CN110044513A - 导棒式声栅高温计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的导棒式声栅高温计，属于高温测量用的温度计领域。本发明包括导棒、传感器、缓冲器与电子设备。在氧化性环境中使用时，其温度测量上限达2100℃，在还原性或中性环境中使用时，其温度上限达3000℃。本发明采用耐高温金属材料作为导棒，并与缓冲器、传感器、电子设备构成高温计系统，通过测量导棒声栅反射声波的传播速度来换算温度，从而达到测温的目的。本发明采用耐高温金属材料作导棒，提高温度测量的上限，同时由于导棒的直径或当量直径较大，与直径较小的热电偶相比，更为耐用，延长其使用寿命。本发明采用导棒，使得声波在导棒中传播，不存在弯曲效应，所以提高温度测量结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于高温测量用的温度计领域，涉及一种适用于3000℃以下高温气体、液体以及等离子体温度场测量的导棒式声栅高温计。
背景技术
目前，测量高温最常用的是采用基于热电偶的高温温度传感器，所能测量的最高温度为1700℃。由于受到偶丝与外壳材料等的限制，所测温度上限低，测量准确度差。基于声学方法的非接触式温度测量，在被测温场的边缘布置若干个声发射/接收探头，依靠声波在被测介质中的传播速度来反演温度场。由于探头不浸入被测介质，温度上限可大大提高，但对于不均匀温场，由于声波传播路径弯曲的影响，使得测量的准确度受到影响。在航空、航天、兵器、核工业等军工领域以及部分民用领域，今后所涉及的测量温度将越来越高，而目前尚缺乏有效的准确的测温手段。
发明内容
为了解决当前的测温方法测量上限低、准确度差的问题，本发明公开的导棒式声栅高温计要解决的技术问题是：提供一种适用于3000℃以下高温气体、液体以及等离子体温度场测量的导棒式声栅高温计，能够提高测量上限和准确度。
本发明的目的是通过下述技术解决方案实现的。
本发明公开的导棒式声栅高温计，基于声学方法实现，包括导棒、传感器、缓冲器与电子设备。通过测量导棒声栅反射声波的传播速度来换算温度，从而达到测温的目的。
所述导棒用于使得声波在导棒中传播，避免弯曲效应，提高温度测量结果的准确性。材料根据被测介质的种类选择，在测量环境下保持化学稳定性，使其在测量环境下实现测量功能；选用耐高温材料提高温度测量的上限。
导棒的形状为圆柱形或六棱柱形，其直径或当量直径不小于Φ2mm，导棒的投影面积不大于被测截面的1/10，沿导棒的轴向在不同的位置上开有若干小切口作为声栅，声栅之间的距离根据所要求温度测点的数量确定，声栅的轴向剖面为倒角的等腰三角形，其深度不大于导棒直径或当量直径的1/10，其锥角为30°～150°，倒角半径为声栅深度的1/3～1/2。导棒的当量直径指的是导棒横截面内切圆的直径。
作为优选，所述声栅的位置按等间距布置，或按等环面方式布置。
传感器采用铁系、钴系或镍系磁致伸缩材料的磁头，磁致伸缩磁头上绕有两组电磁线圈，一组与信号发生器连接，用于发射信号，另一组与接收器连接，用于接收信号，每组线圈的匝数为2～5匝。
作为优选，磁头与缓冲器之间采用焊接的方法连接，焊接时保证磁头与缓冲器同轴。
缓冲器选用熔点低于导棒材料的其它金属或合金材料，与导棒之间用焊接的方式连接，对于难熔金属及其合金材料导棒，缓冲器与导棒之间的焊接采用真空电子束焊接，对于贵金属及其合金材料导棒，缓冲器与导棒之间的焊接采用氩弧焊或其它焊接方法，焊接时保证缓冲器与导棒同轴，缓冲器的锥角不超过30°。
电子设备主要由微处理器、接收器、信号发生器和显示器组成。微处理器采用微处理芯片，用于信号发射与接收等过程的控制以及数据的计算、分析与处理。信号发生器与接收器分别用于信号的采集与接收。显示器用于温度的终端显示，采用微小液晶屏或通过外部通讯的方式连接计算机显示器。信号发生器产生的信号为扫频信号，扫频信号的幅值为5V～10V，频率在30kHz～300kHz范围内往复交变。
对于氧化性环境下的被测介质，声栅高温计的导棒采用贵金属材料或贵金属构成的合金材料，加工时对导棒材料进行时效处理，以使导棒的组织结构稳定，提高其测量结果的可靠性。所述组织结构稳定的性能指标范围为：由残余应力造成的各方向变形量均不超过0.2％。在氧化性环境中使用时，温度测量上限达2100℃。
所述贵金属材料包括铱、铂或铑，所述贵金属构成的合金材料包括铂-铱、铂-铑或铱-铑。
