CN100498314C - 恶劣环境下实验热流密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种恶劣环境下实验热流密度测量装置。它包括受热件，受热件为中空的圆环型构件，圆环中心焊接探芯，探芯为中空圆柱形构件，空腔内设置水管，水管内和水管与探芯构成的空腔内靠近流场来流端一侧分别设置工业热电偶，水管的另一端设置有分别与水管和水管与探芯构成的空腔相通的进水头和出水头，受热件内有冷却水道，冷却水道中有将水道分隔成内外两个通道的挡水件，受热件外设置有与内通道相通的进水件和与外通道相同的出水件，工业热电偶与热电偶信号采集装置相连，热电偶信号采集装置的信号通过光电隔离装置按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。本发明的装置能够在超高温、强电、大干扰的流场环境中，对流场热流密度进行高精度测量。

Description

恶劣环境下实验热流密度测量装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种测量装置，具体地说是一种能够在高温、强电和强干扰的实验环境中，对超高温电弧热流密度进行测量的装置。

(二)背景技术

以等离子体电弧加热器为核心的防热材料地面模拟实验系统中，实验电弧的热流密度对于实验结果的影响是十分显著的。要分析被测试件的烧蚀机理和考核试件的烧蚀性能，对实验过程中电弧热流密度的测量时十分重要的。但是，实验过程中等离子体电弧温度高达2500—3000℃，加热器工作电压在3000-10000VAC范围，由于加热器自身要求其三相中性点不能接地保护，而由于物理条件限制(加热器三相电压不平衡)其理论中性点的电压不为零，加热器在启动和停止时空间电磁场会发生较大的变化形成电磁干扰，导致流场压力测量装置处在一个超高温、强电和大干扰的环境中。要在这样恶劣的流场环境中实现电弧流场热流密度的测量，现在普遍采用的手段为测量加热器气源压力辅以加热器气路的机械参数和电源功率进行计算初步得到电弧流场热流密度，但这种方法是大量外界因素的影响精度相当低。本发明设计了一套能够在流场中直接测量其热流密度的装置，大大提高了测量精度。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在超高温、强电、大干扰的流场环境中，对流场热流密度进行高精度测量的恶劣环境下实验热流密度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括受热件，受热件为中空的圆环型构件，圆环中心焊接探芯，探芯为中空圆柱形构件，空腔内设置水管，水管内和水管与探芯构成的空腔内靠近流场来流端一侧分别设置工业热电偶，水管的另一端设置有分别与水管和水管与探芯构成的空腔相通的进水头和出水头，受热件内有冷却水道，冷却水道中有将水道分隔成内外两个通道的挡水件，受热件外设置有与内通道相通的进水件和与外通道相同的出水件，工业热电偶与热电偶信号采集装置相连，热电偶信号采集装置的信号通过光电隔离装置按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、受热件与探芯之间设置有隔热环。

2、所述的探芯和水管由铜材料制成。

本发明的组成包括探芯、隔热环、受热件、进水件、出水件、挡水件、进水头、出水头、水管、工业热电偶、光电隔离装置和热电偶信号采集装置。受热件为中空的圆环型构件，圆环中心焊接探芯，由探芯完成流场热流密度的测量工作。探芯为铜制中空圆柱形构件，空腔内置铜制水管，水管内和水管与探芯构成的空腔内靠近流场来流端一侧分别置工业热电偶测量水温。实验过程中，通过外接水泵通过进水头将冷却水泵入水管内，冷却水流经水管到达流场来流端一侧对探芯进行冷却后经水管与探芯构成的空腔由出水头离开装置，在此过程中冷却水水温升高，通过工业热电偶对水温的测量可以得到由于流场加热所导致的冷却水温升，通过对离开装置的冷却水进行回收可以得到实验过程中流经探芯的冷却水质量，通过这两个参数再辅以本装置相应的一些机械参数可以由下式简单计算获得流畅的热流密度：

上式中q_scw为热流密度，Q为传入装置的热量，S为探芯靠近流场来流方向的端面面积，G为冷却水质量流量，C_p为冷却水比热，T_出为出口水温，T_入为入口水温。工业热电偶产生的信号送入热电偶信号采集装置后由模拟电压量转换成数字电压量信号，该数字量信号通过光电隔离装置按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机统一处理，实现了流场热流密度测量的自动化。受热件采用水冷方式冷却，冷却水由进水件进入装置，经过挡水件内侧进入受热件夹层内，再经过挡水件外侧由出水件离开装置。

本发明具有以下几个主要技术特征：

1、接个装置采用完全独立的两套冷却系统，由输出压力较高的水泵提供的冷却水经过进水件进入装置对装置主体部分及受热件进行冷却；同时，由压力相对较低的水泵提供冷却水经过进水头进入装置对探芯进行冷却后经出水头离开装置。两套冷却系统之间及受热件与探芯之间通过隔热环隔离热量，既保证了本装置处在相同流场环境中的两部分温度互不影响又使得装置具有足够的冷却能力保证其在高温流场中能够正常工作。

