CN112697292A - 一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热电偶技术领域,提供一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶。C型热电偶偶丝与烧结绝缘体通过等静压炉在温度1800℃,等静压不低于5MPa条件下一体烧结,用于隔绝外部氧气,有效减缓偶丝的氧化;同时将C型热电偶偶丝的偶结点裸露在端面上,用于提升温度响应时间;且C型热电偶偶丝前端的高温感温面经过高精度抛光处理,在高温下具有更高的灵敏度;不锈钢外壳套装在烧结绝缘体的外侧且采用耐高温高强度钢制造,用于保护和固定烧结绝缘体2;C型热电偶插头4的一端与C型热电偶偶丝正负级焊接连接,另一端与C型热电偶插座连接,通过插座引出热电偶热电压信号;本发明具有温度响应快、制造成本较低、安装固定方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于热电偶技术领域,具体涉及一种快响应热电偶。
背景技术
在武器的研制和测试过程中,有许多实验场合需要测量瞬态温度变化,如爆炸与爆轰温度、枪炮膛内火药气体温度、火箭及导弹燃气体裁射流温度、温压弹爆炸瞬态温度等,这些瞬态温度的共同特点是温度高、变化快、强冲击动载,且多为不可重复一次性过程。因此,准确测量获得温度参数技术难度很高。在该项领域,国外知名的热电偶厂家如美国NANMAC公司,采用特殊工艺制造的自更新侵蚀热电偶,其最高测试温度可达2300℃,响应时间达到毫秒级,在爆炸场温度参数测量、航空发动机尾喷温度测量、弹药爆温测量等领域应用较为广泛在该领域内,在该领域具有较大的技术优势。但其造价高、采购周期长,且容易受其它因素(如国外禁运)影响。因此,急需开发一种响应快、抗冲击动载能力强的快响应热电偶,满足相关行业温度测量需求。
目前国内常用于该上述测试环境下的热是偶多为铠装热电偶,其制造流程是将偶丝和保护管及绝缘材料三者通过机械冷拉变形形成一个不可分离的整体,再封装测试,其结构比较牢固,但耐温较低(低于1600℃)。
发明内容
本发明的目的是解决高温、高压等强冲击动载条件下如何实现温度信号快速测量的技术问题。
为达到上述目的解决技术问题,本发明提出一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,具体包括C型热电偶偶丝1、烧结绝缘体2、不锈钢外壳3、C型热电偶插头4和C型热电偶插座5;
C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2通过等静压炉在温度1800℃,等静压不低于5MPa条件下一体烧结,用于隔绝外部氧气,有效减缓偶丝的氧化;同时将C型热电偶偶丝1的偶结点裸露在端面上,用于提升温度响应时间;且C型热电偶偶丝1前端的高温感温面经过高精度抛光处理,在高温下具有更高的灵敏度;
烧结绝缘体2使用耐高温绝缘材料为高温氮化硅合成材料,瞬时耐温2000度,长期耐温1800度,热等静压烧结而成,最高使用温度超过2300℃,强度与金刚石相当且高于金属合金;
不锈钢外壳3套装在烧结绝缘体2的外侧且采用耐高温高强度钢制造,能够在1500℃以上高温条件下保持较好的强度和韧性,用于保护和固定烧结绝缘体2;
C型热电偶插头4的一端与C型热电偶偶丝正负级焊接连接,另一端与C型热电偶插座连接,通过插座引出热电偶热电压信号;
进一步的,C型热电偶偶丝1符合国标C型热电偶偶丝国标要求,有效截面积大于0.5mm2,且长度可根据实际需求订制。
进一步的,C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2烧结为成为一个整体,其有效直径Φ1≤11mm,烧结完成后对其外表面进行高精度打磨确保达到安装要求。
进一步的,不锈钢外壳3的外侧可以根据需求加工成要求的螺纹尺寸,以方便安装。