对于还原性或中性环境下的被测介质，声栅高温计的导棒采用难熔金属材料或难熔金属构成的合金材料，所述难熔金属的熔点范围为1650℃～3410℃。难熔金属材料包括钨、铼、钽或钼；难熔金属构成的合金材料包括钨-铼、钽-钨。在还原性或中性环境中使用时，温度上限达3000℃。
本发明能够解决3000℃以下高温气体、液体以及等离子体温度场的测量问题。
有益效果：
1、本发明的基于声学方法的导棒式声栅高温计，由于采用耐高温金属材料作导棒，能够提高温度测量的上限，同时由于导棒的直径或当量直径较大，与直径较小的热电偶相比，更为耐用，延长其使用寿命。
2、本发明的基于声学方法的导棒式声栅高温计，由于采用导棒，使得声波在导棒中传播，不存在弯曲效应，所以提高温度测量结果的准确性。
3、本发明的基于声学方法的导棒式声栅高温计，在氧化性环境中使用时，其温度测量上限可达2100℃，在还原性或中性环境中使用时，其温度上限可达3000℃。本发明通过测量导棒声栅反射声波的传播速度来换算温度，从而达到测温的目的，具有耐温高、准确度高、寿命长等优点，能够解决3000℃以下高温气体、液体以及等离子体温度场的测量问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1—导棒、2—缓冲器、3—传感器、4—电子设备。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的导棒式声栅高温计，包括导棒1、传感器3、缓冲器2与电子设备4。导棒1与缓冲器2之间以及缓冲器2与传感器3之间均采用焊接的方式连接，焊接时保证导棒1、缓冲器2和传感器3同轴。
本实施例适用于氧化性环境的被测介质，导棒1采用贵金属材料铱，为提高导棒1的综合力学性能，铱导棒1要进行锻造或轧制等压力加工。
导棒1为直径Φ5mm，长50mm的圆柱。沿导棒1的轴向设置5个声栅，相邻两个声栅的间距均为5mm。声栅的轴向剖面为倒角的等腰三角形，三角形的顶角为60°，顶点深度为0.5mm，倒角半径为声栅深度的0.2mm。
传感器3采用磁致伸缩的铁-钴磁头，磁致伸缩磁头上绕有两组电磁线圈，一组与信号发生器连接，用于发射信号，另一组与接收器连接，用于接收信号，每组线圈的匝数均为2匝。
缓冲器2材料采用高温合金GH3039，缓冲器2与导棒1之间用氩弧焊的方法焊接，缓冲器2的锥角为22°。
电子设备4由微处理器、接收器、信号发生器和显示器等组成。微处理器采用微处理芯片，用于信号发射与接收等过程的控制以及数据的计算、分析与处理等。信号发生器与接收器分别用于电信号的采集与接收。采用液晶屏作显示器。
本实施例公开的导棒1式声栅高温计的测量方法为，由微处理器控制信号发生器发出扫频电信号，幅值为5V，频率在30kHz～300kHz范围内往复交变，传感器3将扫频电信号转变为声波信号，声波信号在导棒1中传播，每遇到一个声栅，都会被反射，反射回来的声波信号由传感器3转变为电信号，送给接收器，微处理器对接收器接收到的电信号进行分析、运算、处理，根据声波传播速度与温度间的对应关系，得到被测温度，由显示器终端显示。
实施例2
本实施例公开的导棒1式声栅高温计，包括导棒1、传感器3、缓冲器2与电子设备4。导棒1与缓冲器2之间以及缓冲器2与传感器3之间均采用焊接的方式连接，焊接时保证导棒1、缓冲器2和传感器3同轴。
本实施例适用于还原性或中性环境的被测介质，导棒1采用难熔金属材料钨。
缓冲器2的材料选用金属钼，与导棒1之间采用真空电子束焊接，缓冲器2的锥角为22°。
导棒1为直径Φ5mm，长50mm的圆柱。沿导棒1的轴向设置5个声栅，相邻两个声栅的间距均为5mm。声栅的轴向剖面为倒角的等腰三角形，三角形的顶角为60°，顶点深度为0.5mm，倒角半径为声栅深度的0.2mm。
传感器3采用磁致伸缩的铁-钴磁头，磁致伸缩磁头上绕有两组电磁线圈，一组与信号发生器连接，用于发射信号，另一组与接收器连接，用于接收信号，每组线圈的匝数均为2匝。
电子设备4由微处理器、接收器、信号发生器和显示器等组成。微处理器采用微处理芯片，用于信号发射与接收等过程的控制以及数据的计算、分析与处理等。信号发生器与接收器分别用于电信号的采集与接收。采用液晶屏作显示器。
本实施例公开的导棒1式声栅高温计的测量方法为，由微处理器控制信号发生器发出扫频电信号，幅值为5V，频率在30kHz～300kHz范围内往复交变，传感器3将扫频电信号转变为声波信号，声波信号在导棒1中传播，每遇到一个声栅，都会被反射，反射回来的声波信号由传感器3转变为电信号，送给接收器，微处理器对接收器接收到的电信号进行分析、运算、处理，根据声波传播速度与温度间的对应关系，得到被测温度，由显示器终端显示。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.导棒式声栅高温计，其特征在于：基于声学方法实现，包括导棒(1)、传感器(3)、缓冲器(2)与电子设备(4)；通过测量导棒(1)声栅反射声波的传播速度来换算温度，从而达到测温的目的。
