一種液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置的製作方法

2024-04-13 11:20:05 1

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1.本發明屬於液態金屬冷卻核反應堆中的溫度測量技術領域，涉及一種採用不同空腔及不同材質的空腔內壁通過在溫度變化下的變形測量出液態金屬凝固過程中的溫度及其應變數據變化規律的裝置，特別涉及一種液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置。


背景技術：

2.核能作為清潔能源具有廣闊的發展前景，俄、美等發達國家已經開始研發第四代核反應堆系統，而利用液態金屬冷卻的快中子反應堆建設技術更是備受業界重視。液態金屬冷卻反應堆具備反應堆設計緊湊且體積小、導熱性能好、熱效率高、功率大、可自然循環且噪音小等優點。在液態金屬冷卻核反應堆應用中，必須保持反應堆冷卻劑液態，正常運行過程中不能出現固態，若出現液態金屬凝固，使得反應堆核心無法冷卻，最終導致反應堆核心熔毀。因此，準確測量出液態金屬凝固過程中的溫度和應變數據變化規律，對液態金屬冷卻核反應堆完整性做出評價尤為重要。目前常用的應變測量裝置為應變片，普通防水應變片採用防水膠、環氧樹脂等作為防水塗層，在液態金屬凝固過程中，防水塗層不耐高溫，應變片自身和其連接導線受到高溫液態金屬的影響，其形變狀態和電絕緣性能都受到嚴重破壞，不能準確測量出液態金屬凝固過程中的應變狀態。
3.在現有技術中，中國專利cn201110350598.3公開了一種液態金屬鈉實驗迴路壓力傳感器，包括鈉接管、彈性應變片、鈉-鈉鉀合金壓力傳感盒、鈉鉀合金-空氣壓力傳感器、壓力表。鈉接管與主管道相連，液態鈉可以通過鈉接管進入鈉-鈉鉀合金壓力傳感盒；壓力傳感盒中間有一彈性應變片，應變片的兩側分別是液態鈉和液態鈉鉀合金；液態鈉鉀合金通過管道進入鈉鉀合金-空氣壓力傳感器，在壓力傳感器中把壓力信號轉變為電信號；轉變後的電信號通過壓力表顯示出來。此技術採用了兩級傳感，鈉鉀合金-空氣壓力傳感器的電橋電路採用了溫度補償電路，避免了鈉與空氣接觸的可能，用於在中小規模液態金屬鈉實驗中進行測量。
4.中國專利cn201710060210.3公開了一種適用於高溫液態金屬介質中的疲勞應變測量裝置及系統，該裝置可適用於在高溫液態金屬介質中對測試樣進行測量，其特徵在於，疲勞應變測量裝置包括分開固定連接在測試樣的標距之間的第一橫梁支架和第二橫梁支架，在第一橫梁支架上固定安裝的安裝架，固定安裝在安裝架上的位移傳感器，以及一端與位移傳感器連接、另一端與第二橫梁支架固定連接的延伸杆。通過第一橫梁支架和第二橫梁支架直接將測試樣的變形位移量傳遞至位移傳感器，進而可以直接得到測量數據，無需對測量數據進行多次繁瑣校正。
5.中國專利cn202111003477.1公開了一種測量溫度和應變的雙模態柔性傳感器及其製備方法，包括設於最外側的兩柔性襯底，兩柔性襯底的外表面分別附著應變敏感材料，內表面分別覆蓋電極，兩電極間夾有介電材料層；所述的柔性襯底為柔性薄膜，不導電。該雙模態柔性傳感器利用應變敏感材料的電阻隨應變發生變化及介電材料的介電常數ε和厚度d隨溫度發生變化實現溫度和應變雙模態測量。此外，該雙模態柔性傳感器結構簡單、制
備和使用方法簡單高效，測溫範圍廣，可以實現20～200℃的溫度測量、0～2000με的應變測量，測量精度高、溫度測量誤差約為4.44％，應變測量誤差約為6.5％，可應用於汽車胎壓與溫度的檢測。
6.但是上述液態金屬的應變測量方式皆存在不耐高溫，結構的形變狀態和電絕緣性能都受到嚴重破壞，不能準確測量出液態金屬凝固過程中的應變狀態的問題；因此，設計一種能夠耐高溫的採用不同空腔及不同材質的空腔內壁通過在溫度變化下的變形測量出液態金屬凝固過程中的溫度和應變數據變化規律的裝置，能夠改進現有技術的不足，對液態金屬在凝固過程中的溫度與應變數據進行準確測量，提高應用可行性。


