基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统的制作方法
【专利摘要】一种基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统，包括加热和测温两个部分，其中加热部分包括Z轴升降台、电极平台、电极组、被测试件和电源；温度场测量部分包括配有独立镜头的比色高温计、镜头架、步进电机侧置安装的数控直线滑台、步进控制驱动器、位移传感器、数据采集卡、底板和计算机。本发明对于通电加热达到超高温度的超高温陶瓷试件，能够实时动态测量被测试件沿长度方向的温度分布，对于不均匀的温度场有较好的表征能力，测量结果表征信息量丰富，系统成本低，工作效率高，便于应用。本发明可独立使用以研究超高温陶瓷材料的高温氧化烧蚀特性，也可作为关键组成部分应用于其它超高温测试设备中。
【专利说明】基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于陶瓷材料性能测试【技术领域】，特别涉及一种基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统。
【背景技术】
[0002]超高温陶瓷是一类以ZrB2、HfB2, TaC等高熔点过渡金属硼化物、碳化物及其复合材料为主的陶瓷体系，因具有高熔点、高硬度、高热导率和优异的化学稳定性等综合性质，被认为是极端高温环境下最具应用前景的热防护材料。然而，目前对于该类材料在超高温度环境下的物理化学性能的研究还很不充分，这主要是受到实验条件的限制，国内对于1800°C以上的超高温材料性能测试系统还比较欠缺，已开发的设备仍存在着很多不足。对被测材料进行加热及相应的温度测量是开展材料超高温性能测试最基本的条件。现有高温设备所采用的加热方法主要有传统的高温炉加热法、喷火加热法和等离子电弧加热法等，这些加热方法各具优点，但普遍代价较高、资源消耗较大。针对超高温度的测量主要有两种方法:一种是利用配有保护套的热电偶(B型或C型)，通过与被测试件表面接触来对试件的温度进行测量，这种方法测量精度较高，但具备较大的局限性，最高测量温度只能达到1600°C左右，这可能无法满足超高温度的测量需求；另一种方法是利用基于光学原理的非接触式红外测温仪，该方法需要已知被测材料的光学参数(如发射率等)，其可以克服热电偶最高温度的限制，测量温度范围广，可达到3500°C左右，是目前高温测试设备1600°C以上温度测量的主要手段。
[0003]CN 101936854B中授权了一种在1500°C以上氧化环境下测试陶瓷材料及其复合材料力学性能的实验方法及其实验装置，该高温装置采用喷火加热和红外测温仪定点测温的方法，测温点靠近样品表面喷火加热区的中心位置，但对于此类局部加热方法，试件产生的温度场是不均匀的，只测量一点的温度无法表征试件整体的温度分布。CN 102944466A中公开了一种常温到1800°C温度范围的超高温氧化气氛下材料高温力学性能测试装置，该装置采用炉体加热方法，理论上可以得到均匀的温度场，但由于加热元件的限制，最高温度只能加热到1800°C，而且在氧化环境下，试件表面可能会发生剧烈的氧化反应而使表面成分发生巨大的改变，会对红外测温仪温度的测量造成很大的影响，因此该设备只通过利用红外测温仪测量试件中心点的温度而表征整体试件和炉内的温度也是不准确的，例如，由于氧化反应可能恰好在测温点或附近产生气泡而使得温度测量值受到很大的影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服现有超高温材料测试设备温度测量方法的不足，提供一种基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统。
[0005]本发明所述的超高温极端环境是指1000°C -3300°C的高温及超高温有氧环境。本发明对于通电加热达到超高温度的超高温陶瓷试件，实现了温度测量点沿试件长度方向循环往复扫描测温，对于不均匀的温度场有较好的表征能力且有助于避免由于氧化等因素导致的测量误差。
