微孔电磁阀测定系统、方法及月壤水冰含量测量方法

技术领域

本发明涉及月壤测量系统和方法领域，具体是一种微孔电磁阀测定系统、方法及月壤水冰含量测量方法。

背景技术

月球永久阴影区内的水冰及其起源一直以来是月球科学领域最核心的问题之一，就位探测水冰质量含量数据对于研究月球和内太阳系水的起源和迁移过程，无大气天体水的形成和演化等重要科学问题至关重要。同时水冰是月球最重要资源，决定了人类未来能否持续开发月球资源的关键。

目前国际上利用雷达、中子谱等遥感数据反演永久阴影区内水冰含量上限在2％-30％范围内，2009年美国NASA的LCROSS撞击试验测量到南极Cabeus陨石坑中水质量百分比为5.6％。然而，高含水率月壤水冰在加热提取进入就位分析仪器中时，会因饱和蒸汽压限制剩余水冰挥发，导致管壁水气凝结现象加剧，进而导致月壤水冰含量定量测量结果具有较大偏差的问题。

发明内容

本发明提供了一种微孔电磁阀测定系统、方法及月壤水冰含量测量方法，以解决现有技术高含水率月壤水冰含量定量测量时由于饱和蒸汽压限导致定量测量结果偏差大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

微孔电磁阀测定系统，包括水蒸气发生单元、称重单元、稳压单元、真空罐、抽真空系统；所述水蒸气发生单元内部放置冰块并对冰块加热形成水蒸气，以模拟含水冰的月壤样品加热过程中水气传质过程；

所述称重单元设置于水蒸气发生单元内部，用于测量冰块加热过程中的重量数据；

所述稳压单元包括具有进、出气口的稳压腔室，所述水蒸气发生单元通过带针阀的进气管路与稳压腔室的进气口连接，稳压腔室的出气口通过出气管路与真空罐连接，待测的微孔电磁阀连通接入稳压腔室、真空罐之间的出气管路中，由此水蒸气发送单元产生的水蒸气通过针阀进入稳压腔室，再通过打开状态的待测的微孔电磁阀进入真空罐，通过调节针阀来调节稳压腔室内的进气量进而调节稳压腔室内的压强在设定的压强变化范围内变化；所述稳压单元配置有压力传感器，由压力传感器采集稳压腔室内的压强数据；

所述抽真空系统用于对所述水蒸气发生单元内部、稳压腔室内部、真空罐内部抽真空，以及对水蒸气发送单元与稳压腔室之间的进气管路、稳压腔室与真空罐之间的出气管路抽真空。

进一步的，所述水蒸气发生单元内部设有放置于称重装置上的隔热底座，隔热底座的高度位置可调，隔热底座上放置有用于容纳冰块的容器，容器配置有对容器内冰块加热的感应线圈。

