CN100348958C - 防热材料烧蚀温度场实时测量方法及专用测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种防热材料烧蚀温度场实时测量方法及专用测量装置。在被测试件表面需要进行温度测量的位置上钻直径和深度都小于1mm的小孔；将钨铼热电偶的测量端除测量点外的其它部分用陶瓷管保护；在被测试件表面上的小孔中填充氮化硼—硅脂混合物；将钨铼热电偶的测量端与氮化硼—硅脂混合物接触；热电偶将被测试件表面的多个温度信号转换成模拟电压量输入热电偶信号采集装置，热电偶信号采集装置将热电偶输出的模拟电压量转换成数字量，这些数字量被按RS-485异步串行通信协议上传至上位计算机进行处理。本发明的方法和装置能够在超高温、强电和大干扰的环境中对小尺寸试件表面的多点温度进行实时的高精度接触式测量。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种温度测量方法，具体地说是一种能够在高温、强电和强干扰的实验环境中，对小试件表面多点温度进行实时高精度接触式测量的方法。本发明还涉及这种温度测量方法的专用测量装置。
(二)背景技术
温度的测量方法从测量体与被测介质接触与否来分，有非接触式测温和接触式测温两类。
非接触式测温是通过接受被测介质所发出的辐射热来判断温度的。非接触式测温的主要优点是：测温上限原则上不受限制；测温速度较快，可对运动体进行测量。但是它受到物体的辐射率、距离、烟尘和水气等因素影响，测温误差较大。
接触式测温是通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度的。在测量温度时，测量体与被测介质接触，被测介质与测量体之间进行热交换，最后达到热平衡，此时测量体的温度就是被测介质的温度。接触式测温的主要特点是：方法简单、可靠，测量精度高。但是由于测量体可能与被测介质发生化学反应，测量体还受到耐高温材料的限制，以及复杂环境下抗干扰问题，不能应用于超高温、强干扰环境。尤其对于处在上述环境中的小尺寸被测试件，由于带有保护层的铠装热电偶的测量端尺寸很大，一般在3mm以上，而且铠装热电偶由于最外层不锈钢等金属材料限制，不能被应用于超高温的测量，而热电偶裸丝虽然测量端尺寸可以很小，最小可达0.2mm，而且没有金属皮，但其直接将整个温度采集回路曝露于测量环境当中，不能被应用于强干扰环境，所以要在超高温，强干扰环境中对小尺寸试件进行接触式多点温度测量几乎是不可能的。
交流等离子电弧加热器工作电压为3000-10000V AC，被测试件温度在2300℃以上，由于加热器自身要求其三相中性点不能接地保护，而由于加热器三相电压不平衡等物理条件限制，其理论中性点的电压不为零，加热器在启动和停止时，空间电磁场会发生较大的变化形成电磁干扰，导致被测试件处在一个超高温、强电和大干扰的环境中。而且加热器出口存在一倍以上音速气流，粒子直径达数百微米，速度超过0.6倍音速的高速大尺寸粒子撞击。目前还不能通过热电偶对处在上述环境下的试件表面温度进行接触式测量。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在超高温、强电和大干扰的环境中对小尺寸试件表面的多点温度进行实时的高精度接触式测量的防热材料烧蚀温度场实时测量方法。本发明的目的还在于提供这种温度场实时测量方法的专用测量装置。
本发明的方法包括：
在被测试件表面需要进行温度测量的位置上钻直径和深度都小于1mm的小孔；将钨铼热电偶的测量端除测量点外的其它部分用陶瓷管保护；在被测试件表面上的小孔中填充氮化硼-硅脂混合物；将钨铼热电偶的测量端与氮化硼-硅脂混合物接触；热电偶将被测试件表面的多个温度信号转换成模拟电压量输入热电偶信号采集装置，热电偶信号采集装置将热电偶输出的模拟电压量转换成数字量，这些数字量被按RS-485异步串行通信协议上传至上位计算机进行处理。
