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专利名称:增强型超高压传感器及其制法与设备的制作方法
本发明涉及一种测量流体动、静态压强的超高压传感器,特别是一种增强型应变管式超高压传感器及其制法与设备。
现有技术对液体及气体的动、静态压强测量所用的应变管式超高压传感器,由于结构简单,性能较好,而得到较为广泛地采用。为提高工作压力,同时保持比较好的精度特性,目前国内外对工作压力超过700MPa的超高压传感器,其应变管材料通常采用屈服强度为1800MPa以上的超高强度钢,如马氏体时效钢等,一般还需在高于工作压力的条件下做自增强处理,卸压以后有时还做250°至360℃的低温稳火处理。采用上述材料及工艺过程,才能使传感器工作压力得到一定提高。但由于精度等指标及材料性能的限制,目前国内外的应变管式高压传感器,最高工作压力为1400MPa左右,如采用一般合金结构钢制成的应变管式高压传感器的最高工作压力不超过700MPa(例如上海华东电子仪器厂的BPR-10/5000型压力传感器,最高工作压力为490MPa)。如采用马氏体时效钢,通过上述自增强等处理工艺,国外此类传感器最高工作压力为1400MPa(例如英国QUB14kb应变式高压传感器。QUEEN′SUNIVERSITYOFBELFAST,DepartmentofMechanicalandIndustrialEngineering,HighPressureEquipmentOper-)
。后者,由于对超高强度马氏体时效钢的拉、压应力-应变曲线的线性和强度条件有严格的要求及其应变时效工艺较复杂,因而成本高,现有产品也不适宜液体或气体在1000MPa以上高动态压力规律的测量。
本发明的增强型超高压传感器,主要由应变管、工作及补偿应变片、螺纹接头及引线接头组成,其特征在于应变管是经高压、高温处理的增强型应变管。一般自增强应变管在平时存在着与工作应力相反符号有利的残余应力,由于鲍辛格效应的存在而达不到弹性工作压力的理论值,采用本发明的工艺处理,可使此应变管的弹性工作压力达到或超过自增强应变管弹性工作压力的理论值,即达到同尺寸、同材料的未经处理应变管的两倍以上,其工作压力范围可以达到1400MPa以上,而对应变管所用的合金钢材料并无特殊要求。用于动、静态一般用途测量的超高压传感器,在增强型应变管与螺纹接头之间增设锥面金属密封垫,密封垫两端锥面分别同增强型应变管和螺纹接头的相应锥面压紧配合,此配合面的锥面角度的大小,按工作压力范围选择在60°~170°,以保证在增强处理的高压高温下及工作压力下可靠地密封。用于高动态压力规律测量的小型化超高压传感器,是由小尺寸的增强型应变管、螺纹接头、工作及补偿应变片、引线接头及螺纹压环组成,增强型应变管3的锥形端面,直接同测量对象压紧。
本发明超高压传感器的制造方法,其特征在于对应变管采用增强工艺,即在应变管加工及热处理达到要求的尺寸及机械性能后,将其接入高压发生器的工作端,承受予定的极限工作压力进行自增强处理,随后将其在承受的压力约为自增强处理压力的1/2时,将其推入加热炉内进行载压热处理,加热温度为250°~360℃,保温时间2~4小时。采用本发明的应变管增强工艺,是基于材料在拉伸(或压缩)产生塑性变形在卸载后进行250°~360℃的热处理,可以使随后的压缩(或拉伸)的屈服强度绝对值降低的现象,即鲍辛格(Bauschinger)效应所带来的不利影响基本消除的事实,用在应变管的增强处理之中,它能使应变管内壁的残余应力达到理想的有利状态,从而提高此应变管压力传感器的测量工作压力及精度等性能指标。
本发明超高压传感器制造方法的设备,其特征在于增强型应变管的制造方法的专用设备,主要是由一个增压型超高压发生器系统、压力应变测量系统、加热及测温系统和压力温度控制台等有机组合的高压高温系统。此种有机组合,使应变管在预定高压下对自紧管做自增强处理,并能可靠地使应变管在载压热处理中达到所要求的内压及温度等条件,其工作能力要能保证应变管处于400℃及800MPa以上的保温、保压时间达到6小时以上。该设备系统的加热炉的炉门,系采用柔性耐火材料等专门设计制成,它可以对应变管在载压热处理中起密封保温作用。同时,在加热炉和超高压发生器系统的工作端之间设有滑动机构,以满足应变管在载压热处理中所需要的轴向移进加热保温以及移出冷却、卸压的要求。根据需
要,此高压高温系统具有对超高压传感器进行工作压力循环及进行工程标定的功能。
