CN109443681B - 一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，包括外用接头、内密封结构、外密封结构和冷却单元，外用接头包括圆台段和与圆台段大端连接的圆柱段，外用接头的中心有包括两个以上台阶的台阶孔；外密封结构包括密封胶圈A和半球形密封头，密封胶圈A设置在外部环形槽内，半球形密封头设置在圆台段的小端，半球形密封头轴向设置通孔，用于安装检测元件；内密封结构包括密封胶圈B和密封垫片从前往后依次设置在台阶孔内；所述检测元件的一端依次穿过密封胶圈B和密封垫片后与外用接头的中心通孔连接；冷却单元用于对所述外用接头进行冷却，包括设置在所述外用接头内部的冷却通道和填充在所述冷却通道内的冷却介质。

Description

一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头

技术领域

本发明涉及测试接头领域，具体涉及一种适用于超高速碰撞相关领域的测试接头。

背景技术

在空气动力学、超高速碰撞、航空发动机、火箭推进器和燃烧等领域，在高真空条件下向反应气室充入氢和氧，利用氢氧爆轰驱动弹丸等进行高速碰撞的物体，研究其燃烧或爆轰反应瞬时产生的高温高压气体的特性及驱动性能，对空气动力学、超高速碰撞、航空发动机、火箭推进器和燃烧等领域的发展具有重要意义。

研究超高速碰撞基于上述原理主要有以下几种应用：轻气炮、电热化学炮、电热化学轻气发射技术和激波管等。其中，轻气炮是超高速碰撞实验技术领域中重要的手段。电热化学炮采用等离子体点火技术,大幅度提高火炮性能。电热化学轻气发射技术吸收了电热化学炮和轻气炮的优点，是一种新概念的高初速发射弹技术。激波管已经发展成为一种用途广泛的科学实验装置，被用于开展各种目的的科学实验。

以上应用领域，在提升弹速的同时也对反应气室的材料提出了更高的要求，其必须能承受气体爆轰瞬间的峰值压力。在工作过程中，反应气室内的膛压为高瞬态宽谱压力，爆轰发生时其反应室瞬时温度>2000℃，压力>300Mpa，真空压力值<100pa，高压下的气室密封不当极易造成漏气甚至膛炸等问题，进而影响实验结果的准确性及实验过程的安全性。同时，在发生反应的高压容器壁面上，布置点火和测试多用接口是需要解决的关键技术之一，测试过程中也要保证检测元件的安全性及稳定性，因此在高温高压的条件下膛压及爆轰波的状态测量成为测量技术中最重要的也是难度最大的关键技术，研制这种测试接头具有重大意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，适用于温度>2000℃，压力>300Mpa和真空压力值<100pa的条件，能够满足高真空条件和高温高压环境的要求。

所述适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，包括：外用接头、内密封结构、外密封结构和冷却单元，所述外用接头包括圆台段和与圆台段大端连接的圆柱段，记所述外用接头圆台段小端为前端，所述外用接头的另一端为尾端；所述外用接头的中心通孔为台阶孔，所述台阶孔包括两个以上台阶；

所述外密封结构包括密封胶圈A和半球形密封头，所述密封胶圈A设置在所述圆柱段和圆台段对接处的外部环形槽内，所述半球形密封头设置在所述圆台段的小端，所述半球形密封头轴向设置通孔，用于安装检测元件，所述检测元件的一端与所述外用接头的中心通孔连接，另一端伸出所述半球形密封头；

所述内密封结构包括密封垫片和密封胶圈B，所述密封垫片和所述密封胶圈B从前往后依次设置在台阶孔内；所述检测元件的一端依次穿过密封胶圈B和密封垫片与所述外用接头的中心通孔连接；所述密封垫片和密封胶圈B分别抵触在所述外用接头中心通孔的两个台阶处；

