出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置 【技术领域】
本发明涉及一种出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置。
背景技术
出土饱水木质文物的长期保存对于文物的考古研究和博物馆展览都具有十分重要的意义，其在进行长期保存前必须进行脱水干燥处理。传统的热风烘干技术会引起木质文物产生开裂，变形等损害。采用冷冻干燥技术可以有效的解决这一问题，冷冻干燥技术是指将经过物理、化学等预处理的物料在低温下冷冻，其后物料中的自由水和结合水在真空环境中经升华和解析脱去的干燥过程，该技术已经在国内外饱水木质文物的保存中得到较广泛的应用。
饱水木质文物冷冻干燥前必须使用填充材料(如聚乙二醇等)进行预处理，将饱水木质文物中的水分采用某种稳定剂置换，加固木质文物的细胞壁，以便木质文物在预冻时不会因木材内冰的体积膨胀而导致损坏，并增强其脱水后的强度和稳定性。
目前的预处理步骤是将木质文物洗净后依次浸置于梯度浓度的PEG2000水溶液中，溶液温度由室温逐渐上升至50～65℃，待达到渗透平衡后再更换高一级浓度溶液，直至最后达到完全置换，再取出文物，用热水毛巾清楚文物表面的PEG溶液，送冻干机冻干箱中进行预冻。为确定木质文物在每一级溶液浓度是否达到渗透平衡，需视文物的尺寸质量情况，每隔一定时间将木质文物取出测定其浸渗程度，测定方法可选择硫氰酸钴紫外光法、粘度比较法或重量法。
为节省材料、能源和时间，也可以将较低浓度(10-20％)的PEG200溶液直接边渗透边浓缩，随着水分的逐渐蒸发，经检测最后达到设定的PEG浓度。这种工艺较简单易行，但较难确定溶液中与进入器物内部的PEG之间的量化关系。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置。
出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置包括不锈钢容器、溶液泵、两个流体均布器、称重传感器、不锈钢网笼、温度传感器、液位传感器、可编程控制器、可控硅电路和电加热丝；不锈钢容器的两侧壁分别设有流体均布器，不锈钢容器内设有温度传感器、液位传感器，不锈钢容器底部设有称重传感器，不锈钢容器外设有电加热丝，称重传感器上设有不锈钢网笼，两个流体均布器通过溶液泵相连接，称重传感器、温度传感器、液位传感器分别与可编程控制器相连接，可编程控制器与可控硅电路和电加热丝依次连接。
所述的可编程控制器包括中央处理单元、温度测量扩展模块、模拟量I/O扩展输入模块和模拟量I/O扩展输出模块。中央处理单元的端口N接220V交流电压一端；中央处理单元的端口L1接220V交流电压另一端；中央处理单元的端口M分别与温度测量扩展模块、模拟量I/O扩展输入模块和模拟量I/O扩展输出模块的端口M相连接；中央处理单元的端口L+分别与温度测量扩展模块、模拟量I/O扩展输入模块和模拟量I/O扩展输出模块的端口L+相连接；温度测量扩展模块的端口A+和端口a+与温度信号的一端相连接；温度测量扩展模块的端口A-和端口a-与温度信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块的端口A+与液位信号的一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块的端口A-与液位信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块的端口B+与质量信号的一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块的端口B-与质量信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输出模块的端口M0与可控硅电路的端口CDM相连接；模拟量I/O扩展输出模块的端口V0与可控硅电路的端口CON相连接；可控硅电路的端口b和端口c共同与220V交流电的一端相连接；可控硅电路的端口a和端口d共同与电加热丝一端相连接；电加热丝另一端与220V交流电的另一端相连接。
本发明采用加热控温和液位测量装置，通过加热蒸发水分的方式实现自动逐步增加不锈钢容器内渗透溶液浓度，从而可以节约使用PEG溶液材料，并节省逐次将木质文物取出再渗透到更高一级浓度溶液的步骤。
本发明通过一个溶液泵实现不锈钢容器内溶液的流动，利于木质文物的热浸渗透，同时采用两个均布器使容器内溶液的流动均匀平缓，减小流体流动对于木质文物重量测量产生影响。
通过本发明装置，将木质文物放在可调节尺寸的不锈钢网笼中，再置于称重传感器上，可以实时检测木质文物的质量，从而得到木质文物渗透程度与溶液浓度，温度和时间的关系。适用于出土饱水木质文物冷冻干燥的溶液预处理过程。
【附图说明】
图1是出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置结构示意图。
图2是本发明不锈钢容器电加热丝布置图。
