熱電偶法測量硅系延期藥燃燒溫度的研究

[摘要]采用R型鉑銠合金熱電偶的方法測量硅系延期藥的燃燒溫度,模擬單芯延期體的燃燒狀況,將延期藥以2.40g/cm³的壓藥密度,分次均勻壓人厚壁鋼管中。在熱量積累最多的區(qū)域內(nèi),實(shí)驗(yàn)測得硅系延期藥的最高燃燒溫度為1583℃。燃燒熱有很大部分傳遞給外殼等物質(zhì)而散失掉,35ms后測出的溫度較低。
　　本研究采用自制貴金屬熱電偶,模擬單芯延期體的作用形式,研究測量硅系延期藥燃燒溫度的方法。研究結(jié)果為測量延期藥劑燃燒性能提供--種新的參考,有助于完善硅系延期藥的燃燒理論,提高延期雷管的精度。
1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩大部分組成。實(shí)驗(yàn)樣品:用于模擬單芯延期體的鋼管、硅系延期藥;測溫系統(tǒng):貴金屬熱電偶、電荷放大器、起爆器及用于固定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺。
1.1測溫系統(tǒng)
1.1.1熱電偶及選型依據(jù)
　　熱電偶是指以熱電效應(yīng)理論為基礎(chǔ)的測量溫度的傳感器,其測試原理如圖1。將兩種不同金屬導(dǎo)體的兩端焊接在一起,與電荷放大器組成一個完整的閉合回路,當(dāng)兩焊接點(diǎn)溫度與室溫產(chǎn)生溫差時,在兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中就會產(chǎn)生電動勢和熱電流;兩個接點(diǎn),一個作為工作端或稱為熱端(T),另一個作為自由端或稱為冷端(T0)。回路中產(chǎn)生的電動勢稱為熱電勢，由接觸電勢和溫差電勢組成,主要以接觸電勢為主。使用測量儀表配合熱電偶，測出其回路中的熱電動勢，即可得到被測對象的溫度。
 
　　實(shí)驗(yàn)中選取高響應(yīng)頻率、高溫適用型貴金屬熱電偶,如鉑銠合金型。根據(jù)偶絲成分及適用范圍分為3種類型,如表1所示。
 
　　R型熱電偶電動勢較大,抗氧化性能更好,較S型使用溫度高,使用壽命更長,較B型熱電偶靈敏度高。因此綜合考慮,本次實(shí)驗(yàn)選取R型熱電偶。采用氬弧焊將正負(fù)極偶絲--端焊在一起,應(yīng)盡量使正負(fù)極偶絲接觸良好,以降低測量誤差。
1.1.2電荷放大器
　　實(shí)驗(yàn)選取多通道電荷放大器,電荷靈敏度為0.01~1000mV/pC,頻率范圍為1Hz~200kHz,輸人最大電荷量±105pC,輸出±10V、5mA.,精度誤差+1.5%,噪聲≤5μV。
1.2實(shí)驗(yàn)樣品
　　本實(shí)驗(yàn)選取硅系延期藥為實(shí)驗(yàn)藥劑，用厚壁鋼管模擬單芯延期體,鋼管的尺寸為:外徑φ13mm,內(nèi)徑φ3mm,長40mm，側(cè)面中間位置有一對φ1mm的通孔,用于置人熱電偶絲。
　　采用分段壓制法裝藥，分4次壓人藥劑,控制每次壓藥密度均為2.40g/cm³。壓制完成后總藥高36mm,總裝藥量610mg。
2實(shí)驗(yàn)步驟
1)用專用鋼針將壓制好的實(shí)驗(yàn)樣品在側(cè)面通孔處穿透,將熱電偶埋人延期樣品,并保證熱電偶兩極焊接處位于延期藥柱的中央位置;
2)設(shè)置存儲記錄儀的參數(shù),接人補(bǔ)償導(dǎo)線,將實(shí)驗(yàn)樣品固定在實(shí)驗(yàn)平臺.上,此時系統(tǒng)示意圖如圖2;
 
