CN103487157B - 用于金属模具内精细多点测温的传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，包括：传感器母块，所述传感器母块上设有多个间隔开布置的测温孔；多个热电偶，多个所述热电偶分别设在多个所述测温孔内以检测所述传感器母块不同位置的温度；以及多通道采集仪，所述多通道采集仪与所述热电偶相连以记录所述热电偶检测的温度。根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，通过在传感器母块上设置多个测温孔用于安装热电偶，与铸型钻孔安装热电偶的方式相比，该方法能够减少钻孔所带来的温度场的变化，并能准确定位测温点的位置，且保证热电偶能够与测温孔接触良好，使测量的准确性提高且操作过程较为简便。

Description

用于金属模具内精细多点测温的传感器组件

技术领域

本发明属于材料热加工过程参数检测及控制领域，主要用于高压铸造、挤压铸造以及重力铸造等工艺过程中模具内多点精确快速的温度测量，特别涉及快速凝固过程中模具型腔表面温度的确定以及换热系数求解方法和装置，更具体地，涉及一种用于金属模具内精细多点测温的传感器组件。

背景技术

金属材料热加工过程是一个复杂的物理、化学过程，尤其是模具与工件间中常常伴随着温度、压力、速度等多种物理参数的变化。准确地检测和控制这些物理参数的变化，以保证产品质量的稳定，是材料加工过程的主要目的之一。而作为采用金属模具的高压铸造、挤压铸造以及重力铸造等热加工工艺过程，温度的检测和控制显得极为重要。

温度测量的主要目的之一是理解铸件凝固过程中界面传热机制，获取准确的界面换热系数，建立有效的边界条件，实现更为精确的模拟仿真，来预测铸件可能存在的各种缺陷，制定有效的工艺生产方案，提升铸件的质量和性能。

作为温度测量和调节的常用检测元件,铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、反应时间快和坚固耐用等许多特殊优点；接壳式的反应灵敏、时间常数短；绝缘式反应较慢,屏蔽性较好，宜用于对安全性，工作稳定性要求较高的场合。用户可根据实际的需要进行选用合适的热电偶。

用于金属模具的铸造工艺中温度测量，尤其是快速凝固的高压压铸，热电偶必须具有很快的响应速度，从而获取快速凝固过程中温度的剧烈变化；温度采样频率要高，从而更为精确获取凝固乃至充型过程中的快速温度变化；温度测温点要尽可能离铸件-铸型界面要近，以便满足实际求解换热系数要求，这也对机械加工精度提出更好要求。

经过文献调研发现，早期的研究均采用铸型钻孔方式安装热电偶来测量铸型内部不同位置的温度。但存在很多困难和不确定性：如在压铸模具铸型内部钻孔一般为盲孔，很难保证距离铸型表面的准确位置；在孔中放置安装热电偶，不能保证其紧密贴合；放置热电偶必然会带来局部温度场变化，为减少钻孔带来的温度场变化，盲孔一般小而深，将测温端焊接到盲孔内测温端面上不切实际。

考虑到压铸模具表面需要反复受到高速高压高温的金属液冲击，其模具表面温度通常无法通过常规方法测量获得。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种测量准确且操作简便的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件。

根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，包括：传感器母块，所述传感器母块上设有多个间隔开布置的测温孔；多个热电偶，多个所述热电偶分别设在多个所述测温孔内以检测所述传感器母块不同位置的温度；以及多通道采集仪，所述多通道采集仪与所述热电偶相连以记录所述热电偶检测的温度。

根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，通过在传感器母块上设置多个测温孔用于安装热电偶，与铸型钻孔安装热电偶的方式相比，该方法能够减少钻孔所带来的温度场的变化，并能准确定位测温点的位置，且保证热电偶能够与测温孔接触良好，使温度测量的准确性有所提高；同时，在将该传感器组件进行测温操作时只需将含有热电偶的传感器母块安装在金属模具内，通过读取与热电偶相连的多通道采集仪上的数据即可得到测试温度，操作过程较为简便。

另外，根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述传感器母块上设有安装槽，每个所述测温孔分别与所述安装槽导通，所述热电偶安装在所述安装槽内且每个所述热电偶的测温端面伸入所述测温孔内。