图3是本发明流体均布器流道布置示意图。
图4是本发明可编程控制器和可控硅电路的流程示意图。
图5是本发明可编程控制器和可控硅电路地电路图。
图中：不锈钢容器1、溶液泵2、流体均布器3、称重传感器4、不锈钢网笼5、温度传感器6、液位传感器7、可编程控制器8、可控硅电路9、电加热丝10、中央处理单元11、温度测量扩展模块12、模拟量I/O扩展输入模块13、模拟量I/O扩展输出模块14。
【具体实施方式】
如附图1所示出土饱水木质文物溶液热浸渗透置换装置包括不锈钢容器1、溶液泵2、两个流体均布器3、称重传感器4、不锈钢网笼5、温度传感器6、液位传感器7、可编程控制器8、可控硅电路9和电加热丝10；不锈钢容器1的两侧壁分别设有流体均布器3，不锈钢容器1内设有温度传感器6、液位传感器7，不锈钢容器1底部设有称重传感器4，不锈钢容器1外设有电加热丝10，称重传感器4上设有不锈钢网笼5，两个流体均布器3通过溶液泵2相连接，称重传感器4、温度传感器6、液位传感器7分别与可编程控制器8相连接，可编程控制器8与可控硅电路9和电加热丝10依次连接。
所述的可编程控制器8包括中央处理单元11、温度测量扩展模块12、模拟量I/O扩展输入模块13和模拟量I/O扩展输出模块14。中央处理单元11的端口N接220V交流电压一端；中央处理单元11的端口L1接220V交流电压另一端；中央处理单元11的端口M分别与温度测量扩展模块12、模拟量I/O扩展输入模块13和模拟量I/O扩展输出模块14的端口M相连接；中央处理单元11的端口L+分别与温度测量扩展模块12、模拟量I/O扩展输入模块13和模拟量I/O扩展输出模块14的端口L+相连接；温度测量扩展模块12的端口A+和端口a+与温度信号的一端相连接；温度测量扩展模块12的端口A-和端口a-与温度信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块13的端口A+与液位信号的一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块13的端口A-与液位信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块13的端口B+与质量信号的一端相连接；模拟量I/O扩展输入模块13的端口B-与质量信号的另一端相连接；模拟量I/O扩展输出模块14的端口M0与可控硅电路9的端口CDM相连接；模拟量I/O扩展输出模块14的端口V0与可控硅电路9的端口CON相连接；可控硅电路9的端口b和端口c共同与220V交流电的一端相连接；可控硅电路9的端口a和端口d共同与电加热丝10一端相连接；电加热丝10另一端与220V交流电的另一端相连接。采用220V交流电为中央处理单元供电；温度测量扩展模块、模拟量I/O扩展输入模块和模拟量I/O扩展输出模块所需的5V直流电直接使用中央处理单元的电源；温度信号输入温度测量扩展模块，液位信号和质量信号输入模拟量I/O扩展输入模块，中央处理单元对信号进行处理后控制模拟量I/O扩展输出模块输出模拟信号，控制电加热丝加热。
本发明由四部分组成：溶液循环系统、温度控制系统、浓度控制系统、重量称量系统。渗透溶液置于不锈钢容器中。溶液循环系统由溶液泵、流体均布器和连接的管道组成，溶液泵以一定的速率运行，使不锈钢容器中的渗透溶液处于流动状态，利于木质文物的渗透置换，同时两侧连接溶液泵的流体均布器使溶液的流动平缓和分布均匀，减小流动对木质文物的外力作用，降低对于重量称量系统精确性的影响。温度和浓度控制系统包括温度、液位传感器、电加热丝、可控硅电路、可编程控制器等部件。质量称量系统由置于不锈钢容器底部的称重传感器，和不锈钢网笼组成，质量信号进入可编程控制器。
渗透处理时，将待处理的饱水木质文物洗净(必要时可用草酸、连二亚硫酸钠等还原剂进行初步脱色)，然后量尺寸、衡重、照相、绘图、记录；将木质文物放入不锈钢网笼中，根据木质文物尺寸的大小调节网笼的定位调节螺丝，使其尺寸稍大于木质文物的尺寸。不锈钢容器中加入初始浓度m0为较低浓度(10-20％)的PEG2000溶液，初始液位为h0，将装有木质文物的不锈钢网笼置于不锈钢容器底部的称重传感器上，引起液位升高Δh。不同饱水木质文物的材料，形状和密度相差较大，称重传感器测得的质量：
天平质量＝不锈钢网笼质量+木质文物质量-溶液对木质文物的浮力
称重传感器测量的质量信号进入可编程控制器；溶液的温度由温度传感器检测，温度信号进入可编程控制器；溶液的浓度由液位传感器检测，液位信号通过可编程控制器转化为数值h，结合初始溶液浓度和初始液位值进行计算，可得到当前时刻的溶液浓度值m：
m＝m0h0/(h-Δh)
可编程控制器根据输入质量信号判断在当前浓度下木质文物的渗透置换程度，当木质文物质量趋于稳定时，则认为渗透已经达到平衡。此时可编程控制器根据设定的更高一级浓度值和温度值，输出电压信号到可控硅电阻，控制电加热丝输出加热量，使溶液中的水分蒸发，液位下降，溶液浓度升高至下一级浓度值。最终至溶液和木质文物的内外浓度均达到50％左右。最后取出木质文物，用热水毛巾清除器物表面的PEG，送冻干机的冻干箱中预冻。