾液滴层，通过所述温湿度调节系统测得所述主试验箱内的空气温度T(℃)和相对湿度RH(%)；通过所述激光颗粒物传感器测得其感应范围内的盐雾液滴尺寸分布数据，该盐雾液滴尺寸分布数据包括：所述感应范围内所存在的半径在第个盐雾液滴半径范围以内的盐雾液滴的数量，，K为正整数，其中，盐雾液滴半径范围数量K以及每一个盐雾液滴半径范围的范围取值，均由所采用的激光颗粒物传感器的型号决定；通过所述第一光强传感器测得平行紫外光强度，通过所述第二光强传感器测得散射紫外光强度；
步骤S2、根据热力学定律，盐类水解产生的电解液浓度及液滴尺寸会在温湿度的影响下发生改变并具有以下特征：
其一，潮解形成的微液滴以盐结晶为起点，形成的液滴半径(液膜量)主要取决于相对湿度与盐微粒质量；
其二，潮解形成的盐溶液浓度随相对湿度升高而降低，成线性关系；
基于上述两个特征，可以进行转化计算，包括：
步骤S2-1、基于盐的热力学特性，通过以下公式，计算盐雾液滴在所述空气温度T和相对湿度RH下占据所述主试验箱内部空间的体积分数：
式中，为所述盐雾液滴的浓度(kmol・m-3)，；
；
式中，为氯化钠饱和潮解相对湿度(%)；
；
式中，为所述两部盐雾浓度监测仪所测得盐雾浓度值的平均值(ug/m3)，为NaCl的摩尔质量58.5g/mol；
步骤S2-2、根据所述激光颗粒物传感器测得的盐雾液滴尺寸分布数据，计算得到盐雾液滴平均半径：
；
式中，为第个盐雾液滴半径范围的中值；
例如：某型号的激光颗粒物传感器能够检测到的盐雾液滴半径范围有K=3个，依次为0.1~1、1~2和2~5，也即该三个盐雾液滴半径范围的中值依次为0.55、1.5和3.5，该激光颗粒物传感器在步骤S1测得该三个盐雾液滴半径范围对应的盐雾液滴数量依次为100个、50个和30个，则可以计算得到盐雾液滴平均半径。
步骤S3、基于米氏散射理论与辐射传输方程，计算受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度，其中，所述受测电器设备放置在所述主试验箱的底面上，包括：
步骤S3-1、计算透射散射系数：
；
式中，表示散射传输效率因子，当时，，当时，，当时，，当时，；
其中，步骤S3-1的计算基于以下思路：
当辐照穿过盐雾液滴层时主要发生吸收和穿透现象，在整个过程中，因为盐雾粒子之间的距离远大于其直径，平均直径在1~25左右，盐雾液滴对辐照的散射作用相互独立，即独立散射理论适用，在单尺寸液滴分散体系中，吸收系数为和透射散射系数可用以下公式计算：
；
；
其中，为盐雾液滴的体积分数；为液滴半径，当液滴半径大小不一时，可用盐雾液滴平均半径代替；无量纲量和分别为吸收效率因子和散射传输效率因子，通过米氏散射(Mie scattering)理论计算所得，对固定尺寸的盐雾液滴，这两个值是随波长变化的函数；
在紫外波段，液滴的衍射参数时，与散射传输效率因子相比，吸收效率因子非常小，液滴对紫外光的吸收非常弱，吸收系数非常小，可以忽略不计；
在紫外光波段，当液滴很细小时，如液滴时，散射传输效率因子的取值按照米氏散射（Mie scattering）理论计算得到，取值范围在0.365~0.37；当液滴时，散射传输效率因子可以近似看作常数。
步骤S3-2、按照以下公式，计算所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度：
；
式中，和分别表示各支紫外荧光灯管产生的平行定向紫外光和散射紫外光在经过盐雾液滴层后作用于所述目标位置上的辐照强度；
盐雾液滴对紫外光的吸收系数很小，可忽略，在均匀盐雾介质层的情况下，利用辐射传输方程得到和：
；
；
；
；
式中，和分别为定向半球形透光率和半球形扩散透光率，为平行紫外光对盐雾液滴层的入射角，取值为0°，为入射角的余弦值，为盐雾液滴层的总光学厚度，d为所述受测电器设备的目标位置与各支紫外荧光灯管的共面之间的距离，也即平行紫外光穿过盐雾液滴层到达目标位置的盐雾液滴层厚度，该距离d可以通过量尺、刻在主试验箱上的刻度等方式测量得到，表示消光系数，为中间参数。
