CN102944320A - 基于复合材料的无冷却式高温传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高温测量用的温度传感器，涉及一种适用于2100K以下高温气流温度测量的基于复合材料的无冷却式高温传感器，属于温度测试领域。包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头。外壳(全部或部分)采用C/SiC复合材料，首先用C纤维编织出所需形状的骨架，然后在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成，之后，在烧结炉中对外壳进行烧结，烧结温度为1770K～1870K。对于壁厚在2mm以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。本发明减小了测温误差，增加了外壳材料的连续性，所以温度传感器的使用性能与寿命均得到提高。

Description

基于复合材料的无冷却式高温传感器
技术领域
本发明属于高温测量用的温度传感器，涉及一种适用于2100K以下高温气流温度测量的基于复合材料的无冷却式高温传感器，属于温度测试领域。
背景技术
目前，在工业各领域，经常会遇到高温(一般指1300K以上)测量的问题。测量高温气流温度所用的传感器，一般采用水冷式或气冷式，所能测量的最高温度为2000K。由于外壳进行冷却保护，根部温度低，所以温度传感器的测量误差很大，而目前在航空领域少量使用的无冷却式高温传感器，由于外壳多采用SiC或Al2O3陶瓷，材质脆，抗热冲击性能差，容易碎裂，影响了其使用性能与寿命。此外，今后所涉及的测量温度将越来越高，有些被测气流温度目前已达到2100K，缺乏有效的准确的测温手段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中高温传感器测量误差大、且外壳容易碎裂的问题，提出了一种基于复合材料的无冷却式高温传感器。
本发明的目的是通过下述技术解决方案实现的：
本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头。
外壳为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝的裸露部分和进气；热电偶丝穿入绝缘瓷管后，装入外壳，由于热电偶丝与绝缘瓷管长于外壳，装入后仍有一部分露在外壳之外，在绝缘瓷管和外壳之间填充用于固定和密封的高温水泥，高温水泥的填充深度不小于5mm；安装法兰外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳的大、小外径相匹配，装好热电偶丝和绝缘瓷管的外壳穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳与安装法兰之间的定位；堵头为中空的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头与安装法兰之间用螺纹连接，在堵头与安装法兰旋紧的过程中，逐渐将外壳压紧，从而使外壳和法兰固定在一起，同时堵头将热电偶丝和绝缘瓷管的露出外壳部分包覆其中。
高温传感器的外壳(全部或部分)采用C/SiC复合材料，首先用C纤维编织出所需形状的骨架，然后在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成，之后，在烧结炉中对外壳进行烧结，烧结温度为1770K～1870K。对于壁厚在2mm以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。
高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。裸露式结构即热电偶丝头部直接暴露在被测环境中；单屏蔽式结构即将热电偶丝头部封闭在保护外壳内，在靠近保护外壳盲端的侧面设计有进气孔，用于进气，而在稍远离外壳盲端的侧面设计有用于出气的出气孔；半屏蔽式结构介于裸露式和单屏蔽式结构之间，热电偶丝有一半裸露，一半屏蔽。当要求测量整个温度场时，设计成多测点的型式，否则，可设计成单测点的型式；当要求传感器的响应时间在毫秒量级时，头部采用裸露式结构，否则，应采用单屏蔽式或半屏蔽式结构。对于单屏蔽式结构的高温传感器，进气孔和出气孔的面积之比为1～6，孔加工所采用的钻头为金刚石钻头。高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。当要求测量整个温度场时，设计成多测点的型式，否则，可设计成单测点的型式；当要求传感器的响应时间在毫秒量级时，头部采用裸露式结构，否则，应采用单屏蔽式或半屏蔽式结构。对于单屏蔽式结构的高温传感器，进气孔和出气孔的面积之比为1～6，孔加工所采用的钻头为金刚石钻头。
绝缘瓷管的材料按以下方法选取：当被测温度在1900K以下时，选用Al2O3、MgO或BeO，当被测温度在1900K～2100K之间时，采用MgO或BeO。
当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用铂铑30-铂铑6、铂铑40-铂铑20或其它铂铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K～2100K之间时，偶丝材料选用铂铑40-铂铑20或铱铑系贵金属偶丝。
堵头与安装法兰采用高温合金或不锈钢材料。
热电偶偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。对于单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管的顶端相切。
有益效果
1、本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，由于采用了无冷却式复合材料外壳，较之水冷式和气冷式结构，外壳根部温度高，因而在测温时传感器的导热误差小，所以总的测温误差也小。
2、本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，由于外壳采用了纤维增韧的复合材料，增加了外壳材料的连续性，所以温度传感器的使用性能与寿命均得到提高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是外壳的结构示意图；
图3是安装法兰的结构示意图；
图4是裸露式高温传感器的头部结构示意图；
图5是单屏蔽式高温传感器的头部结构示意图；
图6是半屏蔽式高温传感器的头部结构示意图。
其中，1-热电偶丝、2-绝缘瓷管、3-外壳、4-安装法兰、5-堵头。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例1
基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝1、绝缘瓷管2、外壳3、安装法兰4与堵头5；所述外壳3采用C/SiC复合材料，外壳3的制备方法如下：
步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架；
步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳3基本结构的生成；
步骤三、在烧结炉中对步骤二所的的外壳3基本结构进行烧结在烧结炉中对步骤二所述的外壳3基本结构进行烧结，烧结温度为1850K。
高温传感器的连接关系为：外壳3为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳3侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝1的裸露部分和进气；热电偶丝1穿入绝缘瓷管2后，装入外壳3，由于热电偶丝1与绝缘瓷管2长于外壳3，装入后仍有一部分露在外壳3之外，在绝缘瓷管2和外壳3之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5mm；安装法兰4外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳3的大、小外径相匹配，装好热电偶丝1和绝缘瓷管2的外壳3穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳3与安装法兰4之间的定位；堵头5为中空的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头5与安装法兰4之间用螺纹连接，在堵头5与安装法兰4旋紧的过程中，逐渐将外壳3压紧，从而使外壳3和法兰固定在一起，同时堵头5将热电偶丝1和绝缘瓷管2的露出外壳3部分包覆其中。
高温传感器采用外壳3无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。
绝缘瓷管2的材料按以下方法选取：当被测温度在1900K以下时，选用Al2O3、MgO或BeO，当被测温度在1900K～2100K之间时，采用MgO或BeO。
的偶丝材料按以下方法选取：当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用铂铑30-铂铑6、铂铑40-铂铑20或其它铂铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K～2100K之间时，偶丝材料选用铂铑40-铂铑20或铱铑系贵金属偶丝。
堵头5与安装法兰4采用高温合金或不锈钢材料。
所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管2的顶端相切。
实施例2
基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝1、绝缘瓷管2、外壳3、安装法兰4与堵头5；所述外壳3采用C/SiC复合材料，外壳3的制备方法如下：
步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架；
步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳3基本结构的生成；
步骤三、在烧结炉中对步骤二所的的外壳3基本结构进行烧结，烧结温度为1800K。对于壁厚在2mm以下的薄壁空心外壳3，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。
高温传感器的连接关系为：外壳3为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳3侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝1的裸露部分和进气；热电偶丝1穿入绝缘瓷管2后，装入外壳3，由于热电偶丝1与绝缘瓷管2长于外壳3，装入后仍有一部分露在外壳3之外，在绝缘瓷管2和外壳3之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5mm；安装法兰4外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳3的大、小外径相匹配，装好热电偶丝1和绝缘瓷管2的外壳3穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳3与安装法兰4之间的定位；堵头5为中空的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头5与安装法兰4之间用螺纹连接，在堵头5与安装法兰4旋紧的过程中，逐渐将外壳3压紧，从而使外壳3和法兰固定在一起，同时堵头5将热电偶丝1和绝缘瓷管2的露出外壳3部分包覆其中。
高温传感器采用外壳3无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。
绝缘瓷管2的材料按以下方法选取：当被测温度在1900K以下时，选用Al2O3、MgO或BeO，当被测温度在1900K～2100K之间时，采用MgO或BeO。
的偶丝材料按以下方法选取：当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用铂铑30-铂铑6、铂铑40-铂铑20或其它铂铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K～2100K之间时，偶丝材料选用铂铑40-铂铑20或铱铑系贵金属偶丝。
堵头5与安装法兰4采用高温合金或不锈钢材料。
所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管2的顶端相切。

