CN108088579B - 一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法，属于高温高速气体对流传热和辐射传热热流密度测量技术领域。本发明利用组合式柱塞传感结构与绝热套筒满足半无限大物体第二类边界条件假设，得到不同位置的瞬态热流密度响应解析表达式。对材料的温度响应型面无特殊要求，传感器材料的选择范围宽，能够可靠测量的环境范围大，且传感器可长时间暴露于测试环境中。通过多柱塞和多热电偶设计得到不同位置温度响应，获得多部位热流密度测量结果，消除单一热电偶数据丢失导致测量失效的风险。

Description

一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法，属于高温高速气体对流传热和辐射传热热流密度测量技术领域，具体为一种非烧蚀可重复使用非烧蚀热防护结构，主要用于高超声速飞行器飞行环境热流密度测量、电弧风洞环境加热热流密度测量、高温高速气体对流环境热流密度测量和石英灯或碳灯辐射加热热流密度测量等。
背景技术
高温高速气体对流传热和辐射传热热流密度测量，是航空航天及其它工业领域重要的基础参数测量，其测量精度与测试范围关系航空航天飞行器结构设计安全性，工业设备节能设计与安全生产。
现有高温高速气体对流传热等温度测量通常采用紫铜柱塞式热流密度传感器，受紫铜温度所限，传感器无法长时间置于高温高速气流中且测量数据严重依赖温度响应曲线的线性度，导致传感器测试范围及测量精度严重受限。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法，该热流密度传感器能够克服现有紫铜柱塞式热流密度传感器的不足，为一种用于高超声速飞行器飞行环境热流密度测量、电弧风洞环境加热热流密度测量、高温高速气体对流环境热流密度测量和石英灯或碳灯辐射加热热流密度测量的分层温度响应的组合式热流密度传感器。
本发明的技术解决方案是：
一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，该热流密度传感器包括：绝热套筒、端盖、尾盖和若干组组合件；
所述的组合件包括热电偶和柱塞，热电偶的测点位置与柱塞固定连接；
所述的尾盖带有中心孔；
通过端盖和尾盖将若干组组合件固定在绝热套筒内，且组合件中的热电偶穿过尾盖的中心孔。
所述的绝热套筒的顶端带有限位环，所述的绝热套筒的底端内壁带有螺纹。
所述的端盖为带有凸台的圆柱；所述的绝热套筒的顶端的限位环与所述的端盖的凸台相匹配。
所述的尾盖为带有中心孔的螺柱，所述的绝热套筒的底端内壁的螺纹与尾盖的螺纹相匹配。
所述的组合件为三个，包括上组合件、中组合件和下组合件；
所述的上组合件包括上层热电偶和上层柱塞；
所述的中组合件包括中层热电偶和中层柱塞；
所述的下组合件包括下层热电偶和下层柱塞。
所述的中组合件位于下组合件的上方，所述的上组合件位于所述的中组合件的上方，且上组合件、中组合件和下组合件均位于绝热套筒内。
所述的上层热电偶的测点位置与上层柱塞的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接，且上层热电偶穿过尾盖的中心孔；
所述的中层热电偶的测点位置与中层柱塞的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且中层热电偶穿过尾盖的中心孔；
所述的下层热电偶的测点位置与下层柱塞的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且下层热电偶穿过尾盖的中心孔。
通过所述的绝热套筒顶端的限位环与所述的端盖的凸台的匹配关系以及所述的绝热套筒底端的螺纹与尾盖的螺纹的匹配关系，将端盖、上层热电偶、上层柱塞、中层热电偶、中层柱塞、下层热电偶、下层柱塞和尾盖固定在绝热套筒内。
所述的绝热套筒的材料为耐高温多孔纤维陶瓷，耐高温多孔纤维陶瓷为莫来石、二氧化硅、氧化铝中的一种或两种以上的混合物；所述的尾盖的材料与所述的绝热套筒的材料一致。
所述的端盖的材料为钢、合金钢、纯铜、铜合金、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基高温合金、超高温陶瓷或三元层状陶瓷；
所述的上层柱塞、中层柱塞和下层柱塞的材料与端盖的材料相同；
所述的上层热电偶为S、R、B、K、T、J、N、E型热电偶。
一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器的测量方法，该方法的步骤包括：
(1)将组合式热流密度传感器安装在由紫铜加工的空心圆柱模型中心；
(2)将步骤(1)得到的组合体置于电弧风洞流场中，热电偶测得热流密度曲线；
(3)将组合式热流密度传感器从紫铜加工的空心圆柱模型中拆出，使组合式热流密度传感器恢复至室温；
(4)重复步骤(1)-步骤(3)，再次测量电弧风洞流场中热流密度，重复1-3次；