进一步的,不锈钢外壳3由GH3039耐高温不锈钢制作,其内孔尺寸略大于烧结绝缘体,确保烧结绝缘体能够整体安装进内孔。
和现有技术比本发明的有效收益:
1、该热电偶的C型热电偶偶丝和烧结绝缘体烧结完成融合为一体,隔绝了外部氧气,可有效减缓偶丝的氧化,优化了钨铼热电偶的使用环境,提高了在高温环境性耐用性。
2、烧结绝缘体使用的高温绝缘材料,在压制后烧结形成,强度接近金刚石,高于金属合金,具有良好耐压耐磨性能,其在常温下可耐压100MPa。
3、本发明由于高温感温面经过高精度抛光处理,在高温下的高温灵敏型很好,而且在高温使用后只在表面形成一个氧化膜,对热电偶的整体不受影响,因此再次使用时打磨去除氧化膜就可以,提高了高温热电偶的重复使用性,提升了高温电热偶的使用效率有效的降低了使用成本。
本发明具有温度响应快、制造成本较低、安装固定方便等优点,在军工航天行业高温快速测试领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明用于强冲击快响应热电偶的剖视图;
其中,1-C型热电偶偶丝,2-烧结绝缘体,3-不锈钢外壳,4-C型热电偶插头,5-C型热电偶插座
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明就行详细的解释和说明。
一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,如图1所示,包括C型热电偶偶丝1、烧结绝缘体2、不锈钢外壳3、C型热电偶插头4和C型热电偶插座5;
C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2通过等静压炉在温度1800℃,等静压不低于5MPa条件下一体烧结,用于隔绝外部氧气,有效减缓偶丝的氧化;现有的热电偶基本是将热电偶偶丝固定在中空的石英、金属或者刚玉保护管内,由于待测目标与偶丝之间的保护管增加了一道换热过程,客观降低了热电偶的响应速度,而本发明提供了一种更好的方式,将C型热电偶偶丝1的偶结点裸露在端面上,用于提升温度响应时间;且C型热电偶偶丝1前端的高温感温面经过高精度抛光处理,在高温下具有更高的灵敏度;
烧结绝缘体2采用耐高温氮化硅绝缘材料,其中α-Si3N4,β-Si3N4的纯度均大于99%,α-Si3N4占比40%~60%,β-Si3N4占比40%~60%,(Wt)N>39.5%,其最高使用温度超过2300℃,强度与金刚石相当且高于金属合金;
不锈钢外壳3套装在烧结绝缘体2的外侧且采用耐高温高强度钢制造,能够在1500℃以上高温条件下保持较好的强度和韧性,用于保护和固定烧结绝缘体2;不锈钢外壳3的外侧可以根据需求加工成要求的螺纹尺寸,以方便安装。
C型热电偶插头4的一端与C型热电偶偶丝正负级焊接连接,另一端与C型热电偶插座连接,通过插座引出热电偶热电压信号;C型热电偶偶丝1符合国标C型热电偶偶丝国标要求,有效截面积≥0.5mm2,且长度可根据实际需求订制。C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2烧结为成为一个整体,其有效直径Φ1≤11mm,烧结完成后对其外表面进行高精度打磨确保达到安装要求。
不锈钢外壳3由GH3039耐高温不锈钢制作,其内孔尺寸略大于烧结绝缘体,确保烧结绝缘体能够整体安装进内孔。
本发明的C型热电偶偶丝通过烧结的方式与高强度绝缘材料融为一体,在强振动条件下可以保持偶丝的完整性,可在振动过后长期测量;一体烧结后的外壳采用高强度钢加工,即用于固定绝缘体,也用于安装固定,因此这种结构的热电偶可保护绝缘体及偶丝在高温、高压、强振动冲击等强冲击动载环境不会发生位移和错位,确保偶丝的长期存活;采用C型热电偶丝,其最高可测温度为2320℃。因此本发明可用于强冲击动载环境下(如炸药爆炸、枪炮膛压、航空发动机尾喷温度、火箭导弹尾喷温度)快响应的快响应热电偶(耐高温;耐高压;可重复性),可满足复杂环境下温度变化瞬态测量技术要求。