根据本发明的一个实施例，至少一个所述测温孔与所述安装槽之间的导通处设有钎料槽，所述钎料槽内设有钎焊料层，所述热电偶穿过所述钎焊料层伸入所述测温孔内。

根据本发明的一个实施例，所述钎焊料为BNi7钎焊料。

根据本发明的一个实施例，所述热电偶的测温端面抵接所述测温孔的内端面。

根据本发明的一个实施例，所述传感器母块的同一深度上设有至少两个所述测温孔。

根据本发明的一个实施例，所述安装槽内设有用于密封所述安装槽的保护盖。

根据本发明的一个实施例，所述用于金属模具内精细多点测温的传感器组件还包括：连接头，每个所述热电偶的连接段与所述连接头相连；补偿导线，所述补偿导线的一端与所述多通道采集仪相连，所述补偿导线的另一端与所述连接头相连。

根据本发明的一个实施例，所述传感器母块为H13热作模具钢。

根据本发明的一个实施例，所述热电偶为选自裸露热电偶、露头式铠装热电偶、绝缘式铠装热电偶和接壳式铠装热电偶中的一种或多种。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件的真空钎焊工艺图；

图3是根据本发明另一个实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件的结构示意图；

图4是根据图3中A-A线的剖面图；

图5是根据图3中a的局部放大结构示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件的应用示意图；

图7是根据图6中B-B线的剖面图；

图8是根据图6中C-C线的剖面图。

附图标记：

100：传感器组件；1：传感器母块；2：测温孔；3：钎焊料层；4：钎料槽；5：保护盖；6：热电偶；7：连接头；8：补偿导线；9：多通道采集仪；10：裸露热电偶；11：露头式铠装热电偶；12：绝缘式铠装热电偶；13：接壳式铠装热电偶；14：安装槽；15:金属模具；16:O型密封圈；17:固定压板；18:沉头螺栓；19:固定套筒；20:密封套筒。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图详细描述根据本发明实施例的用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100。

如图1至图6所示，根据本发明实施例的用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100包括传感器母块1、多个热电偶6以及多通道采集仪9，传感器母块1上设有多个间隔开布置的测温孔2，多个热电偶6分别设在多个测温孔2内以检测传感器母块1不同位置的温度，多通道采集仪9与热电偶6相连以记录热电偶6检测的温度。

根据本发明实施例的用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100，通过在传感器母块1上设置多个测温孔2用于安装热电偶6，与铸型钻孔安装热电偶6的方式相比，该方法能够减少钻孔所带来的温度场的变化，并能准确定位测温点的位置，且保证热电偶6能够与测温孔2接触良好，使温度测量的准确性有所提高；同时，在将该传感器组件100进行测温操作时只需将含有热电偶6的传感器母块1安装在金属模具15内，通过读取与热电偶6相连的多通道采集仪9上的数据即可得到测试温度，操作过程较为简便。

需要说明的是，由于热电偶6位于传感器母块1内部，因此，传感器组件100的实际测试温度点并非金属模具15型腔的表面，金属模具15型腔表面的温度可以通过热传导反算进行求解获取。

具体而言，反算求解的基本思想为：假设在一定的时间间隔内，模具型腔表面热流值为一常数或在该段时间内呈线性变化（通常情况下，均假设界面热流值为一常数，以下均按界面热流值为常数处理），并任意给定一初始值，即模具温度场，得到在该段时间内所有位置和所有时刻的计算温度值，并通过使该段时间内所有实测温度与计算温度的差值平方和达到最小，来求得该段时间内的实测热流值，从而获取模具的表面温度。

计算公式为： $F\left(q\right)=\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_2{N}_3}{\mathrm{\Σ}}}{(T_{\mathrm{ij}}-Y_{\mathrm{ij}})}^2.$

其中，N₁为除边界条件的实测温度点以外的所有测温温度点的总序数，N₂为每一时间段内的测温次数，N₃为在计算热流的时间段内所考虑的未来时间段数r加1，即N₃=r+1，T_ij和Y_ij分别为在i位置和j时刻的计算温度和实测温度。即通过测量金属模具15内多个不同点的温度，即可反算求得金属模具15型腔表面的温度。

