CN207066623U - 一种固体材料燃烧行为测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种固体材料燃烧行为测量装置，包括管式电阻炉及其温控器，电阻炉支架，高精度电子天平，小坩埚，坩埚支架，摄像机，热电偶，热电偶支架，舵机装置，数据采集仪和计算机。所述的管式电阻炉采用环状中空结构管式电阻炉，有利于测量实验数据以及观察实验现象。本实用新型的管式电阻炉温度控制精度高，可以用于测量不同辐射温度下燃烧材料的点燃温度及附近温度分布情况，舵机装置可以保护热电偶不受高温火焰损坏。可以测量材料样品的质量损失速率，并且不受温度测量方面的影响。管式电阻炉为环状中空结构，有利于摄像机拍摄实验过程。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种材料燃烧行为测量装置，尤其涉及一种固体材料燃烧行为测量装置，可以精确控制对镁合金材料的辐射温度，拍摄清晰的燃烧过程图像，测量材料的点燃温度，附近温度分布和燃烧过程的质量损失速率。
背景技术
当前社会对节能减排越来越重视，而减重设计能够直截了当的降低能源消耗，因此当前有金属应用需求的各个行业对减重越来越重视，尤其是航空和汽车行业。这就使得低密度、高比强度的镁合金有了用武之地。镁合金材料在生产加工过程中产生的镁合金碎屑和粉末极易燃烧甚至引发粉尘爆炸，因此十分有必要对镁合金材料的燃烧行为特性进行研究。在研究点燃特性时通常关注点燃温度的高低，而对燃烧特性的研究主要集中在时间参数上。而温度与时间两个参数之间存在着一定程度的内部相关性，例如，在进行点燃特性实验时，长时间的加热可以降低点燃温度，而在进行燃烧特性实验时，火源温度的降低将会大大延长点燃时间。根据文献调研，当前对于镁合金燃点参数的研究方法主要有以下几种：热重分析仪点燃特性实验，电阻炉点燃特性实验和燃油燃烧器燃烧特性实验。其中，热重分析仪点燃特性实验与燃油燃烧器燃烧特性实验的仪器成本高，一般机构不具备该条件，而电阻炉点燃特性实验所需的实验器件成本较低，可以自行组装实验装置进行实验，实验操作过程简单方便，能够获得有用的实验参数。
目前，已有的类似电阻炉装置只能测量材料的点燃温度，无法测量一些其他相关的重要参数，比如质量损失速率。因此基于管式电阻炉的结构特点，本实用新型提出了一种固体材料燃烧行为测量装置，特别地，能够测量镁合金材料燃烧过程中的质量损失速率，以及其他相关重要参数。
实用新型内容
基于背景技术存在的问题，本实用新型提出了一种固体材料燃烧行为测量装置，可以在实验过程中测量固体材料的点燃温度和附近温度分布，拍摄清晰的实验图像以及测量燃烧过程中的质量损失速率。
本实用新型的技术方案为：
本实用新型提出的一种固体材料燃烧行为测量装置，主要包括管式电阻炉及其温控器，电阻炉支架，高精度电子天平，小坩埚，坩埚支架，摄像机，热电偶，热电偶支架，舵机装置，数据采集仪和计算机，其中温控器用于控制管式电阻炉对小坩埚内固体材料的辐射温度，同时高精度电子天平实时测量固体材料的质量变化，热电偶布置在固体材料表面和附近测温度，舵机可以防止热电偶受高温损坏，通过数据采集仪和计算机可以得到热电偶的温度数据，摄像机用于拍摄固体材料的燃烧现象。
所述的管式电阻炉及其温控器包括电阻炉和温控器两部分，本实用新型采用环状中空结构管式电阻炉，有利于测量实验数据以及观察实验现象。电阻炉炉膛采用莫来石材质，呈圆环形，具体圆环尺寸可以根据实验尺度定制。特别地，在本实用新型中，电阻炉高120mm，下部开口直径80mm，上部开口直径40mm。电阻炉采用PID温控器控制温度，温度控制精度±5℃，升温范围为室温至800℃，功率1kW。
所述的电阻炉支架用于支撑电阻炉，支架高度有利于实验数据测量，及实验图像拍摄，特别地，在本实用新型中，高度约为0.5m。
所述的高精度电子天平采用岛津UW/UX系列托盘式电子天平，测量精度0.01g，最大量程6.4kg，测定的质量数据可直接输到计算机上，可以得到质量随时间的变化关系曲线。
所述的小坩埚用于盛放固体材料样品，由于固体材料在燃烧过程中温度可能较高，因此采用氧化铝材质的刚玉坩埚，特别地，由于固体材料样品用量很少，在实用新型中，对于镁合金样品只需要4g，坩埚尺寸高度为17mm，直径为28mm，容积约为5ml。
所述的坩埚支架用于调整固体材料样品与电阻炉之间的高度，使其受到的热辐射温度在合适范围，以及有利于实验数据的测量。
