CN112763102B - 一种塞式量热计校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塞式量热计校准装置及方法，恒温箱、温控转盘、安装支架和电机，所述恒温箱设有密封门，所述密封门上设有观察窗，所述电机位于所述恒温箱箱室底面中央位置，所述电机上设有所述温控转盘，所述安装支架与所述温控转盘相连。所述方法可以完成塞式量热计常用范围内的校准，以满足当前热防护地面模拟试验要求。该方法能够提供大热流情况下校准坏境；校准坏境线性可调整；校准环境与使用环境接近；经过低热流下标准量热计获取斜率和线性参数，可以在完成高热流下的校准，其精度可溯源于标准量热计。

Description

一种塞式量热计校准装置及方法

技术领域

本发明涉及量热计校准技术领域，尤其是涉及一种塞式量热计校准装置及方法。

背景技术

高速飞行器外防热材料进行热防护地面模拟试验时，通常需要在电弧风洞中进行，电弧风洞是一种利用电弧加热空气形成高温高速气流流过高速飞行器外防热材料达到加热考核目的设备。

由于各类飞行器模型需要考核的状态不一样，需要利用量热计测量考核的状态。但是随着高速飞行器设计水平的提高，各类先进的高速飞行器需要考核的状态越来越高，通常情况下塞式量热计能够完成10kW/m2至3000kW/m2范围内的场景运用，不过目前常见的量热计的校准方法是采用大功率的弧光灯氙气灯聚焦进行校准的，常规范围上限为100kW/m2(标准量热计的量程上限)，仅仅能够满足塞式量热计校准的下限，此外最关键的问题是这种方法提供的校准环境(仅为辐射加热)与塞式量热计使用的环境(对流换热为主配合辐射加热)有很大区别，该方法不能够很好的提供塞式量热计的常用范围内的校准环境。因此需要一种针对塞式量热计的校准方法。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种塞式量热计校准装置，该塞式量热计校准装置能够提供很好的塞式量热计的常用范围内的校准环境；

本发明的第二目的在于提供一种塞式量热计校准方法，该塞式量热计校准方法通过模拟小热流条件下的校准环境递推至大热流条件下的校准坏境，从而对所述塞式量热计进行校准；

本发明提供了一种塞式量热计校准装置，包括：恒温箱、温控转盘、安装支架和电机，所述恒温箱设有密封门，所述密封门上设有观察窗，所述电机位于所述恒温箱内部，所述安装支架与所述电机的外壁相连，所述温控转盘包括圆盘，所述圆盘上设有扇形加热面，所述圆盘的底部设有转轴，所述电机的输出轴竖向设置，所述转轴与所述电机的输出轴相连。

进一步地，所述加热面内设有电阻丝和加热面温度传感器，所述加热面温度传感器与所述电阻丝直接接触。

进一步地，所述安装支架包括水平气缸、竖直气缸和量热计架，所述水平气缸的一端安装于所述电机的外壁上，所述水平气缸的另一端与所述竖直气缸相连，所述量热计架与所述竖直气缸的顶部相连。

进一步地，还包括控制装置和显示装置，所述控制装置和所述显示装置位于所述恒温箱外壁，所述量热计架上装有塞式量热计和标准量热计，所述量热计架位于所述加热面的下方，所述控制装置与所述电机、所述加热面、所述安装支架和所述恒温箱电性连接，所述显示装置与所述控制装置、所述恒温箱、所述加热面、所述塞式量热计和所述标注量热计电性连接。