3)用電容式充電發(fā)爆器接點(diǎn)火銅絲,以脈沖電火花的能量形式從--端引燃延期藥;
4)存儲數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;
5)對相同的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行二次測量。.
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　將數(shù)據(jù)用軟件處理后,得出延期藥燃燒溫度隨時間的變化曲線,如圖3。對相同延期藥做2次實(shí)驗(yàn),得出溫度-時間曲線大致相似。
 
　　對存儲儀記錄的數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行放大,數(shù)據(jù)顯示:延期藥燃燒溫度_上升階段為9~35ms,測出的最高溫度為1583℃,從35ms開始測得的溫度持續(xù)下降，至100ms左右，溫度降至50℃。圖中可以明顯看出,延期藥燃燒過程升溫速率大于降溫速率,這是延期藥燃燒過程中,熱量積累與傳遞的必然結(jié)果。
3.2結(jié)果分析
　　延期藥的反應(yīng)屬于固相反應(yīng),隨著時間的變化，延期藥柱中同一點(diǎn)的狀態(tài)發(fā)生變化,依次可以歸人預(yù)熱區(qū)(圖3中1部分)、凝固相分解反應(yīng)區(qū)(圖3中2部分)、氣相燃燒反應(yīng)區(qū)(圖3中3部分)和燃燒產(chǎn)物區(qū)(圖3中4部分)。當(dāng)延期藥柱一端接.受外來給予的能量時,表層一部分的延期藥溫度逐漸升高至分解溫度，此時也有部分低熔點(diǎn)組分發(fā)生氣化現(xiàn)象,延期藥開始分解、氣化,生成氧化劑成分，并在氣相狀態(tài)下與還原劑在燃燒表面的周圍一定范圍內(nèi),發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，同時一部分熱量向未燃燒的區(qū)域傳遞，層層推進(jìn)延期藥燃燒的進(jìn)程,一部分熱量隨燃燒產(chǎn)物向已燃燒的區(qū)域擴(kuò)散,在熱量積累最多的區(qū)域,達(dá)到最高的燃燒溫度。
　　將延期藥燃燒升溫過程的曲線進(jìn)行擬合得到圖4?？梢钥闯鲈跍囟?-時間曲線上15ms處有較小波峰出現(xiàn),說明在該時刻發(fā)生了較強(qiáng)的放熱反應(yīng)，此時對應(yīng)溫度為381℃,而氧化劑Pb3O4的分解溫度約在550℃,因此,可以用預(yù)點(diǎn)火反應(yīng)機(jī)理解釋這一現(xiàn)象。
 
　　固體相在燃燒反應(yīng)之前存在一個固體組分間的擴(kuò)散過程,固體組分經(jīng)加熱后溫度升高,導(dǎo)致組分中的氧化劑發(fā)生晶格“松弛”],一部分氧化劑分解放出氧氣，同時--部分還原劑擴(kuò)散至氧化劑的晶格內(nèi)反應(yīng)放出熱量。這對應(yīng)著圖3中1部分與2部分的臨界狀態(tài)。在22ms處溫度出現(xiàn)另一個較小波峰,對應(yīng)溫度為923℃,可以斷定此時該區(qū)域的延期藥正處于分解反應(yīng)與氣相燃燒的臨界狀態(tài)。
4結(jié)論
1)選取適當(dāng)?shù)臒犭娕?可以用于直接測量延期藥類火工品的燃燒溫度,測出的硅系延期藥燃燒的最高溫度為1583℃。
2)由于延期藥燃燒產(chǎn)生的熱量只有一小部分用于加熱燃燒產(chǎn)物，直觀表現(xiàn)為測得的燃燒溫度。燃燒熱有很大部分傳遞給與之接觸的外殼等物質(zhì)而散失掉,所以測試出的溫度較低。