[发明专利]一种高温透气度测试仪及其试验方法

权利要求书

1.一种高温透气度测试仪，包括有供气系统、高温试验炉、试样夹持器、气体加热器、试样密封体、压密机构、气体冷却机构、控制柜、计算机，其特征是：所述试样夹持器包括有耐热材料制成的活塞、凹形缸体，活塞内上部的倒梯形空腔与活塞延伸管的内腔连通在一起形成倒梯形腔体，活塞滑配在凹形缸体内；凹形缸体内下部的梯形空腔和凹形缸体底部下方的缸体延伸管的内腔连通在一起形成梯形腔体，梯形腔体上部的平台为试样平台；凹形缸体壁内设有气体加热器，所述气体加热器为设在凹形缸体壁中的螺旋通道和凹形缸体外的气体快捷接口，设在凹形缸体底部的螺旋通道出气口与梯形空腔连通，气体快捷接口与供气系统联通；所述的供气系统包含有测量气体流量、温度、压力的气体测量系统，气体测量系统通过管路与气体快捷接口接通，气体测量系统的电子信号通过控制柜与计算机连接；所述的压密机构包括有机座、固定在机座上的支撑柱、连接在支撑柱上端的悬臂；设在悬臂上的丝杆加载器下端向下依次连接有万向头、压力传感器、压头、活塞延伸管；压力传感器与控制柜连接；所述的在机座上固定有快捷插拔机构，其内设有插拔密封材料和端面O型密封圈，快捷插拔机构与凹形缸体延伸管下端密封连接；所述的设在梯形腔体里面的试样下部设置有下部压力计和下部热电偶，其与快捷插拔机构密封连接后与控制柜连接，下部压力计的测压导管端口和下部热电偶的测温端头设在距试样下端面15-20mm处；设在倒梯形腔体里面的试样上部压力计和上部热电偶，穿过活塞延伸管上端与控制柜连接；上部热电偶的测温端头和上部压力计的测压导管端口，设在距试样上端面15-20mm处。

2.根据权利要求1所述的一种高温透气度测试仪，其特征是：所述的凹形缸体、缸体延伸管和活塞、活塞延伸管配合使用时，其中心线设在一条直线上。

3.根据权利要求1所述的一种高温透气度测试仪，其特征是：所述的耐热材料为能承受1000℃及以上的耐高温合金材料或无机非金属材料。

4.根据权利要求1所述的一种高温透气度测试仪，其特征是：所述的气体冷却机构由固定在压头外的散热箱和设在散热箱内的螺旋散热管组成；螺旋散热管的一端与设在散热箱上的箱体排气口连通，另一端与活塞延伸管的内腔贯通，试样上部热电偶和上部压力计与活塞延伸管内壁之间具有间隙，散热箱内设有流动冷却水。

5.根据权利要求1所述的一种高温透气度测试仪，其特征是：所述的试样密封体由耐高温具有压密性的非金属材料制成的平台状体，其外形尺寸与凹形缸体内尺寸吻合匹配，内尺寸与试样吻合匹配；平台状体由平台本体和上下垫片组成，平台本体设在上下垫片之间，平台本体和上下垫片外形尺寸一致，高度小于凹形缸体高度，其外形为圆环体、多边形体或椭圆形体。

6.根据权利要求1所述的一种高温透气度测试仪，其特征在于：所述试样密封体由耐高温具有压密性的非金属材料制成的台阶状体，台阶状体由上密封体和下密封体对扣在一起组成，其外形尺寸与凹形缸体内尺寸匹配吻合，内尺寸与试样吻合匹配，高度小于凹形缸体高度，其外形为圆环体、多边形体或椭圆形体。

