CN101441114B - 等离子射流流场热流与动压复合测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量等离子体电弧热流与压力的复合测试装置。它包括探芯、石墨夹头、外壳、热电偶和隔热毡等。探芯上开有进气孔，进气孔后部接有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器；探芯烧蚀端通过隔热环与石墨夹头连接在一起，石墨夹头通过螺纹与外壳连接，探芯中部靠隔热毡固定于外壳内部轴线上，探芯尾部固定于法兰之上，法兰通过定位螺丝与外壳相连接；热电偶焊接在探芯中部，外接变送器。本发明可以在超高温，高压、大热流、强电和大干扰环境中长时间正常工作。经实验表明，本发明在10000VAC，2500-3000℃，强电磁干扰，存在一倍以上音速气流的恶劣环境中，以最快1次/秒的速度对2MPa以下的流场压力和10MW/m2的流场热流进行实时测量，压力测量误差不超过1％，热流测量误差不超过2％。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种测试技术，具体涉及一种测量等离子体电弧热流与压力的复合测试装置。
(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，实验电弧的热流和压力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和压力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，导致流场热流与压力测量装置处在一个超高温、强电、大热流和大干扰的环境中。要在这样恶劣的流场环境中实现电弧流场热流和压力的测量存在相当大的难度，现在普遍采用的手段为水卡量热计和水冷压力探头分别测量等离子体电弧热流和压力，这两种装置都存在体积大、精度低、反应慢和需要单独配置大功率冷却设备等不足之处，使用上存在很大的局限性。而不需要水冷装置，结构简单可靠，能够同时测量电弧热流和压力的复合测试装置至今未见报道。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在高温、高压、大热流、强电和大干扰的流场环境中，能够同时对流场热流和压力进行长时间监测的等离子射流流场热流与动压复合测试装置。
本发明的目的是这样实现的：它包括探芯、石墨夹头、外壳、热电偶和隔热毡，探芯上开有进气孔，进气孔后部接有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器；探芯烧蚀端通过隔热环与石墨夹头连接在一起，石墨夹头通过螺纹与外壳连接，探芯中部靠隔热毡固定于外壳内部轴线上，探芯尾部固定于法兰之上，法兰通过定位螺丝与外壳相连接；热电偶焊接在探芯中部，外接变送器，变送器按RS485通信准则连接上位计算机。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的探芯为一个中心带有通孔的铜质圆柱构件，探芯尾部通过螺纹连接装有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器；
2、所述的隔热环由ZrO2制成，隔热毡由Al2O3纤维制成；
3、所述的变送器通过光电隔离装置连接上位计算机，变送器为温度变送器。
流场中的高温、高压气体通过探芯上的进气孔进入探针内部，气流经由进气孔和气嘴通过细铜管进入气压传感器，气压传感器将侦测到的气体压力信号转换成数字量按RS485通信准则上传至上位计算机进行统一处理；流场中高温热流加热使铜质探芯温度迅速升高，通过焊接在探针中部的热电偶感应探芯的升温速率，热电偶的输出信号经变送器转换成数字量后按RS485通信准则送至上位计算机统一处理后通过计算可以得到流场的热流大小。
本发明具有以下几个主要特征：
1、所述的探芯为一个中心带有通孔的铜质圆柱构件，探芯尾部通过螺纹连接装有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器。探芯具有较大的轴径尺寸比且细铜管也较长，保证了探芯在高温流场中取出的气体在到达气压传感器之前得到了充分的冷却，使整个装置能够在超高温、高压流场环境中长时间工作。
2、本发明通过ZrO2制成的隔热环和Al2O3纤维隔热毡对探芯进行了径向和底部的密封，保证在测量过程中探芯受热升温后其热量不会以辐射的方式向周围空间散发，显著提高了装置整体的热流测量精度。
3、本发明通过光电隔离装置实现了计算机与温度变送器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。
本发明由铜质探芯、气嘴、细铜管和气压传感器共同构成流场气压监测回路。高温状态下，探芯从超高温流场中取出高温气体，高温气体流经探芯、气嘴和细铜管经充分冷却后进入气压传感器，气压传感器将监测到的气压信号转换成数字信号按RS485准则送至上位机进行统一处理。超高温流场中气体温度高达2500-3000℃，高温气体在流场中被铜质探芯取出后经由探芯本体吸热和细铜管散热到达气压传感器时其温度降到了1000℃以下，气压传感器采用AK-4型陶瓷压电传感器，该传感器能够以1次/秒的速度对气体压力进行监测。