(5)按照热流密度q(xn,t)计算表达式得到电弧风洞流场中的热流密度；式中q为热流密度，单位为W/m2；xn为热电偶的位置，上层热电偶为x1，中层热电偶为x2，下层热电偶为x3，以此类推；x为热电偶距离端盖(2)顶端的距离，单位为m；T为热电偶的实测温度，单位为K；T0为测量初始时刻温度；λ为热传导系数，单位为W/(m·K)；α为热扩散系数，单位为m2/s。
有益效果
(1)本发明的组合式柱塞传感结构为瞬态热流密度测量装置，可以快速获得测量环境的热流密度测试结果；
(2)本发明的组合式柱塞传感结构对材料的温度响应型面无特殊要求，传感器材料的选择范围宽，能够可靠测量的环境范围大，且传感器可长时间暴露于测试环境中；
(3)本发明的组合式柱塞传感结构的多柱塞和多热电偶测量可得到不同位置温度响应，获得多部位热流密度测量结果，规避单一热电偶数据丢失导致测量失效的风险。
(4)本发明的分层温度响应组合式热流密度传感器采用组合式柱塞、多热电偶响应，传感器对材料温度线性响应无要求，传感器材料选择范围宽泛，可考测量范围显著拓宽且可适应长时间测量要求。
(5)本发明利用组合式柱塞传感结构与绝热套筒满足半无限大物体第二类边界条件假设，得到不同位置的瞬态热流密度响应解析表达式。对材料的温度响应型面无特殊要求，传感器材料的选择范围宽，能够可靠测量的环境范围大，且传感器可长时间暴露于测试环境中。通过多柱塞和多热电偶设计得到不同位置温度响应，获得多部位热流密度测量结果，消除单一热电偶数据丢失导致测量失效的风险。
附图说明
图1为本发明的传感器的内部结构示意图，1-绝热套筒，2-传感器端帽，3-上层热电偶，4-上层柱塞，5-中层热电偶，6-中层柱塞，7-下层热电偶，8-下层柱塞，9-绝热螺栓堵头；
图2为本发明的传感器的组装结构示意图；
图3为本发明的传感器的外观示意图。
具体实施方式
一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，该热流密度传感器包括：绝热套筒1、端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9；
所述的端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9均位于绝热套筒1内；
上层热电偶3的测点位置与上层柱塞4的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
中层热电偶5的测点位置与中层柱塞6的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
下层热电偶7的测点位置与下层柱塞8的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
所述的尾盖9为带有中心孔的螺柱；
下层热电偶7和下层柱塞8连接成的整体放置于尾盖9的上方，且下层热电偶7穿过尾盖9的中心孔；
中层热电偶5和中层柱塞6连接成的整体放置于下层热电偶7和下层柱塞8连接成的整体的上方，且中层热电偶5穿过尾盖9的中心孔；
上层热电偶3和上层柱塞4连接成的整体放置于中层热电偶5和中层柱塞6连接成的整体的上方，且上层热电偶3穿过尾盖9的中心孔；
端盖2放置于上层热电偶3和上层柱塞4连接成的整体的上方；
所述的绝热套筒1的顶端带有限位环，所述的绝热套筒1的底端内壁带有螺纹，与尾盖9的螺纹相匹配；
所述的端盖2为带有凸台的圆柱；所述的绝热套筒1的顶端的限位环与所述的端盖2的凸台相匹配；
通过所述的绝热套筒1顶端的限位环与所述的端盖2的凸台的匹配关系以及所述的绝热套筒1底端的螺纹与尾盖9的螺纹的匹配关系，将端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9固定在绝热套筒1内。
所述的绝热套筒1的材料为耐高温多孔纤维陶瓷，耐高温多孔纤维陶瓷的耐温不低于1500℃，耐高温多孔纤维陶瓷的组分为莫来石、二氧化硅、氧化铝中的一种或两种以上的复合，主要用于提供四周绝热边界并支撑其内部的组件，室温导热系数不高于0.15W/(m·K)；
所述的端盖2选用耐高温和耐氧化性能较好的金属或陶瓷材料，如普通钢、合金钢、纯铜、铜合金、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基高温合金、超高温陶瓷或三元层状陶瓷，导热系数不低于10W/(m·K)；
所述的上层柱塞4、中层柱塞6和下层柱塞8的材料与端盖2的材料相同；
所述的上层热电偶3可根据使用温度及端盖2的最高耐受温度选择，可以是S、R、B、K、T、J、N、E型热电偶，不同位置的热电偶可根据工作温度任意搭配；
所述的尾盖9的材料与所述的绝热套筒1的材料一致；主要提供底端绝热边界，隔绝周围传热的影响，其室温导热系数不高于0.15W/(m·K)；
