CN112362235B - 一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置 - Google Patents

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    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination
    • G01L27/005—Apparatus for calibrating pressure sensors

Abstract

本发明涉及一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，属于计量校准领域。通过在校准装置腔体上对置安装铸铝加热套，实现校准装置内部气体介质的加热。铸铝加热套外端面与腔体端面平齐，铸铝加热套、腔体外端面通过加装密封垫，并采用螺栓将端盖固定在腔体上。后端盖内壁上固定安装第一凹面镜，前端盖的内壁上安装第二凹面镜和第三凹面镜，并可通过调节螺钉实现姿态的调整，确保校准装置内部光路的可调。温度压力控制系统除了能够实现腔体内部温度和压力的高精度控制，还能确保腔体内部温度的均匀性。本发明在腔内温度和压力可控性、时效性及光路稳定性等方面显著提高，适用于高温高压环境下基于光学测量手段的压力溯源。

Description

一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置
技术领域
本发明涉及一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，属于计量校准领域。
背景技术
可溯源压力测量问题是制约压力计量技术发展的首要问题。基于折射率或吸收光谱可以实现压力的直接测量，是比较理想的可溯源压力测量方法。但对于气体压力测量，这两种方法都将面临温度变化影响突出问题。因此，对基于折射率和吸收光谱的气体压力测量中的温度影响进行深入分析并研究相应的温度补偿修正方法尤为重要。设计能够同时实现高温高压环境的并用于气体压力光学测量的装置，是气体压力测量过程中温度解耦的关键，直接影响到燃气轮机、航空发动机等动力机械高温高压环境下压力的溯源问题。
目前，封闭腔体内气体的加热方式主要有两种：一种是外置加热，即通过在腔体外部裹上加热带，实现腔体内部气体介质的加热，这种方法结构简单，对封闭腔体的结构无特殊要求，但是由于加热带功率有限，加热速度慢，所能达到的温度上限低。另一种方法将封闭腔体内置于加热炉内，采用这种方法能够实现腔体内介质温度的快速升高，也能够达到较高的温度。但是加热炉体积大，对腔体结构设计的约束大，还需同时兼顾管路与各种传感器的安装，增加了封闭腔体的设计难度。
此外，由于采用光学手段进行压力测量时的信号强度往往较低，需通过增加光程来解决这一问题，但是对于高温高压环境下气体压力的测量，压力和温度的变化范围较大，气体介质自身属性的变化会直接影响光信号的测量，如折射率的变化会影响光信号在校准装置内部的整体光路；与此同时，高温环境下光学元件自身的变化也会对光路产生较大的影响，如何实现校准装置内部光路的可调性确保光学信号的准确、有效采集是实现高温高压下基于光学测压的关键问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决高温高压环境下基于光学测量的气体压力校准装置加热效率和装置结构无法兼顾、光路系统不可靠的问题，提供一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，特别涉及一种基于激光干涉仪等光学测量的高温高压环境下光路可调的分体加热式气体压力溯源装置。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，腔体为侧壁开设多个安装孔的中空体；所述腔体上开设进排气孔；所述腔体上开设有温度传感器和压力传感器安装孔；所述腔体两端固定安装有端盖，分别称为前端盖和后端盖；所述前端盖上开设进光孔和出光孔，且所述前端盖的内壁上固定安装有第二凹面镜和第三凹面镜；所述第二凹面镜和第三凹面镜位于所述进光孔和出光孔之间；所述后端盖上安装有第一凹面镜；所述腔体壁上内置有内置式铸铝加热套；所述接线端子置于预留孔中，为铸铝加热套供电同时不影响端盖的安装及密封。
所述第二凹面镜和第三凹面镜高度可调。
所述的石英玻璃通过高温密封胶固定在腔体的进光孔和出光孔上。
所述的进排气孔、上侧温度传感器安装孔、下侧温度传感器安装孔和压力传感器安装孔采用90°间隔布置在弹体中心。
所述内置式铸铝加热套采用对置的方式安装进校准装置腔体中，所述的铸铝加热套外端面与腔体端面平齐。
所述的铸铝加热套、校准装置腔体外端面通过加装密封垫，并采用螺栓将端盖固定在腔体上。
激光信号自进光孔进入，依次然后经过第一凹面镜、第二凹面镜和第三凹面镜反射，从出光孔射出后进入光电探测器。所述的温度压力控制主要用于实现校准装置内部压力和温度的高精度控制。
通过调整所述第二凹面镜和第三凹面镜的角度，实现对校准装置内部光路的调整，确保高温高压下光学信号的稳定测量。
有益效果
1、本发明采用铸铝加热套对置嵌入校准装置内部的方式实现校准装置内部气体介质的快速加热，同时降低加热器暴露于空气中造成的对流和热辐射造成的热损失，避免了外置加热炉造成的整个实验装置体积大、进排气及温度传感器布置困难的问题，解决加热效率和校准装置结构无法兼顾的问题。
2、本发明采用光路可调的结构能够综合考虑高温高压环境下气体介质属性和光学元件变化造成的光信号测不到的问题，通过可调的凹面镜结构实现光路的可调节性还能够有效拓展温度和压力的范围。
