CN111947882A - 一种瞬态热流传感器及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬态热流传感器及其测试方法，包括：基于一维传热假设，构建了一种带封装结构和传热体径向通孔测温的瞬态热流传感器；在此基础上，根据所测温度‑时间数据，提出了一种结合热容吸热和一维半无限体传热的混合热流测试方法。本发明的瞬态热流传感器结构可以避免测温点暴露在高温强冲刷流场中，提高了使用寿命；同时，本发明所给出的混合热流测试方法保证了热流传感器良好的瞬态响应特性，使其可以应用在超高热流环境快速测试。
Description
技术领域
本发明属于高超声速器地面防热试验测试技术领域，具体涉及一种基于混合测热的瞬态热流传感器及其测试方法。
背景技术
在气动热与热防护试验中，电弧风洞和自由射流电弧加热器试验设备是重要的高超声速飞行器热防护材料与防热结构地面考核与评估的重要地面模拟试验设备。其中，针对尖锐前缘和超高热流试验环境，热流参数常采用瞬态测试方法。在高超声速地面模拟防热试验超高温、高冲刷电弧流场中传感器外表面温度用热电偶直接测试往往是非常困难的。因此，常用的零点量热计利用内腔“零点”位置温度间接获得一维半无限体传热体前表面温度-时间数据，并由此计算出前表面输入热流。但存在如下困难：1)由于内腔孔径小于1mm、长径比大于10且是盲孔，因此机械加工难度大，很难满足内腔底部几何尺寸加工精度要求；2)为了实现瞬态热流测试，常常采用高导热系数的无氧铜(纯铜)作为热流传感器传热体，但会带来热电偶接点很难在空腔底部直接进行冶金融化焊接问题。因此，常采用钎焊膏焊接方式，但存在较大的接触热阻以及钎焊位置偏差大。上述问题直接导致零点量热计加工质量难以控制，响应时间慢以及测试误差大(甚至达到20％)，影响其有效应用。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种瞬态热流传感器，包括：
热流传感器封装外壳体，其为T型结构；所述热流传感器封装外壳体的内部具有T型容纳通腔；
热流传感器本体，其包括：
无氧铜传热体，其设置在T型容纳通腔内，所述无氧铜传热体的前端开设有径向通孔；所述无氧铜传热体的前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合且与无氧铜传热体的前端面齐平；所述无氧铜传热体的后段一体成型设置有无氧铜传热体法兰盘；且所述无氧铜传热体法兰盘位于T型容纳通腔的较大端；所述无氧铜传热体法兰盘固定在上层氧化锆垫圈和下层氧化锆垫圈之间；
两根单孔刚玉管，其分别位于无氧铜传热体和热流传感器封装外壳体内壁之间，且两根单孔刚玉管穿过无氧铜传热体法兰盘；两根单孔刚玉管的前端部均低于无氧铜传热体的径向通孔；
过渡连接部件，其上端连接在上层氧化锆垫圈和热流传感器封装外壳体内壁之间；且所述过渡连接部件的上端与热流传感器封装外壳体的内壁可拆卸连接；
尾盖，其与过渡连接部件可拆卸连接，且所述过渡连接部件的下端连接在下层氧化锆垫圈和尾盖内壁之间；
依次可拆卸连接在尾盖的后端面上的云母垫片和不锈钢压片，所述云母垫片和不锈钢压片上均设置有无绝缘层对接型热电偶丝和无氧铜传热体穿出的通孔；所述两根单孔刚玉管的末端位于云母垫片的通孔内；
其中，无绝缘层对接型热电偶丝穿过径向通孔，使其测温接点位于径向通孔中间位置并保持紧配合；在无氧铜传热体径向通孔两侧出口外部裸露的对接型热电偶丝分别从两根单孔刚玉管穿过，并用高温环氧树脂胶在不锈钢压片出口位置将其固定。
优选的是，所述热流传感器封装外壳体为T型圆柱结构。
优选的是，所述的无氧铜传热体为变直径的圆柱体形的结构，从前段到后部直径分别为Φ2.4mm、Φ2mm、Φ2.5mm和Φ2mm，总长40mm；所述无氧铜传热体径向通孔的内径为Φ0.2mm；所述无氧铜传热体前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合的台阶高度为0.3mm。
优选的是，所述两根单孔刚玉管的外径为Φ0.9mm，内径为Φ0.4mm，长度34.5mm；所述单孔刚玉管的头部距离无氧铜传热体径向通孔中心线的距离为0.4mm。
