密閉空間爆炸溫度測試方法研究

李芝絨，王勝強，茍兵旺

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065)

溫壓彈藥與高能炸藥相比，爆炸后除了產(chǎn)生急劇的高壓效應(yīng)外，還產(chǎn)生持續(xù)時間很長的特高溫效應(yīng)，在有限空間對軟目標(biāo)產(chǎn)生大的殺傷效果。因此在溫壓彈藥的研制、生產(chǎn)過程中，需要對有限空間內(nèi)溫壓彈藥爆炸溫度進(jìn)行測試與評估。目前用于爆炸場溫度測試的方法有非接觸法和接觸法[1]，非接觸法是根據(jù)熱輻射測溫原理測量爆炸溫度，如郭學(xué)永等[2]運用紅外熱成像儀對溫壓藥劑和 TNT爆炸火球的表面溫度進(jìn)行測量，張維克[3]運用瞬態(tài)多譜線測溫儀測量爆炸場溫度。由于非接觸法測量的是爆炸火球的表面溫度，不能反映爆炸火球內(nèi)部的溫度分布情況，因此在溫壓彈藥爆炸試驗中也采用接觸測溫法，使用熱電偶傳感器獲取測量點爆炸效應(yīng)溫度。在爆炸場近場區(qū)域的爆炸火球爆炸沖擊波超壓比較大，置于其中的熱電偶會受到比較大的沖擊波作用力，因此在以接觸法測量爆炸火球內(nèi)部溫度效應(yīng)時，熱電偶傳感器要有一定的結(jié)構(gòu)強度。鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)堅固，耐壓、耐沖擊能力強，能夠滿足爆炸場高壓環(huán)境。但是由于鎧裝型熱電偶偶結(jié)外部有保護(hù)套，爆炸熱首先與熱電偶的保護(hù)套進(jìn)行熱交換，然后才通過保護(hù)套與熱電偶偶結(jié)進(jìn)行熱交換，響應(yīng)時間長，一般是秒級以上。而溫壓彈藥爆炸場爆炸火球持續(xù)時間為百毫秒量級，使用鎧裝型熱電偶將產(chǎn)生大的測量誤差。裸露型熱電偶偶結(jié)暴露于傳感器結(jié)構(gòu)的外部，響應(yīng)時間短，能夠滿足快速響應(yīng)的要求，但是裸露的熱電偶絲易于被沖擊波超壓損壞?；谝陨显颍壳霸跍貕簭椝幈ㄔ囼灉y試中，還沒有適合的爆炸溫度測量方法，急需解決爆炸火球內(nèi)溫度測量問題。

本文以溫壓藥劑在爆炸罐內(nèi)的試驗為例，研究適用于溫壓炸藥內(nèi)爆炸環(huán)境的測溫方法。

1 耐沖擊快速響應(yīng)熱電偶設(shè)計

1.1 熱電極材料

溫壓藥劑是負(fù)氧平衡炸藥，爆炸后產(chǎn)生陡峭上升的沖擊波超壓，爆炸產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物膨脹，向周圍環(huán)境飛散，與環(huán)境空氣湍流混合，產(chǎn)生后燃效應(yīng)，釋放大量的熱量。在爆炸火球內(nèi)，沖擊波超壓高達(dá)十幾兆帕以上，最高溫度達(dá)到2 000～3 000K，持續(xù)時間約百毫秒。

根據(jù)以上爆炸環(huán)境工況，需要的熱電偶熱電極材料測溫范圍大，偶絲的結(jié)構(gòu)強度高 ，在沖擊波超壓作用下不能被損壞。

目前市場上熱電極材料[4]主要有3種類型：普通金屬、貴金屬、難熔金屬。普通型金屬測量范圍小，貴金屬價格比較昂貴。經(jīng)過分析比較，在金屬材料中難熔金屬鎢錸熱電偶測溫范圍最大，結(jié)構(gòu)強度高，價格也便宜，能夠滿足溫壓炸藥爆炸環(huán)境溫度測試要求。

鎢錸熱電偶測溫范圍達(dá)2 800℃，熔點是3 300℃，強度是160MPa，硬度是900HV，在非氧化性氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好，電動勢大，靈敏度高。其缺點是只適用于中性或還原性氣氛，在氧化氣氛下極易氧化，導(dǎo)致熱電極材料性能發(fā)生變化。而溫壓炸藥爆炸火球持續(xù)時間為百毫秒量級，熱電極的氧化還原反應(yīng)還沒有完成時，測量工作已經(jīng)完成。因此在溫壓炸藥爆炸場可以不考慮鎢錸熱電偶性能缺陷對測試結(jié)果的影響。

