CN113074839A - 一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器 - Google Patents

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王则力
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胡由宏
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何西波
王伟
郝逍然
陈一凡
陈日俊
杨爱玲
李芮
罗俊清
李智勇
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Abstract

本发明提出一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，属于环境辐射热测试技术领域，包括凸字形热沉，K型热电偶，外壳和安装壳，凸字形热沉与外壳螺纹连接，传感器安装壳分别与传感器外壳和试验工装螺纹连接，K型热电偶有两支，分别以激光点焊的方式固定在凸字形热沉靠近外壳的一侧，两支K型热电偶在凸字形热沉的轴向存在高度差，K型热电偶的热偶线沿走线槽延伸至凸字形热沉远离外壳的一侧端部。本发明与现有技术相比，解决了柱塞式热流传感器最大量程不足，极端环境下数据存活率和测量准确度无法保证的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器
技术领域
本发明属于环境辐射热测试技术领域，具体涉及一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器。
背景技术
热流测试需求广泛存在于航空、航天、新能源利用等工程技术领域，特别是在航空航天领域，随着型号技术的发展，运载火箭、高超声速飞行器、新型智能导弹等武器装备均对复杂环境下热流密度测试提出了更高的应用需求：火箭发射过程中，尾部喷流环境恶略而复杂，热流密度超过了MW/m2量级，为了精准监测火箭发动机尾部喷流热流密度，评价发动机工作特性，强化工装平台的建设保护，对热流测试提出了超高量程需求；高超声速飞行器在巡航过程中头锥、翼前缘等部位面临着严酷的气动加热效应，为了实现对机身全周期气动热环境预示以及热防护结构设计，对热流测试提出了长时间监测需求；智能导弹由于智能突防、跨域等要求，将导致导弹在飞行过程中气动热环境发生显著变化，为实现对弹体热环境的精准监测，对热流测试提出了高精度需求。由此，提升极限环境下热流测试综合性能、以及提升测量元件的可靠性，对航空航天技术发展具有极其重要的意义。
热流传感器是测量热流密度的基本元件，柱塞式热流传感器因其结构简单、测试方便、结构牢固度好等特点，在热流测试场合具有良好的应用前景。现有技术中常规的柱塞式热流传感器主要由圆柱型无氧铜热沉、绝热材料，以及一支测温热电偶构成，热电偶位于热沉下方。在隔热材料绝热效果良好的前提下，当热流计正面施加外界热流时，热流沿热沉近似轴向一维传导，在热沉热物性及尺寸已知的情况下，通过热电偶温度变化率可计算获得其入射热流密度值。
随着测试环境复杂性的发展，这种常规结构柱塞式热流传感器在热流测量应用中逐渐暴露出以下问题：
1)由于隔热材料的绝热性能对柱塞式热流传感器测试准确性影响巨大，而在实际高温应用中很难保证完美的绝热性能，因此，这种常规结构柱塞式热流传感器测量准确度受到限制；
2)这种等截面热沉结构设计将使传感器表面受热面积过大、底部热沉积过小，不仅增加了传感器的总吸热量，还降低了传感器的热容能力，在火箭尾焰喷射等高热气流吹扫的应用环境下，易使传感器因热沉的热量积蓄而发生表面烧损甚至是报废，限制了传感器的量程扩大，影响了热流测试结果准确性；
3)依靠热沉底部单支热电偶温度变化率推算热流的方法始终建立于热沉良好的一维传导性，忽略了热沉的径向传热问题，放大了计算热流值的不确定度。
由于上述技术问题的限制影响，目前，可见于报道的常规结构柱塞式热流传感器的最大量程与实际工程需求仍有很大差距。由此，如何在高温极端场合最大程度地增强热沉结构的绝热保护、提升热流计算精度，并对热沉进行有效温控，成为提升柱塞式热流传感器在极端环境下数据存活率和测量准确度的关键问题。
