CN111413003B - 一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统，包括将音速喷嘴夹持在流体通道的绝热夹具，用于采集音速喷嘴断面温度的微型热电偶阵列，所采用的音速喷嘴为金属材质制成，其中，绝热夹具由隔热材料制成，包括可以拆卸并能够固定连接在一起的两个夹具单元，每个夹具单元包括夹具外壳和位于夹具轴线上的夹持柱体，在夹持柱体的中部设置有贯穿的流体通道，两个夹具单元的夹持柱体的端部分别与音速喷嘴的一端密封连接，使得音速喷嘴固定在绝热夹具的轴线上并与流体通道相连通，两个夹具单元固定连接后，在夹具外壳和夹持柱体之间形成环形间隙；在音速喷嘴主体上设置有不同位置不同深度的热电偶植入孔，用于植入热电偶传感器阵列。

Description

一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统
技术领域
本发明涉及的音速喷嘴管壁热场分布测量系统属于气体流量检测领域。
背景技术
音速喷嘴是最常用的流量传感器之一，广泛应用于流量测量领域，具有性能可靠、结构简单、准确度等级高等特点。但由于音速喷嘴自身的结构特点，气体在喷嘴中流动流速会不断增加，气体体积不断膨胀，并伴随着气体温度的下降，低温气体与音速喷嘴壁面之间的传热导致喷嘴壁面温度改变，进而对音速喷嘴的性能产生不利影响。随着音速喷嘴应用于航天技术、医疗领域、石油加工等领域，对音速喷嘴的性能及其影响因素的研究成为一项研究热点。目前对音速喷嘴性能产生影响的主要因素有湿度、入口段形状、扩散段形状和温度等，而温度直接影响音速喷嘴的准确度，故音速喷嘴温度场的测量对研究温度对喷嘴特性影响具有重要意义。
现阶段的音速喷嘴壁面温度场测量与重建，大多通过传统温度传感器接触的方式，或通过红外测温仪进行非接触式测温，上述测温方式在一定程度上能够反映喷嘴管壁温度情况，但是测温系统受环境变化影响较大，测温范围有限且难以获得详细的管壁温度信息，测温步骤不够系统完整。针对上述存在的不足，本发明提出了一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统，该系统可以提高音速喷嘴管壁温度采集工作的效率与准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种稳定、可靠、测温全面且精度高的音速喷嘴管壁热场分布测量系统。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统，包括将音速喷嘴夹持在流体通道的绝热夹具，用于采集音速喷嘴断面温度的微型热电偶阵列，所采用的音速喷嘴为金属材质制成，其中，
绝热夹具由隔热材料制成，包括可以拆卸并能够固定连接在一起的两个夹具单元，每个夹具单元包括夹具外壳和位于夹具轴线上的夹持柱体，在夹持柱体的中部设置有贯穿的流体通道，两个夹具单元的夹持柱体的端部分别与音速喷嘴的一端密封连接，使得音速喷嘴固定在绝热夹具的轴线上并与流体通道相连通，两个夹具单元固定连接后，在夹具外壳和夹持柱体之间形成环形间隙；
在音速喷嘴主体上设置有不同位置不同深度的热电偶植入孔，用于植入热电偶传感器阵列，传感器选用T型热电偶，热电偶植入孔的前端为被测温点，在热电偶植入孔内设置有用于确保热电偶与音速喷嘴内壁测温点良好接触的金属柱，金属柱与音速喷嘴主体材质相同，金属柱插入喷嘴外表面的热电偶植入孔，并且在金属柱的末端设计有V型槽，用于限制热电偶热端的移动。
所述的系统还包括电伴热带，所述的电伴热带缠绕在音速喷嘴外表面。
两个夹具单元的夹持柱体的端部分别与音速喷嘴的一端通过O型橡胶圈密封连接，
在V型槽处填充导热硅脂，确保热电偶热端与被测温点有良好的导热环境。
热电偶阵列采集到的温度信号，通过信号传输线传至信号调理模块，信号调理包括冷端温度补偿、信号放大处理、信号滤波、信号限幅，之后经过A/D转换后至计算机中，通过空间插值算法，重构得到音速喷嘴管壁温度场与热流场。
综上所述，本发明属于一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统，优点如下：
1、本发明系统利用微型热电偶阵列与红外测温仪分别采集音速喷嘴断面温度场与外表面温度场，获取信息全面，准确度高；
2、本发明系统设计有绝热夹具装置，该装置结构简单，性能可靠，拆装灵活便捷，使系统能高效完成音速喷嘴热场测量任务；
3、本发明系统设计有伴热装置，使系统具有一定的抗干扰能力，不易受环境因素影响。
附图说明
图1为喷嘴夹具结构图；
图2为音速喷嘴打孔结构图；
图3为金属柱安装示意图；
图4为电伴热带安装示意图；
图5为空间插值流程图；
图6为系统工作流程图。
图中标号说明：1为绝热夹具；2为O型橡胶圈；3为法兰盘；4为引线孔洞；5为环形间隙；6为流体流道；7为音速喷嘴；8为电伴热带；9为热敏胶带；10为固定金属柱；11为V型槽；12为热电偶植入孔；13为夹具外壳；14为夹持柱体。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的特征、操作流程及具体优势、性能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细的描述。
参见图1，音速喷嘴7的稳定安装，是对其进行管壁温度场测量的前提条件，故在本发明中设计了如图1所示的喷嘴绝热夹具1，用于辅助固定音速喷嘴，还能帮助喷嘴7与流体流道6更好的衔接。绝热夹具1主体材质为PVC材料，具有隔热效果，该夹具装置分为左右对称的两部分，可通过法兰盘3上的螺母完成整体的组装或拆卸，使更换喷嘴7或移除绝热夹具1变得更为便捷。音速喷嘴7的上下游各设计有O型橡胶圈2，使喷嘴固定在夹具装置的轴线上，夹具的轴线流道与外壳之间的环形间隙5，为传感器阵列、保温材料、加热装置等安装提供空间，同时在夹具外壳上开有一定大小的引线孔洞4，用于传输信号线的铺设。
为测量喷嘴断面温度信息，音速喷嘴上设计有不同位置不同深度的热电偶植入孔12，用于植入热电偶传感器阵列，参见图2。传感器选用T型热电偶，具有准确度高、线性度好、热电动势大、灵敏度高等特点，适合测量低温段温度。为确保热电偶与喷嘴内壁测温点良好接触，同时减小测温误差，该系统还设计有辅助固定的金属柱10，安装如图3所示，金属柱10与喷嘴7主体材质相同，金属柱垂直插入喷嘴外表面的热电偶植入孔12，并且在金属柱的末端设计有V型槽11，用于限制热电偶热端的移动，防止实验过程中热电偶移动导致的测温误差，同时在V型槽11处填充导热硅脂，确保热电偶热端与被测温点有良好的导热环境，提高系统测温的准确性。本系统的电伴热带温度控制装置安装如图4所示，采用缠绕式安装，电伴热带8均匀缠绕在喷嘴7外侧，并用热敏胶带9辅助固定。电伴热带均匀缠绕在喷嘴外侧后，再用保温材料将整体包裹，确保加热温度不会散失。
热电偶阵列采集到的温度信号，通过信号传输线传至信号调理模块，信号调理包括冷端温度补偿、信号放大处理、信号滤波、信号限幅，之后经过A/D转换后至计算机中，通过集成的空间插值算法，重构得到音速喷嘴管壁温度场与热流场，空间插值算法处理步骤如图5所示。音速喷嘴外表面温度采集通过红外测温仪实现。由于红外测温需要，喷嘴与红外测温仪之间不能有物体遮挡，故在进行喷嘴表面温度采集时，要拆除夹具以及其他覆盖在喷嘴外壁上的部件，可以通过拆卸夹具上的螺母，简化拆卸工作。测量温度时，要使红外测温仪视野对准裸露的喷嘴外壁面，红外测温仪采集得到的温度场信息与热电偶阵列采集信息进行实时交叉验证，最后一同传送至计算机，并在计算机中进行显示，储存。热电偶阵列与红外测温仪测温步骤如图6所示。
综上，该音速喷嘴管壁热场分布测量系统具有结构稳定，测温精度高，能高效完成音速喷嘴温度场采集任务等特点。