优选的是，所述热流传感器封装外壳体头部的外部为长度为1mm，直径为6mm，随后为长度为10mm的M8×0.75的细外螺纹。
优选的是，所述过渡连接部件的上端与热流传感器封装外壳体的内壁可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件上设置有外螺纹，所述热流传感器封装外壳体的内壁设置有内螺纹Ⅰ，通过外螺纹和内螺纹Ⅰ实现螺纹连接；且所述热流传感器封装外壳体的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉。
优选的是，所述尾盖与过渡连接部件可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件上设置有外螺纹，所述尾盖的内壁设置有内螺纹Ⅱ，通过外螺纹和内螺纹Ⅱ实现螺纹连接；且所述尾盖的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉。
优选的是，所述云母垫片和不锈钢压片通过压紧螺钉可拆卸连接在尾盖的后端面上。
本发明还提供一种采用上述的瞬态热流传感器进行瞬态热流测试的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据瞬态热流传感器的无绝缘层对接型热电偶丝在无氧铜传热体径向通孔中心位置测试温度数据信号T(k)，采样时间间隔为Δt；
步骤二、根据能量守恒原则，结合热容吸热和一维半无限体传热，给出一种混合瞬态热流测试方法，计算公式如下：
其中，q(k)为示值热流，ρ、C、K分别为无氧铜传热体的密度，单位kg/m3、比热，单位J/kg·K和导热系数，单位W/m·K；tk＝kΔt；h1为无氧铜传热体的径向通孔中心线与瞬态热流传感器前端面之间的距离；
步骤三、采用步骤一所测温度数据T(k)，根据步骤二所给计算公式，计算出时间序列热流值q(k)；考虑到热容响应时间和半无限体传热假设有效时长，设0时刻为输入热流起始时刻，则根据上述计算公式获得的有效热流数据时间范围为：
其中，h2为无氧铜传热体径向通孔中心线与无氧铜传热体第二个台阶面之间的距离；
步骤四、考虑到热电偶丝测温误差和无氧铜传热体头部存在高度0.3mm的异径台阶影响热流测试准确度，因此需要在热流传感器标定试验平台进行校准，获得矫正系数cr，即
其中，qc为已知标定热流；q(k)为利用在qc热流输入下的瞬态热流传感器温度测试数据T(k)，根据步骤二和步骤三获得的示值热流；
步骤五、在电弧风洞或电弧加热器试验现场，用已标定的瞬态热流传感器进行热流测试，获得热流传感器温度响应T(k)数据，结合步骤二、三、四，测试出高温流场环境中的热流数据qe(k)＝crq(k)。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的新型结构的瞬态热流传感器制备工艺难度降低，避免了热电偶丝焊接以其导热对传热体内部测温准确度影响；带封装外套结构，保证了热流传感器近似一维传热过程；所给瞬态混合热流测试方法，即保证了所设计的瞬态热流传感器测试准度，又提高了其热流测试响应速度，为实现超高热流瞬态测试奠定了基础。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明的瞬态热流传感器结构图；
图2为本发明提供的瞬态热流传感器及测试方法响应时间评估结果；
图3为本发明提供的瞬态热流传感器响应线性度及试验标定结果。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种瞬态热流传感器，包括：
热流传感器封装外壳体1，其为T型结构；所述热流传感器封装外壳体的内部具有T型容纳通腔；
热流传感器本体，其包括：