所述的摄像机用于拍摄实验图像，为了安全起见，与管式电阻炉保持一定距离，使其不受电阻炉高温辐射影响，特别地在本实用新型中，采用索尼HDR-CX680型号摄像机，拍摄图像质量为50帧1080P，在实验测试过程中进行录制，可得到材料燃烧变化过程。
所述的热电偶为K型热电偶，测温范围0-1300℃，热电偶主要布置在燃烧材料的上方中心轴线上。
所述的热电偶支架用于固定热电偶位置。
所述的舵机装置用于防止热电偶损坏，由于固体燃烧时火焰温度较高，容易超出热电偶的测量范围而损坏热电偶。为了防止损坏热电偶，此时采用舵机牵引细金属绳索将测量样品表面温度的热电偶端部从固体表面拉出。
所述的数据采集仪用于采集热电偶输出的温度信号，并传输给计算机。
所述的计算机用于接收数据采集仪的温度信号，可以得到材料的点燃温度以及温度分布情况，计算机也可以接收电子天平测量的质量数据，通过处理可以得到材料的质量损失速率。
本实用新型有益效果：
1、本实用新型装置的管式电阻炉温度控制精度高，可以用于测量不同辐射温度下燃烧材料的点燃温度及附近温度分布情况，舵机装置可以保护热电偶不受高温火焰损坏。
2、本实用新型装置可以测量材料样品的质量损失速率，并且不受温度测量方面的影响。
3、本实用新型的管式电阻炉为环状中空结构，有利于摄像机拍摄实验过程。
附图说明
图1为质量和温度测量方式示意图；
图2为本实用新型一种固体材料燃烧行为测量装置整体示意图；
图3为舵机装置示意图；
图4为采集仪和计算机示意图。
图中标号：1为高精度电子天平，2为坩埚支架，3为小坩埚，4为镁合金材料样品，5为热电偶布置点，6为热电偶支架，7为管式电阻炉，8为电阻炉支架，9为温控器，10为摄像机，11为舵机，12为舵机臂，13为细金属绳索，14为数据采集仪，15为计算机。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型实施方式。
本实用新型一种固体材料燃烧行为测量装置，主要包括管式电阻炉7及其温控器9，电阻炉支架8，高精度电子天平1，小坩埚3，坩埚支架2，摄像机10，热电偶支架6，舵机11，细金属绳索13，数据采集仪14和计算机15等。特别地，固体材料为镁合金材料。
如图1所示，实验前，将镁合金材料样品放置在小坩埚3内，为了避免高温影响，小坩埚3采用耐高温氧化铝材质的刚玉坩埚，根据镁合金材料的燃烧特性，选用k型热电偶并布置在热电偶支架6上的热电偶布置点5上，热电偶布置点5有多个，通过调整热电偶支架6，测量镁合金材料样品4正上方温度分布，热电偶布置点5之间距离为30mm。最下方热电偶探头与镁合金材料样品4表面接触，用于测量镁合金材料的点燃温度。采用岛津UW/UX系列托盘式高精度电子天平1实时测量小坩埚3，坩埚支架2的总质量。
如图2所示，为实验装置的整体图，盛放镁合金材料样品4的小坩埚3位于管式电阻炉7正下方，将热电偶布置在热电偶支架6上，通过调整热电偶支架6，使热电偶布置点5位于镁合金材料样品4的正上方，测量点燃温度及上方温度分布。通过设置温控器9，使管式电阻炉7加热到所需温度。调整摄像机10的支架位置以及摄像机10的拍摄角度，使之从上方能够拍摄到镁合金材料样品4清晰的图像，用于分析镁合金材料样品4从加热点燃到氧化燃烧的整个过程变化情况。
如图3所示，为了防止镁合金材料高温火焰损坏热电偶，使用细金属绳索13与热电偶端部联结。细金属绳索13另一端联结在舵机11的舵机臂12上，通过控制舵机臂运动牵引细金属绳索13，将热电偶探头从镁合金材料样品4移除，从而保护热电偶。热电偶探头与镁合金材料样品4接触时会造成一定的压力，因此在热电偶牵引出时质量会有所变化。特别地，经过TG-DSC实验测量，对于镁合金材料在发生点燃前质量不会发生变化，因此后期数据处理时直接将热电偶接触引起的质量变化做相应补偿即可。
如图4所示，数据采集仪14用于采集热电偶的输出信号并传输给计算机15，通过专用软件实现在线测量温度变化情况。将高精度电子天平1与计算机15连接，可以实现质量的在线测量。通过计算质量变化曲线的斜率，可以得到镁合金材料样品4的质量损失速率。
Claims (10)
