密闭空间爆炸温度测试方法研究

李芝绒，王胜强，苟兵旺

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065)

温压弹药与高能炸药相比，爆炸后除了产生急剧的高压效应外，还产生持续时间很长的特高温效应，在有限空间对软目标产生大的杀伤效果。因此在温压弹药的研制、生产过程中，需要对有限空间内温压弹药爆炸温度进行测试与评估。目前用于爆炸场温度测试的方法有非接触法和接触法[1]，非接触法是根据热辐射测温原理测量爆炸温度，如郭学永等[2]运用红外热成像仪对温压药剂和 TNT爆炸火球的表面温度进行测量，张维克[3]运用瞬态多谱线测温仪测量爆炸场温度。由于非接触法测量的是爆炸火球的表面温度，不能反映爆炸火球内部的温度分布情况，因此在温压弹药爆炸试验中也采用接触测温法，使用热电偶传感器获取测量点爆炸效应温度。在爆炸场近场区域的爆炸火球爆炸冲击波超压比较大，置于其中的热电偶会受到比较大的冲击波作用力，因此在以接触法测量爆炸火球内部温度效应时，热电偶传感器要有一定的结构强度。铠装型热电偶结构坚固，耐压、耐冲击能力强，能够满足爆炸场高压环境。但是由于铠装型热电偶偶结外部有保护套，爆炸热首先与热电偶的保护套进行热交换，然后才通过保护套与热电偶偶结进行热交换，响应时间长，一般是秒级以上。而温压弹药爆炸场爆炸火球持续时间为百毫秒量级，使用铠装型热电偶将产生大的测量误差。裸露型热电偶偶结暴露于传感器结构的外部，响应时间短，能够满足快速响应的要求，但是裸露的热电偶丝易于被冲击波超压损坏。基于以上原因，目前在温压弹药爆炸试验测试中，还没有适合的爆炸温度测量方法，急需解决爆炸火球内温度测量问题。

本文以温压药剂在爆炸罐内的试验为例，研究适用于温压炸药内爆炸环境的测温方法。

1 耐冲击快速响应热电偶设计

1.1 热电极材料

温压药剂是负氧平衡炸药，爆炸后产生陡峭上升的冲击波超压，爆炸产生的气体产物膨胀，向周围环境飞散，与环境空气湍流混合，产生后燃效应，释放大量的热量。在爆炸火球内，冲击波超压高达十几兆帕以上，最高温度达到2 000～3 000K，持续时间约百毫秒。

根据以上爆炸环境工况，需要的热电偶热电极材料测温范围大，偶丝的结构强度高 ，在冲击波超压作用下不能被损坏。

目前市场上热电极材料[4]主要有3种类型：普通金属、贵金属、难熔金属。普通型金属测量范围小，贵金属价格比较昂贵。经过分析比较，在金属材料中难熔金属钨铼热电偶测温范围最大，结构强度高，价格也便宜，能够满足温压炸药爆炸环境温度测试要求。

钨铼热电偶测温范围达2 800℃，熔点是3 300℃，强度是160MPa，硬度是900HV，在非氧化性气氛中化学稳定性好，电动势大，灵敏度高。其缺点是只适用于中性或还原性气氛，在氧化气氛下极易氧化，导致热电极材料性能发生变化。而温压炸药爆炸火球持续时间为百毫秒量级，热电极的氧化还原反应还没有完成时，测量工作已经完成。因此在温压炸药爆炸场可以不考虑钨铼热电偶性能缺陷对测试结果的影响。

1.2 热电偶结构设计及制作

设计的热电偶结构如图1所示，是裸露型结构。主要由壳体、导线、连接器、压螺、密封胶、热电偶丝组成。热电偶丝是经过硬化处理的 WRe5/26材料制作，直径为φ0.2mm。密封胶是由氧化铜和磷酸配制成的无机粘结胶[5]，这种粘结胶的特点是粘结强度高，固化后耐冲击性能强，耐高温性能比较好。

制作热电偶时，首先将连接器一端连接热电偶丝，另一端连接导线，然后将连接器置于外壳内部。外壳内部填充密封胶，将连接器和热电偶丝包裹。待到密封胶固化后，焊接热电偶偶丝。最后重新配置密封胶，在伸出热电偶丝的外壳的端部，除偶丝露出部分外，均由密封胶构成的圆锥形结构包裹。

图1 热电偶结构示意图Fig.1 Schematic structure of thermocouple

热电偶的焊接采用电弧放电焊接方法，以钾合金作为与偶结产生电弧放电的导体。钾合金在常温下是液态，其导热、导电性能比较好。

热电偶焊接装置组成如图2所示，主要包括：变压器、钾合金、玻璃器皿、导线等。

图2 热电偶焊接装置组成Fig.2 The welding device of thermocouples

2 热电偶特性分析与测量

2.1 热电偶抗冲击波作用特性分析

以爆炸罐试验工况为例，热电偶安装于爆炸罐罐体上，偶丝指向罐体的几何中心。炸药悬挂到爆炸罐几何中心。炸药爆炸后冲击波向四周传播，当遇到偶丝伸出端面时产生反射。冲击波在热电偶丝伸出端面上的反射原理如图3所示。