无氧铜传热体2，其设置在T型容纳通腔内，所述无氧铜传热体的前端开设有径向通孔3；所述无氧铜传热体2的前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合且与无氧铜传热体的前端面齐平；所述无氧铜传热体2的后段一体成型设置有无氧铜传热体法兰盘20；且所述无氧铜传热体法兰盘20位于T型容纳通腔的较大端；所述无氧铜传热体法兰盘20固定在两层氧化锆垫圈7之间；两层氧化锆垫圈7包括上层氧化锆垫圈和下层氧化锆垫圈；
两根单孔刚玉管6，其分别位于无氧铜传热体2和热流传感器封装外壳体1内壁之间，且两根单孔刚玉管6穿过无氧铜传热体法兰盘20；两根单孔刚玉管6的前端部均低于无氧铜传热体的径向通孔3；
过渡连接部件15，其上端连接在上层氧化锆垫圈7和热流传感器封装外壳体1内壁之间；且所述过渡连接部件15的上端与热流传感器封装外壳体1的内壁可拆卸连接；
尾盖9，其与过渡连接部件15可拆卸连接，且所述过渡连接部件15的下端连接在下层氧化锆垫圈7和尾盖9内壁之间；
依次可拆卸连接在尾盖9的后端面上的云母垫片13和不锈钢压片12，所述云母垫片13和不锈钢压片12上均设置有无绝缘层对接型热电偶丝5和无氧铜传热体2穿出的通孔；所述两根单孔刚玉管6的末端位于云母垫片13的通孔内；
其中，无绝缘层对接型热电偶丝5穿过径向通孔3，使其测温接点4位于径向通孔3中间位置并保持紧配合；在无氧铜传热体2径向通孔3两侧出口外部裸露的对接型热电偶丝分别从两根单孔刚玉管6穿过，并用高温环氧树脂胶11在不锈钢压片12出口通孔位置将其固定；
在上述技术方案中，所述热流传感器封装外壳体1为T型圆柱结构；
在上述技术方案中，所述的无氧铜传热体2为变直径的圆柱体形的结构，从前段到后部直径分别为Φ2.4mm、Φ2mm、Φ2.5mm(不包括无氧铜传热体法兰盘的直径)和Φ2mm，总长40mm；所述无氧铜传热体径向通孔的内径为Φ0.2mm；所述无氧铜传热体前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合的台阶高度为0.3mm；
在上述技术方案中，所述两根单孔刚玉管的外径为Φ0.9mm，内径为Φ0.4mm，长度34.5mm；所述单孔刚玉管的头部距离无氧铜传热体径向通孔中心线的距离为0.4mm；
在上述技术方案中，所述热流传感器封装外壳体头部的外部为长度为1mm，直径为6mm，随后为长度为10mm的M8×0.75的细外螺纹。
在上述技术方案中，所述过渡连接部件15的上端与热流传感器封装外壳体的内壁可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件15上设置有外螺纹，所述热流传感器封装外壳体1的内壁设置有内螺纹Ⅰ，通过外螺纹和内螺纹Ⅰ实现螺纹连接；且所述热流传感器封装外壳体1的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉8，14，采用防松动无头螺8，14可以将过渡连接部固定，防止其在使用时旋转；
在上述技术方案中，所述尾盖与过渡连接部件可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件15上设置有外螺纹，所述尾盖9的内壁设置有内螺纹Ⅱ，通过外螺纹和内螺纹Ⅱ实现螺纹连接；且所述尾盖9的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉8，14；采用防松动无头螺8，14可以将过渡连接部与尾盖固定，防止其在使用时旋转；
在上述技术方案中，所述云母垫片和不锈钢压片通过压紧螺钉10可拆卸连接在尾盖的后端面上；采用这种方式，方便拆卸云母垫片和不锈钢压片；
在气动热与热防护试验中，电弧风洞和自由射流电弧加热器试验设备是重要的高超声速飞行器热防护材料与防热结构地面考核与评估的重要地面模拟试验设备。其中，针对尖锐前缘和超高热流试验环境，热流参数常采用瞬态测试方法。在高超声速地面模拟防热试验超高温、高冲刷电弧流场中传感器外表面温度用热电偶直接测试往往是非常困难的。因此，设计了如图1所示瞬态热流传感器，传热体径向通孔3位于距离前表面h1处；对接型热电偶丝5穿过传热体径向通孔3，且对接型热电偶丝测温接点4位于径向通孔3的中间位置，获得温度数据T(k)；由于对接型热电偶丝5为裸丝，为了确保除径向通孔部分外的高温电绝缘，在热流传感器传热体两侧增加了一组耐高温绝缘单孔刚玉管6；在单孔刚玉管6后端处用高温环氧树脂胶固定和电绝缘从单孔刚玉管6穿出的对接型热电偶丝5；增加氧化锆陶瓷垫圈7的目的是尽可能阻隔热流传感器封装外壳1与无氧铜传热体2之间产生传热影响；