如图3所示，为四组实测数据，分别表示在距离d为0.2m、0.4m、0.6m、0.7m的情况下，紫外光穿过不同盐雾液滴平均半径的盐雾液滴层后，在受测电器设备的目标位置产生的紫外辐照强度。
优选的：所述辐照强度预测方法还包括：
步骤S4、依据步骤S3计算得到的紫外辐照强度与目标紫外辐照强度的差距，通过相应增强或减弱各支所述紫外荧光灯管的发光强度，使得所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到所述目标紫外辐照强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明的湿热海洋环境模拟设备，能够为受测电器设备同时协同加载包含电压、电流、温湿度、盐雾、紫外辐照的工作环境因素，准确模拟出受测电器设备在湿热海洋环境下工作运行的状态，以提高对受测电器设备进行材料腐蚀与老化等试验的精确度。
第二，本发明的辐照强度预测方法，能够预测在不同的温湿度和盐雾浓度对紫外光辐照衰减的影响下，受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度，以在进行材料腐蚀与老化等试验时能够准确获取受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度；并且，本发明依据计算得到的紫外辐照强度与目标紫外辐照强度的差距，通过相应增强或减弱各支紫外荧光灯管的发光强度，能够使得受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到目标紫外辐照强度，以便于材料腐蚀与老化等试验的开展。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的湿热海洋环境模拟设备的结构示意图；
图2为图1带有透视效果的右视图；
图3为本发明的四组实测数据的盐雾液滴平均半径、紫外辐照强度示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明进行详细说明，以帮助本领域的技术人员更好的理解本发明的发明构思，但本发明权利要求的保护范围不限于下述实施例，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明之发明构思的前提下，没有做出创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1和图2所示，本发明公开的是一种湿热海洋环境模拟设备，包括：干盐雾发生装置1、加湿器2、盐雾生成室3、主试验箱4和温湿度调节系统5；
所述干盐雾发生装置1能够将微纳级氯化钠干盐颗粒送入所述盐雾生成室3内，所述加湿器2能够将湿空气送入所述盐雾生成室3内，所述盐雾生成室3内安装有离心风机6，该离心风机6的出风口连通所述主试验箱4的进气孔4a，所述进气孔4a位于主试验箱4的侧壁上部位置；其中，所述干盐雾发生装置1优选为具有以下功能的现有设备：能够先将普通粒径的氯化钠盐粒进行多次反复碾磨，再通过滤网筛选得到微米级别至纳米级别的微纳级氯化钠干盐颗粒，最后通过鼓风机将微纳级氯化钠干盐颗粒送出。
所述主试验箱4的内部安装有多支紫外荧光灯管7和用于为受测电器设备供电的电源接口，各支紫外荧光灯管7位于所述主试验箱4的侧壁上部位置，各支紫外荧光灯管7相互平行布置，且各支紫外荧光灯管7的共面平行于所述主试验箱4的底面4b；其中，应避免所述紫外荧光灯管7对进气孔4a造成遮挡，所述紫外荧光灯管7优选型号为UVA-340nm的紫外荧光灯。
所述温湿度调节系统5能够监测并调控所述主试验箱4内的空气温湿度。