分层温度响应组合式热流密度传感器中间柱塞和热电偶数量可以根据实际使用要求自由选择，一般选择三层柱塞和三个热电偶既可满足要求；
分层温度响应组合式热流密度传感器按照“外层绝热套筒→传感器端帽→1层传感器柱塞→1层热电偶→2层传感器柱塞→2层热电偶→…n层传感器柱塞→n层热电偶→螺栓堵头”安装顺序组装后既可使用；
记录测量之前的传感器温度T0，将分层温度响应组合式热流密度传感器置于高温气流对流传热或者辐射传热环境中，测量时间t一般不超过30s，记录不同温度传感器的温度响应曲线T(xn,t)；
传感器置于高温气流或辐射热作用时满足半无限大物体假设，如传感器的初始温度为T0，不同时刻t、不同位置xn的对应的温度响应为T(xn,t)，则所测环境的热流密度q(xn,t)可以表示为：
式中α，λ分别为传感器端盖和柱塞材料的热扩散系数，erfc为余误差函数；式中q为热流密度，单位为W/m2；xn为热电偶的位置，上层热电偶为x1，中层热电偶为x2，下层热电偶为x3，以此类推；x为热电偶距离端盖(2)顶端的距离，单位为m；T为热电偶的实测温度，单位为K；T0为测量初始时刻温度；λ为热传导系数，单位为W/(m·K)；α为热扩散系数，单位为m2/s。
根据计算得到不同位置、不同时间的热流密度q(xn,t)。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1、图2和图3所示，一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，该热流密度传感器包括：绝热套筒1、端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9；
所述的端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9均位于绝热套筒1内；
上层热电偶3的测点位置与上层柱塞4的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
中层热电偶5的测点位置与中层柱塞6的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
下层热电偶7的测点位置与下层柱塞8的中心位置固定连接，比如通过焊接、粘接的方式固定连接；
所述的尾盖9为带有中心孔的螺柱；
下层热电偶7和下层柱塞8连接成的整体放置于尾盖9的上方，且下层热电偶7穿过尾盖9的中心孔；
中层热电偶5和中层柱塞6连接成的整体放置于下层热电偶7和下层柱塞8连接成的整体的上方，且中层热电偶5穿过尾盖9的中心孔；
上层热电偶3和上层柱塞4连接成的整体放置于中层热电偶5和中层柱塞6连接成的整体的上方，且上层热电偶3穿过尾盖9的中心孔；
端盖2放置于上层热电偶3和上层柱塞4连接成的整体的上方；
所述的绝热套筒1的顶端带有限位环，所述的绝热套筒1的底端内壁带有螺纹，与尾盖9的螺纹相匹配；
所述的端盖2为带有凸台的圆柱；所述的绝热套筒1的顶端的限位环与所述的端盖2的凸台相匹配；
通过所述的绝热套筒1顶端的限位环与所述的端盖2的凸台的匹配关系以及所述的绝热套筒1底端的螺纹与尾盖9的螺纹的匹配关系，将端盖2、上层热电偶3、上层柱塞4、中层热电偶5、中层柱塞6、下层热电偶7、下层柱塞8和尾盖9固定在绝热套筒1内。
绝热套筒1选择耐高温20％Al2O3-80％SiO2纤维多孔材料，外径Φ6，内径Φ4，导热系数0.10W/(m·K)；端盖2选择93WNiFe，Φ4×2圆片，密度17480kg/m3，比热容160J/(kg·K)，导热系数64.3W/(m·K)；上层热电偶3选择镍铬-镍硅K型，温度测量范围0～1300oC；上层柱塞4、中层柱塞6和下层柱塞8也选择93WNiFe材料，尺寸为Φ4×4圆柱；中层热电偶5和下层热电偶7选择镍铬-镍硅K型；尾盖9选择耐高温20Al2O3-80％SiO2纤维多孔材料，底座Φ6×2，上部M6×10；
参考图2顺序组装分层温度响应组合式热流密度传感器，组装后传感器外观图3；
测量方法为：将传感器安装在由紫铜加工的Φ25×30模型中心，置于标定热流密度为1.30±0.2×106W/m2电弧风洞流场中30s，上层热电偶3、中层热电偶5和下层热电偶7均测得温升曲线后撤出模型；
待传感器恢复至室温后再次测量，如此重复两次；
按照热流密度q(xn,t)计算表达式处理试验数据，三处热电偶测得的热流密度至分别为1.27±0.13×106W/m2，1.23±0.13×106W/m2和1.35±0.17×106W/m2；
本发明的传感器测量精度偏差≯10％，与现有标准柱塞式热流密度传感器的测量结果偏差≯5％。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：安装在由紫铜加工的空心圆柱模型中心，使用时组合体置于电弧风洞流场中，热电偶测得热流密度曲线，将组合式热流密度传感器从紫铜加工的空心圆柱模型中拆出，使组合式热流密度传感器恢复至室温；该热流密度传感器包括：绝热套筒(1)、端盖(2)、尾盖(9)和若干组组合件；