图3 冲击波的平面反射Fig.3 Reflection plane of blast wave

入射冲击波以角度θ入射刚性平面，在刚性平面产生反射，反射冲击波沿与刚性平面夹角θ1方向反射。假定冲击波是在理想气体中传播，根据流体动力学的质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，得到反射冲击波压力△pf与入射冲击波压力△pr之间的关系[6]为：

式（1）中：γ为空气的绝热指数；p0为刚性平面的初始压力。

由于刚性平面的初始压力p0远远小于入射冲击波压力△pr，因此公式（1）可以表示为:

当空气绝热指数γ取1.4时，公式（2）可表示为：

按照公式（3），当冲击波入射角θ为0°时，冲击波在刚性平面发生正反射，冲击波反射压力△pf等于冲击波入射压力△pr的8倍；当冲击波入射角θ为90°时，冲击波沿刚性平面的表面滑移，冲击波反射压力△pf等于冲击波入射压力△pr的2倍；当冲击波入射角θ为0°～90°之间的值时，冲击波在刚性平面发生斜反射，冲击波反射压力△pf等于2～8倍冲击波入射压力△pr。

以热电偶在爆炸罐安装形式为例，如果热电偶偶丝伸出端面是平面，爆炸冲击波穿过热电偶偶结，在热电偶丝伸出端面产生正反射，反射冲击波沿入射方向返回，并作用到热电偶偶结上，此时，反射冲击波压力是入射冲击波压力的8倍，热电偶偶结即使在入射冲击波的作用下不损坏，也可能在等于8倍入射压力的反射冲击波作用下损坏。如果热电偶丝伸出端面是斜面，冲击波在热电偶伸出端面产生斜反射，反射冲击波压力等于2～8倍入射冲击波压力之间的值，同时反射冲击波的方向偏离热电偶的中心轴线，向四周发散，热电偶偶结基本不受到反射冲击波的作用，偶结损坏的可能性变小。

2.2 热电偶动态性能分析与时间常数计算

热电偶时间常数是影响热电偶测温精度的主要因素，是热电偶动态性能的重要指标。热电偶的时间常数是根据物体的导热微分方程导出的。在忽略物体内部导热热阻的情况下，可按照集总参数法表示物体温度随时间变化的关系[7]。设物体的体积为V，表面积为A，具有均匀的初始温度T0。在初始时刻物体突然置于温度恒为Tg的流体中，设T0＜Tg。假定物体与流体间的表面传热系数h及物体的物性参数均保持不变。则物体的导热微分方程为：

式（4）中:ρ、c分别为物体的密度和热容。

令

则公式（4）可表示为：

对公式（5）分离变量，得到：

将公式（6）对τ积分，得到：

给公式（8）等式两边减1，得到

因此，用热电偶测量流体温度，热电偶的时间常数反映了热电偶对流体温度变化响应的快慢，时间常数越小，热电偶越能迅速响应流体的温度变化。

根据时间常数计算公式，热电偶的时间常数与热电偶偶结的密度、热容、几何尺寸、表面传热系数有关。热电偶偶结表面传热系数h与努塞尔数Nu、雷诺数Re有关，这几个参量之间的关系为：

本研究热电偶偶丝直径为φ0.2mm，爆炸场气流速度v为200m/s，气流运动粘度ν为480×10-6m2/s，代入公式（11），得到雷诺数Re= 83。钨铼热电偶的普朗特数Pr为0.51，将各相关参量值代入公式（10），得到努塞尔数Nu= 4.83。

钨铼热电偶偶节的平均密度ρ为 19.5×103kg/m3，热容c为 131 J/(kg·K)，导热系数λ为 160 W/(m·K)，代入公式（9），得到热电偶偶节表面传热系h=3.62×106。将相关参量量值代入热电偶时间常数计算公式，得到热电偶的时间常数τ= 0.28ms 。

2.3 热电偶动态性能实验

由于影响热电偶的动态特性的因素比较多，在热电偶传感器设计中，除了分析热电偶的动态特性，以及计算热电偶时间常数外，还需要用实验的方法动态标定热电偶的时间常数。实验的方法是给热电偶周围气流一个热阶跃，记录热电偶输出的响应信号，取幅值的0.632处对应的时间为热电偶的时间常数。

本研究采用沸水法[1]测量热电偶的时间常数。实验装置包括酒精灯、支架、烧杯、水等。首先将装满水的烧杯放到支架平台上，点燃酒精灯，加热烧杯中的水至沸腾。连接热电偶、电压放大器、数采系统，准备采集数据。烧杯中的水沸腾后，熄灭酒精灯。将热电偶快速插入热水中，采集热电偶受热后输出的温度信号，对采集数据处理，得到热电偶的时间常数。表 1是3只热电偶时间常数测试结果。