实施例1:
将有效截面积0.5mm2,长度60mm的C型热电偶偶丝在200MPa高压力条件下压制固定在最大直径15mm的高温氮化硅绝缘材料中,氮化硅绝缘材料中α-Si3N4占比45%,β-Si3N4占比55%,α-Si3N4、β-Si3N4纯度均大于99%;然后在静压炉中温度1800℃,等静压5MPa的条件下一体烧结成型;将烧结后的绝缘体使用高精度磨床打磨成直径9.98±0.01mm的圆柱体,再安装固定在内孔尺寸10±0.01mm,外螺纹尺寸M20×1.5的不锈钢外壳中,绝缘端面与不锈钢外壳端面齐平;对不锈钢外壳的前端面进行整体打磨,打磨至表面粗糙度低于3.2;然后将C型热电偶偶丝的后端分别焊接固定在国标C型热电偶插头上后写成的端密封,再将C型热电偶插座对接在C型热电偶插头上,完成热电偶的加工。在管式气氛炉中对热电偶进行标定,其温度误差满足国标B级热电偶精度要求后再交付使用。
本发明的应用实例:在容器内密闭爆炸实验气体温度测量实验中,在容器的正中心位置预加工尺寸为M20×1.5的螺纹通孔,将本发明热电偶的不锈钢外壳通过螺纹连接固定在该通孔内,完成热电偶的安装;使用C型热电偶补偿线将24位AD的数据采集卡与本发明热电偶相连接,数据采集卡触发信号采用引爆触发信号;调试正常后引爆炸药,同时触发信号采集,测量获得爆后容器内气体温度变化曲线。
Claims (5)
1.一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,其特征在于,包括C型热电偶偶丝1、烧结绝缘体2、不锈钢外壳3、C型热电偶插头4和C型热电偶插座5;
所述C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2通过等静压炉在温度1800℃,等静压不低于5MPa条件下一体烧结,用于隔绝外部氧气,有效减缓偶丝的氧化;同时将C型热电偶偶丝1的偶结点裸露在端面上,用于提升温度响应时间;且C型热电偶偶丝1前端的高温感温面经过高精度抛光处理,在高温下具有更高的灵敏度;
所述的烧结绝缘体2采用耐高温氮化硅绝缘材料,α-Si3N4占比40%~60%,β-Si3N4占比40%~60%,(Wt)N>39.5%,其最高使用温度超过2300℃,强度与金刚石相当且高于金属合金;
所述不锈钢外壳3套装在烧结绝缘体2的外侧且采用耐高温高强度钢制造,能够在1500℃以上高温条件下保持较好的强度和韧性,用于保护和固定烧结绝缘体2;
所述的C型热电偶插头4的一端与C型热电偶偶丝正负级焊接连接,另一端与C型热电偶插座连接,通过插座引出热电偶热电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,其特征在于,所述C型热电偶偶丝1符合国标C型热电偶偶丝国标要求,有效截面积大于0.5mm2,且长度可根据实际需求订制。
3.根据权利要求1所述的一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,其特征在于,C型热电偶偶丝1与烧结绝缘体2烧结为成为一个整体,其有效直径Φ1≤11mm,烧结完成后对其外表面进行高精度打磨确保达到安装要求。
4.根据权利要求1所述的一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,其特征在于,所述不锈钢外壳3的外侧可以根据需求加工成要求的螺纹尺寸,以方便安装。
5.根据权利要求1所述的一种用于强冲击动载环境的快响应热电偶,其特征在于,所述不锈钢外壳3由GH3039耐高温不锈钢制作,其内孔尺寸略大于烧结绝缘体,确保烧结绝缘体能够整体安装进内孔。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210423 |
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