一种塞式量热计校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制定校准状态表

实验前设定几组不同的数据：加热面的温度的Ta、电机的转速W，量热计架与转动中心距离的R，制定校准状态表；

S2，设定恒温箱环境温度

打开恒温箱的电源，根据制定的校准状态表通过控制装置设定恒温箱环境温度；

S3，恒温箱预热保压

恒温箱保持密封状态预热并保持环境压力，此时观察显示装置直至恒温箱达到设定温度；

S4，设定加热面温度

根据制定的校准状态表通过控制装置设定加热面的温度；

S5，加热面预热

观察显示装置直至加热面达到设定温度；

S6，安装支架进入校准位置

根据制定的校准状态表通过控制装置控制安装支架移动到校准位置；

S7，转盘运转

根据制定的校准状态表通过控制装置设定电机转速；

S8，转速稳定后开始测量

从观察窗中观察到温控转盘稳定旋转后，观察显示装置记录标准量热计和塞式量热计的读数q；

S9，重复上述步骤

一组数据测完之后修改加热面源温度为Ta、电机的转速W，传感器距离转动中心距离R等参数重新测量下一组数据；

S10，完成校准状态表

将测得的数据填入校准状态表；

S11，数据处理

将测得的数据带入公式得出结果并进行校准。

进一步地，在实验故过程中，所述控制装置通过控制所述量热计架与所述加热面的竖直距离、所述量热计架与所述温控转盘旋转中心的水平距离、所述电机的转速、所述恒温箱的温度和所述加热面的温度，从而提供高温高速气流下对流换热和辐射加热的综合校准环境；所述显示装置可获取所述恒温箱、所述加热面、所述标准量热计和所述塞式量热计的温度信号，从而获得数据完成校准状态表。

进一步地，在S8中需要记录的数据是综合校准环境下的附面层内的温度数据，当所述温控转盘稳定转动时，其热交换来源于综合校准环境，由于所述塞式量热计和所述标准量热计距离所述加热面很近，所以可以认为处于附面层内。

进一步地，在S11中，当所述加热面的温度为Ta、所述电机转速为W，所述安装支架距离转动中心距离为R，环境温度为Tb时，其接受的热流密度q通过对流换热以及热辐射相关公式的推导和线性拟合，用以下公式表示：

其中k和S为与环境温度有关的修正系数，通过所述标准量热计求出，q为热流密度(Heat Flux，Thermal Flux)，也称热通量，是测量量。

进一步地，在S11中，数据后处理部分是根据在小热流条件下即所述标准量热计的量程内所采集的数据推导校准环境与各参数的斜率和截距标定K值及S值，接着递推至大热流条件下即所述塞式量热计的量程内的校准坏境，从而对所述塞式量热计进行校准。

本发明的技术方案通过调整转盘热面温度、支架距离转盘中心距离和电机的转速，满足塞式量热计常用范围的校准环境；校准的基本原理是对流和辐射换热，理论以及工程计算公式明确，可以直接推导；塞式量热计使用环境是伴随辐射加热下的高温高速气流下对流换热，校准坏境与之接近；经过低热流下标准量热计获取斜率和线性参数，可以在完成高热流下的校准，其精度可溯源于标准量热计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的装置的内部示意图；

图3为本发明的装置示意图；

图4为温控转盘的示意图；

图5为安装支架的示意图；

附图标记说明：

1-恒温箱、2-安装支架、201-水平气缸、202-竖直气缸、203-量热计架、3-温控转盘、301-圆盘、302-加热面、303-转轴、4-箱室、5-标准量热计、6-塞式量热计、7-电机、8-密封门、9-观察窗、10-显示装置、11-控制装置；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2、图3、图4和图5所示：

一种塞式量热计校准装置，包括：恒温箱1、温控转盘3、安装支架2和电机7，恒温箱1设有密封门8，密封门8上设有观察窗9，电机7上设有温控转盘3，电机7位于恒温箱1箱室4底面中央位置，安装支架2与电机7相连。恒温箱1为现有技术，恒温箱1关键的控制部分有三个：温度传感器、制冷系统和制热系统。恒温箱1的温度传感器为温度探头，温度探头的测量端伸在恒温箱内部的空气中，不与物体或是箱壁接触，实时监测箱内的温度；制冷系统的制冷方式为制冷压缩机制冷；制热系统的加热方式为红外线加热，或是直接用电阻丝加热；使用时通过控制装置11，设置恒温箱的温度和偏离度，当探头检测到温度低于设置温度减去偏离度时，开启制热系统加热，温度开始回升，当探头检测到温度高于设置温度加上偏离度时，开启制冷系统制冷，温度下降，如此来回控制。

温控转盘3包括圆盘301，圆盘301上设有扇形加热面302，圆盘301的底部设有转轴303，转轴303与电机7相连。

加热面302采用电阻丝作为加热元件且设有加热面温度传感器。电阻丝可以采用高纯氧化铝刚玉管和硅碳棒作为加热元件；加热面温度传感器采用热电偶传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度且测量范围广，可从-50～1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。

