热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究

发布时间:2022-03-15     浏览次数:
[摘要]采用R型铂铑合金热电偶的方法测量硅系延期药的燃烧温度,模拟单芯延期体的燃烧状况,将延期药以2.40g/cm³的压药密度,分次均匀压人厚壁钢管中。在热量积累最多的区域内,实验测得硅系延期药的最高燃烧温度为1583℃。燃烧热有很大部分传递给外壳等物质而散失掉,35ms后测出的温度较低。
  本研究采用自制贵金属热电偶,模拟单芯延期体的作用形式,研究测量硅系延期药燃烧温度的方法。研究结果为测量延期药剂燃烧性能提供--种新的参考,有助于完善硅系延期药的燃烧理论,提高延期雷管的精度。
1实验系统
  本实验系统由两大部分组成。实验样品:用于模拟单芯延期体的钢管、硅系延期药;测温系统:贵金属热电偶、电荷放大器、起爆器及用于固定实验系统的实验平台。
1.1测温系统
1.1.1热电偶及选型依据
  热电偶是指以热电效应理论为基础的测量温度的传感器,其测试原理如图1。将两种不同金属导体的两端焊接在一起,与电荷放大器组成一个完整的闭合回路,当两焊接点温度与室温产生温差时,在两种导体组成的热电偶回路中就会产生电动势和热电流;两个接点,一个作为工作端或称为热端(T),另一个作为自由端或称为冷端(T0)。回路中产生的电动势称为热电势,由接触电势和温差电势组成,主要以接触电势为主。使用测量仪表配合热电偶,测出其回路中的热电动势,即可得到被测对象的温度。
热电偶测试原理图 
  实验中选取高响应频率、高温适用型贵金属热电偶,如铂铑合金型。根据偶丝成分及适用范围分为3种类型,如表1所示。
 
  R型热电偶电动势较大,抗氧化性能更好,较S型使用温度高,使用寿命更长,较B型热电偶灵敏度高。因此综合考虑,本次实验选取R型热电偶。采用氩弧焊将正负极偶丝--端焊在一起,应尽量使正负极偶丝接触良好,以降低测量误差。
1.1.2电荷放大器
  实验选取多通道电荷放大器,电荷灵敏度为0.01~1000mV/pC,频率范围为1Hz~200kHz,输人最大电荷量±105pC,输出±10V、5mA.,精度误差+1.5%,噪声≤5μV。
1.2实验样品
  本实验选取硅系延期药为实验药剂,用厚壁钢管模拟单芯延期体,钢管的尺寸为:外径φ13mm,内径φ3mm,长40mm,侧面中间位置有一对φ1mm的通孔,用于置人热电偶丝。
  采用分段压制法装药,分4次压人药剂,控制每次压药密度均为2.40g/cm³。压制完成后总药高36mm,总装药量610mg。
2实验步骤
1)用专用钢针将压制好的实验样品在侧面通孔处穿透,将热电偶埋人延期样品,并保证热电偶两极焊接处位于延期药柱的中央位置;
2)设置存储记录仪的参数,接人补偿导线,将实验样品固定在实验平台.上,此时系统示意图如图2;
 
3)用电容式充电发爆器接点火铜丝,以脉冲电火花的能量形式从--端引燃延期药;
4)存储数据,进行数据分析;
5)对相同的实验样品进行二次测量。.
3实验结果及分析
3.1实验结果
  将数据用软件处理后,得出延期药燃烧温度随时间的变化曲线,如图3。对相同延期药做2次实验,得出温度-时间曲线大致相似。
 
  对存储仪记录的数据图形进行放大,数据显示:延期药燃烧温度_上升阶段为9~35ms,测出的最高温度为1583℃,从35ms开始测得的温度持续下降,至100ms左右,温度降至50℃。图中可以明显看出,延期药燃烧过程升温速率大于降温速率,这是延期药燃烧过程中,热量积累与传递的必然结果。
3.2结果分析
  延期药的反应属于固相反应,随着时间的变化,延期药柱中同一点的状态发生变化,依次可以归人预热区(图3中1部分)、凝固相分解反应区(图3中2部分)、气相燃烧反应区(图3中3部分)和燃烧产物区(图3中4部分)。当延期药柱一端接.受外来给予的能量时,表层一部分的延期药温度逐渐升高至分解温度,此时也有部分低熔点组分发生气化现象,延期药开始分解、气化,生成氧化剂成分,并在气相状态下与还原剂在燃烧表面的周围一定范围内,发生剧烈的化学反应,同时一部分热量向未燃烧的区域传递,层层推进延期药燃烧的进程,一部分热量随燃烧产物向已燃烧的区域扩散,在热量积累最多的区域,达到最高的燃烧温度。
  将延期药燃烧升温过程的曲线进行拟合得到图4。可以看出在温度--时间曲线上15ms处有较小波峰出现,说明在该时刻发生了较强的放热反应,此时对应温度为381℃,而氧化剂Pb3O4的分解温度约在550℃,因此,可以用预点火反应机理解释这一现象。
 
  固体相在燃烧反应之前存在一个固体组分间的扩散过程,固体组分经加热后温度升高,导致组分中的氧化剂发生晶格“松弛”],一部分氧化剂分解放出氧气,同时--部分还原剂扩散至氧化剂的晶格内反应放出热量。这对应着图3中1部分与2部分的临界状态。在22ms处温度出现另一个较小波峰,对应温度为923℃,可以断定此时该区域的延期药正处于分解反应与气相燃烧的临界状态。
4结论
1)选取适当的热电偶,可以用于直接测量延期药类火工品的燃烧温度,测出的硅系延期药燃烧的最高温度为1583℃。
2)由于延期药燃烧产生的热量只有一小部分用于加热燃烧产物,直观表现为测得的燃烧温度。燃烧热有很大部分传递给与之接触的外壳等物质而散失掉,所以测试出的温度较低。
 
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