本发明的超高压传感器,与现有技术相比,其主要特点是结构紧凑,工作压力范围大,精度高,稳定性及动态性能好,对材料无特殊要求,成本低。本发明可用于高动态及静态超高压测量。本发明的小型化结构具有固有频率高、体积小、重量轻(低于30g)等优点,不但适用于武器内弹道压力曲线的测量,而且可以接在具有高应变速率下的壳体上可靠地工作,而现有技术中的同类传感器,由于本身质量大,在工作中易出现断裂现象。
本发明超高压传感器的制造方法,与现有技术相比,其主要特点是可以消除应变管壁内材料本身在承受拉伸塑性变形的随后压缩时造成的屈服强度降低的现象(鲍辛格效应)所带来的影响,使材料工作达到接近理想弹塑性的有利状态,从而提高了传感器应变管的测量工作压力及精度等性能指标。
本发明提供的制造方法的专用设备,与现有技术相比,其主要特点是可以完成本发明所要求的应变管自增强加压、控压、载压下热处理、冷却、卸压以及根据需要随后的此超高压传感器的标定等各工序。
本发明传感器的性能和积极效果与现有技术对比见附表。
本发明的具体方案,由以下实施例及其附图给出。
图1为本发明实施例1用于动、静态一般用途测量的增强型应变管式超高压传感器的结构图。
图2为本发明实施例2适用于高动态压力规律测量的小型化超高压传感器的结构图。
图3为本发明传感器制造工艺流程方框图。
图4为本发明传感器制造方法专用设备的组合示意图。
下面结合附图对本发明作进一步描述。
结合图1说明本发明实施例1用于动、静态一般用途测量的增强型应变管式超高压传感器(以重量不超过300g、长度86mm为例)。该传感器由螺纹接头1、密封垫2、增强型应变管3、连接护筒4、防尘垫圈5、引线接头6、补偿应变片7及工作应变片8等组成。密封垫2的两端锥面的锥角为160°,它们分别同增强型应变管3及螺纹接头1的相应锥面压紧配合。连接护筒4上开有2至4个斜孔4a,用以保证在应变管或密封失效时做卸压的安全孔,斜孔中充以硅橡胶,用以防尘,螺纹接头1的端面1a与测压对象的开孔密封另件压紧配合。该传感器的增强型应变管,采用低合金钢制成,可用于工作压力高达1400MPa,如采用高强度马氏体时效钢制成,可用于工作压力在1600MPa以上。
图2所示为本发明实施例2,适合于高动态压力规律测量的小型化超高压传感器(以重量不超过30g,长度40mm为例),它由小尺寸的增强型应变管3、螺纹接头1、工作应变片8、补偿应变片7、引线接头6及螺纹压环9组成。小尺寸的增强型应变管3,由其锥形端面3a同测量对象开孔压紧密封,以提高其固有频率,螺纹接头1的侧面开有2至4个斜孔1b,其作用及结构与实施例1斜孔4a一致。增强型应变管所用的材料,参照实施例1,根据测压范围选定。
图3所示为本发明增强型应变管式超高压传感器的制造工艺流程(以1400MPa工作压力的增强型应变管式超高压传感器为例)传感器各另件机械加工完成1后,就对应变管进行工艺处理。应变管采用低合金结构钢,对它进行热处理2,然后对其进行高压自增强处理3。此时,所施加内压达到1500MPa,同时测量应变管外表面应变同自增强压力的变化曲线,保压2分钟后卸压,然后将此应变管在内压为600MPa时放入加热炉中,在300℃左右保温2至4小时的载压热处理4,然后使应变管冷却5,并卸压至大气压6,对应变管进行必要修整,并贴上应变片及防潮处理等7,再使传感器的各另件焊接组装等成为完整的压力传感器8,进行3次工作压力循环后再进行压力标定9。
图4所示本发明增强型应变管制造方法的专用设备,它是由超高压发生器系统、压力应变测量系统、加热及测温系统及
压力温度控制台8有机组合的高压高温系统。超高压发生器系统,由超高压增压器1、控压阀门2、高压工作端3及低压发生器7组成。增压器1同控压阀门2、高压工作端3及高压传感器4之间,以超高压钢管11及四通接头12等构成高压液体通路,低压发生器7同增压器1间以双路低压油管13相连。压力应变测量系统由高压传感器4、多通路信号放大器5及记录仪6组成。处理中工作端3的应变管外表的应变片及测压传感器4同放大器5之间,以及记录仪6及压力温度控制台8同放大器5之间,都以信号电缆相连接。加热及测温系统,包括加热炉9及温度测量放大器10组成。它们同压力温度控制台8间以信号电缆及电源线连接。压力温度控制台8同低压发生器7及控压阀门2间,以低压油管及相应的电缆连接。系统中加热炉9同高压发生器工作端3之间设有滑动机构,加热炉9的炉门,用石棉布等材料设计制成。处理中的应变管3同高压发生器工作端3的连接密封性要保证在400℃及800MPa压力下,可靠工作在6小时以上。
权利要求
,它主要由应变管、补偿应变片7、工作应变片8、螺纹接头1及引线接头6组成,其特征在于应变管是经高压高温处理的,工作压力范围可达1400MPa或1600MPa以上的增强型应变管3,该增强型应变管3是采用普通合金钢或马氏体时效钢制成。