进一步的，水蒸气发生单元配置有压力传感器、温度传感器，由压力传感器、温度传感器分别采集水蒸气发生单元内的压强、温度数据。

进一步的，所述稳压单元配置有温度传感器，由温度传感器采集稳压腔室内的温度数据。

进一步的，所述水蒸气发生单元、稳压单元、进气管路和出气管路外分别设有保温层并配置有加热带，以使水蒸气发生单元、稳压单元、进气管路和出气管路的温度维持于设定温度。

进一步的，所述水蒸气发生单元、稳压单元的温度均维持于50℃±0.5℃，所述进气管路和出气管路的温度均维持于70℃±0.5℃。

进一步的，所述抽真空系统包括由分子泵和机械泵串联构成的真空泵组，真空泵组通过带有截止阀的抽真空管路分别连接水蒸气发生单元内部、稳压腔室内部、真空罐内部。

一种基于上述微孔电磁阀测定系统的微孔电磁阀测定方法，包括以下步骤：

步骤1、令水蒸气发生单元对冰块加热产生水蒸气，所述水蒸气通过针阀进入稳压腔室，再通过打开状态的过待测的微孔电磁阀进入真空罐；

步骤2、设稳压腔室内的压强设定变化范围为P

首先调节针阀以控制稳压腔室内的气体压强稳定，并通过稳压腔室的压力传感器采集的数据判断稳压腔室内气体压强是否稳定在P

再次调节针阀以控制稳压腔室内的气体压强按设定的压强变化梯度ΔP变化，使稳压腔室内的气体压强稳定在(P

依此类推，多次调节针阀以控制稳压腔室内的气体压强按设定的压强变化梯度ΔP从稳定于P

步骤3、基于步骤2得到的数据，计算不同阀前压强下流经待测的微孔电磁阀的质量流量F

然后绘制P

最后采用最小二乘法拟合散点图中的曲线，以对不同阀前压强值P

进一步的，步骤1中令水蒸气发生单元产生水蒸气之前，通过抽真空系统使水蒸气发生单元内压强维持在10Pa以下，并控制水蒸气发生单元、稳压单元温度维持在50℃±0.5℃，进气管路和出气管路的温度均维持于70℃±0.5℃，然后再令水蒸气发生单元产生水蒸气。

月壤水冰含量测量方法，过程如下：

步骤S1、对定量的重量为m的月壤进行加热，使月壤产生的水气通过传输管路流向关闭的微孔电磁阀；

步骤S2、测量传输管路内压强，当传输管路内压强达到上限值时，打开微孔电磁阀使水气通过微孔电磁阀，并记录传输管路内随月壤水冰加热传质时间过程中的压强变化曲线；

根据记录的传输管路内随月壤水冰加热传质时间过程中的压强变化曲线，结合按如权利要求8或9所述微孔电磁阀的测定方法测定的微孔电磁阀水气质量流量与阀前压强之间关系的回归公式，得到水气质量流量变化曲线；

步骤S3、对步骤S2得到的水气质量流量变化曲线进行插值积分，得到总水气量m

本发明的优点在于：

本发明中，利用微孔电磁阀对高含水率的月壤水冰含量进行测量，该微孔电磁阀可通过相应的测定系统模拟真空环境下不同阀前压强工况时，对流经微孔电磁阀的水蒸气质量流量和阀前压强关系进行测定，由此在进行月壤水冰含量测量时，可基于预先测定的微孔电磁阀的水蒸气质量流量和阀前压强关系，结合插值积分方法得到月壤中水冰含量。整个月壤水冰含量测量过程中月壤水冰形成的水蒸气是流动通过微孔电磁阀的，因此不存在饱和蒸汽压限限制水冰挥发的问题，故最终月壤水冰含量测量结果偏差小、准确性高，为月球极区高水冰含量月壤中水冰含量定量测量提供了高精度测量手段。

附图说明

图1是本发明实施例一微孔电磁阀测定系统结构原理图。

图2是本发明实施例一测定的微孔电磁阀水气质量流量与阀前压强之间关系回归分析曲线图。

图3是本发明实施例二月壤水冰含量测量系统结构原理图。

图4是本发明实施例二测量的三次水气质量流量变化曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种微孔电磁阀测定系统，包括水蒸气发生单元、称重单元、稳压单元、真空罐、抽真空系统。

水蒸气发生单元包括一个封闭腔室，封闭腔室顶部开设有观察窗，封闭腔室配置有第一压力传感器和第一温度传感器，由第一压力传感器采集封闭腔室内压强数据，并由第一温度传感器采集封闭腔室内温度数据，封闭腔室外缠绕有保温层和加热带，通过保温层和加热带使水蒸气发生单元的封闭腔室的温度保持于50℃±0.5℃。

称重单元采用高精度天平，并且高精度天平集成设置于水蒸气发生单元的封闭腔室内部。水蒸气发生单元的封闭腔室内部还设有隔热垫、容器，其中隔热垫放置于高精度天平上，容器用于容纳冰块并放置于隔热垫上，容器外设置有感应线圈，该感应线圈作为水蒸气发生单元对冰块加热的器件，通过感应线圈对冰块加热形成水蒸气，以模拟含水冰的月壤样品加热过程中水气传质过程，并通过高精度天平可测量获取冰块加热过程中重量的变化。

水蒸气发生单元的一侧设置有可升降的高真空机械手，高真空机械手夹持隔热垫，由此通过高真空机械手可改变隔热垫的高度位置，进而改变容器的高度位置，以用于测量和高精度天平的定期校准。

