CN102853930B

CN102853930B - 一种柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法

Info

Publication number: CN102853930B
Application number: CN201210305886.1A
Authority: CN
Inventors: 崔云先; 盛晓幸; 殷俊伟; 邢磊
Original assignee: Dalian Jiaotong University
Current assignee: Dalian Jiaotong University
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: CN102853930A

Abstract

本发明公开了一种柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法，所述系统包括数据采集放大发射装置、信号接收装置、计算机、测温螺钉和补偿导线，所述测温螺钉通过补偿导线与数据采集放大发射装置连接，数据采集放大发射装置通过无线传输信号与信号接收装置连接，测温螺钉上端面有薄膜热电偶。所述方法包括制作掩膜及掩膜夹具、制作测温螺钉、安装和测量。本发明利用先进的薄膜热电偶制备技术测温，保证了动态响应时间短，温度测量精度高，可以进行连续测量。同时，采用小螺钉结构，传感器易于制作并且易于安放在活塞上，结构简单、更换方便、可以标准化生产。本发明解决了柴油机活塞在恶劣工作环境下的温度测试问题以及薄膜热电偶引线连接问题。

Description

一种柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种瞬态温度的测试方法，特别是一种柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法。

背景技术

作为车船动力，内燃机的热效率及其可靠性都是代表一个国家内燃机水平的标志。而高的热效率往往都以承受高热负荷为代价，因此热负荷问题随着发动机的强化而备受重视。热负荷问题，主要体现为构成燃烧室的一些重要零部件频繁出现的热损伤故障，在活塞上主要体现为：头部烧蚀、掉块、热裂、头部环区过热活塞环卡死、拉缸、断环等。相继出现的问题致使柴油机的热可靠性受到严重的威胁，极大地阻碍着柴油机的研制和使用，迫使人们把主要精力转移到热负荷的研究上。

近几年，随着柴油机技术的不断进步，急需一种响应时间短、测量精度高、结构简单、性能稳定、可以进行瞬态温度的连续测量、不影响柴油机活塞的结构的测温方法和技术来满足柴油机活塞热负荷研究的需要。目前，关于柴油机活塞的温度测试方法，主要采用接触式测量方法，主要包括：热电偶测量法、硬度塞法、易熔合金法。但是，这几种方法都存在各自的使用局限性，普通热电偶测量法的响应时间长，不能满足要求；硬度塞法和易熔合金法精度低，响应时间长，不能进行瞬态连续测量。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种响应时间短、测量精度高、可以进行瞬态温度的连续测量的柴油机活塞瞬态温度测量系统及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种柴油机活塞瞬态温度测量系统，包括数据采集放大发射装置、信号接收装置、计算机、测温螺钉和补偿导线，所述测温螺钉通过补偿导线与数据采集放大发射装置连接，所述数据采集放大发射装置通过无线传输信号与信号接收装置连接，所述信号接收装置通过数据线与计算机连接；所述测温螺钉上端面有薄膜热电偶。

一种柴油机活塞瞬态温度测量系统的测量方法，包括以下步骤：

A、制作掩膜及掩膜夹具

选取两块长宽尺寸相同、厚度不同的矩形板；先在薄矩形板平面上加工多处形状为“Z”的通孔，即将薄矩形板加工成掩膜，再在厚矩形板上与掩膜的“Z”形通孔对应处加工M5螺纹通孔；用螺栓将掩膜和厚矩形板连接固定，构成掩膜夹具；

所述薄矩形板的厚度是0.1~0.5mm，所述厚矩形板的厚度是5~8mm，所述厚矩形板和薄矩形板的材料均为不锈钢；

B、制作测温螺钉

选择M5×5的紧定螺钉，在紧定螺钉上端面以圆心为基准建立直角坐标系，坐标单位为mm，在坐标为（-1.5，1）和（1.5，1）处各开1个尺寸为φ1的引线孔，并将紧定螺钉无槽的一端打磨抛光；将紧定螺钉旋入掩膜夹具的M5螺纹通孔中，使紧定螺钉的抛光端面接触到掩膜，采用磁控溅射方式将薄膜热电偶经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上；将掩膜翻转重新固定，再次采用磁控溅射方式将薄膜热电偶经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上，即在紧定螺钉的抛光端面溅射出“∏”形状的薄膜热电偶，溅射有薄膜热电偶的紧定螺钉即为测温螺钉；