所述冷却单元用于对所述外用接头进行冷却，包括设置在所述外用接头内部的冷却通道和填充在所述冷却通道内的冷却介质。

作为本发明的一种优选，所述冷却单元还包括：温控系统和循环介质；所述冷却通道包括在所述外用接头圆台段小端端面设置的环形盲孔以及在所述环形盲孔的环形内底面沿其周向设置的三个通孔；所述环形盲孔位于所述外用接头内部其中心通孔的外圈，所述环形盲孔通过所述外用接头的圆台段小端端面的凹槽与所述外用接头中心通孔贯通；所述冷却介质充满外用接头内部的冷却通道；所述冷却介质为氮气；

所述温控系统包括热电偶、温控装置、出气口A、进气口A、加热棒、液氮箱、进气口B、出气口B，所述热电偶、所述出气口A和所述进气口A分别从所述外用接头的尾端安装在所述环形盲孔内底面的三个通孔内，所述热电偶与所述温控装置连接后再与所述加热棒连接，所述热电偶用于监测所述冷却介质的温度并反馈给所述温控装置，所述加热棒、所述进气口B和所述出气口B分别设置在所述液氮箱内，所述出气口A和所述进气口B相连，所述进气口A和所述出气口B相连；所述液氮箱内充满所述循环介质；当所述热电偶监测的温度高于所述温控装置设定温度时，所述温控装置控制所述加热棒加热液氮箱内液氮形成氮气，使其从所述出气口B出去并从所述进气口A进入所述外用接头的内部。

作为本发明的一种优选，所述半球形密封头和密封垫片选用紫铜或银或金或铝或钒。

作为本发明的一种优选，所述台阶孔包括从前往后五个变径的通孔，第一个通孔直径最大且小于所述外用接头的圆柱段的直径，第二个通孔、第三个通孔和第四个通孔的直径分别小于前一个通孔的直径，第五个通孔的直径大于前一个通孔的直径，用于在第一个通孔和第二个通孔之间、第二个通孔和第三个通孔之间、第三个通孔和第四个通孔之间以及第四个通孔和第五个通孔之间分别形成台阶A、台阶B、台阶C和台阶D，所述台阶A用于对所述检测元件进行轴向定位，所述台阶B和台阶C分别用于对所述密封胶圈B和密封垫片进行轴向定位，所述台阶D用于对所述半球形密封头进行轴向定位。

作为本发明的一种优选，所述半球形密封头连接在所述第五个通孔中且与所述台阶D卡接，其直径大于所述第五个通孔的直径且小于圆台段小端直径；所述第二个通孔和所述第三个通孔末端分别设置所述密封胶圈B和所述密封垫片，所述密封胶圈B和所述密封垫片分别卡在所述台阶B和所述台阶C位置处。

作为本发明的一种优选，所述第二个通孔前端设置内螺纹，用于将所述检测元件与所述外用接头的内部固定连接。

有益效果：

(1)外用接头圆台段的锥形结构和与之相连的外密封结构以及外用接头内部的变直径的通孔及内密封结构的设计保证气密性外还方便接头的拆卸，保护气室不被磨损，可以满足高真空条件和高压等恶劣实验环境的要求；将外用接头与冷却单元相连，提高了冷却效率，使该测试接头可以用于高温、高湿、多尘等环境中，保证了测试接头在高温环境下的可靠性。

(2)根据不同需要，外用接头的台阶孔内部可进行多种检测元件的连接，变换多种形式，用于满足不同测量条件，目前主要开发功能有密封状态、探针状态、压力状态、光纤状态等。

(3)外用接头内部台阶孔的台阶用于限制半球形密封头、密封垫片和密封胶圈B的变形空间和检测元件的安装位置，可以更好的满足高真空条件和高温高压等环境。

(4)冷却气体进入外用接头后温度升高再回流到液氮箱中，将热量带走，且温控装置中的设定温度可根据要求自动调节进而实现冷却温度自动调节，长期使用可节约资源，是保证用户仪器设备正常工作的必备设备。

附图说明

图1为外用接头结构示意图。

图2为内密封结构和外密封结构多功能测试接头示意图。

图3为测量状态下测试接头结构示意图。

图4为液氮冷却单元示意图。

图5为外用接头中液氮循环方式示意图。

图6为多用接口分布的结构示意图。

其中，1-外用接头，2-密封胶圈A，3-半球形密封头，4-密封垫片，5-密封胶圈B，6-热电偶，7-出气口A，8-进气口A，9-加热棒，10-出气口B，11-进气口B，12-循环介质，13-冷却介质，14-检测元件，15-多用接口