一种采用上述的瞬态热流传感器进行瞬态热流测试的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据瞬态热流传感器的无绝缘层对接型热电偶丝在无氧铜传热体径向通孔中心位置测试温度数据信号T(k)，采样时间间隔为Δt；无绝缘层对接型热电偶丝的型号：Omega CHAL-005-BW；
步骤二、根据能量守恒原则，结合热容吸热和一维半无限体传热，给出一种混合瞬态热流测试方法，计算公式如下：
其中，q(k)为示值热流，ρ、C、K分别为无氧铜传热体的密度，单位kg/m3、比热，单位J/kg·K和导热系数，单位W/m·K；tk＝kΔt；h1为无氧铜传热体的径向通孔中心线与瞬态热流传感器前端面之间的距离，如图1所示；
步骤三、采用步骤一所测温度数据T(k)，根据步骤二所给计算公式，计算出时间序列热流值q(k)；考虑到热容响应时间和半无限体传热假设有效时长，设0时刻为输入热流起始时刻，则根据上述计算公式获得的有效热流数据时间范围为：
其中，h2为无氧铜传热体径向通孔中心线与无氧铜传热体第二个台阶面(无氧铜传热体的直径从Φ2mm到Φ2.5mm转变的台阶面)之间的距离，如图1所示；
步骤四、考虑到热电偶丝测温误差和无氧铜传热体头部存在高度0.3mm的异径台阶影响热流测试准确度，因此需要在热流传感器标定试验平台进行校准，获得矫正系数cr，即
其中，qc为已知标定热流；q(k)为利用在qc热流输入下的瞬态热流传感器温度测试数据T(k)，根据步骤二和步骤三获得的示值热流；
步骤五、在电弧风洞或电弧加热器试验现场，用已标定的瞬态热流传感器进行热流测试，获得热流传感器温度响应T(k)数据，结合步骤二、三、四，测试出高温流场环境中的热流数据qe(k)＝crq(k)。
图2中的虚线曲线数据由热流传感器标定系统分光路光电二极管(纳秒量级响应时间)同步采集，并结合基准戈登计静态测热结果得到的实际输入热流波形曲线；图2中的实线曲线数据为根据本申请专利所研制的瞬态热流传感器及其测试方法同步获得的热流测试数据。由图2这两条曲线对比可以看出，瞬态热流传感器的响应时间为0.11s,满足电弧风洞及自由射流电弧加热器地面试验超高瞬态热流测试需要；
由图3所示的瞬态热流传感器示值热流与标定热流值之间的线性拟合获得的校正相关性系数平方值(Adj.R-Square)0.99993表明，瞬态热流传感器具有良好的响应线性度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种瞬态热流传感器，其特征在于，包括：
热流传感器封装外壳体，其为T型结构；所述热流传感器封装外壳体的内部具有T型容纳通腔；
热流传感器本体，其包括：
无氧铜传热体，其设置在T型容纳通腔内，所述无氧铜传热体的前端开设有径向通孔；所述无氧铜传热体的前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合且与无氧铜传热体的前端面齐平；所述无氧铜传热体的后段一体成型设置有无氧铜传热体法兰盘；且所述无氧铜传热体法兰盘位于T型容纳通腔的较大端；所述无氧铜传热体法兰盘固定在上层氧化锆垫圈和下层氧化锆垫圈之间；
两根单孔刚玉管，其分别位于无氧铜传热体和热流传感器封装外壳体内壁之间，且两根单孔刚玉管穿过无氧铜传热体法兰盘；两根单孔刚玉管的前端部均低于无氧铜传热体的径向通孔；
过渡连接部件，其上端连接在上层氧化锆垫圈和热流传感器封装外壳体内壁之间；且所述过渡连接部件的上端与热流传感器封装外壳体的内壁可拆卸连接；
尾盖，其与过渡连接部件可拆卸连接，且所述过渡连接部件的下端连接在下层氧化锆垫圈和尾盖内壁之间；
依次可拆卸连接在尾盖的后端面上的云母垫片和不锈钢压片，所述云母垫片和不锈钢压片上均设置有无绝缘层对接型热电偶丝和无氧铜传热体穿出的通孔；所述两根单孔刚玉管的末端位于云母垫片的通孔内；