[0006]本发明所涉及的基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统，由加热部分和温度场测量部分构成，其中加热部分包括Z轴升降台、电极平台、电极组、被测试件和电源；温度场测量部分包括配有独立镜头的比色高温计、镜头架、步进电机侧置安装的数控直线滑台、步进控制驱动器、位移传感器、数据采集卡、底板和计算机；
[0007]上述加热部分中:
[0008]所述Z轴升降台固定在底板的一端，结合比色高温计主机的安装位置以及比色高温计镜头的测距范围以确定Z轴升降台合适的固定位置；
[0009]所述电极平台中间部位开有四个通孔，通孔的相对位置与Z轴升降台上表面的固定孔相匹配，以保证电极平台能够固定在Z轴升降台上并随Z轴升降台一起升降，进而起到向电极平台上的其它部件传递升降高度的作用，电极平台两侧分布有密排的螺纹孔，起到固定其它零件和微调零件位置的作用；
[0010]所述电极组采用导电、耐高温且强度较好的材料制成，电极组为一对，每对由上、下两个电极组成，下电极较长以保证外端部连接的通电导线受被测试件超高温度的影响较小，保证电极组与数控直线滑台运动方向平行，下电极通过绝缘连接件固定在电极平台上，通过微调固定位置保证比色高温计镜头对焦在被测试件上，上下电极的试件夹持端分别开有对应的通孔和螺纹孔，通过耐高温的紧固螺丝装配以夹紧被测试件，两个下电极的另一端分别通过导线连接到电源的正负极上；
[0011]所述电源输出采用电流控制，电源、导线、电极和试件组成串联电路，根据焦耳定律:
[0012]Q = I2Rt,其中，Q为被测试件产生的热量，I为电流强度，R为被测试件电阻值，t为通电时间；
[0013]通电即可对被测试件进行加热；
[0014]所述被测试件加工成特殊形状，可起到充分利用电流和保护电极的效果，由电阻
定律:
[0015]R=P L/A，其中，P为被测材料的电阻率，L为试件长度，A为试件横截面积；
[0016]试件中间段采用细长形，增加长度且减小截面积可使阻值大大增加，有助于营造超高温度，两端夹持部位适当增加宽度，减小电阻从而降低发热程度，保护电极。
[0017]上述温度场测量部分中:
[0018]所述配有步进电机的数控直线滑台固定在底板的另一端，通过步进控制驱动器与计算机连接，通过计算机内相应的驱动程序，驱动固定在数控直线滑台滑块上的镜头架按照用户自定义的运动规律运动，实现温度测量点在被测试件长度方向上循环往复扫描，通过调节Z轴升降台的升降高度，调整温度测量点在被测试件厚度方向上的位置；
[0019]所述镜头架固定在数控直线滑台的滑块上，具备连接比色高温计镜头和位移传感器滑块的功能，在步进电机的驱动下，同时带动比色高温计镜头以及位移传感器滑块一起运动，可保证任意时刻位移传感器滑块与比色高温计镜头具有相同的位移，以实现通过位移传感器实时记录高温计镜头的位移数据；
[0020]所述比色高温计镜头通过光纤与高温计主机相连，实时测量比色高温计镜头所在位置处被测试件对应的温度；[0021]所述数据采集卡的输出端口连接至计算机，输入端口同时接收位移传感器和比色高温计主机的输出信号以保证某一时刻下的位移数据和温度数据相匹配，并将汇总后的数据传输至计算机，在计算机中通过相应的程序对时间、位移和温度的测量数据进行数据处理，得到温度分布曲线。
[0022]本发明利用超高温陶瓷材料，如ZrB2, HfB2等，具备优良的导电性这一性质，基于电阻加热原理对超高温陶瓷材料直接通电加热得到超高温度，鉴于被测试件温度场具有一定的不均匀性以及被测试件表面氧化对于温度测量的影响，提出了一种实时动态的温度场测量方法，可表征任意时段下沿试件长度方向的温度分布。本发明克服了现有高温设备在温度测量方面局限性大、表征信息量较少等缺点，所具有的优点及突出性的效果是:(I)本发明温度测量全面，能够实时动态记录沿被测试件长度方向的温度场分布，对于不均匀的温度场有较好的表征能力且最大程度地避免由于氧化导致的局部温度测量不准的影响；
(2)本发明测量结果表征信息量丰富，所测得的温度曲线不仅能表征温度值，同时根据曲线的变化规律还可以表征被测试件的氧化程度，有助于分析超高温陶瓷材料在不同温度下的氧化烧蚀特性。(3)本发明成本低，工作效率高，便于应用。本发明可独立使用以研究超高温陶瓷材料在不同温度下的高温氧化烧蚀特性，也可作为关键组成部分应用于其它超高温材料性能测试设备中。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述系统的整体结构示意图；
