增強型超高壓傳感器及其制法與設備的制作方法

專利名稱:增強型超高壓傳感器及其制法與設備的制作方法
本發明涉及一種測量流體動、靜態壓強的超高壓傳感器，特別是一種增強型應變管式超高壓傳感器及其制法與設備。
現有技術對液體及氣體的動、靜態壓強測量所用的應變管式超高壓傳感器，由于結構簡單，性能較好，而得到較為廣泛地采用。為提高工作壓力，同時保持比較好的精度特性，目前國內外對工作壓力超過700MPa的超高壓傳感器，其應變管材料通常采用屈服強度為1800MPa以上的超高強度鋼，如馬氏體時效鋼等，一般還需在高于工作壓力的條件下做自增強處理，卸壓以后有時還做250°至360℃的低溫穩火處理。采用上述材料及工藝過程，才能使傳感器工作壓力得到一定提高。但由于精度等指標及材料性能的限制，目前國內外的應變管式高壓傳感器，最高工作壓力為1400MPa左右，如采用一般合金結構鋼制成的應變管式高壓傳感器的最高工作壓力不超過700MPa(例如上海華東電子儀器廠的BPR-10/5000型壓力傳感器，最高工作壓力為490MPa)。如采用馬氏體時效鋼，通過上述自增強等處理工藝，國外此類傳感器最高工作壓力為1400MPa(例如英國QUB14kb應變式高壓傳感器。QUEEN′SUNIVERSITYOFBELFAST，DepartmentofMechanicalandIndustrialEngineering，HighPressureEquipmentOper-atorsHandbook1985.10)。后者，由于對超高強度馬氏體時效鋼的拉、壓應力-應變曲線的線性和強度條件有嚴格的要求及其應變時效工藝較復雜，因而成本高，現有產品也不適宜液體或氣體在1000MPa以上高動態壓力規律的測量。
本發明的增強型超高壓傳感器，主要由應變管、工作及補償應變片、螺紋接頭及引線接頭組成，其特征在于應變管是經高壓、高溫處理的增強型應變管。一般自增強應變管在平時存在著與工作應力相反符號有利的殘余應力，由于鮑辛格效應的存在而達不到彈性工作壓力的理論值，采用本發明的工藝處理，可使此應變管的彈性工作壓力達到或超過自增強應變管彈性工作壓力的理論值，即達到同尺寸、同材料的未經處理應變管的兩倍以上，其工作壓力范圍可以達到1400MPa以上，而對應變管所用的合金鋼材料并無特殊要求。用于動、靜態一般用途測量的超高壓傳感器，在增強型應變管與螺紋接頭之間增設錐面金屬密封墊，密封墊兩端錐面分別同增強型應變管和螺紋接頭的相應錐面壓緊配合，此配合面的錐面角度的大小，按工作壓力范圍選擇在60°～170°，以保證在增強處理的高壓高溫下及工作壓力下可靠地密封。用于高動態壓力規律測量的小型化超高壓傳感器，是由小尺寸的增強型應變管、螺紋接頭、工作及補償應變片、引線接頭及螺紋壓環組成，增強型應變管3的錐形端面，直接同測量對象壓緊。
本發明超高壓傳感器的制造方法，其特征在于對應變管采用增強工藝，即在應變管加工及熱處理達到要求的尺寸及機械性能后，將其接入高壓發生器的工作端，承受予定的極限工作壓力進行自增強處理，隨后將其在承受的壓力約為自增強處理壓力的1/2時，將其推入加熱爐內進行載壓熱處理，加熱溫度為250°～360℃，保溫時間2～4小時。采用本發明的應變管增強工藝，是基于材料在拉伸(或壓縮)產生塑性變形在卸載后進行250°～360℃的熱處理，可以使隨后的壓縮(或拉伸)的屈服強度絕對值降低的現象，即鮑辛格(Bauschinger)效應所帶來的不利影響基本消除的事實，用在應變管的增強處理之中，它能使應變管內壁的殘余應力達到理想的有利狀態，從而提高此應變管壓力傳感器的測量工作壓力及精度等性能指標。