本发明的方法是采用这样的装置来实现的：
它包括安装在两根支架导杆前端的石墨端盖，石墨端盖的中间开有中心孔，支架导杆上安装有热电偶固定片和热电偶压片，热电偶固定片上开有供热电偶穿过的小孔，热电偶压片上有聚四氟螺钉，聚四氟螺钉中间有供热电偶丝引出的孔，被测试件表面上有直径和深度都小于1mm的小孔，热电偶的测量端除测量点外的其它部分外部有陶瓷管，被测试件表面上的小孔中填充有氮化硼-硅脂混合物，热电偶的测量端与氮化硼-硅脂混合物接触，被测试件安装在石墨端盖的中心孔中，热电偶丝与信号采集装置相连，信号采集装置连接上位计算机。
本实用新型的装置还可以包括：
1、在信号采集装置与上位计算机之间设置光电隔离装置。
2、热电偶固定片上开有的所述小孔沿试件轴向分布。
本发明具有以下几个主要技术特征：
1、所述的热电偶测量端保护层是按照一定比例将粉末状的氮化硼与传热硅脂混合制成的粘稠的糊状物，该混合物在超高温环境中具有良好的导热绝缘性，且物理性状稳定，在保护温度采集回路的同时，大大缩小了热电偶测量点的尺寸，使温度测量系统可以对小尺寸试件表面多点温度进行测量。
2、热电偶测量端固定装置，包括石墨端盖、导杆、热电偶固定片、热电偶压片等部分。由于热电偶裸丝较软，当测量环境中存在不稳定外力作用时，如当被测试件被置于电弧加热器出口环境中时，保证了热电偶测量端在实验过程中与被测试件保持紧密接触，提高了温度测量的准确性。
3、本发明通过光电隔离装置实现了计算机与信号采集回路之间的物理隔断，不但有效地消除了噪声电压干扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配等问题，同时也可以在被测设备短路时保护系统不受损坏。
本发明主要由钨铼热电偶裸丝，热电偶信号采集装置构成温度信号采集回路。通过直径最小可达0.1mm的热电偶裸丝将被测试件表面的非电量转换为电压量，再由可对最多达8路，误差小于0.2级的热电偶信号采集装置对热电偶输出信号进行6-10次/秒高速采集，并将采集到的信号以数字量形式按RS-485异步串行通信协议上传至上位计算机进行处理，即可完成温度数据的采集。
在热电偶测量端与被测试件之间注入按一定比例混合的粉末状的氮化硼与传热硅脂粘稠的糊状物，该混合物在2300℃以上的超高温环境中仍具有良好的导热绝缘性，且物理性状稳定，通过该混合物的注入可以在不影响温度信号测量的同时很好地将温度测量回路与外界强电环境相隔绝。
热电偶固定装置可以保证在有不稳定外力存在的环境中较软的热电偶裸丝测量端与试件之间不脱离，该装置包括石墨端盖、导杆、热电偶固定片、热电偶压片，其中导杆、热电偶固定片与压片具有不锈钢制成，石墨端盖具有良好的超高温机械强度可以阻挡正面的超高温气流与粒子，起到保护后面热电偶测量端的作用。石墨端盖的中心孔用于安装被测试件，热电偶固定片上开有沿试件轴向的一系列小孔，这些小孔能对热电偶进行水平定位，旋紧热电偶压片上的聚四氟螺钉可以对热电偶进行垂直定位，聚四氟螺钉在轴线方向钻有一对小孔，热电偶偶丝由这两个小孔中引出到热电偶信号采集装置上。热电偶固定片与压片可以沿不锈钢导杆轴线方向滑动，并通过固定螺丝固定在导杆上。
热电偶信号采集装置与计算机之间的数字通信线路上串联高达10000V AC以上绝缘的光电隔离装置，在系统测温过程中，如果热电偶测量端保护层失效，隔离装置能有效保护中央计算机及操作人员不至于接触到测试环境中的10000V高压电。
本发明可以在超高温、强电和大干扰环境中正常工作，最小可对直径20mm，长度40mm以下的小尺寸被测试件进行表面多点温度的实时接触式测量。