从而，本发明的湿热海洋环境模拟设备的使用方式如下：
首先，将受测电器设备放置在主试验箱4的底面4b上并连接电源接口，启动受测电器设备，使其在主试验箱4内运行；
其次，干盐雾发生装置1和加湿器2分别向盐雾生成室3按预定比例送入一定量的微纳级氯化钠干盐颗粒和湿空气，以在盐雾生成室3中混合得到预期浓度的盐雾气溶胶；
然后，离心风机6将盐雾生成室3内的盐雾气溶胶通过进气孔4a导入主试验箱4内，等待一段时间后，盐雾气溶胶在热力学定律的作用下缓慢扩散充满整个主试验箱4的内部空间，以形成相对均匀分布的盐雾液滴层，该盐雾液滴层的每一滴盐雾液滴都是由所示微纳级氯化钠干盐颗粒潮解形成；
最后，通过调节各支紫外荧光灯管7的发光强度，使得所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到试验所需的目标紫外辐照强度，即能够为受测电器设备同时协同加载包含电压、电流、温湿度、盐雾、紫外辐照的工作环境因素，准确模拟出受测电器设备在湿热海洋环境下工作运行的状态，以提高对受测电器设备进行材料腐蚀与老化等试验的精确度。
实施例二
在上述实施例一的基础上，本实施例二还采用了以下优选的实施方式：
所述湿热海洋环境模拟设备还包括安装在所述主试验箱4内的两部盐雾浓度监测仪8、激光颗粒物传感器9、用于检测平行定向紫外光的第一光强传感器10和用于检测散射紫外光的第二光强传感器11；所述两部盐雾浓度监测仪8分别位于所述主试验箱4的侧壁顶部位置和侧壁底部位置；所述激光颗粒物传感器9位于所述进气孔4a的旁侧位置；所述第一光强传感器10和第二光强传感器11均安装在所述主试验箱4的顶面4c，且所述第一光强传感器10和第二光强传感器11与各支紫外荧光灯管7的共面之间的距离均在3cm以内。
以上为本实施例二的基本实施方式，可以在该基本实施方式的基础上做进一步的优化、改进和限定：
优选的：所述湿热海洋环境模拟设备还包括电控柜12，该电控柜12分别与所述干盐雾发生装置1、加湿器2、温湿度调节系统5、离心风机6、紫外荧光灯管7、盐雾浓度监测仪8、激光颗粒物传感器9、第一光强传感器10和第二光强传感器11电性连接，以能够控制湿热海洋环境模拟设备工作，并能够用于运行下述辐照强度预测方法。
优选的：所述盐雾生成室3和主试验箱4设有能够开合的密封门13，以便于放置受测电器设备以及进行清洁。
优选的：所述主试验箱4的底部设有抽风口和排水口，以用于沉降盐溶液的排出。
实施例三
本发明实施例三公开了一种湿热海洋环境模拟设备的辐照强度预测方法，基于实施例二所述湿热海洋环境模拟设备实施，包括：
步骤S1、在所述两部盐雾浓度监测仪8测得的盐雾浓度值差距在10%以内后，表示所述主试验箱4的内部空间已形成相对均匀分布的盐雾液滴层，通过所述温湿度调节系统5测得所述主试验箱4内的空气温度T(℃)和相对湿度RH(%)；通过所述激光颗粒物传感器9测得其感应范围内的盐雾液滴尺寸分布数据，该盐雾液滴尺寸分布数据包括：所述感应范围内所存在的半径在第个盐雾液滴半径范围以内的盐雾液滴的数量，，K为正整数，其中，盐雾液滴半径范围数量K以及每一个盐雾液滴半径范围的范围取值，均由所采用的激光颗粒物传感器9的型号决定；通过所述第一光强传感器10测得平行紫外光强度，通过所述第二光强传感器11测得散射紫外光强度；
步骤S2、根据热力学定律，盐类水解产生的电解液浓度及液滴尺寸会在温湿度的影响下发生改变并具有以下特征：
其一，潮解形成的微液滴以盐结晶为起点，形成的液滴半径(液膜量)主要取决于相对湿度与盐微粒质量；
其二，潮解形成的盐溶液浓度随相对湿度升高而降低，成线性关系；
基于上述两个特征，可以进行转化计算，包括：
步骤S2-1、基于盐的热力学特性，通过以下公式，计算盐雾液滴在所述空气温度T和相对湿度RH下占据所述主试验箱4内部空间的体积分数：
；