本發明超高壓傳感器制造方法的設備，其特征在于增強型應變管的制造方法的專用設備，主要是由一個增壓型超高壓發生器系統、壓力應變測量系統、加熱及測溫系統和壓力溫度控制臺等有機組合的高壓高溫系統。此種有機組合，使應變管在預定高壓下對自緊管做自增強處理，并能可靠地使應變管在載壓熱處理中達到所要求的內壓及溫度等條件，其工作能力要能保證應變管處于400℃及800MPa以上的保溫、保壓時間達到6小時以上。該設備系統的加熱爐的爐門，系采用柔性耐火材料等專門設計制成，它可以對應變管在載壓熱處理中起密封保溫作用。同時，在加熱爐和超高壓發生器系統的工作端之間設有滑動機構，以滿足應變管在載壓熱處理中所需要的軸向移進加熱保溫以及移出冷卻、卸壓的要求。根據需要，此高壓高溫系統具有對超高壓傳感器進行工作壓力循環及進行工程標定的功能。
本發明的超高壓傳感器，與現有技術相比，其主要特點是結構緊湊，工作壓力范圍大，精度高，穩定性及動態性能好，對材料無特殊要求，成本低。本發明可用于高動態及靜態超高壓測量。本發明的小型化結構具有固有頻率高、體積小、重量輕(低于30g)等優點，不但適用于武器內彈道壓力曲線的測量，而且可以接在具有高應變速率下的殼體上可靠地工作，而現有技術中的同類傳感器，由于本身質量大，在工作中易出現斷裂現象。
本發明超高壓傳感器的制造方法，與現有技術相比，其主要特點是可以消除應變管壁內材料本身在承受拉伸塑性變形的隨后壓縮時造成的屈服強度降低的現象(鮑辛格效應)所帶來的影響，使材料工作達到接近理想彈塑性的有利狀態，從而提高了傳感器應變管的測量工作壓力及精度等性能指標。
本發明提供的制造方法的專用設備，與現有技術相比，其主要特點是可以完成本發明所要求的應變管自增強加壓、控壓、載壓下熱處理、冷卻、卸壓以及根據需要隨后的此超高壓傳感器的標定等各工序。
本發明傳感器的性能和積極效果與現有技術對比見附表。
本發明的具體方案，由以下實施例及其附圖給出。
圖1為本發明實施例1用于動、靜態一般用途測量的增強型應變管式超高壓傳感器的結構圖。
圖2為本發明實施例2適用于高動態壓力規律測量的小型化超高壓傳感器的結構圖。
圖3為本發明傳感器制造工藝流程方框圖。
圖4為本發明傳感器制造方法專用設備的組合示意圖。
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
結合圖1說明本發明實施例1用于動、靜態一般用途測量的增強型應變管式超高壓傳感器(以重量不超過300g、長度86mm為例)。該傳感器由螺紋接頭1、密封墊2、增強型應變管3、連接護筒4、防塵墊圈5、引線接頭6、補償應變片7及工作應變片8等組成。密封墊2的兩端錐面的錐角為160°，它們分別同增強型應變管3及螺紋接頭1的相應錐面壓緊配合。連接護筒4上開有2至4個斜孔4a，用以保證在應變管或密封失效時做卸壓的安全孔，斜孔中充以硅橡膠，用以防塵，螺紋接頭1的端面1a與測壓對象的開孔密封另件壓緊配合。該傳感器的增強型應變管，采用低合金鋼制成，可用于工作壓力高達1400MPa，如采用高強度馬氏體時效鋼制成，可用于工作壓力在1600MPa以上。
圖2所示為本發明實施例2，適合于高動態壓力規律測量的小型化超高壓傳感器(以重量不超過30g，長度40mm為例)，它由小尺寸的增強型應變管3、螺紋接頭1、工作應變片8、補償應變片7、引線接頭6及螺紋壓環9組成。小尺寸的增強型應變管3，由其錐形端面3a同測量對象開孔壓緊密封，以提高其固有頻率，螺紋接頭1的側面開有2至4個斜孔1b，其作用及結構與實施例1斜孔4a一致。增強型應變管所用的材料，參照實施例1，根據測壓范圍選定。
圖3所示為本發明增強型應變管式超高壓傳感器的制造工藝流程(以1400MPa工作壓力的增強型應變管式超高壓傳感器為例)傳感器各另件機械加工完成1后，就對應變管進行工藝處理。應變管采用低合金結構鋼，對它進行熱處理2，然后對其進行高壓自增強處理3。此時，所施加內壓達到1500MPa，同時測量應變管外表面應變同自增強壓力的變化曲線，保壓2分鐘后卸壓，然后將此應變管在內壓為600MPa時放入加熱爐中，在300℃左右保溫2至4小時的載壓熱處理4，然后使應變管冷卻5，并卸壓至大氣壓6，對應變管進行必要修整，并貼上應變片及防潮處理等7，再使傳感器的各另件焊接組裝等成為完整的壓力傳感器8，進行3次工作壓力循環后再進行壓力標定9。