为了使实测温度更准确，测温孔2的截面尺寸要尽量小，以减少局部温度场的变化，可以恰好容纳热电偶6为宜。另外，为了满足不同的采集要求，可以选择不同类型的多通道采集仪9，例如，在本发明的一个实施例中，选用多通道高速采集仪与热电偶6相连来进行温度采集，使传感器组件100具有较高的温度采样频率，测温更迅速。对于多通道采集仪9的通道数和热电偶6的数量不做限制，可以根据实际的测试情况进行选择，可以理解的是，热电偶6的数量应与多通道采集仪9的通道数相同。

对于热电偶6的种类不做特殊限制，可选地，根据本发明的一个实施例，热电偶6可为选自裸露热电偶10、露头式铠装热电偶11、绝缘式铠装热电偶12和接壳式铠装热电偶13中的一种或多种。即在同一个传感器组件100上可以选用相同的热电偶6，也可以选用多个不同的热电偶6进行测试，可以根据实际测试工况进行相应的调整。

例如，在测试快速凝固过程中模具型腔表面的温度变化时，要求热电偶6必须具有很快的响应速度，从而获取快速凝固过程中温度的剧烈变化。考虑到接壳式热电偶挠性好且具备较快的响应时间，因此，可以选用接壳式热电偶进行温度测试，如图5-图7所示。由于接壳式热电偶外径越细，响应时间越快，也越容易损坏，因此，经过综合考虑可选取偶丝直径为0.048mm，铠装外径为0.5mm的接壳式K型热电偶，其测温范围为0-1200℃，可以满足快速凝固过程中模具型腔表面温度变化的测试要求。

此外，选取的传感器母块1要满足实际模具服役条件的要求，可以选择与实际模具相同的材料作为传感器母块1。可选地，根据本发明的一个实施例，传感器母块1可为H13热作模具钢。H13热作模具钢具有良好的淬透性、热导性、高温强度和冷热疲劳强度，用其制备的传感器组件100，性能稳定，使用寿命长，测试准确性较高。

对于传感器母块1上热电偶6的安装方式不做特殊限制，可选地，根据本发明的一个实施例，传感器母块1上设有安装槽14，每个测温孔2分别与安装槽14导通，热电偶6安装在安装槽14内且每个热电偶6的测温端面伸入测温孔2内。由此，每个热电偶6的测温端面即位于测温孔2内，而热电偶6的另一端则位于安装槽14内，安装槽14可起到容纳和固定热电偶6的作用，使热电偶6在传感器母块1中的部分更大，安装更为稳固和准确。

可以理解的是，热电偶6的测温端面在测温孔2内的位置不同时，测试的温度会有所不同，而当热电偶6测试的是测温孔2的内端面的温度时，由此反求出的模具型腔表面的温度会更为准确，因此，在本发明的一个实施例中，热电偶6的测温端面抵接测温孔2的内端面。由此，热电偶6的测温端面既能够与测温孔2的内端面相抵接，从而使通过测试温度反求出的模具型腔表面的温度更为准确，同时，抵接的安装方式也使热电偶6的安装更为准确，避免了分离安装时热电偶6的测温端面与测温孔2内端面之间距离的不准确性和不确定性。

为了使热电偶6在传感器母块1上的安装更为牢固，可选地，在发明的一个实施例中，至少一个测温孔2与安装槽14之间的导通处设有钎料槽4，钎料槽4内设有钎焊料层3，热电偶6穿过钎焊料层3伸入测温孔2内。由此，钎焊料层3能够将热电偶6的中部稳固的固定在传感器母块1上，防止其发生移动。可以理解的是，钎料槽4位于安装槽14与测温孔2之间，并分别连通安装槽14和测温孔2，由此，位于钎料槽4中的钎焊料层3也可进入到测温孔2中，从而将测温孔2中的热电偶6同时固定住，使测量位置稳定不变。

具体地，可以根据热电偶6材质与传感器母块1材质的钎焊润湿性来选取钎焊料。可选地，根据本发明的一个实施例，钎焊料为BNi7钎焊料。BNi7钎焊料熔化温度较低、流动性极好，焊接效果较好。

根据本发明的一个实施例，传感器母块1的同一深度上设有至少两个测温孔2。也就是说，传感器母块1的同一深度处有两个热电偶6，由此，使得传感器组件100测试的温度更为准确。以要求最为苛刻的高压压铸工艺为例，由于测温单元的安装要尽可能的不改变原有模具的结构，因此为了获取高速高压过程中模具型腔内部温度的快速变化，可在同一深度设置两根热电偶6保证测温的准确性。