Claims (6)

1.一种音速喷嘴管壁热场分布测量系统，包括将音速喷嘴夹持在流体通道的绝热夹具，用于采集音速喷嘴断面温度的微型热电偶阵列，所采用的音速喷嘴为金属材质制成，其中，
绝热夹具由隔热材料制成，包括可以拆卸并能够固定连接在一起的两个夹具单元，每个夹具单元包括夹具外壳和位于夹具轴线上的夹持柱体，在夹持柱体的中部设置有贯穿的流体通道，两个夹持柱体的端部分别与音速喷嘴的两端密封连接，使得音速喷嘴固定在绝热夹具的轴线上并与流体通道相连通，两个夹具单元固定连接后，在夹具外壳和夹持柱体之间形成环形间隙；
在音速喷嘴主体上设置有不同位置不同深度的热电偶植入孔，用于植入热电偶传感器阵列，热电偶植入孔的前端为被测温点，在热电偶植入孔内设置有用于确保热电偶与音速喷嘴内壁测温点良好接触的金属柱，金属柱与音速喷嘴主体材质相同，金属柱插入喷嘴外表面的热电偶植入孔，并且在金属柱的末端设计有V型槽，用于限制热电偶热端的移动，热电偶从热电偶植入孔与金属柱之间的空隙引出。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述的系统还包括电伴热带，所述的电伴热带缠绕在音速喷嘴外表面。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，两个夹持柱体的端部分别与音速喷嘴的两端通过O型橡胶圈密封连接。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，在V型槽处填充导热硅脂，确保热电偶热端与被测温点有良好的导热环境。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，传感器选用T型热电偶。
6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，热电偶阵列采集到的温度信号，通过信号传输线传至信号调理模块，信号调理包括冷端温度补偿、信号放大处理、信号滤波、信号限幅，之后经过A/D转换后至计算机中，通过空间插值算法，重构得到音速喷嘴管壁温度场与热流场。
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