安装支架2包括水平气缸201、竖直气缸202和量热计架203，水平气缸201的一端安装于电机7的外壁上，水平气缸201的另一端与竖直气缸202相连，量热计架203与竖直气缸202的顶端相连。气缸提供的只是一种水平和竖直移动的方法，还可以使用电机带动齿轮齿条或者连杆机构代替。

还包括控制装置11和显示装置10，控制装置11和显示装置10位于恒温箱1外壁，量热计架203上装有塞式量热计6和标准量热计5，量热计架203位于加热面302的下方，控制装置11与电机7、加热面302的电阻丝、安装支架2的水平气缸201、安装支架2的竖直气缸202、恒温箱1的制热系统和恒温箱1的制冷系统电性连接。塞式量热计6和标准量热计5采用电子款，显示装置10与恒温箱1的温度探头、加热面302的热电偶传感器、塞式量热计6和标准量热计5的信号输出端电性连接。

实验前设定几组不同的数据：加热面的温度的Ta、电机的转速W，量热计架与转动中心距离的R，制定校准状态表；

开始实验，打开恒温箱1的电源，根据制定的校准状态表通过控制装置11设定恒温箱1环境温度；恒温箱1保持密封状态预热并保持环境压力，此时观察显示装置10直至恒温箱1达到设定温度；根据制定的校准状态表通过控制装置11设定加热面302的温度；观察显示装置10直至加热面302达到设定温度；根据制定的校准状态表通过控制装置11控制安装支架2移动到校准位置；根据制定的校准状态表通过控制装置11设定电机7转速；从观察窗9中观察到温控转盘3稳定旋转后，观察显示装置10记录标准量热计5和塞式量热计6的读数q；一组数据测完之后修改加热面302的温度为Ta、电机7的转速W，安装支架2距离转动中心距离R等参数重新测量下一组数据；将测得的数据填入校准状态表并带入公式得出结果并进行校准。

控制装置11可以控制量热计架203与加热面303的竖直距离、量热计架203与温控转盘3旋转中心的水平距离、电机7的转速、恒温箱1的温度和加热面303的温度，从而提供高温高速气流下对流换热和辐射加热的综合校准环境，显示装置10可获取恒温箱1、加热面303、标准量热计5和塞式量热计6的温度信号，从而获得数据完成校准状态表。

在S8中需要记录的数据是综合校准环境下的附面层内的温度数据，当温控转盘3稳定转动时，其热交换来源于高温高速气流下对流换热和辐射加热的温度附面层，由于塞式量热计6和标准量热计5距离加热面302很近，所以可以认为处于附面层内。

高速气流绕物体流动时，壁面附近气体黏性阻滞把大量气流动能转化为热能，形成紧贴壁面的温度分布不均匀的薄气体层就是温度附面层。温度附面层的概念是流动附面层概念在非等温流动情况下的推广。运用温度附面层的特性，简化能量方程，仿照流动附面层的计算方法，可以进行对流传热的计算，确立温度分布，求得传热分系数。流体流过壁面时，边界附近因加热或冷却而形成的具有温度梯度的薄层，也就是对流传热热阻所在的区域。在此区域之外，温度梯度和热阻都可忽略。因此，关于对流传热的研究，仅限于温度附面层范围之内。

数据后处理部分主要是根据小热流条件下标准量热计5采集的数据推导的校准环境与各参数的斜率和截距，以便递推至大热流条件下的校准坏境，从而对塞式量热计6进行校准。

当温控转盘3转动时，热面经过安装支架2时，其热交换来源于热面温度附面层内空气对流换热以及热面的辐射，由于量热计距离热面很近可以认为处于附面层内，当加热面的温度为Ta、电机的转速为W，安装支架2距离转动中心距离为R，环境温度为Tb时，其接受的热流密度q通过对流换热以及热辐射相关公式的推导和线性拟合，可以用以下公式表示：

其中k和s为与环境温度有关的修正系数，可以通过标准量热计求出。q为热流密度(Heat Flux，Thermal Flux)，也称热通量，是测量量，定义为：单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。

由此可知，通过适当的控制热源温度、电机7的转速以及安装支架2与温控转盘3中心的距离可以输出线性的稳定的校准热环境，首先在低热流环境利用标准量热计5标定K值及S值，然后在高热流环境根据算得的q值对比塞式量热计测得的q值，通过控制装置11修改塞式量热计6的参数对其进行校准。