2、本发明通过探芯内置的工业热电偶对流经探芯的冷却水温度的测量并辅以装置自身的机械结构参数，在对探芯自身进行冷却的同时实现了流场加热能力的测量。

3、本发明通过光电隔离装置实现了计算机与信号采集回路之间的物理隔断，不但有效地消除了噪声电压干扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配等问题，同时也可以在被测设备短路时保护系统不受损坏。

本发明由进水件，出水件，挡水件和受热件构成受热件冷却水回路。室温状态下的冷却水经过进水件进入装置内部，首先对装置主体部分进行冷却后进入受热件内部空腔对受热件进行冷却，冷却水在受热件空腔内经过与其进行充分的热交换后温度骤升，完成冷却任务的高温冷却水离开受热件后流经挡水件外侧由出水件排出装置。冷却水经过在装置内部的充分热交换后出水温度可高达40-60℃。

本发明的探芯冷却水回路由进水头，水管，探芯和出水头共同构成。流场中的超高温热流密度的加热使得探芯的温度升高导致流经探芯内部的冷却水温度发生变化，通过探芯内置的工业热电偶测得冷却水温度变化量，将温度变化量连同探芯处在流场中的面积一同代入到公式(1)当中得到流场的热流密度。

热电偶信号测量装置与计算机之间的数字通信线路上串联高达10000VAC以上绝缘的光电隔离装置，在系统测温过程中，如果热电偶测量端保护层失效，隔离装置能有效保护中央计算机及操作人员不至于接触到测试环境中的10000V高压电。

本发明可以在超高温，强电和大干扰环境中正常工作。经实验表明，本在10000VAC，2500—3000℃，强电磁干扰，存在一倍以上音速气流的恶劣环境中，本发明对流场加热热流密度测量的系统误差在2级左右。

(四)附图说明

附图是本发明的组成结构示意图；

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作具体详细：

恶劣环境下实验热流密度测量装置的组成包括受热件11，受热件为中空的圆环型构件，圆环中心焊接探芯9，探芯为中空圆柱形构件，空腔内设置水管5，水管内和水管与探芯构成的空腔内靠近流场来流端一侧分别设置工业热电偶7、8，水管的另一端设置有分别与水管和水管与探芯构成的空腔相通的进水头3和出水头4，受热件内有冷却水道，冷却水道中有将水道分隔成内外两个通道的挡水件12，受热件外设置有与内通道相通的进水件6和与外通道相同的出水件13，工业热电偶与热电偶信号采集装置2相连，热电偶信号采集装置的信号通过光电隔离装置1按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。受热件与探芯之间设置有隔热环10。探芯和水管由铜材料制成。

(1)受热件1采用水冷方式冷却，一部分冷却水由进水件6进入装置；

(2)冷却水经过挡水件12内侧进入受热件11夹层内对其进行冷却：

(3)完成冷却任务后的冷却水经过挡水件12外侧由出水件13离开装置；

(4)另一部分冷却水通过进水头3进入水管5内；

(5)冷却水流经水管5到达流场来流端一侧对探芯9进行冷却：

(6)通过工业热电偶7和工业热电偶8分别测得冷却水对探芯9进行冷却前后的水温；

(7)完成冷却任务后的冷却水经过水管5与探芯9构成的空腔由出水头4排出装置；

(8)工业热电偶的测量信号由热电偶信号采集装置2处理后，经过光电隔离装置1传入上位计算机进行处理后得到所需的流场热流密度数据；

(9)受热件11与探芯9之间通过隔热环10隔热，以保证对两部分进行冷却的冷却水水温不会相互影响。

Claims (3)

1、一种恶劣环境下实验热流密度测量装置，它包括受热件，其特征是：受热件为中空的圆环型构件，圆环中心焊接探芯，探芯为中空圆柱形构件，空腔内设置水管，水管内和水管与探芯构成的空腔内靠近流场来流端一侧分别设置工业热电偶，水管的另一端设置有分别与水管和水管与探芯构成的空腔相通的进水头和出水头，受热件内有冷却水道，冷却水道中有将水道分隔成内外两个通道的挡水件，受热件外设置有与内通道相通的进水件和与外通道相同的出水件，工业热电偶与热电偶信号采集装置相连，热电偶信号采集装置的信号通过光电隔离装置按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。

2、根据权利要求1所述的恶劣环境下实验热流密度测量装置，其特征是：受热件与探芯之间设置有隔热环。

3、根据权利要求1或2所述的恶劣环境下实验热流密度测量装置，其特征是：所述的探芯和水管由铜材料制成。