表1 热电偶时间常数测量结果Tab.1 The time constant data of thermocouple

观察表1中的测量数据可见，3只热电偶5次测量结果的平均值各不相同，分析认为可能是由3只热电偶偶结尺寸不同引起。偶节尺寸大小影响雷诺数、努塞尔数、表面传热系数，偶节尺寸越大，时间常数越大。在热电偶焊接中，影响热电偶偶结尺寸的因素很多，一般不容易控制偶结尺寸，因此今后还需要进一步研究热电偶的制作工艺，解决热电偶偶结焊接一致性问题。

实验得到的热电偶时间常数最小值为0.46ms，理论计算值为0.28ms，实验结果大于理论计算结果。分析误差的来源，主要是两方面：一是热电偶的偶节尺寸，理论计算时间常数时偶结直径取热偶丝的直径，而实验使用的热电偶偶结直径大于偶丝直径。偶结直径越大，时间常数越大。二是热电偶的入水速度，理论计算时间常数时，是以 200m/s气流速度代入公式计算的，200m/s是按照经验公式计算得到的，而水浴法实验时，热电偶浸入水中的速度是由人手控制，一般人手挥动速度最大不超过100m/s，气流速度越小，时间常数越大。在以水浴法测量热电偶时间常数时，热电偶的入水速度应尽可能大，最好能模拟测量环境的气流速度。

脉冲激光法也是一种测量热电偶时间常数的方法，由高功率的脉冲激光器产生阶跃温度。这种方法的优点是阶跃温度上升时间远小于热电偶的时间常数，缺点是如果热电偶偶结比较大，瞬态激光束只照射到热电偶偶结的半个球面，热电偶输出的响应热电势是受热冲击的半个偶结产生，因此测量得到的时间常数有一定的误差。此种方法只适合微型偶结的热电偶。

3 爆炸罐内温压炸药爆炸温度测量

在某温压药剂爆炸试验中，应用设计的钨铼热电偶测量爆炸场的温度。试验在爆炸罐内进行，炸药重量2kg。钨铼热电偶和压力传感器安装到罐体壁面同一位置，爆心距为1.2m。

图4是钨铼热电偶测量的温度效应曲线，图5是压力传感器测量的冲击波压力曲线。

图4 热电偶测试的温度曲线Fig.4 The temperature curve of thermocouple

图5 压力传感器测试的冲击波超压曲线Fig.5 The pressure curve of pressure sensor

经过数据处理，压力传感器测量的冲击波超压峰值为 11.7MPa， 此冲击波超压值是热电偶安装位置壁面的正反射压。热电偶测量的爆炸效应温度最高值为2 100℃，温度上升时间为54ms。此结果表明温压炸药爆炸后在54ms时刻，爆炸火球内测量点位置温度达到最高值。此时刻温压炸药后燃烧过程基本完成，如果罐体没有热散失，罐体内应保持2 100℃的恒定温度。而实际罐体壁是由钢材料制作，钢是热的良导体，爆炸气体通过与壁面的热交换，消耗一部分热能，使罐体内的温度逐渐降低，在温度测试曲线上表现为曲线缓慢衰减。

以上试验结果表明，钨铼热电偶在11.7MPa的冲击波超压环境下不被损坏，热电偶的时间常数能够满足温压弹内爆炸温度测试要求。目前此结构的热电偶传感器已应用于温压/云爆弹药爆炸场的温度测试中，取得了有效测试数据，为温压、云爆弹药的研究提供了技术支持。

4 结论

（1）热电偶偶丝伸出端形成的锥形结构，改变了爆炸冲击波的反射方向，使热电偶偶结在爆炸场受到较小的冲击波作用，偶丝被损坏的可能性降低。

（2）直径为 0.2mm 的钨铼热电偶通过理论计算，时间常数为0.28ms，水浴法实验测量的时间常数为0.46ms。产生偏差的一个主要原因是热电偶的偶结外形尺寸比较大。因此，进一步提高热电偶偶结焊接技术，减小热电偶偶结尺寸，是今后热电偶制作工艺研究应解决的问题。

（3）爆炸罐试验结果表明，此结构的钨铼热电偶在11.7MPa的冲击波作用下不被损坏，能够满足温压弹药爆炸场温度效应测试需求。

[1]李科杰.新型传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,2002.

[2]郭学永,李斌,王连炬.温压药剂的爆炸温度场测量及热辐射效应研究[J].弹药与制导学报,2008(5):119-121.

[3]张维克.爆炸场温度的多谱线测试方法[D].南京:南京理工大学,2009.

[4]王魁汉.温度测量实用技术[M].北京:机械工业出版社，2007.

[5]徐秀梅,吴限,张松年.磷酸-氧化铜无机胶的粘结机理在生产实践中的应用[J].辽宁化工,2002,31(10): 30-32.

[6]奥尔连科主编.爆炸物理学[M].孙承纬,译.北京:科学出版社,2011.

[7]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2005.