1所述的超高压传感器,其特征是在用于动、静态一般用途测量的超高压传感器中,增强型应变管3与螺纹接头1之间设有锥面金属密封垫2,该密封垫2两端锥面,分别同增强型应变管3和螺纹接头1的相应锥面压紧配合。

1或2所述的超高压传感器,其特征是锥面金属密封垫2及其两配合面的锥面角度的大小,按工作压力范围选择在60°~170°。

1所述的超高压传感器,其特征是适用于高动态压力规律测量的小型化超高压传感器,它是由小尺寸的增强型应变管3、螺纹接头1、工作应变片8、补偿应变片7、引线接头6及螺纹压环9组成,增强型应变管3的锥形端面3a,直接同测量对象压紧。

1所述的超高压传感器的制造方法,其特征在于增强型应变管3,是在应变管承受自增强压力后,再进行载压热处理。

5所述的超高压传感器的制造方法,其特征是应变管进行载压热处理的载压压力,约为其自增强压力的1/2,温度为250℃~360℃,保温时间为2~4小时,降温以后卸压。

5所述的超高压传感器制造方法的设备,其特征在于该设备是一个由增压型超高压发生器系统、压力应变测量系统、加热及测温系统以及压力、温度控制台等有机组合的高压高温系统。

7所述的超高压传感器制造方法的设备,其特征是在增压型超高压发生器系统的工作端3与加热及测温系统的加热炉9之间设有滑动机构。

8所述的超高压传感器制造方法的设备,其特征在于加热炉9的炉门是采用柔性耐火材料等专门设计制成。
专利摘要
该传感器主要由应变管、螺纹接头等组成,其主要特征在于应变管是增强型;其制造方法是应变管在承受自增强压力后进行载压热处理;其制造设备是一个由增压型超高压发生器系统及加热系统等有机组合的专用设备。根据本发明制造的传感器,其工作压力范围大(达1000MPa以上),精度高,稳定性及动态性能好,对材料无特殊要求,且成本低。小型化结构还具有固有频率高、体积小、重量轻等优点。适用于动静态一般用途及高动态压力的测量。