1.2 熱電偶結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

設(shè)計的熱電偶結(jié)構(gòu)如圖1所示，是裸露型結(jié)構(gòu)。主要由殼體、導(dǎo)線、連接器、壓螺、密封膠、熱電偶絲組成。熱電偶絲是經(jīng)過硬化處理的 WRe5/26材料制作，直徑為φ0.2mm。密封膠是由氧化銅和磷酸配制成的無機粘結(jié)膠[5]，這種粘結(jié)膠的特點是粘結(jié)強度高，固化后耐沖擊性能強，耐高溫性能比較好。

制作熱電偶時，首先將連接器一端連接熱電偶絲，另一端連接導(dǎo)線，然后將連接器置于外殼內(nèi)部。外殼內(nèi)部填充密封膠，將連接器和熱電偶絲包裹。待到密封膠固化后，焊接熱電偶偶絲。最后重新配置密封膠，在伸出熱電偶絲的外殼的端部，除偶絲露出部分外，均由密封膠構(gòu)成的圓錐形結(jié)構(gòu)包裹。

圖1 熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of thermocouple

熱電偶的焊接采用電弧放電焊接方法，以鉀合金作為與偶結(jié)產(chǎn)生電弧放電的導(dǎo)體。鉀合金在常溫下是液態(tài)，其導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能比較好。

熱電偶焊接裝置組成如圖2所示，主要包括：變壓器、鉀合金、玻璃器皿、導(dǎo)線等。

圖2 熱電偶焊接裝置組成Fig.2 The welding device of thermocouples

2 熱電偶特性分析與測量

2.1 熱電偶抗沖擊波作用特性分析

以爆炸罐試驗工況為例，熱電偶安裝于爆炸罐罐體上，偶絲指向罐體的幾何中心。炸藥懸掛到爆炸罐幾何中心。炸藥爆炸后沖擊波向四周傳播，當(dāng)遇到偶絲伸出端面時產(chǎn)生反射。沖擊波在熱電偶絲伸出端面上的反射原理如圖3所示。

圖3 沖擊波的平面反射Fig.3 Reflection plane of blast wave

入射沖擊波以角度θ入射剛性平面，在剛性平面產(chǎn)生反射，反射沖擊波沿與剛性平面夾角θ1方向反射。假定沖擊波是在理想氣體中傳播，根據(jù)流體動力學(xué)的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，得到反射沖擊波壓力△pf與入射沖擊波壓力△pr之間的關(guān)系[6]為：

式（1）中：γ為空氣的絕熱指數(shù)；p0為剛性平面的初始壓力。

由于剛性平面的初始壓力p0遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射沖擊波壓力△pr，因此公式（1）可以表示為:

當(dāng)空氣絕熱指數(shù)γ取1.4時，公式（2）可表示為：

按照公式（3），當(dāng)沖擊波入射角θ為0°時，沖擊波在剛性平面發(fā)生正反射，沖擊波反射壓力△pf等于沖擊波入射壓力△pr的8倍；當(dāng)沖擊波入射角θ為90°時，沖擊波沿剛性平面的表面滑移，沖擊波反射壓力△pf等于沖擊波入射壓力△pr的2倍；當(dāng)沖擊波入射角θ為0°～90°之間的值時，沖擊波在剛性平面發(fā)生斜反射，沖擊波反射壓力△pf等于2～8倍沖擊波入射壓力△pr。

以熱電偶在爆炸罐安裝形式為例，如果熱電偶偶絲伸出端面是平面，爆炸沖擊波穿過熱電偶偶結(jié)，在熱電偶絲伸出端面產(chǎn)生正反射，反射沖擊波沿入射方向返回，并作用到熱電偶偶結(jié)上，此時，反射沖擊波壓力是入射沖擊波壓力的8倍，熱電偶偶結(jié)即使在入射沖擊波的作用下不損壞，也可能在等于8倍入射壓力的反射沖擊波作用下?lián)p壞。如果熱電偶絲伸出端面是斜面，沖擊波在熱電偶伸出端面產(chǎn)生斜反射，反射沖擊波壓力等于2～8倍入射沖擊波壓力之間的值，同時反射沖擊波的方向偏離熱電偶的中心軸線，向四周發(fā)散，熱電偶偶結(jié)基本不受到反射沖擊波的作用，偶結(jié)損壞的可能性變小。

