一种超高温加热石墨放电特性测试装置的制作方法

1.本发明属于高温加热材料测试领域，具体涉及一种用于测试石墨加热材料在不同气压环境和温度环境下进行放电特性测试的重要装置。


背景技术：

2.石墨具有耐高温性，熔点为3850℃，沸点为4250℃，没有氧气情况下石墨加热棒可以在3000℃稳定工作。在不同温度下，石墨的电阻率变化很小，线膨胀系数小，抗热冲击能力强。其机械强度在2500℃以下随温度的上升而提高，在1700～1800℃时最佳，超过了所有的氧化物和金属。同时，石墨材料熔点高，蒸汽压低，真空炉内的气氛会含有低浓度的碳，将与残存气体中的氧气和水蒸汽分子产生反应，产生净化效果，即使在低真空度下，也能使被处理工件获得光亮的表面状态，大大简化了真空系统，降低了成本，这是任何金属电热体所无法比拟的。且石墨的价格比钨、钼、钽更便宜，以石墨为发热体的石墨加热器，具有极大的经济效益。
3.以石墨为发热体的石墨加热器，广泛应用于冶金、结构热试验等。在结构热试验中，往往要求加热器的辐射热流或试验件升温速率很高，这样加热器必须在高功率、高电压状态下工作。石墨发热体引出导电接头，在热试验过程中如果设计不合理则有可能出现放电现象，特别是使用u形石墨发热体时，电极受到发热体尺寸限制导致间距小，需对不同气压、石墨加热温度时的放电特性进行充分测试，满足石墨发热体安全使用需求。