一种情况下，当转速为10转/秒，安装支架2距离转动中心距离为0.15m，热面温度450k，环境温度300k，其热流密度为11.9kW/m²；当转速为50转/秒，安装支架2距离转动中心距离为0.3m时，保持热面温度和环境温度不变，其热流密度可以达到73.3kW/m²；这两种工况都可以通过标准量热计5精确测量，进而得到k为0.4，S为25；保持转速和距离不变，当热面温度设为1400k，环境温度为300k时，利用之前标准量热计5得到的K和S值可以计算出热流密度达到741.2kW/m²；当转速为1000转/秒，安装支架2距离转动中心距离为1.5m，其热流密度可以达到5669kW/m²，足可以满足塞式量热计6量程上限的校准。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种塞式量热计校准装置，其特征在于，包括恒温箱、温控转盘、安装支架和电机，所述恒温箱设有密封门，所述密封门上设有观察窗，所述电机位于所述恒温箱内部，所述安装支架与所述电机的外壁相连，所述温控转盘包括圆盘，所述圆盘上设有加热面，所述圆盘的底部设有转轴，所述电机的输出轴竖向设置，所述转轴与所述电机的输出轴相连；所述加热面的形状为扇形，所述加热面内设有电阻丝和用于探测所述加热面温度的加热面温度传感器；所述安装支架包括水平气缸、竖直气缸和量热计架，所述水平气缸的一端安装于所述电机的外壁上，所述水平气缸的另一端与所述竖直气缸相连，所述量热计架与所述竖直气缸的顶部相连；还包括控制装置和显示装置，所述控制装置和所述显示装置位于所述恒温箱外壁，所述量热计架上装有塞式量热计和标准量热计，所述量热计架位于所述加热面的下方，所述控制装置与所述电机、所述加热面、所述安装支架和所述恒温箱电性连接，所述显示装置与所述控制装置、所述恒温箱、所述加热面、所述塞式量热计和所述标准量热计电性连接。

2.一种采用权利要求1所述的塞式量热计校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制定校准状态表

实验前设定几组不同的数据：加热面的温度的T_a、电机的转速W，量热计架与转动中心距离的R，制定校准状态表；

S2，设定恒温箱环境温度

打开恒温箱的电源，根据制定的校准状态表通过控制装置设定恒温箱环境温度；

S3，恒温箱预热保压

恒温箱保持密封状态预热并保持环境压力，观察显示装置直至恒温箱达到设定温度；

S4，设定加热面温度

根据制定的校准状态表通过控制装置设定加热面的温度；

S5，加热面预热

观察显示装置直至加热面达到设定温度；

S6，安装支架进入校准位置

根据制定的校准状态表通过控制装置控制安装支架移动到校准位置；

S7，转盘运转

根据制定的校准状态表通过控制装置设定电机转速；

S8，转速稳定后开始测量

从观察窗中观察到温控转盘稳定旋转后，观察显示装置记录标准量热计和塞式量热计的读数热流密度q；在S8中需要记录的数据是综合校准环境下的高温高速气流下对流换热和辐射加热的温度附面层的温度数据；

S9，重复上述步骤

一组数据测完之后修改加热面源温度为Ta、电机的转速W，安装支架距离转动中心距离R参数重新测量下一组数据；

S10，完成校准状态表

将测得的数据填入校准状态表；

S11，数据处理

将测得的数据带入公式得出结果并进行校准；在S11中，当所述加热面的温度为T_a、所述电机转速为W，所述安装支架距离转动中心距离为R，环境温度为T_b时，其接受的热流密度q用以下公式表示：

其中k和S为与环境温度有关的修正系数，通过所述标准量热计求出，q为热流密度，也称热通量，是测量量，直接测量得出；

在S11中，数据后处理部分是根据在小热流条件下即所述标准量热计的量程内所采集的数据推导校准环境与各参数的斜率和截距标定K值及S值，接着递推至大热流条件下即所述塞式量热计的量程内的校准坏境，从而对所述塞式量热计进行校准；

在实验故过程中，所述控制装置通过控制所述量热计架与所述加热面的竖直距离、所述量热计架与所述温控转盘旋转中心的水平距离、所述电机的转速、所述恒温箱的温度和所述加热面的温度，从而提供高温高速气流下对流换热和辐射加热的综合校准环境；所述显示装置通过获取所述恒温箱、所述加热面、所述标准量热计和所述塞式量热计的温度信号，从而获得数据完成校准状态表。

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