专利名称：基于复合材料的无冷却式高温传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于高温测量用的温度传感器，涉及一种适用于2100K以下高温气流温度测量的基于复合材料的无冷却式高温传感器，属于温度测试领域。
背景技术：
目前，在工业各领域，经常会遇到高温(一般指1300K以上)测量的问题。测量高温气流温度所用的传感器，一般采用水冷式或气冷式，所能测量的最高温度为2000K。由于 外壳进行冷却保护，根部温度低，所以温度传感器的测量误差很大，而目前在航空领域少量使用的无冷却式高温传感器，由于外壳多采用SiC或A1203陶瓷，材质脆，抗热冲击性能差，容易碎裂，影响了其使用性能与寿命。此外，今后所涉及的测量温度将越来越高，有些被测气流温度目前已达到2100K，缺乏有效的准确的测温手段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中高温传感器测量误差大、且外壳容易碎裂的问题，提出了一种基于复合材料的无冷却式高温传感器。本发明的目的是通过下述技术解决方案实现的本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头。外壳为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝的裸露部分和进气；热电偶丝穿入绝缘瓷管后，装入外壳，由于热电偶丝与绝缘瓷管长于外壳，装入后仍有一部分露在外壳之外，在绝缘瓷管和外壳之间填充用于固定和密封的高温水泥，高温水泥的填充深度不小于5mm ;安装法兰外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳的大、小外径相匹配，装好热电偶丝和绝缘瓷管的外壳穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳与安装法兰之间的定位；堵头为中空的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头与安装法兰之间用螺纹连接，在堵头与安装法兰旋紧的过程中，逐渐将外壳压紧，从而使外壳和法兰固定在一起，同时堵头将热电偶丝和绝缘瓷管的露出外壳部分包覆其中。高温传感器的外壳(全部或部分)采用C/SiC复合材料，首先用C纤维编织出所需形状的骨架，然后在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成，之后，在烧结炉中对外壳进行烧结，烧结温度为1770K 1870K。对于壁厚在2_以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯|吴清除。高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。裸露式结构即热电偶丝头部直接暴露在被测环境中；单屏蔽式结构即将热电偶丝头部封闭在保护外壳内，在靠近保护外壳盲端的侧面设计有进气孔，用于进气，而在稍远离外壳盲端的侧面设计有用于出气的出气孔；半屏蔽式结构介于裸露式和单屏蔽式结构之间，热电偶丝有一半裸露，一半屏蔽。当要求测量整个温度场时，设计成多测点的型式，否则，可设计成单测点的型式；当要求传感器的响应时间在毫秒量级时，头部采用裸露式结构，否则，应采用单屏蔽式或半屏蔽式结构。对于单屏蔽式结构的高温传感器，进气孔和出气孔的面积之比为I 6，孔加工所采用的钻头为金刚石钻头。高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。当要求测量整个温度场时，设计成多测点的型式，否则，可设计成单测点的型式；当要求传感器的响应时间在毫秒量级时，头部采用裸露式结构，否则，应采用单屏蔽式或半屏蔽式结构。对于单屏蔽式结构的高温传感器，进气孔和出气孔的面积之比为I 6，孔加工所采用的钻头为金刚石钻头。绝缘瓷管的材料按以下方法选取当被测温度在1900K以下时，选用A1203、Mg0或BeO,当被测温度在1900K 2100K之间时，采用MgO或BeO。当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用钼铑30-钼铑6、钼铑40-钼铑20或
其它钼铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K 2100K之间时，偶丝材料选用钼铑40-钼铑20或铱铑系贵金属偶丝。 堵头与安装法兰采用高温合金或不锈钢材料。热电偶偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。对于单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管的顶端相切。有益效果I、本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，由于采用了无冷却式复合材料外壳，较之水冷式和气冷式结构，外壳根部温度高，因而在测温时传感器的导热误差小，所以总的测温误差也小。2、本发明的基于复合材料的无冷却式高温传感器，由于外壳采用了纤维增韧的复合材料，增加了外壳材料的连续性，所以温度传感器的使用性能与寿命均得到提高。