式中，为所述盐雾液滴的浓度(kmol・m-3)，；
；
式中，为氯化钠饱和潮解相对湿度(%)；
；
式中，为所述两部盐雾浓度监测仪8所测得盐雾浓度值的平均值(ug/m3)，为NaCl的摩尔质量58.5g/mol；
步骤S2-2、根据所述激光颗粒物传感器9测得的盐雾液滴尺寸分布数据，计算得到盐雾液滴平均半径：
；
式中，为第个盐雾液滴半径范围的中值；
例如：某型号的激光颗粒物传感器9能够检测到的盐雾液滴半径范围有K=3个，依次为0.1~1、1~2和2~5，也即该三个盐雾液滴半径范围的中值依次为0.55、1.5和3.5，该激光颗粒物传感器9在步骤S1测得该三个盐雾液滴半径范围对应的盐雾液滴数量依次为100个、50个和30个，则可以计算得到盐雾液滴平均半径。
步骤S3、基于米氏散射理论与辐射传输方程，计算受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度，其中，所述受测电器设备放置在所述主试验箱4的底面4b上，包括：
步骤S3-1、计算透射散射系数：
；
式中，表示散射传输效率因子，当时，，当时，，当时，， 当时，；
其中，步骤S3-1的计算基于以下思路：
当辐照穿过盐雾液滴层时主要发生吸收和穿透现象，在整个过程中，因为盐雾粒子之间的距离远大于其直径，平均直径在1~25左右，盐雾液滴对辐照的散射作用相互独立，即独立散射理论适用，在单尺寸液滴分散体系中，吸收系数为和透射散射系数可用以下公式计算：
；
；
其中，为盐雾液滴的体积分数；a为液滴半径，当液滴半径a大小不一时，可用盐雾液滴平均半径代替；无量纲量和分别为吸收效率因子和散射传输效率因子，通过米氏散射(Mie scattering)理论计算所得，对固定尺寸的盐雾液滴，这两个值是随波长变化的函数；
在紫外波段，液滴的衍射参数时，与散射传输效率因子相比，吸收效率因子非常小，液滴对紫外光的吸收非常弱，吸收系数非常小，可以忽略不计；
在紫外光波段，当液滴很细小时，如液滴时，散射传输效率因子的取值按照米氏散射Mie scattering理论计算得到，取值范围在0.365~0.37；当液滴时，散射传输效率因子可以近似看作常数。
步骤S3-2、按照以下公式，计算所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度：
；
式中，分别表示各支紫外荧光灯管7产生的平行定向紫外光和散射紫外光在经过盐雾液滴层后作用于所述目标位置上的辐照强度；
盐雾液滴对紫外光的吸收系数很小，可忽略，在均匀盐雾介质层的情况下，利用辐射传输方程得到和：
；
；
；
；
式中，和分别为定向半球形透光率和半球形扩散透光率，为平行紫外光对盐雾液滴层的入射角，取值为0°，为入射角的余弦值，为盐雾液滴层的总光学厚度，d为所述受测电器设备的目标位置与各支紫外荧光灯管7的共面之间的距离，也即平行紫外光穿过盐雾液滴层到达目标位置的盐雾液滴层厚度，该距离d可以通过量尺、刻在主试验箱4上的刻度等方式测量得到，表示消光系数，为中间参数。
如图3所示，为四组实测数据，分别表示在距离d为0.2m、0.4m、0.6m、0.7m的情况下，紫外光穿过不同盐雾液滴平均半径 的盐雾液滴层后，在受测电器设备的目标位置产生的紫外辐照强度。
以上为本实施例三的基本实施方式，可以在该基本实施方式的基础上做进一步的优化、改进和限定：
优选的：所述辐照强度预测方法还包括：
步骤S4、依据步骤S3计算得到的紫外辐照强度与目标紫外辐照强度的差距，通过相应增强或减弱各支所述紫外荧光灯管7的发光强度，使得所述受测电器设备的目标位置受到的紫外辐照强度调整到所述目标紫外辐照强度。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。
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