所述的组合件包括热电偶和柱塞，热电偶的测点位置与柱塞固定连接；
所述的尾盖(9)带有中心孔；
通过端盖(2)和尾盖(9)将若干组组合件固定在绝热套筒(1)内，且组合件中的热电偶穿过尾盖(9)的中心孔；
所述的绝热套筒(1)的顶端带有限位环，所述的绝热套筒(1)的底端内壁带有螺纹；
所述的端盖(2)为带有凸台的圆柱；所述的绝热套筒(1)的顶端的限位环与所述的端盖(2)的凸台相匹配；
所述的组合件为三个，包括上组合件、中组合件和下组合件；
所述的上组合件包括上层热电偶(3)和上层柱塞(4)；
所述的中组合件包括中层热电偶(5)和中层柱塞(6)；
所述的下组合件包括下层热电偶(7)和下层柱塞(8)；
由热流密度q(xn,t)计算表达式
得到电弧风洞流场中的热流密度；式中q为热流密度，单位为W/m2；xn为热电偶的位置，上层热电偶为x1，中层热电偶为x2，下层热电偶为x3，以此类推；x为热电偶距离端盖(2)顶端的距离，单位为m；T为热电偶的实测温度，单位为K；T0为测量初始时刻温度；λ为热传导系数，单位为W/(m·K)；α为热扩散系数，单位为m2/s。
2.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的尾盖(9)为带有中心孔的螺柱，所述的绝热套筒(1)的底端内壁的螺纹与尾盖(9)的螺纹相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的中组合件位于下组合件的上方，所述的上组合件位于所述的中组合件的上方，且上组合件、中组合件和下组合件均位于绝热套筒(1)内。
4.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的上层热电偶(3)的测点位置与上层柱塞(4)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接，且上层热电偶(3)穿过尾盖(9)的中心孔；
所述的中层热电偶(5)的测点位置与中层柱塞(6)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且中层热电偶(5)穿过尾盖(9)的中心孔；
所述的下层热电偶(7)的测点位置与下层柱塞(8)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且下层热电偶(7)穿过尾盖(9)的中心孔。
5.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：通过所述的绝热套筒(1)顶端的限位环与所述的端盖(2)的凸台的匹配关系以及所述的绝热套筒(1)底端的螺纹与尾盖(9)的螺纹的匹配关系，将端盖(2)、上层热电偶(3)、上层柱塞(4)、中层热电偶(5)、中层柱塞(6)、下层热电偶(7)、下层柱塞(8)和尾盖(9)固定在绝热套筒(1)内。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的绝热套筒(1)的材料为耐高温多孔纤维陶瓷，耐高温多孔纤维陶瓷为莫来石、二氧化硅、氧化铝中的一种或两种以上的混合物；所述的尾盖(9)的材料与所述的绝热套筒(1)的材料一致；
所述的端盖(2)的材料为钢、合金钢、纯铜、铜合金、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基高温合金、超高温陶瓷或三元层状陶瓷；
所述的上层柱塞(4)、中层柱塞(6)和下层柱塞(8)的材料与端盖(2)的材料相同；
所述的上层热电偶(3)为S、R、B、K、T、J、N、E型热电偶。
7.一种基于权利要求1～6任一项所述的分层温度响应的组合式热流密度传感器实现的热流密度测量方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)将组合式热流密度传感器安装在由紫铜加工的空心圆柱模型中心；
(2)将步骤(1)得到的组合体置于电弧风洞流场中，热电偶测得热流密度曲线；
(3)将组合式热流密度传感器从紫铜加工的空心圆柱模型中拆出，使组合式热流密度传感器恢复至室温；
(4)重复步骤(1)-步骤(3)，再次测量电弧风洞流场中热流密度，重复1-3次；
(5)按照热流密度q(xn,t)计算表达式得到电弧风洞流场中的热流密度；式中q为热流密度，单位为W/m2；xn为热电偶的位置，上层热电偶为x1，中层热电偶为x2，下层热电偶为x3，以此类推；x为热电偶距离端盖(2)顶端的距离，单位为m；T为热电偶的实测温度，单位为K；T0为测量初始时刻温度；λ为热传导系数，单位为W/(m·K)；α为热扩散系数，单位为m2/s。
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