圖4所示本發明增強型應變管制造方法的專用設備，它是由超高壓發生器系統、壓力應變測量系統、加熱及測溫系統及壓力溫度控制臺8有機組合的高壓高溫系統。超高壓發生器系統，由超高壓增壓器1、控壓閥門2、高壓工作端3及低壓發生器7組成。增壓器1同控壓閥門2、高壓工作端3及高壓傳感器4之間，以超高壓鋼管11及四通接頭12等構成高壓液體通路，低壓發生器7同增壓器1間以雙路低壓油管13相連。壓力應變測量系統由高壓傳感器4、多通路信號放大器5及記錄儀6組成。處理中工作端3的應變管外表的應變片及測壓傳感器4同放大器5之間，以及記錄儀6及壓力溫度控制臺8同放大器5之間，都以信號電纜相連接。加熱及測溫系統，包括加熱爐9及溫度測量放大器10組成。它們同壓力溫度控制臺8間以信號電纜及電源線連接。壓力溫度控制臺8同低壓發生器7及控壓閥門2間，以低壓油管及相應的電纜連接。系統中加熱爐9同高壓發生器工作端3之間設有滑動機構，加熱爐9的爐門，用石棉布等材料設計制成。處理中的應變管3同高壓發生器工作端3的連接密封性要保證在400℃及800MPa壓力下，可靠工作在6小時以上。
權利要求
1.一種增強型應變管式超高壓傳感器，它主要由應變管、補償應變片7、工作應變片8、螺紋接頭1及引線接頭6組成，其特征在于應變管是經高壓高溫處理的，工作壓力范圍可達1400MPa或1600MPa以上的增強型應變管3，該增強型應變管3是采用普通合金鋼或馬氏體時效鋼制成。
2.根據權利要求
1所述的超高壓傳感器，其特征是在用于動、靜態一般用途測量的超高壓傳感器中，增強型應變管3與螺紋接頭1之間設有錐面金屬密封墊2，該密封墊2兩端錐面，分別同增強型應變管3和螺紋接頭1的相應錐面壓緊配合。
3.根據權利要求
1或2所述的超高壓傳感器，其特征是錐面金屬密封墊2及其兩配合面的錐面角度的大小，按工作壓力范圍選擇在60°～170°。
4.根據權利要求
1所述的超高壓傳感器，其特征是適用于高動態壓力規律測量的小型化超高壓傳感器，它是由小尺寸的增強型應變管3、螺紋接頭1、工作應變片8、補償應變片7、引線接頭6及螺紋壓環9組成，增強型應變管3的錐形端面3a，直接同測量對象壓緊。
5.根據權利要求
1所述的超高壓傳感器的制造方法，其特征在于增強型應變管3，是在應變管承受自增強壓力后，再進行載壓熱處理。
6.根據權利要求
5所述的超高壓傳感器的制造方法，其特征是應變管進行載壓熱處理的載壓壓力，約為其自增強壓力的1/2，溫度為250℃～360℃，保溫時間為2～4小時，降溫以后卸壓。
7.根據權利要求
5所述的超高壓傳感器制造方法的設備，其特征在于該設備是一個由增壓型超高壓發生器系統、壓力應變測量系統、加熱及測溫系統以及壓力、溫度控制臺等有機組合的高壓高溫系統。
8.根據權利要求
7所述的超高壓傳感器制造方法的設備，其特征是在增壓型超高壓發生器系統的工作端3與加熱及測溫系統的加熱爐9之間設有滑動機構。
9.根據權利要求
8所述的超高壓傳感器制造方法的設備，其特征在于加熱爐9的爐門是采用柔性耐火材料等專門設計制成。
專利摘要
該傳感器主要由應變管、螺紋接頭等組成，其主要特征在于應變管是增強型；其制造方法是應變管在承受自增強壓力后進行載壓熱處理；其制造設備是一個由增壓型超高壓發生器系統及加熱系統等有機組合的專用設備。根據本發明制造的傳感器，其工作壓力范圍大(達1000MPa以上)，精度高，穩定性及動態性能好，對材料無特殊要求，且成本低。小型化結構還具有固有頻率高、體積小、重量輕等優點。適用于動靜態一般用途及高動態壓力的測量。
文檔編號G01L1/20GK87103776SQ87103776
公開日1988年12月7日 申請日期1987年5月19日
發明者韓育禮 申請人:華東工學院