经试验表明，本发明在10000V AC、2300℃以上、强电磁干扰、存在一倍以上音速气流、高速大尺寸粒子撞击(粒子直径达数百微米，速度超过0.6倍音速)的环境中，以10次/秒的速度对试件进行3点表面温度测量时，误差不超过50℃。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是图1的左视图；
图4是图3的A-A剖视图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
在被测试件表面需要进行温度测量的位置上钻直径和深度都小于1mm的小孔；将钨铼热电偶的测量端除测量点外的其它部分用陶瓷管保护；在被测试件表面上的小孔中填充氮化硼-硅脂混合物；将钨铼热电偶的测量端与氮化硼-硅脂混合物接触；热电偶将被测试件表面的多个温度信号转换成模拟电压量输入热电偶信号采集装置，热电偶信号采集装置将热电偶输出的模拟电压量转换成数字量，这些数字量被按RS-485异步串行通信协议上传至上位计算机进行处理。
结合附图，本发明的装置包括安装在两根支架导杆12前端的石墨端盖1。石墨端盖的中间开有中心孔。支架导杆上安装有热电偶固定片14和热电偶压片15，热电偶固定片上开有供热电偶穿过的小孔、且所述小孔沿试件轴向分布。热电偶压片上有聚四氟螺钉13，聚四氟螺钉中间有供热电偶丝引出的孔。被测试件2表面上有直径和深度都小于1mm的小孔。热电偶4的测量端除测量点外的其它部分外部有陶瓷管5。被测试件表面上的小孔中填充有氮化硼-硅脂混合物3。热电偶的测量端与氮化硼-硅脂混合物接触。被测试件安装在石墨端盖的中心孔中。热电偶丝与信号采集装置6相连。信号采集装置与光电隔离装置7相连。光电隔离装置连接上位计算机8。
将被测试件安装在热电偶支架石墨端盖的中心孔中，将套上陶瓷管的钨铼热电偶通过支架上热电偶固定片上的小孔进行水平方向的固定，调节支架上热电偶压片上的聚四氟螺钉保证保护热电偶的陶瓷管与被测试件紧密接触，热电偶固定片与压片通过螺钉与支架导杆相连接。将热电偶丝从聚四氟螺钉的中心孔中引出，并与信号采集装置相连。将已经按调配成糊状的氮化硼-硅脂混合物注入。将信号采集装置的通讯线经过光电隔离装置与上位计算机相连。
Claims (4)
1、一种防热材料烧蚀温度场实时测量方法，其特征是：在被测试件表面需要进行温度测量的位置上钻直径和深度都小于1mm的小孔；将钨铼热电偶的测量端除测量点外的其它部分用陶瓷管保护；在被测试件表面上的小孔中填充氮化硼—硅脂混合物；将钨铼热电偶的测量端与氮化硼—硅脂混合物接触；热电偶将被测试件表面的多个温度信号转换成模拟电压量输入热电偶信号采集装置，热电偶信号采集装置将热电偶输出的模拟电压量转换成数字量，这些数字量被按RS-485异步串行通信协议上传至上位计算机进行处理。
2、一种防热材料烧蚀温度场实时测量方法的专用测量装置，其特征是：它包括安装在两根支架导杆前端的石墨端盖，石墨端盖的中间开有中心孔，支架导杆上安装有热电偶固定片和热电偶压片，热电偶固定片上开有供热电偶穿过的小孔，热电偶压片上有聚四氟螺钉，聚四氟螺钉中间有供热电偶丝引出的孔，被测试件表面上有直径和深度都小于1mm的小孔，热电偶的测量端除测量点外的其它部分外部有陶瓷管，被测试件表面上的小孔中填充有氮化硼—硅脂混合物，热电偶的测量端与氮化硼—硅脂混合物接触，被测试件安装在石墨端盖的中心孔中，热电偶丝与信号采集装置相连，信号采集装置连接上位计算机。
3、根据权利要求2所述的防热材料烧蚀温度场实时测量方法的专用测量装置，其特征是：在信号采集装置与上位计算机之间设置光电隔离装置。
4、根据权利要求2或3所述的防热材料烧蚀温度场实时测量方法的专用测量装置，其特征是：热电偶固定片上开有的所述小孔沿试件轴向分布。
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