[发明专利]一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统及其方法

权利要求书

1.一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于所述系统包括配气装置、测试装置、进样装置、真空装置、调压装置、光学成像装置以及监控装置；

所述的测试装置包括圆柱形的高温高压可视容器，所述的高温高压可视容器以镍基合金材料加工制造；设计压力和设计温度分别为40MPa和500℃；高温高压可视容器外壁安装有均匀嵌入6只加热管的加热缸套；所述高温高压可视容器外围覆有保温层；所述的保温层采用纳米保温材料制作；高温高压可视容器的轴向两端设有两个视窗法兰；该容器径向的侧壁处开设有用于安装可拆卸测试平台的法兰；所述视窗法兰以及用于安装可拆卸测试平台的法兰均以石墨纤维密封圈进行密封，以压紧螺栓进行紧固；高温高压可视容器上开设有三个孔，第一开孔用于接入配气装置和安全阀，第二开孔位于高温高压容器轴向对称面的中心线处，用于接入压力传感器和进样装置，并采用不锈钢毛细针管进行液滴进样，第三开孔用于接入温度传感器和调压装置；

所述的测试装置还包括可拆卸测试平台；所述可拆卸测试平台是一个圆柱体凸台，通过法兰与高温高压可视容器连接，用于承载实验固体表面，并设有两个卡夹以固定住实验固体表面；其内部装有加热管和温度传感器，以保证实验固体表面达到设定温度值，并实时监控；

所述的配气装置包括空气压缩机、高压气瓶、气体增压器、高压缓冲容器和减压阀；其主要目的是为了向高温高压可视容器内提供高压的气体环境，并维持其腔内的压力；其中，空气压缩机为气体增压器提供气体驱动力去压缩高压气瓶内的气体，增压后的气体进入高压缓冲容器进行缓冲稳压，通过减压阀调整至合适的压力输送至高温高压可视容器内；

所述的进样装置包括单向控制阀和微流量高压柱塞泵；微流量高压柱塞泵通过单向控制阀向高温高压可视容器内无脉冲且稳定地输送微量的液体，完成实验液体的进样；

所述的真空装置由真空泵和真空缓冲容器组成；真空缓冲容器安设在高温高压容器和真空泵之间并通过管道与两者相连，且真空缓冲容器进出口处都加装有阀门；在试验开始前和结束后，真空泵抽除高温高压可视容器内的杂质气体，抽出的气体在真空缓冲容器内缓冲并存储；

所述的调压装置包括冷凝器和背压阀；冷凝器安装在背压阀进气管路中，并与高温高压可视容器直接相连，背压阀的出口接入大气环境；其目的是为了调节高温高压可视容器内因加热温升引起的压力升高；当高温高压可视容器内的压力超出实验设定的压力值时，背压阀将会开启，高温高压气体经冷凝器冷却降温后经背压阀排出；

所述的光学成像装置包括CCD相机和冷光源；CCD相机捕捉高温高压可视容器内的液滴在固体表面上的形态，冷光源为其拍摄提供充足的光线；所获得的图像传送至监控装置的图像分析仪进行分析；

所述的监控装置包括温度传感器、压力变送器、温度控制器、机械压力表和图像分析仪；该装置包含两个温度传感器，其中一个温度传感器的测点布置在高温高压可视容器腔体内，另一个的测点布置在可拆卸测试平台内，2个温度传感器分别与两个温度控制器相连；压力变送器通过开设在高温高压可视容器上的测孔插入该容器的腔体内；5个机械压力表安装在配气装置的管道中，分别位于高压气瓶的出口处，气体增压器的进口处，空气压缩机的出口处，减压阀的出口处和高压缓冲容器处，还有2个机械压力表分别安装在真空装置和调压装置中，位于真空缓冲容器处和调压装置的背压阀进口处；监控装置精准控制实验系统内的温度和压力，并完成智能地数据采集与图像分析。

2.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述的配气装置设置了可切换气路；所述可切换气路包括空气压缩机、气体增压器及不同气体钢瓶；空气压缩机与气体增压器相连，压缩空气驱动气体增压器加压不同气体钢瓶内的气体 ，不同气体钢瓶通过多通接头汇成同一出气接口与气体增压器相连，并在每个气体钢瓶的出口处加装阀门以控制不同气体钢瓶的接入与切断；运行过程中，如需切换实验气路，打开对应气体钢瓶的出口阀门，并关闭其他气体钢瓶的出口阀门，完成气路的切换。

3.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述气体增压器调控高压气瓶中的气体压力在0~60MPa范围变化。

4.如权利要求1所述的一种高温高压环境下测量表征接触角的可视化实验系统，其特征在于，所述视窗法兰为蓝宝石视窗法兰。

5.一种如权利要求1所述系统的高温高压环境下测量表征接触角的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤如下：

实验开始前，检查可视化实验系统的密封性；开启真空泵抽除高温高压可视容器腔内的空气，待腔内达到真空时，关闭真空装置的阀门；启动空气压缩机压缩空气，打开其出口阀门，驱动气体增压器；设定气体增压器的出口压力值；增压后的气体在高压缓冲容器内缓冲稳压；调节减压阀至设定压力值；打开高压缓冲容器出气阀，向高温高压可视容器中注入高压气体；并对高温高压可视容器的压力进行监控，高温高压可视容器达到实验设定压力值的60%后，稳压半小时，关闭高压缓冲容器出气阀；确保无压力泄露的情况下，开启加热缸套以及可拆卸测试平台内的加热管对高温高压可视容器进行加热，并通过温度传感器进行实时监控，线性升温到设定温度值后，稳定温度10分钟；开启高压缓冲容器出气阀补偿压力至设定压力值；通过调压装置对高温高压可视容器内的压力进行调节，设置背压阀为设定压力值；当高温高压可视容器内的实际压力因加热温升超过设定压力值时，背压阀会自动打开，卸掉多余的压力；冷凝器对高温气体进行冷却，保证背压阀正常工作与人身安全；

当高温高压可视容器内压力和温度都达到设定值且稳定不变；启动微流量高压柱塞泵，设定进样流量；当液滴滴至实验固体表面上后，关闭单向控制阀；通过蓝宝石视窗对液滴的形态变化进行观察；为排除液滴蒸发对接触角的影响，待液滴停至实验固体表面上后，用CCD相机和冷光源拍摄液滴形态大于5秒钟；所得图像传输至监控装置的图像分析仪进行处理，选取多组形态相同的图像测得液滴的接触角，并取平均值；停止实验，待高温高压可视容器冷却后，泄压。