稳压单元包括具有进、出气口的稳压腔室，以及进气管路、针阀、出气管路。具体的，水蒸气发生单元的封闭腔室通过进气管路与稳压腔室的进气口连接，稳压腔室的出气口通过出气管路与真空罐连接，针阀连通接入水蒸气发生单元、稳压腔室之间进气管路中，待测的微孔电磁阀连通接入稳压腔室、真空罐之间的出气管路中。由此水蒸气发送单元产生的水蒸气通过针阀进入稳压腔室，再通过打开状态的待测的微孔电磁阀进入真空罐，通过调节针阀来调节稳压腔室内的进气量进而调节稳压腔室内的压强在设定的压强变化范围P

稳压腔室配置有第二压力传感器、第二温度传感器，由第二压力传感器采集稳压腔室内的压强数据，并由第二温度传感器采集稳压腔室内的温度数据。并且稳压腔室外缠绕有保温层和加热带，进气管路、出气管路外分别同样缠绕有保温层和加热带，通过稳压腔室的保温层和加热带使稳压腔室的温度保持于50℃±0.5℃，通过进气管路、出气管路的保温层和加热带使进气管路、出气管路的温度均保持于70℃±0.5℃。

微孔电磁阀外也缠绕有保温层和温控系统，温控系统包括加热器和冷却装置，通过加热器和冷却装置使微孔电磁阀的温度控制在0℃。

抽真空系统用于对所述水蒸气发生单元内部、稳压腔室内部、真空罐内部抽真空，以及对水蒸气发送单元与稳压腔室之间的进气管路、稳压腔室与真空罐之间的出气管路抽真空。具体的，抽真空系统包括由分子泵和机械泵串联构成的真空泵组，真空泵组的抽速大于或等于30L/s，极限压力小于10-3Pa。

真空泵组具有三个抽真空口，真空泵组的一个抽真空口通过带有第一截止阀的抽真空管与稳压腔室连通，真空泵组的第二个抽真空口通过带有第二截止阀的抽真空管与真空罐连通，真空泵组的第三个抽真空口通过带有第三截止阀的抽真空管与水蒸气发生单元的封闭腔室连通，由此通过抽真空系统可对水蒸气发生单元的封闭腔室内部、稳压腔室内部以及真空罐内部抽真空，同时对水蒸气发生单元、稳压腔室之间的进气管路，以及稳压腔室、真空罐之间的出气管路之间抽真空。

本实施例还公开了基于上述微孔电磁阀测定系统的微孔电磁阀测定方法，用于测定微孔电磁阀的水气质量流量与阀前压强的关系，包括以下步骤：

步骤1、产生水蒸气前的准备工作，过程如下：

(1.1)、启动真空泵组，打开第一截止阀、第二截止阀和待测的微孔电磁阀，对稳压腔室、真空罐和进气管路、出气管路进行快速旁通抽气以排空空气。

(1.2)、向容器中注入液态水(防止低压水沸腾溢溅)，而后使液态水在液氮中冷冻，待液态水冻结为冰块后，将容器放置到水蒸气发生单元封闭腔室内的隔热垫上，并令容器中的冰块进行自然升温。同时打开第三截止阀将水蒸气发送单元封闭腔室抽真空至第一压力传感器显示压强在10Pa以下，然后利用高真空机械手提起隔热底座进入称重校准位置，将高精度天平置零，并记录高精度天平10min内的空载漂移量，记录完成后将隔热底座放回至高精度天平，通过高精度天平串口数据实时记录天平称重结果数据。

(1.3)、将水蒸气发生单元的封闭腔室、稳压单元的稳压腔室、进气管路、出气管路分别升温，其中水蒸气发生单元的封闭腔室、稳压单元的稳压腔室温度维持在50℃±0.5℃，进气管路、出气管路的温度维持在70℃±0.5温度，由此可确保水蒸气在流动过程中保持吸脱附平衡状态，并持续不冷凝。

(1.4)、关闭第三截止阀，利用感应线圈对容器中冰块缓慢加热，使容器内的温度升高到目标温度50℃，使冰块融化为液态水，待天平及压力传感器1示数稳定后，完成准备工作进入测量状态。