技術實現要素：

7.本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，基於對現有的熔煉過程中液態金屬溫度及其應變測量裝置的改進，設計一種能夠耐高溫的採用不同空腔及不同材質的空腔內壁通過在溫度變化下的變形數據計量出液態金屬凝固過程中的溫度和應變數據變化規律的裝置，解決現有的液態金屬的應變測量技術方式中存在的不耐高溫，結構的形變狀態和電絕緣性能都受到嚴重破壞，不能準確測量出液態金屬凝固過程中的應變狀態的問題。
8.為了實現上述目的，本發明的技術方案涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置，其主體結構包括第一空腔、第二空腔、第三空腔、第一毛細管和第二毛細管，測量裝置本體底部由緊貼在一起的兩個大小、形狀完全相同的半球型空腔組成，左側的半球形空腔為第一空腔，右側的半球形空腔為第二空腔，第一空腔與第二空腔之間設置有一個緊貼面而隔斷第一空腔與第二空腔；第一空腔、第二空腔分別向與緊貼面平行的方向向上相通式結構連接有第一毛細管和第二毛細管，第一毛細管和第二毛細管內徑相等且相互緊貼，其緊貼面與第一空腔和第二空腔之間的緊貼面在同一平面上，並且與其相互連接成一個緊貼面結構，緊貼面結構採用低膨脹金屬材質；第一空腔的半球形外壁為彈性金屬材質，第二空腔的半球形外壁為中空結構低膨脹金屬材質，第一毛細管和第二毛細管的下部為中空結構低膨脹金屬材質，上部為便於液位觀測的光學耐高溫玻璃材質，光學耐高溫玻璃材質的表面標有便於精確計數的刻度；第二空腔外壁的中空部分與第二毛細管外壁的中空部分連通組合成第三空腔。
9.本發明所涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置，其固定設置在底部的第一空腔和第二空腔的容積相同，內部充有等量耐高溫液態介質，第三空腔為真空狀態或不完全填充耐高溫液體介質。
10.本發明所涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置，測量時用到的設備或部件包括容器、液態金屬、裝置本體、攝像機、支架和測試樣本，在實施測量的過程是：先在容器內盛裝有液態金屬，再讓測試樣本浸沒在液態金屬中，然後把溫度應變測量裝置的裝置本體放置在測試樣本內，將攝像機固定放置在容器的一側，把攝像機固定安裝在支架的頂端；待液態金屬凝固，在液態金屬的凝固過程中，第三空腔的外壁能夠吸收液態金屬凝固過程中的收縮變形，第二空腔內部填充有耐高溫的液體介質，避免了液態金屬凝固的收縮和擠壓，能夠準確的體現液態金屬因溫度變化導致的液體介質膨脹或收縮，耐高溫的液體介質的細微熱脹或冷縮引發第二毛細管的中空部分上部液位高低的明顯變化，能夠準確測量出液態金屬凝固過程中的溫度變化數值，並使溫度變化數值通過刻度線能夠讀出；第一空
腔內部填充有耐高溫的液態介質，液態介質在液態金屬凝固收縮的擠壓和熱脹冷縮的共同作用下，第一毛細管上半部分的液位會高於第二空腔的第二毛細管的液位，第一毛細管和第二毛細管液位的差值即能夠準確反映出液態金屬在凝固過程中的溫度應變狀態，實現溫度應變的測量。
11.本發明與現有技術相比，其優點包括：採用三種空腔以及不同材質的空腔外壁，通過不同材質在溫度變化下的變形差異來反應液態金屬凝固過程中的溫度及其應變規律，其材質能夠耐高溫；在液態金屬逐漸降溫凝固期間，可以通過測量裝置本體內目視觀察毛細管液位的變化精準測量出液態金屬在凝固過程中溫度變化數值和應變狀態變化。其結構設計科學合理，使用操作工藝簡便，溫度應變反映靈敏，檢測方法安全，檢測精度準確，應用環境友好。
附圖說明：
12.圖1為本發明涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置結構原理示意圖。
13.圖2為本發明涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置測量結構原理示意圖。
14.圖3為本發明涉及的支架的結構原理示意圖。
具體實施方式：
15.以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
16.實施例1：