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，适用于温度>2000℃，压力>300Mpa和真空压力值<100pa的条件，能够满足高真空条件和高温高压环境的要求。

该测试接头包括外用接头1、外密封结构、内密封结构和冷却单元。

如图1所示为本实施例所使用的外用接头1，该外用接头1为一体成型结构，使用不锈钢材料，其熔点高、耐腐蚀，其外形为铆钉状，该外用接头1可分为三部分，外用接头1的一端为“钉帽”状，记为钉帽段，另一端为圆台状，记为圆台段，其中间部分为圆柱状并与圆台段大端等直径，记为圆柱段，圆柱段外壁面设置有用于与气室的多用接口15固定连接的外螺纹，记该外用接头1的钉帽段为前部，圆台段为尾部；该外用接头1的中心孔为台阶孔，从前部至尾部共有五个通孔相连，第一个通孔直径最大且小于外用接头1的圆柱段的直径，第二个通孔、第三个通孔和第四个通孔的直径分别小于前一个通孔的直径，第五个通孔的直径大于前一个通孔的直径，由此在第一个通孔和第二个通孔之间、第二个通孔和第三个通孔之间、第三个通孔和第四个通孔之间以及第四个通孔和第五个通孔之间分别形成台阶A、台阶B、台阶C和台阶D，台阶A用于抵住并固定检测元件14，台阶B和台阶C分别用于抵住密封胶圈B5和密封垫片4，台阶D用于抵住半球形密封头3的尾端。其中第二个通孔设有内螺纹。

如图2所示，外密封结构包括半球形密封头3和密封胶圈A2构成外密封结构，外密封结构用于实现外用接头1的外壁密封。在外用接头1的外壁的尾部设置有半球形密封头3，半球形密封头3使用延展性好，熔点高的材料，如紫铜，该半球形密封头3的直径大于外用接头1第五个通孔的直径且略小于圆台段小端直径，在外用接头1的外壁的圆柱段与圆台段的对接处沿周向开槽，环形槽内挤压塞入比槽的宽度略大的密封胶圈A2，配合外用接头1的圆台段的锥形结构，将该外用接头1插入气室的多用接口15时通过挤压变形起到良好的高温高压条件下的密封效果。

如图3所示，进行检测工作时，在半球形密封头3的轴向打通孔，将检测元件14(如压力传感器等)的一端从台阶孔穿入外用接头1内后与第二个通孔的内螺纹螺纹配合，实现与外用接头1的固定连接，检测元件14的另一端从半球形密封头3的通孔伸出。在测量过程中为了保证检测元件14与测试接头之间的气密性，外用接头1的第二个通孔和第三个通孔内分别设置密封胶圈B 5和具有中心孔的密封垫片4，其中密封胶圈B 5设置在第二个通孔的末端，密封垫片4设置在第三个通孔的末端，密封垫片4的材料同半球形密封头3，配合密封胶圈B5，插入检测元件14时密封胶圈B 5和密封垫片4共同构成内密封结构并通过膨胀及挤压变形达到内部密封效果；将设置内密封结构和外密封结构的外用接头1插入如图6所示的气室的多用接口15中，可用于保证在高真空条件下进行检测元件14的检测工作。