C、标定薄膜热电偶参数

对薄膜热电偶的参数进行标定，薄膜热电偶标定参数的合格范围是：塞贝克系数为40~67.4μV/℃，线性误差不大于0.32%，响应时间为0.042~0.2ms；

D、安装

采用热压结合法将补偿导线的一端与薄膜热电偶的热电极连接，在活塞内壁温度待测点处尽量靠近活塞表面打一个螺纹孔，将测温螺钉安装在螺纹孔内；将补偿导线的另一端与数据采集放大发射装置连接，将信号接收装置通过数据线与计算机连接；

E、测量

完成以上步骤后，启动柴油机，柴油机活塞待测点处各个工况下的温度情况经过薄膜热电偶测量，将测量信号传送到数据采集放大发射装置并通过无线传输将信号传送至计算机中对数据进行分析处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用先进的薄膜热电偶制备技术测温，保证了动态响应时间短，温度测量精度高，可以进行连续测量。同时，采用小螺钉结构，传感器易于制作并且易于安放在活塞上，结构简单、更换方便、可以标准化生产。

2、本发明将薄膜热电偶溅射在小螺钉上，形成测温螺钉结构，其响应时间短、精度高、结构简单、性能稳定、更换方便、可以进行瞬态温度的连续测量、不影响柴油机活塞的结构；通过无线传输系统进行信号的传输，解决了柴油机活塞在恶劣工作环境下的温度测试问题以及薄膜热电偶引线连接问题。

附图说明

本发明共有附图9张，其中：

图1为本发明的组成示意图。

图2为测温螺钉在活塞待测点处示意图。

图3为测温螺钉主视图。

图4为测温螺钉俯视图。

图5为溅射薄膜热电偶膜之后的测温螺钉。

图6为溅射薄膜热电偶NiCr/NiSi极的薄矩形板形状示意图。

图7为溅射薄膜热电偶NiCr/NiSi极的厚矩形板主视图。

图8为溅射薄膜热电偶NiCr/NiSi极的厚矩形板俯视图。

图9为溅射薄膜热电偶NiCr/NiSi极的掩膜夹具组合图。

图中：1、数据采集放大发射装置，2、无线传输信号，3、信号接收装置，4、计算机，5、补偿导线，6、测温螺钉，7、薄膜热电偶，8、引线孔，9、活塞，10、薄矩形板，11、厚矩形板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-9所示，本发明主要包括薄膜热电偶7、测温螺钉6和补偿导线5。在活塞9待测点上安放测温螺钉6，利用测温螺钉6上的薄膜热电偶7采集柴油机活塞9的温度信号，通过补偿导线5传输到连接在活塞9上的数据采集放大发射装置1。具体实施过程如下：

1、制作掩膜：选取两块长宽尺寸相同、厚度不同的矩形板；先在超精密线切割机床上将薄矩形板10加工多处形状为“Z”的通孔，即将薄矩形板10加工成掩膜，再在厚矩形板11上与掩膜的“Z”形通孔对应处加工M5螺纹通孔；再将掩膜与厚矩形板11合在一起，用螺栓将两块矩形板连接固定；所述薄矩形板10的厚度是0.1~0.5mm，所述厚矩形板11的厚度是5~8mm，所述厚矩形板11和薄矩形板10的材料均为不锈钢；

2、制作测温螺钉6：选择M5×5的紧定螺钉，在紧定螺钉上端面以圆心为基准建立直角坐标系，坐标单位为mm，在坐标为（-1.5，1）和（1.5，1）处各开1个尺寸为φ1的引线孔8，并将紧定螺钉无槽的一端打磨抛光；薄膜热电偶7基底必须严格绝缘，因此必须在基体上沉积绝缘性好的材料，由于活塞9基底采用铸铝材料，铝的表面在空气中产生一层致密的氧化膜，经过基底打磨之后可以直接镀膜，将紧定螺钉旋入掩膜夹具的M5螺纹通孔中，使紧定螺钉的抛光端面接触到掩膜，采用磁控溅射方式将薄膜热电偶7经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上；将掩膜翻转重新固定，再次采用磁控溅射方式将薄膜热电偶7经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上，即在紧定螺钉的抛光端面溅射出“∏”形状的薄膜热电偶7，溅射有薄膜热电偶7的紧定螺钉即为测温螺钉6；为了适应生产需求，薄膜热电偶7必须具有足够长的寿命，最外层需制作Si₃N₄保护层；保护层具有足够的硬度、耐磨性、结合力和绝缘性，以便在活塞9工作时能有效的保护薄膜热电偶7；