图I是本发明的结构示意图；图2是外壳的结构示意图；图3是安装法兰的结构示意图；图4是裸露式高温传感器的头部结构示意图；图5是单屏蔽式高温传感器的头部结构示意图；图6是半屏蔽式高温传感器的头部结构示意图。其中，I-热电偶丝、2-绝缘瓷管、3-外壳、4-安装法兰、5-堵头。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。实施例I基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝I、绝缘瓷管2、外壳3、安装法兰4与堵头5 ;所述外壳3采用C/SiC复合材料，外壳3的制备方法如下
步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架；步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳3基本结构的生成；步骤三、在烧结炉中对步骤二所的的外壳3基本结构进行烧结在烧结炉中对步骤二所述的外壳3基本结构进行烧结，烧结温度为1850K。闻温传感器的连接关系为外壳3为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳3侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝I的裸露部分和进气；热电偶丝I穿入绝缘瓷管2后，装入外壳3，由于热电偶丝I与绝缘瓷管2长于外壳3，装入后仍有一部分露在外壳3之外，在绝缘瓷管2和外壳3之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5_ ;安装法兰4外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳3的大、小外径相匹配，装好热电偶丝I和绝缘瓷管2的外壳3穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳3与安装法兰4之间的定位；堵头5为中空 的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头5与安装法兰4之间用螺纹连接，在堵头5与安装法兰4旋紧的过程中，逐渐将外壳3压紧，从而使外壳3和法兰固定在一起，同时堵头5将热电偶丝I和绝缘瓷管2的露出外壳3部分包覆其中。高温传感器采用外壳3无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。绝缘瓷管2的材料按以下方法选取当被测温度在1900K以下时，选用A1203、Mg0或BeO，当被测温度在1900K 2100K之间时，采用MgO或BeO。的偶丝材料按以下方法选取当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用钼铑30-钼铑6、钼铑40-钼铑20或其它钼铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K 2100K之间时，偶丝材料选用钼铑40-钼铑20或铱铑系贵金属偶丝。堵头5与安装法兰4采用高温合金或不锈钢材料。所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管2的顶端相切。实施例2基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝I、绝缘瓷管2、外壳3、安装法兰4与堵头5 ;所述外壳3采用C/SiC复合材料，外壳3的制备方法如下步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架；步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳3基本结构的生成；步骤三、在烧结炉中对步骤二所的的外壳3基本结构进行烧结，烧结温度为1800K。对于壁厚在2_以下的薄壁空心外壳3，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。闻温传感器的连接关系为外壳3为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳3侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝I的裸露部分和进气；热电偶丝I穿入绝缘瓷管2后，装入外壳3，由于热电偶丝I与绝缘瓷管2长于外壳3，装入后仍有一部分露在外壳3之外，在绝缘瓷管2和外壳3之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5mm;安装法兰4外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳3的大、小外径相匹配，装好热电偶丝I和绝缘瓷管2的外壳3穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳3与安装法兰4之间的定位；堵头5为中空的圆柱体，其外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头5与安装法兰4之间用螺纹连接，在堵头5与安装法兰4旋紧的过程中，逐渐将外壳3压紧，从而使外壳3和法兰固定在一起，同时堵头5将热电偶丝I和绝缘瓷管2的露出外壳3部分包覆其中。