17.本實施例涉及一種液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置，其整體裝置的結構為裝置本體3，裝置本體3的主體結構包括第一空腔7、第二空腔8、第三空腔9、第一毛細管10、第二毛細管11、第二毛細管中空部分12和刻度13；裝置本體3的底部由緊貼在一起的左右兩個大小、形狀完全相同的半球型空腔組成，其中，左側的半球形空腔為第一空腔7，右側的半球形空腔為第二空腔8，第一空腔7與第二空腔8之間存在一緊貼面隔斷第一空腔7與第二空腔8，第一空腔7、第二空腔8分別向與緊貼面平行的方向向上連接有第一毛細管10、第二毛細管11並與其連通，第一毛細管10和第二毛細管11內徑相等且相互緊貼，其緊貼面與第一空腔7和第二空腔8之間的緊貼面在同一平面上，並且與之相互連接成一個緊貼面結構，緊貼面為低膨脹金屬材質，第一空腔7的半球形外壁為彈性金屬材質，第二空腔8的半球形外壁為中空結構低膨脹金屬材質，第一毛細管10和第二毛細管11的下部為中空結構低膨脹金屬材質，上部為便於液位觀測的光學玻璃材質，光學玻璃材質的表面標有便於精確計數的刻度13，第二空腔8外壁的中空部分與第二毛細管11外壁的中空部分12連通組合成的空腔為第三空腔9。
18.本實施例所涉及的液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置，其裝置本體3底部的第一空腔7和第二空腔8容積相同，內部充有等量的汞或高溫油質的耐高溫液體介質，第三空腔9為真空狀態或不完全填充汞或高溫油等耐高溫液體介質。
19.本實施例涉及的溫度應變測量裝置的工作過程為：在液態金屬的凝固過程中，第三空腔9的外壁可吸收液態金屬凝固過程中的收縮變形，第二空腔8內部填充有耐高溫的液體介質，避免了液態金屬凝固的收縮和擠壓，能夠準確的體現液態金屬因溫度變化導致的
液體介質膨脹或收縮，耐高溫的液態介質的細微熱脹或冷縮引發第二毛細管11中空部分12上部液位高低的明顯變化，可以準確測量出液態金屬凝固過程中的溫度變化數值，數值通過刻度13能夠讀出；第一空腔7內部填充有耐高溫的液態介質，液態介質在液態金屬凝固收縮的擠壓和熱脹冷縮的共同作用下，第一毛細管10上半部分的液位會高於第二毛細管的液位，第一毛細管10和第二毛細管11液位的差值即可準確反映出液態金屬在凝固過程中的應變狀態。本發明第一空腔7的外壁為彈性金屬材質，第二空腔8和第三空腔9的外壁為中空結構低膨脹金屬材質，提高了第一空腔7、第二空腔8和第三空腔9承受液態金屬凝固過程中收縮和擠壓的能力，保證了測量裝置本體能夠測量出準確的結果；第一空腔7、第二空腔8和第三空腔9內部填充有耐高溫的液態介質，保證了第一空腔7、第二空腔8和第三空腔9能夠正常的工作，保證第一毛細管10和第二毛細管11液位的準確，能夠得到應變狀態的精準數據；第二空腔8內部填充有耐高溫的液體介質，保證了準確測量出液態金屬凝固過程中的溫度變化數值。
20.本實施例涉及的第一毛細管10、第二毛細管11和第二毛細管中空部分12的直徑相同；第一毛細管10、第二毛細管11和第二毛細管中空部分12的具體結構能夠根據測量現場的實際情況進行設計改變，或製造彎曲成特殊形狀尺寸的毛細管以便測量複雜構件的應變狀態，其具體結構包括l型、弧形和z型，便於使操作更加靈活。
21.實施例2：
22.本實施例涉及一種液態金屬凝固過程中溫度應變測量裝置在測量時的應用實施例，如圖2所示，其測量時用到的設備或部件包括容器1、液態金屬2、裝置本體3、(電荷藕合器件)攝像機4、支架5和測試樣本6；測量時，先在容器1內盛裝有液態金屬2，再讓測試樣本6浸沒在液態金屬2中，然後把溫度應變測量裝置的裝置本體3放置在測試樣本6內，將攝像機4固定放置在容器1的一側，把攝像機4固定安裝在支架5的頂端。
23.本實施例涉及的容器1具有透明和耐高溫的結構和材料，測試樣本6浸沒在液態金屬2中，在測試樣本6周邊布置有若干裝置本體3；在液態金屬2逐漸降溫凝固期間，能夠通過裝置本體3內目視觀察毛細管液位的變化，從而測量出液態金屬2在凝固過程中溫度變化數值和應變狀態變化；在容器1的周邊布置多個ccd形式的攝像機4對裝置本體3的測量過程進行記錄，同時具備刻度識別功能，實現測量液態金屬在凝固過程中溫度變化和應變變化的智能化測量。
24.實施例3：
25.如圖3所示，本實施例涉及的支架5具有根據液位的變化自動調節高度的功能，支架5的具體結構包括控制器13、電機14、齒輪15、移動杆16、固定杆17和齒形條18；支架5由上下兩個半部分組成，上半部分是移動杆16，下半部分是固定杆17，固定杆17與移動杆16套接在一起，移動杆16的外壁上開有齒形條18，齒形條18與齒輪15嚙合，齒輪15通過傳動杆與電機14連接，電機14上集成有控制器13，控制器13與攝像機4無線式信息連通。
26.本實施例涉及的支架5配合攝像機4進行工作的流程為；ccd攝像機4獲取含有耐高溫液體介質的光學玻璃管的實時圖像，獲取實時圖像中的液體區域並生成液體區域的液體區域圖像，液體區域圖像的位置發生改變，攝像機4獲取位置發生改變的圖像信息，並傳輸移動指令至控制器；控制器接收到移動指令，控制支架5底部的電機14轉動，通過齒輪15帶動移動杆16向上移動，從而帶動攝像機4移動；電機14實現了移動杆16的自動移動，能夠實
現攝像機4拍攝液位的最佳角度，為獲取到準確的液態金屬的溫度及應變變化結果提供了幫助。