技术实现要素：

4.1.目的
5.本发明的目的在于提供一种适用于不同气压条件、不同环境气体成分、不同温度与放电电压的石墨放电距离测试装置。
6.2.技术方案
7.本发明目的是通过如下技术方案实现的：
8.一种超高温加热石墨放电特性测试装置，主要由测试容器、石墨试件、石墨加热平台、可移动测距平台、高压充放电设备、气压控制系统、测控系统等组成。石墨加热平台在设定好的气压环境下通过电加热控温方式实现石墨的高温，通过高压充放电设备进行充电，并由可移动测距平台进行放电测试，通过对可移动测距平台的位置测量，实现高温石墨材料的放电特性准确测量。
9.测试容器为1m
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1m
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1m的真空试验箱，选用不锈钢材料制造，内壁布置有水冷盘管，能够带走实验过程中产生的热量。试验箱壁上留有真空抽气法兰接口、补气接口、测温接口、充放电接口及可移动测距平台控制接口等接口。试验箱内壁布置有200mm厚的石墨毡进行隔热。石墨加热平台和可移动测距平台安装在测试容器内。
10.石墨加热平台用于为石墨试件进行加热，采用钨铼热电偶进行测量。通过测控系统的控温仪、调功器、测温热电偶组成闭环控制系统，实现温度在常温至2200℃内的控制。
11.可移动测距平台由电机驱动的移动机构和放电测试结构组成。移动机构可由测控系统控制与石墨加热平台上石墨试件之间的距离，放电测试结构用于与石墨试件产生电弧，放电测试结构为石墨结构，可耐受高温。放电测试结构与移动机构间由绝热绝缘材料连接，避免放电过程损坏执行电机。
12.高压充放电设备的接线通过穿舱法兰进入测试容器内，高压接线与石墨试件相连，低压接线与可移动测距平台的放电测试结构相连。测试时，通过高压充放电设备对石墨试件进行充电，充电按照设备指针由0v～1000v进行调节。充电完成后，通过可移动测距平台缩短放电测试结构与石墨试件间的距离，直至高压充放电设备上电压指针降低，显示放电完成时，记录放电测试结构与石墨试件间的距离，即为放电距离。
13.气压控制系统由真空泵和补气系统组成，可实现测试容器内气压的稳定控制，气压范围由常压至0.01pa。同时，补气系统可与大气或者不同气氛的气瓶相连，实现不同气体氛围的测试。
14.测控系统采用plc进行控制，可实现石墨试件的温度控制、气压控制、放电电压控制、放电距离调节以及数据的显示与记录。
15.3.有益效果：
16.本发明的超高温加热石墨放电特性测试装置具有以下改进效果：
17.(1)适用于气压范围由0.01pa至常压、温度范围由常温至2200℃、放电电压0v～1000v、不同气体氛围的石墨放电特性测量，测试范围较宽；
18.(2)石墨加热平台和可移动测距平台均采用绝热绝缘材料进行处理，防止高压放电过程对设备进行损坏；
19.(3)本发明公开的石墨放电特性测试装置，也可用于其他加热材料的放电特性测试。
附图说明
20.图1为超高温加热石墨放电特性测试装置；
21.图2为测试容器原理图；
22.图3为石墨加热平台示意图；
23.图4为可移动测距平台示意图；
24.其中，1-测试容器；11-测试容器壁；12-水冷套；13-石墨毡；2-石墨加热平台；21-石墨试件；22-石墨电极正极；23-石墨电极负极；24-温度传感器；25-钨螺钉；26-陶瓷绝缘座；27-钨结构支架；28-高压引线正极；3-可移动测距平台；31-石墨电极；32-陶瓷绝缘板；33-石墨螺钉；34-执行电机；35-螺钉；36-执行电机固定支架；37-高压引线负极；38-推杆；4-高压充放电设备；5-气压控制系统；6-测控系统。
具体实施方式
25.以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
26.图1是超高温加热石墨放电特性测试装置原理图，包括：测试容器(1)、石墨加热平
台(2)、可移动测距平台(3)、高压充放电设备(4)、气压控制系统(5)、测控系统(6)。
27.图2是测试容器，包括：测试容器壁(21)、水冷套(22)、石墨毡(23)。测试容器壁为测试提供试验所需的空间，能够耐受1bar真空外压作用，容器漏率优于1
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10-7
pa
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m3/s。容器壁内侧安装有水冷套，能够及时带走测试过程中产生的热量，使容器壁保持常温状态。水冷套内侧有厚度为200mm的优质石墨毡，一方面可避免石墨加热体的温度直接辐射到容器上，防止容器温度快速升高；另一方面起到了保温的作用，确保石墨试件可在较小的功率下升高到所需的测试温度，并进行保持。
28.图3是本发明的石墨加热平台结构示意图，其中加热控温平台包括：石墨试件(21)、石墨电极正极(22)、石墨电极负极(23)、温度传感器(24)、钨螺钉(25)、陶瓷绝缘座(26)、钨结构支架(27)、高压引线正极(28)。其中石墨试件通过直流电通过石墨电极的正负极进行加热，采用耐高温的钨铼热电偶进行温度测量。石墨试件通过金属钨材料的螺钉安装在陶瓷绝缘座上，陶瓷绝缘座与钨结构支架相连，钨结构支架与测试容器固定，确保整个石墨加热平台牢固固定。高压引线正极通过钨螺钉与石墨试件连通，用于放电测试。
29.图4是本发明的可移动测距平台结构示意图，其中可移动测距平台包括：石墨电极(31)、陶瓷绝缘板(32)、石墨螺钉(33)、执行电机(34)、螺钉(35)、执行电机固定支架(36)、高压引线负极(37)、推杆(38)。其中石墨电极通过石墨螺钉固定在绝缘陶瓷板上，绝缘陶瓷板通过普通金属螺钉与执行电机的推杆安装面固定，整个可移动测距平台通过执行电机固定支架与测试容器固定。石墨电极上引出有高压引线负极，用于进行放电测试。
30.放电测试时，首先通过真空抽气系统将测试容器内的空气抽除，使测试容器内的压力低于1pa，再利用补气系统进行试验气氛等冲入，经过5次循环，以提高试验气氛的浓度。当气压达到测试目标值p后，通过石墨加热平台加热石墨试件至目标温度t，停止加热。通过高压充放电设备为高压引线正极充电，电压达到目标值u后停止充电，启动可移动测距平台，由执行电机驱动推杆移动，缩短石墨电极与石墨试件的距离，观察高压充放电设备电容电压，当电容电压迅速降低时，认为完成了放电过程，记录此时执行电机行进的距离l1，对比初始状态石墨电极与石墨试件的距离l0，即可得到特定气氛环境、气压值p、石墨温度t、放电电压u时的石墨放电距离l＝l0-l1。测试过程通过测控系统进行操作和记录。
31.尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。