7.根据权利要求1至6任一个所述的一种高温透气度测试仪的测试方法，其特征是：

a.试样的制备：在耐火材料制品上，通过钻取、切割、边沿研磨程序制成与试样密封体内腔形状相吻合的试样；将试样放在试样密封体内腔内；不定形的材料试样用模具按照不定形材料的成型、养护工艺制备，制备好后备用；试样制成直径75mm×(20-30)mm或边长75mm×75mm×25mm的片状；

b.试样的安装：给系统供电，供气系统处于关闭状态，将对开式高温试验炉向外旋转打开，启动压密机构的丝杆加载器，带动万向头、压力传感器、压头和试样夹持器的活塞向上移动脱离凹形缸体，并向一侧旋转，使活塞远离凹形缸体；打开气体快捷接口，供气系统与气体加热器分离，向上抽拔试样夹持器的凹形缸体到炉体外的工作平台上，清理凹形缸体内部后；将试样包裹在试样密封体的空腔内，将试样密封体放置在凹形缸体的试样平台上，测量、检查使试样下部压力计的下部测压导管端口、下部热电偶的下部测温端头能够处在试样下端面15-20mm位置处；将缸体延伸管端头插入到快捷插拔机构上并密封；旋转压密机构的悬臂，使试样夹持器的活塞到达凹形缸体的正上方的中心线上，再次启动丝杆加载器，使活塞进入凹形缸体内并压紧试样密封体，压力传感器测量并传递压紧力到控制柜和计算机，通过计算机控制使其压紧力达到预设值，并持续保持，闭合对开式高温加热炉体；

c.参数录入：在计算机中，录入试样名称、规格型号、试样材质、试样直径φ或边长、厚度δ、质量G、密度ρ、试验温度、透气度预测值，系统依据输入的以上信息，自动给定压紧力、升温制度、保温时间、给定气体压力、给定气体流量；也可以依据需要，人工修改相应参数；

d.运行：启动计算机，通过控制柜给气体冷却机构供水；计算机自动启动加热系统，控制柜依据计算机指令，给高温加热炉供电，炉温按照程序升温，达到预设温度开始保温；启动供气系统供气，气体测量系统的供气调压阀、供气温度计、供气压力计、气体质量流量计自动测控，气体测量系统的供气压力P₀、供气流量Q₀、供气温度T₀由计算机通过控制柜自动检测控制；气体经气体快捷接口到达气体加热器的螺旋通道，经加热到试验温度T后聚集梯形台阶腔体内；试样下表面经加热后的气体压力P₁、温度T₁经试样下部压力计、下部热电偶测量后传递给控制柜和计算机显示并记录；当试样下表面压力P₁达一定值后，气体从试样内部穿过，到达试样上部的倒梯形台阶腔体内，设在试样上部测温计、上部压力计将测得的试样上表面气体温度T₂、压力P₂传递给控制柜，经控制柜传输给计算机进行检测计算；进入倒梯形台阶腔体内的气体经气体冷却机构冷却后，从排气口排出；

e、结果计算：

式中：

V——试验温度下通过试样的气体体积，m³；

t——气体通过试样的时间，s；

μ——试样的透气度，m2；

η——试验温度下气体的动力粘度，Pa·s；

A——气体通过的试样的横截面积，m2；

δ——试样的厚度，m；

p——试验温度下气体的绝对压力，Pa；

p1——试验温度下气体进入试样端的绝对压力，Pa；

p2——试验温度下气体流出试样端的绝对压力，Pa；

公式(1)与Darcy定律相一致，由Hagen-Poiseuille定律导出；

公式(1)可改写为：

试验温度下气体的动力粘度η，满足Sutherland方程，按公式(3)计算:

式中：

η——温度T时气体的粘度

η0—1.67×10^-5，Pa·s，标准状态0℃时，N₂的粘度值；

T——试验温度,K

T₀——标准状态273,K

C——Sutherland常数，N₂，C＝106.7(K)

对于氮气，(3)式可改写为式(4)

…(4)

由于单位体积流量，满足式(5)

V₀＝Q₀t……………………………………………………(5)

式中：

V₀——流量计测得的气体的体积，m³

t——时间，S

Q₀——流量计测得的气体的流量，m³/s

将(5)式代入(2)式，则有式(6)：

由于气体的压力P，体积V，温度T满足式(7)

将(5)代入(7)式，则有式(8)：

将(8)式，可改写为，式(9)

将(9)式代入(2)式，则有式(10)

整理(10)式，则有式(11)