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域內,實驗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實驗系統
　　本實驗系統由兩大部分組成。實驗樣品:用于模擬單芯延期體的鋼管、硅系延期藥;測溫系統:貴金屬熱電偶、電荷放大器、起爆器及用于固定實驗系統的實驗平臺。
1.1測溫系統
1.1.1熱電偶及選型依據
　　熱電偶是指以熱電效應理論為基礎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,當兩焊接點溫度與室溫產生溫差時,在兩種導體組成的熱電偶回路中就會產生電動勢和熱電流;兩個接點,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。
 
　　實驗中選取高響應頻率、高溫適用型貴金屬熱電偶,如鉑銠合金型。根據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,本次實驗選取R型熱電偶。采用氬弧焊將正負極偶絲--端焊在一起,應盡量使正負極偶絲接觸良好,以降低測量誤差。
1.1.2電荷放大器
　　實驗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實驗樣品
　　本實驗選取硅系延期藥為實驗藥劑，用厚壁鋼管模擬單芯延期體,鋼管的尺寸為:外徑φ13mm,內徑φ3mm,長40mm，側面中間位置有一對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實驗步驟
1)用專用鋼針將壓制好的實驗樣品在側面通孔處穿透,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)設置存儲記錄儀的參數,接人補償導線,將實驗樣品固定在實驗平臺.上,此時系統示意圖如圖2;
 
3)用電容式充電發爆器接點火銅絲,以脈沖電火花的能量形式從--端引燃延期藥;
4)存儲數據,進行數據分析;
5)對相同的實驗樣品進行二次測量。.
3實驗結果及分析
3.1實驗結果
　　將數據用軟件處理后,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次實驗,得出溫度-時間曲線大致相似。
 
　　對存儲儀記錄的數據圖形進行放大,數據顯示: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果。
3.2結果分析
　　延期藥的反應屬于固相反應,隨著時間的變化，延期藥柱中同一點的狀態發生變化,依次可以歸人預熱區(圖3中1部分)、凝固相分解反應區(圖3中2部分)、氣相燃燒反應區(圖3中3部分)和燃燒產物區(圖3中4部分)。當延期藥柱一端接.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組分發生氣化現象,延期藥開始分解、氣化,生成氧化劑成分，并在氣相狀態下與還原劑在燃燒表面的周圍一定范圍內,發生劇烈的化學反應，同時一部分熱量向未燃燒的區域傳遞，層層推進延期藥燃燒的進程,一部分熱量隨燃燒產物向已燃燒的區域擴散,在熱量積累最多的區域,達到最高的燃燒溫度。
　　將延期藥燃燒升溫過程的曲線進行擬合得到圖4。可以看出在溫度--時間曲線上15ms處有較小波峰出現,說明在該時刻發生了較強的放熱反應，此時對應溫度為381℃,而氧化劑Pb3O4的分解溫度約在550℃,因此,可以用預點火反應機理解釋這一現象。
 
　　固體相在燃燒反應之前存在一個固體組分間的擴散過程,固體組分經加熱后溫度升高,導致組分中的氧化劑發生晶格“松弛”],一部分氧化劑分解放出氧氣，同時--部分還原劑擴散至氧化劑的晶格內反應放出熱量。這對應著圖3中1部分與2部分的臨界狀態。在22ms處溫度出現另一個較小波峰,對應溫度為923℃,可以斷定此時該區域的延期藥正處于分解反應與氣相燃燒的臨界狀態。
4結論
1)選取適當的熱電偶,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)由于延期藥燃燒產生的熱量只有一小部分用于加熱燃燒產物，直觀表現為測得的燃燒溫度。燃燒熱有很大部分傳遞給與之接觸的外殼等物質而散失掉,所以測試出的溫度較低。