按上述步骤(1.1)-(1.4)完成准备工作后，使微孔电磁阀温度控制在0℃，并通过水蒸气发生单元内腔室的感应线圈对容器内液态水持续加热以产生水蒸气，水蒸气通过针阀进入稳压腔室，再通过打开状态的过待测的微孔电磁阀进入真空罐。

步骤2、设稳压腔室内的压强设定变化范围为P

本实施例中，以P

首先第一次调节针阀，以控制稳压腔室内的气体压强稳定，并通过稳压腔室的压力传感器采集的数据判断稳压腔室内气体压强是否稳定在2000Pa±10Pa，当稳压腔室内的气体压强稳定在2000Pa±10Pa时，通过稳压腔室的压力传感器获取此时稳压腔室内的实际压强值P

然后第二次调节针阀，以控制稳压腔室内的气体压强按设定的压强变化梯度ΔP＝100Pa进行变化，使稳压腔室内的气体压强稳定在(2000Pa-100Pa＝1900Pa)±10Pa，获取此时稳压腔室内的实际压强值P

第三次调节针阀，以控制稳压腔室内的气体压强再次按设定的压强变化梯度ΔP＝100Pa进行变化，使稳压腔室内的气体压强稳定在1800Pa±10Pa，获取此时稳压腔室内的实际压强值P

依此类推，多次调节针阀以控制稳压腔室内的气体压强按设定的压强变化梯度ΔP从稳定于2000Pa±10Pa变化至稳定于100Pa±10Pa。为了验证气体低压强的稳定性和数据的有效性，调节针阀，最终将稳压腔室内的气体压强稳定在100Pa±10Pa，获取此时稳压腔室内的实际压强值P

由此，得到每次稳压腔室内压强调节至稳定时的实际压强值P

步骤3、基于步骤2得到的数据，计算不同阀前压强下流经待测的微孔电磁阀的质量流量F

最后采用最小二乘法拟合散点图中的曲线，以对不同阀前压强值P

实施例二

本实施例公开了一种月壤水冰含量测量系统，如图3所示，包括进样漏斗、定容接样杯、加热炉筒、传输管路、真空计、真空系统，以及按实施例一所述微孔电磁阀测定系统和方法测定出水气质量流量与阀前压强之间关系的回归公式的微孔电磁阀。

通过进样漏斗向定容接样杯中装入定量的月壤，并将定容接样杯置于加热炉筒内，加热炉筒通过传输管路连接真空系统，微孔电磁阀连通接入传输管路中，加热炉筒对定容接样杯内月壤加热时产生水气，水气通过传输管路到达微孔电磁阀，真空计用于测量传输管路内部的气体压强数据。由此，得到月壤水冰含量测量系统，月壤水冰含量测量系统工作时，使微孔电磁阀温度控制在0℃。

本实施例还公开了月壤水冰含量的测量方法，过程如下：

步骤S1、通过加热炉筒对定容接样杯内定量的重量为m的月壤进行加热，使月壤产生的水气通过传输管路流向关闭的微孔电磁阀。

步骤S2、通过真空计测量传输管路内压强，当传输管路内压强达到上限值时，打开微孔电磁阀并令真空系统工作，使水气通过微孔电磁阀被真空系统抽走，此时记录传输管路内随月壤水冰加热传质时间过程中的压强变化曲线。

以记录的传输管路内随月壤水冰加热传质时间过程中的压强变化曲线，作为按实施一所述微孔电磁阀测定系统和方法，测定的微孔电磁阀水气质量流量与阀前压强之间关系的回归公式y＝3.7022*e

步骤S3、对步骤S2得到的水气质量流量变化曲线进行插值积分，得到总水气量m

本实施例中，可按步骤S1-S3进行多次相同重量的定量测量，由此得到相同定量重量的月壤中水冰含量多个测量值。本实施例以三次定量测量为例进行说明，三次定量测量时月壤的重量均为m＝1.4g，三次定量测量分别得到的水气质量流量变化曲线如图4所示。对图4中的三条水气质量流量变化曲线分别进行插值积分，由此得到三次月壤重量为1.4g时的总水气质量分别m

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，这种组合只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内以及不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。