综上，现有技术中的柱塞式热流传感器存在最大量程不足，极端环境下数据存活率和测量准确度无法保证的问题，需要进行改进。
发明内容
本发明提出一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，目的是解决现有技术中柱塞式热流传感器最大量程不足，极端环境下数据存活率和测量准确度无法保证的问题。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，包括凸字形热沉，K型热电偶，外壳和安装壳，凸字形热沉与外壳螺纹连接，传感器安装壳分别与传感器外壳和试验工装螺纹连接，K型热电偶有两支，分别以激光点焊的方式固定在凸字形热沉靠近外壳的一侧，两支K型热电偶在凸字形热沉的轴向存在高度差，K型热电偶的热偶线沿走线槽延伸至凸字形热沉远离外壳的一侧端部。
作为进一步优化，凸字形热沉整体呈截面为“凸”形的轴状结构，凸字形热沉半径较小的一侧端面是热流的接收面，表面涂有吸收率为0.98的Co3O2混合物涂层。
作为进一步优化，双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器还包括耐高温无机胶，耐高温无机胶填充在凸字形热沉远离外壳的一侧端部走线槽内。
作为进一步优化，双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器还包括线缆插接件，线缆插接件设置在K型热电偶的线缆的出线端，K型热电偶的热偶线合并后连接到线缆插接件。
作为进一步优化，凸字形热沉和外壳均采用无氧纯铜材料机械加工成型，传感器安装壳采用不锈钢材料机械加工成型。
作为进一步优化，凸字形热沉内部沿中心线对称开设第一走线槽和第二走线槽，第一走线槽和第二走线槽的起点分别位于距热接收面3.5mm和7.5mm处，第一走线槽和第二走线槽均与凸字形热沉前端相切形成约0.5mm深的半圆形浅槽，第一走线槽和第二走线槽均与凸字形热沉后端相交形成直径2mm的圆形槽，凸字形热沉半径较大的一侧沿周向设置有第一外螺纹和限位凸台。
作为进一步优化，K型热电偶均为线缆直径1mm的K型热电偶，两支热电偶的头部通过激光点焊的方式分别固定于第一走线槽上方距热接收面3mm处、第二走线槽上方距热接收面7mm处，K型热电偶的线缆分别沿第一走线槽、第二走线槽向下延伸。
作为进一步优化，外壳整体呈圆柱形，内部设置有与凸字形热沉外形相匹配的热沉外壳间隙，外壳外壁设置有第二外螺纹，开孔半径较小的一端为上端面，热沉外壳间隙接近上端面的一侧设置有气密槽，另一侧设置有第一内螺纹，第一内螺纹和第一外螺纹规格相同，热沉外壳间隙内还设置有内凸台。
作为进一步优化，外壳的上端面内部还设有宽2mm、深1mm的气密槽。
作为进一步优化，安装壳为一端设置有把持部的筒状结构，安装壳沿轴向设置有第二内螺纹和第三外螺纹，第二内螺纹和第二外螺纹规格相同，第三外螺纹与安装场所所要连接的工装结构螺纹规格相同。
本发明所取得的有益技术效果是：
与现有技术相比，解决了柱塞式热流传感器最大量程不足，极端环境下数据存活率和测量准确度无法保证的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1是现有技术中柱塞式热流传感器的结构示意图；
图2是本发明其中一种柱塞式热流传感器具体实施例的结构示意图；
图3是图2中凸字形热沉的结构示意图；
图4是图3中H-H处的剖面图；
图5是图2中外壳的结构示意图；
图6是图2中安装壳的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是图2所示实施例和标准热流传感器的热流测试对比实验曲线图；
附图标记：1、圆柱型无氧铜热沉；2、测温热电偶；3、绝热材料；11、凸字形热沉；12、K型热电偶；13、外壳；14、安装壳；15、耐高温无机胶；16、线缆插接件；111、Co3O2混合物涂层；112、第一走线槽；113、第二走线槽；114、限位凸台；115、第一外螺纹；131、上端面；132、气密槽；133、热沉外壳间隙；134、内凸台；135、第一内螺纹；136、第二外螺纹；146、第二内螺纹；147、第三外螺纹；148、把持部。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。