2.2 熱電偶動態(tài)性能分析與時間常數(shù)計算

熱電偶時間常數(shù)是影響熱電偶測溫精度的主要因素，是熱電偶動態(tài)性能的重要指標(biāo)。熱電偶的時間常數(shù)是根據(jù)物體的導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)出的。在忽略物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻的情況下，可按照集總參數(shù)法表示物體溫度隨時間變化的關(guān)系[7]。設(shè)物體的體積為V，表面積為A，具有均勻的初始溫度T0。在初始時刻物體突然置于溫度恒為Tg的流體中，設(shè)T0＜Tg。假定物體與流體間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h及物體的物性參數(shù)均保持不變。則物體的導(dǎo)熱微分方程為：

式（4）中:ρ、c分別為物體的密度和熱容。

令

則公式（4）可表示為：

對公式（5）分離變量，得到：

將公式（6）對τ積分，得到：

給公式（8）等式兩邊減1，得到

因此，用熱電偶測量流體溫度，熱電偶的時間常數(shù)反映了熱電偶對流體溫度變化響應(yīng)的快慢，時間常數(shù)越小，熱電偶越能迅速響應(yīng)流體的溫度變化。

根據(jù)時間常數(shù)計算公式，熱電偶的時間常數(shù)與熱電偶偶結(jié)的密度、熱容、幾何尺寸、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有關(guān)。熱電偶偶結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與努塞爾數(shù)Nu、雷諾數(shù)Re有關(guān)，這幾個參量之間的關(guān)系為：

本研究熱電偶偶絲直徑為φ0.2mm，爆炸場氣流速度v為200m/s，氣流運動粘度ν為480×10-6m2/s，代入公式（11），得到雷諾數(shù)Re= 83。鎢錸熱電偶的普朗特數(shù)Pr為0.51，將各相關(guān)參量值代入公式（10），得到努塞爾數(shù)Nu= 4.83。

鎢錸熱電偶偶節(jié)的平均密度ρ為 19.5×103kg/m3，熱容c為 131 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)λ為 160 W/(m·K)，代入公式（9），得到熱電偶偶節(jié)表面?zhèn)鳠嵯礹=3.62×106。將相關(guān)參量量值代入熱電偶時間常數(shù)計算公式，得到熱電偶的時間常數(shù)τ= 0.28ms 。

2.3 熱電偶動態(tài)性能實驗

由于影響熱電偶的動態(tài)特性的因素比較多，在熱電偶傳感器設(shè)計中，除了分析熱電偶的動態(tài)特性，以及計算熱電偶時間常數(shù)外，還需要用實驗的方法動態(tài)標(biāo)定熱電偶的時間常數(shù)。實驗的方法是給熱電偶周圍氣流一個熱階躍，記錄熱電偶輸出的響應(yīng)信號，取幅值的0.632處對應(yīng)的時間為熱電偶的時間常數(shù)。

本研究采用沸水法[1]測量熱電偶的時間常數(shù)。實驗裝置包括酒精燈、支架、燒杯、水等。首先將裝滿水的燒杯放到支架平臺上，點燃酒精燈，加熱燒杯中的水至沸騰。連接熱電偶、電壓放大器、數(shù)采系統(tǒng)，準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)。燒杯中的水沸騰后，熄滅酒精燈。將熱電偶快速插入熱水中，采集熱電偶受熱后輸出的溫度信號，對采集數(shù)據(jù)處理，得到熱電偶的時間常數(shù)。表 1是3只熱電偶時間常數(shù)測試結(jié)果。

表1 熱電偶時間常數(shù)測量結(jié)果Tab.1 The time constant data of thermocouple

觀察表1中的測量數(shù)據(jù)可見，3只熱電偶5次測量結(jié)果的平均值各不相同，分析認(rèn)為可能是由3只熱電偶偶結(jié)尺寸不同引起。偶節(jié)尺寸大小影響雷諾數(shù)、努塞爾數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，偶節(jié)尺寸越大，時間常數(shù)越大。在熱電偶焊接中，影響熱電偶偶結(jié)尺寸的因素很多，一般不容易控制偶結(jié)尺寸，因此今后還需要進(jìn)一步研究熱電偶的制作工藝，解決熱電偶偶結(jié)焊接一致性問題。

