基于鎂合金燃點測試的比色測溫裝置

王 攀，郝曉劍，周漢昌，閆 白

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051)

引 言

鎂元素在地球上分布廣泛且儲量巨大，制成的鎂合金材料密度小、強度高，在航空航天、電子等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景［1-3］。但在實際應(yīng)用中，鎂元素活潑的化學(xué)特性導(dǎo)致在高溫、劇烈摩擦?xí)r易于燃燒，阻燃鎂合金技術(shù)［4-6］能較好地解決這一缺點。其中，燃點測試是表征鎂合金阻燃效果的一個重要參量，因此燃點測試研究具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外普遍采用熱電偶接觸式測量［7］的方法，將純鎂或鎂合金直接放入管式電阻爐內(nèi)或放入坩堝隨爐加熱，測溫?zé)犭娕家话氵x用鎳鉻-鎳硅熱電偶，實驗裝置龐大且實驗用料較多，電阻爐升溫很慢以致實驗效率低，以肉眼觀察法或切線法［8-12］建立燃燒點，該方法存在響應(yīng)慢、結(jié)果重復(fù)性差、測量精度低等不足。本文中設(shè)計了一種小型的比色測溫裝置，利用鎂合金燃燒點前后光譜輻射強度的變化來確定燃點，具有體積小、實驗可重復(fù)性強、大大削弱發(fā)射率變化的干擾等優(yōu)點，該裝置可用于鎂合金冶煉和加工生產(chǎn)線的在線溫度監(jiān)測。

1 比色測溫裝置設(shè)計

比色測溫裝置由藍寶石窗、物鏡、場鏡、兩個不同的窄帶干涉濾光片、二象限探測器、放大濾波電路構(gòu)成，用金屬外殼封裝保護各部分。其原理框圖如圖1所示。各部分結(jié)構(gòu)及功能是:藍寶石窗保護裝置內(nèi)部元件不受外界高溫、粉塵等干擾及破壞;物鏡匯聚所接收的熱輻射能;場鏡是工作在物鏡焦面附近，可以減小輻射光束范圍，增大通量，使光敏面接收光照更均勻化;二象限探測器實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換，它由4個光敏二極管和覆銅板構(gòu)成，其中左右兩側(cè)的上下兩個PIN管相連，并在左右側(cè)各自膠合覆蓋不同波長的窄帶干涉濾光片，濾光片與二象限探測器的一體化結(jié)構(gòu)使得整個裝置得以小型化，且制作工藝簡單、工作可靠;放大濾波電路將兩路電壓信號作放大濾波處理;最后借助數(shù)據(jù)采集卡完成與主機通信讀出數(shù)據(jù)。

Fig.1 Functional block diagram of colorimetric temperature test device

2 比色測溫原理

比色測溫是由接收到的被測溫度場在兩個波段上的光譜輻射出射度的比值與溫度的函數(shù)來測量溫度。理論基礎(chǔ)是普朗克黑體輻射公式。二象限探測器接收的兩個波段范圍內(nèi)的輻射能量，轉(zhuǎn)化成了兩路光電流［11］，兩波段的輻射能量的比值R(T)則有:

式中，M1(λ，T)和 M2(λ，T)分別是熱力學(xué)溫度為 T時非黑體在波長為λ1，λ2下的單色輻射出射度公式;I1(T)，I2(T)是二象限探測器兩路光電流;S(λ)，ψ(λ)，τ(λ)分別是波長為 λ 時光學(xué)系統(tǒng)光譜透過率、窄帶干涉濾光片光譜透過率、兩象限探測器響應(yīng)函數(shù);Δλ是選取的系統(tǒng)帶寬。其中:

式中，C1是第一輻射常數(shù)，C2是第二幅射常數(shù)。

設(shè):

則有:

在兩個濾光片波長相近時，先不考慮發(fā)射率，則K是裝置常數(shù)，可由靜態(tài)標定得到。

3 靜態(tài)標定

Fig.2 Block diagram of static calibration of colorimetric temperature test device

用SR20-32型中溫黑體爐對比色測溫裝置進行靜態(tài)標定，打開電源，設(shè)置溫度從873K起每隔20K使用數(shù)據(jù)采集卡采集一次兩路輸出電壓，到1073K采集結(jié)束。裝置的靜態(tài)標定框圖如圖2所示，設(shè)中溫黑體爐的顯示溫度為T，由(5)式求出R1(T);同時由比色測溫裝置的兩路輸出電壓，計算對應(yīng)的光電流，獲得R(T)值，根據(jù)(6)式求出K。求取K的平均值，繪出K修正后的R(T)-T曲線，根據(jù)R(T)值查表得到溫度。

4 鎂合金燃點測試

4.1 實驗準備

實驗中采用的鎂合金是含 Nd(質(zhì)量分數(shù)為0.0075)的AZ80，其主要元素質(zhì)量分數(shù)分別為:Al(0.0741)，Zn(0.00522)，其余大部分為鎂元素。將鎂合金加工成6mm×6mm×0.25mm的薄片，便于引燃。