Claims (9)

1.基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头；其特征在于：所述外壳采用C/SiC复合材料，外壳的制备方法如下，
步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架；
步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成；
步骤三、在烧结炉中对步骤二所述的外壳基本结构进行烧结，烧结温度为1770K～1870K。
2.如权利要求1所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：对于壁厚在2mm以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。
3.如权利要求1或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：外壳为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝的裸露部分和进气；热电偶丝穿入绝缘瓷管后，装入外壳，由于热电偶丝与绝缘瓷管长于外壳，装入后仍有一部分露在外壳之外，在绝缘瓷管和外壳之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5mm；安装法兰外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳的大、小外径相匹配，装好热电偶丝和绝缘瓷管的外壳穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳与安装法兰之间的定位；堵头为中空的圆柱体，外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头与安装法兰之间用螺纹连接，在堵头与安装法兰旋紧的过程中，逐渐将外壳压紧，从而使外壳和法兰固定在一起，同时堵头将热电偶丝和绝缘瓷管的露出外壳部分包覆其中。
4.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。
5.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：堵头与安装法兰采用高温合金或不锈钢材料。
6.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。
7.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管的顶端相切。
8.如权利要求1或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：所述绝缘瓷管的材料按以下方法选取：当被测温度在1900K以下时，选用Al2O3、MgO或BeO，当被测温度在1900K～2100K之间时，采用MgO或BeO。
9.如权利要求1或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于：所述的偶丝材料按以下方法选取：当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用铂铑30-铂铑6、铂铑40-铂铑20或其它铂铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K～2100K之间时，偶丝材料选用铂铑40-铂铑20或铱铑系贵金属偶丝。
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