由于气室内瞬间产生高温高压气体，为了保证测试接头在高温环境下的可靠性，设计一套冷却单元对该测试接头进行冷却。如图4和图5所示，从外用接头1的尾端在其内部中心孔的外圈设置环形盲孔，该环形盲孔不打通至外用接头1的前端，以免外用接头1的中心孔掉落，在环形盲孔的环形内底面沿圆周方向分布三个等直径的通孔，该通孔的直径恰好等于环形盲孔的内外径之差，同时，将外用接头1的第五个通孔外边缘与环形盲孔打通，使得环形盲孔与外用接头1的中心孔连通。本实施例中的冷却单元采用循环冷却系统，包括温控系统、冷却介质13和循环介质12。其中，冷却介质13和循环介质12分别选用对环境无污染且安全易取得的氮气和液氮，冷却介质13充满外用接头1的中心孔和环形盲孔及二者连接部分；温控系统由热电偶6、温控装置、出气口A7、进气口A8、加热棒9、液氮箱、进气口B10、出气口B11组成，其中，热电偶6、出气口A7和进气口A8分别安装在外用接头1内部的三个等直径的通孔内，热电偶6与温控装置连接后再与加热棒9连接，热电偶6用于监测循环介质12的温度并反馈给所述温控装置，加热棒9、进气口B10和出气口B11分别设置在液氮箱内，出气口A7和进气口B10相连，进气口A8和出气口B11相连，液氮箱内充满循环介质12。当测试接头内部温度较高时，冷却介质13将多余的热量带走并通过出气口A7回流从进气口B10进入到液氮箱，并冷凝为液氮，用于降低测试接头内部的温度，当测试接头内部的温度超过设定值时，温控装置启动并控制加热棒9开始加热，液氮箱内的液氮汽化通过出气口B11和进气口A8进入外用接头1内部继续进行循环冷却作用，从而保证高温高压环境下检测元件14和外用接头1在高温下的良好使用。

如图6所示，针对驱动过程中气室的结构，本实施例中可根据具体测试要求进行测点布置，在气室长度一定时，采用等距对向布置测点的方式。气室壁对称设置了多个多用接口，每一侧设置一个以上多用接口，每个多用接口安装一个本发明中的测试接头，多用接口及测试接头个数可根据实际需要进行增减，测试接头的内部通孔直径可变，外壁直径大小不变，多用接口口径大小并不影响测试接头之间的相互替换。

具体地：

第一步，根据测量的具体参数要求，在测量点设置合理数量的测试接头，如图1所示，将所用测试接头以对称方式拧入气室，需要进行检测时，在外用接头1的台阶孔内连接检测元件14，检测元件14测量点不超过气室凹槽2mm，气室中充入定量的混合气体；

第二步，密封胶圈A2安装于外用接头1的圆柱段的外凹槽内，外用接头1的圆台段的尾端安装半球形密封头3；在第三个通孔末端安装密封垫片4，在第二个通孔末端安装密封胶圈B 5，将检测元件通过第二个通孔前端的内螺纹连接至外用接头1内部；

第三步，将探针或压力传感器等检测元件14连接到本发明中的测试接头中，在测量点安装好该测试接头，布置设置合理的连接电路，连接测量电路主要需要连接电荷放大器以接收信号，整流器过滤无效信号，示波器采集并输出信号：探针通过BNC接头连接高频同轴电缆并分别外接脉冲回流源形成网络，输出信号至数字存储示波器，传感器连接电荷放大器并通过电缆连接示波器；

第四步，连接冷却单元，外用接头1内部称为冷却介质，外部连接称为循环介质。外用接头1前端的3个等直径通孔分别设置连接热电偶6、出气口7A、进气口8A，热电偶6外接温控装置及加热棒9，并将加热棒9置于装有冷却介质的液氮箱中。冷却介质部分固定进气口10B、出气口11B放置于液氮箱液面以上，且进气口10B高于出气口11B。

第五步，全部连接完毕后，气室充入气体并检查是否漏气，如不漏气则可开始进行高温高压及高真空的试验。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述高真空的真空压力值<100pa，所述高温温度>2000℃，所述高压压力>300Mpa，所述测试接头包括：外用接头(1)、内密封结构、外密封结构和冷却单元，所述外用接头(1)包括圆台段和与圆台段大端连接的圆柱段，记所述外用接头(1)圆台段小端为前端，所述外用接头(1)的另一端为尾端；所述外用接头(1)的中心通孔为台阶孔，所述台阶孔包括两个以上台阶；