高温传感器采用外壳3无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。绝缘瓷管2的材料按以下方法选取当 被测温度在1900K以下时，选用A1203、Mg0或BeO，当被测温度在1900K 2100K之间时，采用MgO或BeO。的偶丝材料按以下方法选取当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用钼铑30-钼铑6、钼铑40-钼铑20或其它钼铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K 2100K之间时，偶丝材料选用钼铑40-钼铑20或铱铑系贵金属偶丝。堵头5与安装法兰4采用高温合金或不锈钢材料。所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管2的顶端相切。
权利要求
1.基于复合材料的无冷却式高温传感器，包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头；其特征在于所述外壳采用C/SiC复合材料，外壳的制备方法如下， 步骤一、用C纤维编织出所需形状的骨架，得到C纤维骨架； 步骤二、在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成； 步骤三、在烧结炉中对步骤二所述的外壳基本结构进行烧结，烧结温度为1770K 1870K。
2.如权利要求I所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于对于壁厚在2_以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯|吴清除。
3.如权利要求I或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于外壳为一头盲端的中空结构，在非盲端设计有台阶，外壳侧面设计有一排小孔，用于保护热电偶丝的裸露部分和进气；热电偶丝穿入绝缘瓷管后，装入外壳，由于热电偶丝与绝缘瓷管长于外壳，装入后仍有一部分露在外壳之外，在绝缘瓷管和外壳之间填充高温水泥，用于固定和密封，高温水泥的填充深度不小于5_;安装法兰外形为圆柱体，设计有以其轴线为中心的台阶孔，小孔为光孔，大孔为螺纹孔，台阶孔的大、小内径分别与外壳的大、小外径相匹配，装好热电偶丝和绝缘瓷管的外壳穿入台阶孔，依靠台阶实现外壳与安装法兰之间的定位；堵头为中空的圆柱体，外圆面设计有外螺纹，外螺纹的尺寸与法兰的内螺纹相匹配，堵头与安装法兰之间用螺纹连接，在堵头与安装法兰旋紧的过程中，逐渐将外壳压紧，从而使外壳和法兰固定在一起，同时堵头将热电偶丝和绝缘瓷管的露出外壳部分包覆其中。
4.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于高温传感器采用外壳无冷却的结构，传感器可设计成单测点或多测点的型式，头部可设计成裸露式、单屏蔽式或半屏蔽式结构。
5.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于堵头与安装法兰采用高温合金或不锈钢材料。
6.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于所述偶丝伸出瓷管部分长度与偶丝直径的比值不小于10。
7.如权利要求3所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于所述单屏蔽式结构的高温传感器，出气孔下端与绝缘瓷管的顶端相切。
8.如权利要求I或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于所述绝缘瓷管的材料按以下方法选取当被测温度在1900K以下时，选用Al203、Mg0或BeO，当被测温度在1900K 2100K之间时，采用MgO或BeO。
9.如权利要求I或2所述的基于复合材料的无冷却式高温传感器，其特征在于所述的偶丝材料按以下方法选取当被测温度在2000K以下时，偶丝材料选用钼铑30-钼铑6、钼铑40-钼铑20或其它钼铑系、铱铑系贵金属偶丝，当被测温度在2000K 2100K之间时，偶丝材料选用钼铑40-钼铑20或铱铑系贵金属偶丝。
全文摘要
本发明属于高温测量用的温度传感器，涉及一种适用于2100K以下高温气流温度测量的基于复合材料的无冷却式高温传感器，属于温度测试领域。包括热电偶丝、绝缘瓷管、外壳、安装法兰与堵头。外壳(全部或部分)采用C/SiC复合材料，首先用C纤维编织出所需形状的骨架，然后在C纤维骨架上用化学气相沉积或化学液相沉积的方式生长出SiC，完成外壳基本结构的生成，之后，在烧结炉中对外壳进行烧结，烧结温度为1770K～1870K。对于壁厚在2mm以下的薄壁空心外壳，编织时需要用石墨做芯模，将C纤维编织在石墨芯模上，待SiC生长完成后将石墨芯模清除。本发明减小了测温误差，增加了外壳材料的连续性，所以温度传感器的使用性能与寿命均得到提高。
文档编号G01K7/04GK102944320SQ20121050534
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者赵俭, 杨永军, 王毅 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所