其中，无绝缘层对接型热电偶丝穿过径向通孔，使其测温接点位于径向通孔中间位置并保持紧配合；在无氧铜传热体径向通孔两侧出口外部裸露的对接型热电偶丝分别从两根单孔刚玉管穿过，并用高温环氧树脂胶在不锈钢压片出口位置将其固定。
2.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述热流传感器封装外壳体为T型圆柱结构。
3.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述的无氧铜传热体为变直径的圆柱体形的结构，从前段到后部直径分别为Φ2.4mm、Φ2mm、Φ2.5mm和Φ2mm，总长40mm；所述无氧铜传热体径向通孔的内径为Φ0.2mm；所述无氧铜传热体前端部与T型容纳通腔的较小端前缘保持过渡配合的台阶高度为0.3mm。
4.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述两根单孔刚玉管的外径为Φ0.9mm，内径为Φ0.4mm，长度34.5mm；所述单孔刚玉管的头部距离无氧铜传热体径向通孔中心线的距离为0.4mm。
5.如权利要求1所述的动态热流传感器，其特征在于，所述热流传感器封装外壳体头部的外部为长度为1mm，直径为6mm，随后为长度为10mm的M8×0.75的细外螺纹。
6.如权利要求1所述的动态热流传感器，其特征在于，所述过渡连接部件的上端与热流传感器封装外壳体的内壁可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件上设置有外螺纹，所述热流传感器封装外壳体的内壁设置有内螺纹Ⅰ，通过外螺纹和内螺纹Ⅰ实现螺纹连接；且所述热流传感器封装外壳体的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉。
7.如权利要求1所述的动态热流传感器，其特征在于，所述尾盖与过渡连接部件可拆卸连接的方式为：所述过渡连接部件上设置有外螺纹，所述尾盖的内壁设置有内螺纹Ⅱ，通过外螺纹和内螺纹Ⅱ实现螺纹连接；且所述尾盖的外侧连接有固定过渡连接部件的防松动无头螺钉。
8.如权利要求1所述的动态热流传感器，其特征在于，所述云母垫片和不锈钢压片通过压紧螺钉可拆卸连接在尾盖的后端面上。
9.一种采用如权利要求1～8任一项所述的瞬态热流传感器进行瞬态热流测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据瞬态热流传感器的无绝缘层对接型热电偶丝在无氧铜传热体径向通孔中心位置测试温度数据信号T(k)，采样时间间隔为Δt；
步骤二、根据能量守恒原则，结合热容吸热和一维半无限体传热，给出一种混合瞬态热流测试方法，计算公式如下：
其中，q(k)为示值热流，ρ、C、K分别为无氧铜传热体的密度，单位kg/m3、比热，单位J/kg·K和导热系数，单位W/m·K；tk＝kΔt；h1为无氧铜传热体的径向通孔中心线与瞬态热流传感器前端面之间的距离；
步骤三、采用步骤一所测温度数据T(k)，根据步骤二所给计算公式，计算出时间序列热流值q(k)；考虑到热容响应时间和半无限体传热假设有效时长，设0时刻为输入热流起始时刻，则根据上述计算公式获得的有效热流数据时间范围为：
其中，h2为无氧铜传热体径向通孔中心线与无氧铜传热体第二个台阶面之间的距离；
步骤四、考虑到热电偶丝测温误差和无氧铜传热体头部存在高度0.3mm的异径台阶影响热流测试准确度，因此需要在热流传感器标定试验平台进行校准，获得矫正系数cr，即
其中，qc为已知标定热流；q(k)为利用在qc热流输入下的瞬态热流传感器温度测试数据T(k)，根据步骤二和步骤三获得的示值热流；
步骤五、在电弧风洞或电弧加热器试验现场，用已标定的瞬态热流传感器进行热流测试，获得热流传感器温度响应T(k)数据，结合步骤二、三、四，测试出高温流场环境中的热流数据qe(k)＝crq(k)。
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