選用電加熱薄片電阻材料時，要選電阻率大一些，線膨脹系數(shù)不能過大，熔點要高一些(由于鎂合金的燃點基本都在1273K以下，故要選熔點高于1273K的材料)，從而保證該材料導(dǎo)熱快又不會在鎂合金燃燒前變形過大和熔化，最終選用304不銹鋼片，剪成80mm×15mm×0.03mm的薄片，以便加快導(dǎo)熱速度和均勻受熱。

所需的實驗設(shè)備有:(1)美國安捷倫(Agilent)N8737A直流電源(direct-current，DC)，額定輸出為60V/55A，為電加熱薄片電阻提供電流，從而使其升溫;(2)美國IRCON公司Modline5系列的5R-1410型紅外測溫儀(以下簡稱M5)，測溫范圍為873K～1673K，作為標準測溫儀器，即以紅外測溫儀測溫結(jié)果作為真實溫度;(3)四川拓普測控科技有限公司PCI-20612數(shù)據(jù)采集卡及提供支持的TopView2000軟件，用于兩路電壓數(shù)據(jù)的采集、讀取及處理分析。

根據(jù)已有的純鎂及鎂合金燃點測試文獻，判斷所需測試的溫度范圍在673K～1273K。實驗前，利用Ocean Optics公司的USB4000微型光纖光譜儀對點燃的純鎂和實驗鎂合金進行了光譜測試。發(fā)現(xiàn)純鎂燃燒光譜集中在480nm～900nm之間，其中590nm和767nm處輻射強度最大。而實驗所用鎂合金燃燒光譜集中在400nm～950nm之間，其中在588nm，669nm和766nm附近出現(xiàn)峰值。選擇光譜強度峰值對應(yīng)的波長作為兩個濾光片的波長的參照，則測試時會在純鎂和鎂合金起燃前后輻射能量會出現(xiàn)爆發(fā)性增長，而在輸出電壓曲線上就是一個拐點。最終選定波長為650nm和850nm的濾光片，其帶寬為±30nm。

4.2 實驗方案

鎂合金燃點測試的原理框圖如圖3所示，將DC與不銹鋼片通過導(dǎo)線連成通路，將待測薄片放在不銹鋼片的中間位置，然后緩慢增大DC的電流I，使得不銹鋼片的溫度不斷升高，一旦點燃就停止調(diào)節(jié)DC。整個過程中，將M5和比色測溫裝置對準實驗鎂片，并借助數(shù)據(jù)采集卡與主機通信，使用Topview軟件采集數(shù)據(jù)。

Fig.3 Functionalblock diagram of ignition point testof magnesium alloy

4.3 實驗結(jié)果及分析

M5和比色測溫裝置的輸出電壓曲線如圖4所示，其中CH1和CH2分別對應(yīng)濾光片波長為650nm和850nm的電壓輸出，CH3對應(yīng)M5的輸出。

Fig.4 Output curve of data acquisition card

圖4 中，CH3曲線兩峰值之間存在平直段，因為鎂合金燃燒時的輻射能量在500nm～850nm區(qū)間很大，在大于1000nm區(qū)間卻很小，造成M5紅外測溫儀在750nm～1050nm波段接收的能量很大而在高于1000nm～1100nm波段則很小，兩路信號的比值超出M5設(shè)置的范圍，電路輸出幾乎為0。因此M5可以反映鎂合金式樣起燃之前的溫度變化，但燃燒變得劇烈的時候信號輸出反而為0。當鎂合金被點燃的一瞬間，比色測溫裝置接收的輻射能量會出現(xiàn)一個拐點，可以由該點確定起燃時間。對CH1通道的曲線進行光標讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)在3.235s時曲線的變化率開始增大(如圖5所示)，故鎂合金在該時間起燃，對M5和比色測溫裝置在該時間點進行光標讀數(shù)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，M5和比色測溫裝置的測溫結(jié)果相對誤差e=1.4%，證明了該比色測溫裝置用來鎂及鎂合金燃點溫度測試的可行性和合理性。

Fig.5 Oscilloscope of CH1 curve after filtering

Table1 Measurement results of M5 and colorimetirc temperature measurement device

5 結(jié)論

通過鎂合金燃燒點建立前后光譜輻射強度的變化準確判定起燃時間點，具有精度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點。二象限探測器與濾光片的一體化結(jié)構(gòu)，制備工藝簡單、工作可靠。提出電流加熱法作為點燃鎂片的熱源，沒有外界強光干擾，測量更準確，克服了傳統(tǒng)熱電偶接觸式測溫法響應(yīng)速度慢、精確度不高、誤差相對大、可重復(fù)性差等缺點，同時又節(jié)省了時間和實驗材料。含Nd(質(zhì)量分數(shù)為0.0075)的AZ80鎂合金燃點測試結(jié)果表明，其相對誤差為1.4%。該方法對阻燃鎂合金的相關(guān)研究及鎂合金冶煉的在線監(jiān)測具有很重要的參考價值。

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