3、采用在校准装置上侧和下侧同时安装温度传感器的方式，考虑加热产生的气体上浮效应，在确保校准装置内部温度准确控制的同时兼顾校准装置内部温度的均匀性。
附图说明
图1是本发明的校准装置的结构示意图；
图2是本发明的中心的剖面图；
图3是本发明的控制系统。
其中，1—前端盖；2—接线端子；3—腔体；4—内置式铸铝加热套；5—压力传感器安装孔；6—上侧温度传感器安装孔；7—后端盖；8—螺栓；9—固定支座；10—第一凹面镜；11—下侧温度传感器安装孔；12—石英玻璃；13—进光孔；14—可调螺钉；15—第二凹面镜；16—第三凹面镜；17—可调支座；18—出光孔；19—密封垫圈。1a—上侧温度传感器安装孔；2a—压力传感器安装孔；3a—进排气孔；4a—下侧温度传感器安装孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
结合图1～3，本发明的一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置包括：前端盖1、接线端子2、腔体3、内置式铸铝加热套4、压力传感器安装孔5、上侧温度传感器安装孔6、后端盖7、螺栓8、固定支座9、第一凹面镜10、下侧温度传感器安装孔11、石英玻璃12、进光孔13、可调螺钉14、第二凹面镜15、第三凹面镜16、可调支座17、出光孔18、密封垫圈19。上侧温度传感器安装孔1a、压力传感器安装孔2a、进排气孔3a、下侧温度传感器安装孔4a。
图1是本发明的整体示意图，所述的铸铝加热套与腔体之间的间隙足够小以促进导热效率，采用对置安装的形式安装在腔体内部，通过接线端子对其进行供电。所述的接线端子置于预留的孔内，以避免对端盖的安装及腔体内部的密封产生影响。所述的端盖与腔体之间装有密封圈，并通过螺栓进行固定。
所述的石英玻璃通过高温密封胶安装在进光孔和出光孔中，保证光路的通畅。
所述的第一凹面镜通过固定支座焊接在后端盖上，所述的第二凹面镜和第三凹面镜通过可调支座安装在前端盖上，且分别可通过安装在两侧的可调螺钉对姿态进行调整，以实现光路的可调。
所述的铸铝加热套通过接线端子实现供电，确保校准装置内部的快速、均匀加热。所述的弹体外部安装保温套以减少热损失。
所述的进排气孔、上侧温度传感器安装孔、下侧温度传感器安装孔和压力传感器安装孔采用90°间隔布置在弹体中心。
所述的压力控制系统主要包括：压力传感器、进排气孔、气源、高精度压力控制器。通过理论计算得到目标温度下的初始静态压力，加热系统运行一段时间后，通过进排气系统对腔体内部的压力进行微调。
所述的温度控制主要包括：温度传感器、温度控制器、铸铝加热套，通过设置目标温度，同时检测两支温度传感器的温度差值，通过温度控制器控制铸铝加热套进行加热，以确保形成试验所需的均匀温度。
通过所述的温度压力控制系统实现校准装置内部温度、温度场均匀性及压力的精确可控，营造气体压力校准所需的高温高压环境。激光信号自所述的进光孔进入，然后经过第一凹面镜、第二凹面镜和第三凹面镜反射，从所述的出光孔射出后进入光电探测器实现光学信号的有效采集。对于高温高压环境下气体压力的测量，可以通过调节第二和第三凹面镜的角度，确保光学信号的稳定采集。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，其特征在于：腔体(3)为侧壁开设多个安装孔的中空体；所述腔体(3)上开设进排气孔(3a)、上侧温度传感器安装孔(6)、下侧温度传感器安装孔(11)和压力传感器安装孔(5)；两端固定安装有前端盖(1)和后端盖(7)；所述前端盖(1)上开设进光孔(13)和出光孔(18)，且所述前端盖的内壁上固定安装有第二凹面镜(15)和第三凹面镜(16)；所述第二凹面镜(15)和第三凹面镜(16)位于所述进光孔(13)和出光孔(18)之间；所述后端盖上安装有第一凹面镜(10)；所述腔体(3)壁上内置有内置式铸铝加热套(4)；接线端子(2)置于预留孔中，为铸铝加热套供电同时不影响端盖的安装及密封；
所述第二凹面镜(15)和第三凹面镜(16)姿态可调。
2.如权利要求1所述的一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，其特征在于：石英玻璃通过高温密封胶固定在进光孔(13)和出光孔(18)上。
3.如权利要求1所述的一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，其特征在于：所述的进排气孔(3a)、上侧温度传感器安装孔(6)、下侧温度传感器安装孔(11)和压力传感器安装孔(5)采用90°间隔布置在弹体中心。
4.如权利要求1所述的一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，其特征在于：所述内置式铸铝加热套(4)采用对置的方式安装进校准装置腔体(3)中，所述的铸铝加热套外端面与腔体端面平齐。
5.如权利要求1所述的一种光路可调的分体加热式气体压力校准装置，其特征在于：所述的铸铝加热套(4)、校准装置腔体(3)外端面通过加装密封垫(19)，并采用螺栓(8)将端盖固定在腔体上。
6.采用如权利要求1至5任意一项装置实现校准的方法，其特征在于：激光信号自进光孔(13)进入，依次然后经过第一凹面镜(10)、第二凹面镜(15)和第三凹面镜(16)反射，从出光孔(18)射出后进入光电探测器；温度压力控制主要用于实现校准装置内部压力和温度的高精度控制及温度均匀性的控制。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于：通过调整所述第二凹面镜(15)和第三凹面镜(16)的角度，实现对校准装置内部光路的调整，实现高温高压下光学信号的稳定测量。
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