2.如权利要求1所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：所述导棒(1)用于使得声波在导棒(1)中传播，避免弯曲效应，提高温度测量结果的准确性；材料根据被测介质的种类选择，在测量环境下保持化学稳定性，使其在测量环境下实现测量功能；选用耐高温材料提高温度测量的上限。
3.如权利要求2所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：导棒(1)的形状为圆柱形或六棱柱形，其直径或当量直径不小于Φ2mm，导棒(1)的投影面积不大于被测截面的1/10，沿导棒(1)的轴向在不同的位置上开有若干小切口作为声栅，声栅之间的距离根据所要求温度测点的数量确定，声栅的轴向剖面为倒角的等腰三角形，其深度不大于导棒(1)直径或当量直径的1/10，其锥角为30°～150°，倒角半径为声栅深度的1/3～1/2；导棒(1)的当量直径指的是导棒(1)横截面内切圆的直径。
4.如权利要求3所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：传感器(3)采用铁系、钴系或镍系磁致伸缩材料的磁头，磁致伸缩磁头上绕有两组电磁线圈，一组与信号发生器连接，用于发射信号，另一组与接收器连接，用于接收信号，每组线圈的匝数为2～5匝。
5.如权利要求4所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：缓冲器(2)选用熔点低于导棒(1)材料的其它金属或合金材料，与导棒(1)之间用焊接的方式连接，对于难熔金属及其合金材料导棒(1)，缓冲器(2)与导棒(1)之间的焊接采用真空电子束焊接，对于贵金属及其合金材料导棒(1)，缓冲器(2)与导棒(1)之间的焊接采用氩弧焊或其它焊接方法，焊接时保证缓冲器(2)与导棒(1)同轴，缓冲器(2)的锥角不超过30°。
6.如权利要求5所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：电子设备(4)主要由微处理器、接收器、信号发生器和显示器组成；微处理器采用微处理芯片，用于信号发射与接收等过程的控制以及数据的计算、分析与处理；信号发生器与接收器分别用于信号的采集与接收；显示器用于温度的终端显示，采用微小液晶屏或通过外部通讯的方式连接计算机显示器；信号发生器产生的信号为扫频信号，扫频信号的幅值为5V～10V，频率在30kHz～300kHz范围内往复交变。
7.如权利要求6所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：对于氧化性环境下的被测介质，声栅高温计的导棒(1)采用贵金属材料或贵金属构成的合金材料，加工时对导棒(1)材料进行时效处理，以使导棒(1)的组织结构稳定，提高其测量结果的可靠性；所述组织结构稳定的性能指标范围为：由残余应力造成的各方向变形量均不超过0.2％；在氧化性环境中使用时，温度测量上限达2100℃；
对于还原性或中性环境下的被测介质，声栅高温计的导棒(1)采用难熔金属材料或难熔金属构成的合金材料，所述难熔金属的熔点范围为1650℃～3410℃；在还原性或中性环境中使用时，温度上限达3000℃。
8.如权利要求7所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：所述贵金属材料包括铱、铂或铑，所述贵金属构成的合金材料包括铂-铱、铂-铑或铱-铑；
难熔金属材料包括钨、铼、钽或钼；难熔金属构成的合金材料包括钨-铼、钽-钨。
9.如权利要求8所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：所述声栅的位置按等间距布置，或按等环面方式布置。
10.如权利要求9所述的导棒式声栅高温计，其特征在于：磁头与缓冲器(2)之间采用焊接的方法连接，焊接时保证磁头与缓冲器(2)同轴。
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