3、补偿导线5的连接：补偿导线5通过补偿导线5引线孔8与薄膜热电偶7的热电极连接，其连接方式采用热压结合法。

4、薄膜热电偶7的静动态标定：常用传感器测试系统的特性包括：静态特性、动态特性、负载效应和抗干扰特性，实际测试系统的特性是统一的，各种特性之间是相互关联的。通过对测温螺钉6中集成的薄膜热电偶7特性的研究，从而得到测温螺钉6的温度测量特性。

薄膜热电偶7标定参数的合格范围是：塞贝克系数为40~67.4μV/℃，线性误差不大于0.32%，响应时间为0.042~0.2ms；

5、测量：完成以上步骤后，启动柴油机，柴油机活塞9待测点处各个工况下的温度情况经过薄膜热电偶7测量，将测量信号传送到数据采集放大发射装置1并通过无线传输将信号传送至计算机4中对数据进行分析处理。

以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims

1.一种柴油机活塞瞬态温度测量系统的测量方法，所述的测量系统包括数据采集放大发射装置（1）、信号接收装置（3）、计算机（4）、测温螺钉（6）和补偿导线（5），所述测温螺钉（6）通过补偿导线（5）与数据采集放大发射装置（1）连接，所述数据采集放大发射装置（1）通过无线传输信号（2）与信号接收装置（3）连接，所述信号接收装置（3）通过数据线与计算机（4）连接；所述测温螺钉（6）上端面有薄膜热电偶（7）；

其特征在于：所述的测量方法包括以下步骤：

A、制作掩膜及掩膜夹具

选取两块长宽尺寸相同、厚度不同的矩形板；先在薄矩形板（10）平面上加工多处形状为“Z”的通孔，即将薄矩形板（10）加工成掩膜，再在厚矩形板（11）上与掩膜的“Z”形通孔对应处加工M5螺纹通孔；用螺栓将掩膜和厚矩形板（11）连接固定，构成掩膜夹具；

所述薄矩形板（10）的厚度是0.1～0.5mm，所述厚矩形板（11）的厚度是5～8mm，所述厚矩形板（11）和薄矩形板（10）的材料均为不锈钢；

B、制作测温螺钉（6）

选择M5×5的紧定螺钉，在紧定螺钉上端面以圆心为基准建立直角坐标系，坐标单位为mm，在坐标为（-1.5，1）和（1.5，1）处各开1个尺寸为φ1mm的引线孔（8），并将紧定螺钉无槽的一端打磨抛光；将紧定螺钉旋入掩膜夹具的M5螺纹通孔中，使紧定螺钉的抛光端面接触到掩膜，采用磁控溅射方式将薄膜热电偶（7）经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上；将掩膜翻转重新固定，再次采用磁控溅射方式将薄膜热电偶（7）经掩膜的“Z”形通孔溅射到紧定螺钉的抛光端面上，即在紧定螺钉的抛光端面溅射出“∏”形状的薄膜热电偶（7），溅射有薄膜热电偶（7）的紧定螺钉即为测温螺钉（6）；

C、标定薄膜热电偶（7）参数

对薄膜热电偶（7）的参数进行标定，薄膜热电偶（7）标定参数的合格范围是：塞贝克系数为40～67.4μV/℃，线性误差不大于0.32%，响应时间为0.042～0.2ms；

D、安装

采用热压结合法将补偿导线（5）的一端与薄膜热电偶（7）的热电极连接，在活塞（9）内壁温度待测点处尽量靠近活塞（9）表面打一个螺纹孔，将测温螺钉（6）安装在螺纹孔内；将补偿导线（5）的另一端与数据采集放大发射装置（1）连接，将信号接收装置（3）通过数据线与计算机（4）连接；

E、测量

完成以上步骤后，启动柴油机，活塞（9）待测点处各个工况下的温度情况经过薄膜热电偶（7）测量，将测量信号传送到数据采集放大发射装置（1）并通过无线传输将信号传送至计算机（4）中对数据进行分析处理。