[0024]图2为本发明所述的被测试件示意图；
[0025]图3为本发明所述的数控直线滑台、镜头架和位移传感器三者之间连接方式的俯视图；
[0026]图4为本发明所述系统所测得的时间一温度一位置测量曲线；
[0027]上述图中:Z轴升降台1、底板2、比色高温计主机3、比色高温计镜头4、电极平台
5、电极组6、数控直线滑台7、被测试件8、电源9、步进控制驱动器10、计算机11、镜头架12、位移传感器13、数据采集卡14。
【具体实施方式】
[0028]下面通过附图与实施例对本发明进一步说明。
[0029]实施例
[0030]本实施例所涉及的一种基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统，基于电阻加热原理，对导电的超高温陶瓷试件直接通电加热得到超高温度，并针对超高温的被测试件进行实时动态温度场测量，该系统整体装配关系如图1所示:
[0031]Z轴升降台I固定在底板2的一端，其固定位置需结合比色高温计主机3的安装位置以及比色高温计镜头4的测距范围来确定；
[0032]电极平台5中间部位开有四个通孔，通孔相对位置与Z轴升降台I上表面的固定孔相匹配，通过螺丝将电极平台5固定在Z轴升降台I上并保证随Z轴升降台一起升降；
[0033]电极组6采用导电、耐高温且强度较好的钨铜材料制成，电极组为一对，每对由上、下两个电极组成，两个下电极分别通过绝缘连接件对称固定在电极平台5两侧的螺纹孔上，安装方向与数控直线滑台7的运动方向一致，并根据被测试件8的夹持位置平行微调两个下电极的固定位置以保证比色高温计镜头4聚焦在被测试件8上，两个上电极通过耐高温的紧固螺丝与对应的下电极装配，通过调节紧固螺丝以调节电极对被测试件8的夹紧程度，两个下电极的另一端分别通过导线连接到直流电源9的正负极上；
[0034]电极组6、被测试件8、电源9以及导线组成串联电路，电源9的输出采用电流控制，根据焦耳定律:
[0035]Q = I2Rt,其中，Q为试件产生的热量，I为电流强度，R为试件电阻值，t为通电时间；
[0036]可知，通电即可对被测试件8进行加热；
[0037]被测试件8通过线切割加工成特殊形状，如图2所示，可起到充分利用电流以及保护电极的效果，由电阻定律:
[0038]R=P L/A，其中，P为被测材料的电阻率，L为试件长度，A为试件横截面积；
[0039]由上述公式可知，被测试件8中间段采用细长形，增加长度且减小截面积可使阻值大大增加，有助于营造超高温度，两端夹持部位宽度适当增加，减小电阻从而降低发热程度，保护电极，本实施例中两端夹持部位宽度为中间段宽度的5倍；
[0040]本实施例中的配有步进电机的数控直线滑台7采用日本SUS公司生产的产品XAM-411，数控直线滑台7固定在底板2的另一端，通过步进控制驱动器10与计算机11连接，通过计算机11内相应的驱动程序，驱动固定在数控直线滑台7滑块上的镜头架12按照用户自定义的运动规律而运动，实现温度测量点沿被测试件8长度方向循环往复扫描，通过调节Z轴升降台的高度，调整温度测量点在被测试件8厚度方向的位置；
[0041]如图3所示，镜头架12固定在数控直线滑台7的滑块上且同时连接比色高温计镜头4和位移传感器13的滑块，在步进电机的驱动下，镜头架12带动比色高温计镜头4以及位移传感器13的滑块一起运动，保证任意时刻位移传感器13的滑块与比色高温计镜头4具有相同的位移，实现通过位移传感器13实时记录高温计镜头4的位移数据；
[0042]本实施例中，比色高温计采用LumaSense科技公司的测温仪产品MPAC-1SR-12，比色高温计镜头4通过光纤与比色高温计主机3相连，以实时测量比色高温计镜头4所在位置处被测试件8对应的温度；