本发明由铜质探芯、ZrO2隔热环、Al2O3隔热毡、热电偶和变送器共同构成热流测试回路。本装置工作过程中，超高温等离子体流场的加热作用使铜质探芯的温度迅速升高，由于同具有热容大、热导率高等特性认为铜质探芯沿轴线方向的温度分布使均匀的，采用ZrO2隔热环和Al2O3隔热毡将探芯径向方向和底部进行密封，保证探芯温度不会由于高温探芯与周围空气发生热交换而导致的探芯温度损失，热电偶焊接于探芯表面，热电偶信号通过变送器转换成数字信号按RS485通信准则上传至上位计算机进行统一处理后得到超高温流场加载到探芯表面的热流。根据流场温度的不同适当选择铜质探芯的长度，可以保证在超高温流场环境中探芯温度不超过1000℃，选用K型保准热电偶对探芯温度进行测量，K型热电偶能够在1200℃以下的环境中长时间工作，测量误差0.75％左右，反应时间不超过1秒。温度变送器采用研华公司的ADAM4018，转换误差不超过1％，反应时间不超过0.02秒。
信号采集装置与计算机之间的通信线路上串联高达10000VAC以上绝缘的光电隔离装置，在本装置工作过程中，如果电弧加热器发生单相熄火导致其所提供的超高温流场中出现漏电现象，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。
本发明涉及的是一种测量等离子体电弧热流与压力的复合测试装置，具体地说是一种能够在高温、高压、大热流和强干扰的环境中，对超高温等离子体电弧热流和压力进行测量的装置。本发明可以在超高温，高压、大热流、强电和大干扰环境中长时间正常工作。经实验表明，本发明在10000VAC，2500-3000℃，强电磁干扰，存在一倍以上音速气流的恶劣环境中，以最快1次/秒的速度对2MPa以下的流场压力和10MW/m2的流场热流进行实时测量，压力测量误差不超过1％，热流测量误差不超过2％。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
本实施例包括铜质探芯5、石墨夹头2、外壳3、热电偶和12隔热毡4，铜质探芯5上开有进气孔13，进气孔13后部接有气嘴8，气嘴8通过细铜管9接气压传感器10；铜质探芯5烧蚀端通过隔热环1与石墨夹头2连接在一起，石墨夹头2通过螺纹与外壳3连接，铜质探芯5中部靠隔热毡4固定于外壳3内部轴线上，铜质探芯5尾部固定于法兰7之上，法兰7通过定位螺丝与外壳3相连接；热电偶12焊接在铜质探芯5中部，外接变送器11，变送器11按RS485通信准则连接上位计算机15。
结合图1：
1、本实施例所述装置的铜质探芯5与ZrO2隔热环1之间采用紧配合装配，装配好的组合件从后部装入石墨夹头2内部空腔，石墨夹头2和不锈钢外壳3之间采用螺纹连接，隔热环1靠外壳3和石墨夹头2压紧定位。探芯5轴线上开有小孔13，小孔13末端焊接有气嘴8，气嘴8内部靠夹接固定细铜管9。壳体3通过螺丝6和法兰7相连接，各构件之间可空隙通过隔热毡4密封。热电偶12焊接于铜质探芯5上。
2、本实施例所述装置在工作过程中，铜质探芯5通过其轴线上的小孔13从超高温流场中取出高温气体，高温气体流经铜质探芯5、气嘴8和细铜管9经充分冷却后进入气压传感器10，气压传感器10将监测到的气压信号转换成数字信号按RS485通信准则送至上位计算机15统一处理；
3、本实施例所述装置在工作过程中，超高温流场的加热作用导致铜质探芯5的温度迅速升高，通过隔热毡4的密封作用保证铜质探芯5的温度不会由于与周围空气发生热交换而导致的温度损失，热电偶12测量铜质探芯5温度并将温度信号转换成电压信号送入变送器11中，变送器11将接收到的电压信号转化为数字信号按RS485通信准则送入上位计算机15进行统一处理、计算得到流场热流信息。
4、通信线路与上位计算机15之间串接10000VAC高压光电隔离装置14。
Claims (4)
1.一种等离子射流流场热流与动压复合测试装置，其特征在于它包括探芯、石墨夹头、外壳、热电偶和隔热毡，探芯上开有进气孔，进气孔后部接有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器，气压传感器将侦测到的气体压力信号转换成数字量按RS485通信准则上传至上位计算机进行统一处理；探芯烧蚀端通过隔热环与石墨夹头连接在一起，石墨夹头通过螺纹与外壳连接，探芯中部靠隔热毡固定于外壳内部轴线上，探芯尾部固定于法兰之上，法兰通过定位螺丝与外壳相连接；热电偶焊接在探芯中部，外接变送器，变送器按RS485通信准则连接上位计算机。
2.根据权利要求1所述的等离子射流流场热流与动压复合测试装置，其特征在于所述的探芯为一个中心带有通孔的铜质圆柱构件，探芯尾部通过螺纹连接装有气嘴，气嘴通过细铜管接气压传感器。
3.根据权利要求2所述的等离子射流流场热流与动压复合测试装置，其特征在于所述的隔热环由ZrO2制成，隔热毡由Al2O3纤维制成。
4.根据权利要求3所述的等离子射流流场热流与动压复合测试装置，其特征在于所述的变送器通过光电隔离装置连接上位计算机，变送器为温度变送器。
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