所述外密封结构包括密封胶圈A(2)和半球形密封头(3)，所述密封胶圈A(2)设置在所述圆柱段和圆台段对接处的外部环形槽内，所述半球形密封头(3)设置在所述圆台段的小端，所述半球形密封头(3)轴向设置通孔，用于安装检测元件(14)，所述检测元件(14)的一端与所述外用接头(1)的中心通孔连接，另一端伸出所述半球形密封头(3)；

所述内密封结构包括密封垫片(4)和密封胶圈B(5)，所述检测元件(14)的一端依次穿过密封垫片(4)和密封胶圈B(5)后与所述外用接头(1)的中心通孔连接；所述密封垫片(4)和密封胶圈B(5)分别抵触在所述外用接头(1)中心通孔的两个台阶处；

所述冷却单元用于对所述外用接头(1)进行冷却，包括设置在所述外用接头(1)内部的冷却通道和填充在所述冷却通道内的冷却介质(13)。

2.如权利要求1所述的适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述冷却单元还包括：温控系统和循环介质(12)；所述冷却通道包括在所述外用接头(1)圆台段小端端面设置的环形盲孔以及在所述环形盲孔的环形内底面沿其周向设置的三个通孔；所述环形盲孔位于所述外用接头(1)内部中心通孔的外圈，所述环形盲孔通过所述外用接头(1)的圆台段小端端面的凹槽与所述外用接头(1)中心通孔贯通；所述冷却介质(13)充满外用接头(1)内部的冷却通道；所述冷却介质(13)为氮气；

所述温控系统包括热电偶(6)、温控装置、出气口A(7)、进气口A(8)、加热棒(9)、液氮箱、进气口B(10)、出气口B(11)，所述热电偶(6)、所述出气口A(7)和所述进气口A(8)分别从所述外用接头(1)的尾端安装在所述环形盲孔内底面的三个通孔内，所述热电偶(6)与所述温控装置连接后再与所述加热棒(9)连接，所述热电偶(6)用于监测所述冷却介质(13)的温度并反馈给所述温控装置，所述加热棒(9)、所述进气口B(10)和所述出气口B(11)分别设置在所述液氮箱内，所述出气口A(7)和所述进气口B(10)相连，所述进气口A(8)和所述出气口B(11)相连；所述液氮箱内充满所述循环介质(12)；当所述热电偶(6)监测的温度高于所述温控装置设定温度时，所述温控装置控制所述加热棒(9)加热液氮箱内液氮形成氮气，使其从所述出气口B(11)出去并从所述进气口A(8)进入所述外用接头(1)的内部。

3.如权利要求1所述的适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述半球形密封头(3)和密封垫片(4)的材料选用紫铜或银或金或铝或钒。

4.如权利要求1或2所述的适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述台阶孔包括从前往后五个通孔，第一个通孔直径最大且小于所述外用接头(1)的圆柱段的直径，第二个通孔、第三个通孔和第四个通孔的直径分别小于前一个通孔的直径，第五个通孔的直径大于前一个通孔的直径，用于在第一个通孔和第二个通孔之间、第二个通孔和第三个通孔之间、第三个通孔和第四个通孔之间以及第四个通孔和第五个通孔之间分别形成台阶A、台阶B、台阶C和台阶D；

所述检测元件(14)依次穿过所述外用接头(1)的中心通孔和所述半球形密封头(3)的轴向通孔后伸出所述半球形密封头(3)，所述检测元件(14)在第二个通孔内与所述外用接头(1)连接，所述密封垫片(4)设置在台阶C处，所述密封胶圈B(5)设置在台阶B处，通过所述台阶A对所述检测元件(14)进行轴向定位，通过所述台阶C和台阶B分别对所述密封垫片(4)和密封胶圈B(5)进行轴向定位，通过所述台阶D对所述半球形密封头(3)进行轴向定位。

5.如权利要求4所述的适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述半球形密封头(3)的一端位于所述第五个通孔中且与所述台阶D卡接，其直径大于所述第五个通孔的直径且小于圆台段小端直径。

6.如权利要求4所述的适用于高真空和高温高压条件下的测试接头，其特征在于，所述第二个通孔前端设置内螺纹，用于将所述检测元件(14)与所述外用接头(1)的内部固定连接。

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