[0043]数据采集卡14的输出端口连接至计算机11，输入端口同时接收位移传感器13和比色高温计主机3的输出信号以保证某一时刻下位移数据和温度数据相匹配，并将汇总后的数据传输至计算机11，在计算机11中通过相应的程序对时间、位移和温度的测量数据进行数据处理，得到任意时间段内被测试件8沿长度方向的温度分布，如图4所示，该图曲线波动处明显反应出表面氧化对于温度测量产生的影响，此外温度越高对应曲线波动越剧烈，对波动机理及程度进行分析可进一步反应出超高温陶瓷材料的高温氧化特性。
[0044]本发明的技术方案不仅局限于上述实施例，具体实施时，测温系统中的位移传感器可采用滑块型，也可采用拉杆型，只需要对镜头架做以相应的改装即可完成装配，应属于等同变换而归入本发明保护范围之内。
[0045]具体实施时，本发明可独立使用以研究超高温陶瓷材料在不同温度下的高温氧化烧蚀特性，也可作为关键组成部分应用于其它超高温测试设备中。
【权利要求】
1.一种基于电加热的超高温陶瓷材料温度场测量系统，其特征是，由加热部分和温度场测量部分构成，其中加热部分包括Z轴升降台、电极平台、电极组、被测试件和电源；温度场测量部分包括配有独立镜头的比色高温计、镜头架、步进电机侧置安装的数控直线滑台、步进控制驱动器、位移传感器、数据采集卡、底板和计算机； 上述加热部分中: 所述Z轴升降台固定在底板的一端，结合比色高温计主机的安装位置以及比色高温计镜头的测距范围以确定Z轴升降台合适的固定位置； 所述电极平台中间部位开有四个通孔，通孔的相对位置与Z轴升降台上表面的固定孔相匹配，以保证电极平台能够固定在Z轴升降台上并随Z轴升降台一起升降，进而起到向电极平台上的其它部件传递升降高度的作用，电极平台两侧分布有密排的螺纹孔，起到固定其它零件和微调零件位置的作用； 所述电极组采用导电、耐高温且强度较好的材料制成，电极组为一对，每对由上、下两个电极组成，下电极较长以保证外端部连接的通电导线受被测试件超高温度的影响较小，保证电极组与数控直线滑台运动方向平行，下电极通过绝缘连接件固定在电极平台上，通过微调固定位置保证比色高温计镜头对焦在被测试件上，上下电极的试件夹持端分别开有对应的通孔和螺纹孔，通过耐高温的紧固螺丝装配以夹紧被测试件，两个下电极的另一端分别通过导线连接到电源的正负极上； 所述电源输出采用 电流控制，电源、导线、电极和试件组成串联电路，根据焦耳定律: Q = I2Rt，其中，Q为被测试件产生的热量，I为电流强度，R为被测试件电阻值，t为通电时间； 通电即可对被测试件进行加热； 所述被测试件加工成特殊形状，可起到充分利用电流和保护电极的效果，由电阻定律: R=P L/A，其中，P为被测材料的电阻率，L为试件长度，A为试件横截面积； 试件中间段采用细长形，增加长度且减小截面积可使阻值大大增加，有助于营造超高温度，两端夹持部位适当增加宽度，减小电阻从而降低发热程度，保护电极。 上述温度场测量部分中: 所述配有步进电机的数控直线滑台固定在底板的另一端，通过步进控制驱动器与计算机连接，通过计算机内相应的驱动程序，驱动固定在数控直线滑台滑块上的镜头架按照用户自定义的运动规律运动，实现温度测量点在被测试件长度方向上循环往复扫描，通过调节Z轴升降台的升降高度，调整温度测量点在被测试件厚度方向上的位置； 所述镜头架固定在数控直线滑台的滑块上，具备连接比色高温计镜头和位移传感器滑块的功能，在步进电机的驱动下，同时带动比色高温计镜头以及位移传感器滑块一起运动，可保证任意时刻位移传感器滑块与比色高温计镜头具有相同的位移，以实现通过位移传感器实时记录高温计镜头的位移数据； 所述比色高温计镜头通过光纤与高温计主机相连，实时测量比色高温计镜头所在位置处被测试件对应的温度； 所述数据采集卡的输出端口连接至计算机，输入端口同时接收位移传感器和比色高温计主机的输出信号以保证某一时刻下的位移数据和温度数据相匹配，并将汇总后的数据传输至计算机，在计算机中通过相应的程序对时间、位移和温度的测量数据进行数据处理，得到温度分布曲线。 本发明可独立使用以研究超高温陶瓷材料在不同温度下的高温氧化烧蚀特性，也可作为关键组成部分应用 于其它超高温材料性能测试设备中。
【文档编号】G01N25/20GK104019909SQ201410273373
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】周子源, 魏榛, 彭向和, 杨昌棋, 马树明, 王新筑 申请人:重庆大学