另外，考虑到金属模具15表面需要反复受到高速高压高温的金属液冲击，其模具表面温度无法通过常规方法测量获得，故可以采取测量不同深度的温度，通过热传导反算进行求解获取。即可通过将多个热电偶6设置在传感器组件100的不同深度上，以测试不同深度上的温度情况。

也就是说，热电偶6在设置时，可以在不同的深度上设置热电偶6，以满足反算求解的要求；同时，可以在同一深度处设置两个以上的热电偶6，以提高温度测量的准确性。

根据本发明的一个实施例，安装槽14内设有用于密封安装槽14的保护盖5。保护盖5能够起到保护和固定热电偶6的作用。

在本发明的一个具体实施例中，用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100还包括连接头7和补偿导线8，每个热电偶6的连接段与连接头7相连，补偿导线8的一端与多通道采集仪9相连，补偿导线8的另一端与连接头7相连。连接头7起到连接热电偶6和补偿导线8的作用，补偿导线8则可以起到延长热电偶6的作用。此处，热电偶6的连接段指的是热电偶6上的远离测温端面的一端。

进一步地，为了使本发明实施例的用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100更为详细具体，下面对其制备方法进行描述。可以理解的是，以下方法仅作为示例进行描述，实际操作过程并不限于此。

具体地，可分为以下步骤：a）预装配。将测温传感器母块1及热电偶6进行超声清洗、吹干处理。由于连接头7及补偿导线8不能进行高温处理，因此只将多根热电偶6竖直放置测温传感器母块1的深度不同的测温孔2中，其测温端面与测温孔2的内端面接触。b）钎焊。将BNi7钎焊料涂覆在测温传感器母块1的钎料槽4中，将预装配的传感器母块1放置在真空钎焊炉中，按照如图2所示的加热曲线在950℃下保温15分钟，进行真空钎焊。c）封装。将经过真空钎焊固定在测温传感器母块1中的热电偶6与补偿导线8封装到连接头7中，在补偿导线8的另一端连接多通道采集仪9，传感器组件100即可装配完成。

此外，在实际的使用当中，可以根据实际的工况增设其他部件。例如，如图6-8所示，在本发明的另一个实施例中，为了稳固紧密的将传感器组件100安装到金属模具15上，还增加了O型密封圈16、固定压板17、沉头螺栓18、固定套筒19和密封套筒20。根据本发明实施例的用于金属模具15内精细多点测温的传感器组件100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。但需要说明的是，传感器组件100的结构并不仅限于此，可以根据实际的模具工况和测温的要求进行灵活设置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，包括：

传感器母块，所述传感器母块内设有多个间隔开布置的测温孔；

多个热电偶，多个所述热电偶分别设在多个所述测温孔内以检测所述传感器母块不同位置的温度；以及

多通道采集仪，所述多通道采集仪与所述热电偶相连以记录所述热电偶检测的温度，所述传感器母块上设有安装槽，每个所述测温孔分别与所述安装槽导通，所述热电偶安装在所述安装槽内且每个所述热电偶的测温端面伸入所述测温孔内，至少一个所述测温孔与所述安装槽之间的导通处设有钎料槽，所述钎料槽内设有钎焊料层，所述热电偶穿过所述钎焊料层伸入所述测温孔内。

2.根据权利要求1所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述钎焊料层中的钎焊料为BNi7钎焊料。

3.根据权利要求1所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述热电偶的测温端面抵接所述测温孔的内端面。

4.根据权利要求1所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述传感器母块的同一深度上设有至少两个所述测温孔。

5.根据权利要求1所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述安装槽内设有用于密封所述安装槽的保护盖。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，还包括：

连接头，每个所述热电偶的连接段与所述连接头相连；

补偿导线，所述补偿导线的一端与所述多通道采集仪相连，所述补偿导线的另一端与所述连接头相连。

7.根据权利要求6所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述传感器母块为H13热作模具钢。

8.根据权利要求6所述的用于金属模具内精细多点测温的传感器组件，其特征在于，所述热电偶为选自裸露热电偶、露头式铠装热电偶、绝缘式铠装热电偶和接壳式铠装热电偶中的一种或多种。