1.一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：包括管式电阻炉(7)及其温控器(9)，电阻炉支架(8)，高精度电子天平(1)，小坩埚(3)，坩埚支架(2)，摄像机(10)，热电偶，热电偶支架(6)，舵机(11)，数据采集仪(14)和计算机(15)，其中温控器(9)用于控制管式电阻炉(7)对小坩埚(3)内固体材料的辐射温度，同时高精度电子天平(1)实时测量固体材料的质量变化，热电偶布置在固体材料表面和附近测温度，舵机(11)可以防止热电偶受高温损坏，通过数据采集仪(14)和计算机(15)可以得到热电偶的温度数据，摄像机(10)用于拍摄固体材料的燃烧现象。
2.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的管式电阻炉(7)采用环状中空结构管式电阻炉，有利于测量实验数据以及观察实验现象，管式电阻炉(7)炉膛采用莫来石材质，呈圆环形，电阻炉高120mm，下部开口直径80mm，上部开口直径40mm；管式电阻炉采用PID温控器控制温度，温度控制精度±5℃，升温范围为室温至800℃，功率1kW。
3.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的电阻炉支架(8)用于支撑电阻炉，电阻炉支架(8)高度有利于实验数据测量，及实验图像拍摄，高度约为0.5m。
4.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的高精度电子天平(1)采用岛津UW/UX系列托盘式电子天平，测量精度0.01g，最大量程6.4kg，测定的质量数据可直接输到计算机(15)上，可以得到质量随时间的变化关系曲线。
5.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的小坩埚(3)用于盛放固体材料样品，由于固体材料在燃烧过程中温度较高，因此采用氧化铝材质的刚玉坩埚，坩埚尺寸高度为17mm，直径为28mm，容积约为5ml。
6.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的坩埚支架(2)用于调整固体材料样品与电阻炉之间的高度，使其受到的热辐射温度在合适范围，以及有利于实验数据的测量。
7.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的摄像机(10)用于拍摄实验图像，为了安全起见，与管式电阻炉(7)保持一定距离，使其不受电阻炉高温辐射影响，采用索尼HDR-CX680型号摄像机，拍摄图像质量为50帧1080P，在实验测试过程中进行录制，可得到材料燃烧变化过程。
8.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的热电偶为K型热电偶，测温范围0-1300℃，热电偶主要布置在燃烧材料的上方中心轴线上；所述的热电偶支架(6)用于固定热电偶位置。
9.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的舵机(11)用于防止热电偶损坏，由于固体燃烧时火焰温度可达2000℃以上，为了防止损坏热电偶，此时采用舵机牵引细金属绳索将测量样品表面温度的热电偶端部从固体表面拉出。
10.根据权利要求1所述的一种固体材料燃烧行为测量装置，其特征在于：所述的数据采集仪(14)用于采集热电偶输出的温度信号，并传输给计算机(15)，所述的计算机(15)用于接收数据采集仪(14)的温度信号，可以得到材料的点燃温度以及温度分布情况，计算机(15)也可以接收电子天平测量的质量数据，通过处理可以得到材料的质量损失速率。
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| CN107389212A (zh) * | 2017-07-31 | 2017-11-24 | 中国科学技术大学 | 一种固体材料燃烧行为测量装置 |
| CN110412205A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-11-05 | 安徽建筑大学 | 一种固体材料燃烧测量装置 |
| CN114252158A (zh) * | 2021-12-14 | 2022-03-29 | 上海航天化工应用研究所 | 一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法 |
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