實驗得到的熱電偶時間常數(shù)最小值為0.46ms，理論計算值為0.28ms，實驗結(jié)果大于理論計算結(jié)果。分析誤差的來源，主要是兩方面：一是熱電偶的偶節(jié)尺寸，理論計算時間常數(shù)時偶結(jié)直徑取熱偶絲的直徑，而實驗使用的熱電偶偶結(jié)直徑大于偶絲直徑。偶結(jié)直徑越大，時間常數(shù)越大。二是熱電偶的入水速度，理論計算時間常數(shù)時，是以 200m/s氣流速度代入公式計算的，200m/s是按照經(jīng)驗公式計算得到的，而水浴法實驗時，熱電偶浸入水中的速度是由人手控制，一般人手揮動速度最大不超過100m/s，氣流速度越小，時間常數(shù)越大。在以水浴法測量熱電偶時間常數(shù)時，熱電偶的入水速度應(yīng)盡可能大，最好能模擬測量環(huán)境的氣流速度。

脈沖激光法也是一種測量熱電偶時間常數(shù)的方法，由高功率的脈沖激光器產(chǎn)生階躍溫度。這種方法的優(yōu)點是階躍溫度上升時間遠(yuǎn)小于熱電偶的時間常數(shù)，缺點是如果熱電偶偶結(jié)比較大，瞬態(tài)激光束只照射到熱電偶偶結(jié)的半個球面，熱電偶輸出的響應(yīng)熱電勢是受熱沖擊的半個偶結(jié)產(chǎn)生，因此測量得到的時間常數(shù)有一定的誤差。此種方法只適合微型偶結(jié)的熱電偶。

3 爆炸罐內(nèi)溫壓炸藥爆炸溫度測量

在某溫壓藥劑爆炸試驗中，應(yīng)用設(shè)計的鎢錸熱電偶測量爆炸場的溫度。試驗在爆炸罐內(nèi)進(jìn)行，炸藥重量2kg。鎢錸熱電偶和壓力傳感器安裝到罐體壁面同一位置，爆心距為1.2m。

圖4是鎢錸熱電偶測量的溫度效應(yīng)曲線，圖5是壓力傳感器測量的沖擊波壓力曲線。

圖4 熱電偶測試的溫度曲線Fig.4 The temperature curve of thermocouple

圖5 壓力傳感器測試的沖擊波超壓曲線Fig.5 The pressure curve of pressure sensor

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，壓力傳感器測量的沖擊波超壓峰值為 11.7MPa， 此沖擊波超壓值是熱電偶安裝位置壁面的正反射壓。熱電偶測量的爆炸效應(yīng)溫度最高值為2 100℃，溫度上升時間為54ms。此結(jié)果表明溫壓炸藥爆炸后在54ms時刻，爆炸火球內(nèi)測量點位置溫度達(dá)到最高值。此時刻溫壓炸藥后燃燒過程基本完成，如果罐體沒有熱散失，罐體內(nèi)應(yīng)保持2 100℃的恒定溫度。而實際罐體壁是由鋼材料制作，鋼是熱的良導(dǎo)體，爆炸氣體通過與壁面的熱交換，消耗一部分熱能，使罐體內(nèi)的溫度逐漸降低，在溫度測試曲線上表現(xiàn)為曲線緩慢衰減。

以上試驗結(jié)果表明，鎢錸熱電偶在11.7MPa的沖擊波超壓環(huán)境下不被損壞，熱電偶的時間常數(shù)能夠滿足溫壓彈內(nèi)爆炸溫度測試要求。目前此結(jié)構(gòu)的熱電偶傳感器已應(yīng)用于溫壓/云爆彈藥爆炸場的溫度測試中，取得了有效測試數(shù)據(jù)，為溫壓、云爆彈藥的研究提供了技術(shù)支持。

4 結(jié)論

（1）熱電偶偶絲伸出端形成的錐形結(jié)構(gòu)，改變了爆炸沖擊波的反射方向，使熱電偶偶結(jié)在爆炸場受到較小的沖擊波作用，偶絲被損壞的可能性降低。

（2）直徑為 0.2mm 的鎢錸熱電偶通過理論計算，時間常數(shù)為0.28ms，水浴法實驗測量的時間常數(shù)為0.46ms。產(chǎn)生偏差的一個主要原因是熱電偶的偶結(jié)外形尺寸比較大。因此，進(jìn)一步提高熱電偶偶結(jié)焊接技術(shù)，減小熱電偶偶結(jié)尺寸，是今后熱電偶制作工藝研究應(yīng)解決的問題。

（3）爆炸罐試驗結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)的鎢錸熱電偶在11.7MPa的沖擊波作用下不被損壞，能夠滿足溫壓彈藥爆炸場溫度效應(yīng)測試需求。

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