如图1所示，现有技术中柱塞式热流传感器主要由圆柱型无氧铜热沉1、绝热材料3，以及一支测温热电偶2构成，测温热电偶2设置在圆柱型无氧铜热沉1下方。在隔热材料3绝热效果良好的前提下，当热流传感器正面施加外界热流时，热流沿圆柱型无氧铜热沉1近似轴向一维传导，在圆柱型无氧铜热沉1热物性及尺寸已知的情况下，通过测温热电偶2温度变化率可计算获得其入射热流密度值。
如图2所示，本发明提出的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器的具体实施例，包括凸字形热沉11，K型热电偶12，外壳13，安装壳14，耐高温无机胶15和线缆插接件16。
凸字形热沉11和外壳13均采用无氧纯铜材料机械加工成型，凸字形热沉11与外壳13螺纹连接。传感器安装壳14采用不锈钢材料机械加工成型，分别与传感器外壳13和试验工装螺纹连接。两支K型热电偶12分别以激光点焊的方式固定在凸字形热沉11靠近外壳13的一侧，两支K型热电偶12在凸字形热沉11的轴向存在高度差，本具体实施例中两支K型热电偶12分别固定在凸字形热沉11表面的A点、B点，K型热电偶12的热偶线沿走线槽延伸至凸字形热沉11远离外壳13的一侧端部，合并后连接到线缆插接件16，凸字形热沉11远离外壳13的一侧端部走线槽内填充耐高温无机胶15。凸字形热沉11是热流传感器的核心部件，主要用于热流的接收，以便通过其热分布变化率来计算获得入射热流密度值。
如图3、图4所示，本具体实施例中的凸字形热沉11采用无氧纯铜材料机械加工成型，整体呈截面为“凸”形的轴状结构。凸字形热沉11半径较小的一侧端面是热流的接收面，表面涂有吸收率为0.98的Co3O2混合物涂层111，涂层厚度约0.3mm，目的主要是用于提升传感器热接收面的热流吸收率，减少因热反射引起的热测量不确定性。凸字形热沉11整体的“凸”形结构设计是为了减小其前端热吸收面积，增大其后端体积，从而减少其总吸热量，增加后端的总热容量，使凸字形热沉11在相同的高热流作用下，热流接收面温度更低，耐熔耐烧损能力更强。
本具体实施例中的凸字形热沉11内部沿中心线对称开设第一走线槽112和第二走线槽113，第一走线槽112和第二走线槽113的起点分别位于距热接收面3.5mm和7.5mm处，第一走线槽112和第二走线槽113均与凸字形热沉11前端相切形成约0.5mm深的半圆形浅槽，目的是便于K型热电偶12走线；第一走线槽112和第二走线槽113均与凸字形热沉11后端相交形成直径约2mm的圆形槽，目的是便于K型热电偶12的通过与固定。凸字形热沉11半径较大的一侧沿周向设置有第一外螺纹115和限位凸台114，目的是便于凸字形热沉11与外壳13连接与定位。
本具体实施例中K型热电偶12共有两支，均为线缆直径1mm的K型热电偶。两支热电偶的头部通过激光点焊的方式分别固定于A点、B点(第一走线槽112、第二走线槽113上方距热接收面3mm和7mm处)，K型热电偶12的线缆分别沿第一走线槽112、第二走线槽113向下延伸，在凸字形热沉11底部汇合，后接便装线缆插接件16，将A、B两点温度变化情况以电压信号输出。
外壳13是保护凸字形热沉11与K型热电偶12绝热性能、结构完整性的关键结构。如图5所示，本具体实施例中外壳13采用无氧纯铜材料机械加工成型，整体呈圆柱形，内部设置有与凸字形热沉11外形相匹配的热沉外壳间隙113，外壳13外壁设置有第二外螺纹136，开孔半径较小的一端为上端面131，热沉外壳间隙113接近上端面的一侧设置有气密槽132，另一侧设置有第一内螺纹135，第一内螺纹135和第一外螺纹115规格相同，热沉外壳间隙113内还设置有内凸台134。
设置第一内螺纹135和内凸台134的目的是为了连接凸字形热沉11并限位，外壳13的上端面131径向尺寸宽大，目的是增加外壳13上端的总热容量，提升其在高温气流吹扫环境下的热强度。本具体实施例中外壳13的上端面131内部还设有宽2mm、深1mm的气密槽132，当传感器工作于高热流高速气体吹扫环境时，高温气流经由上端面131与凸字形热沉11之间的微间隙进入气密槽132内，并在槽内空间形成旋流，既可阻碍高温高速气流的持续进入，也可减少高温气流向热沉外壳间隙113的漏入，保证了凸字形热沉11径向方向免受高温气流的吹扫影响，保证了后段热沉外壳间隙113的密闭性。
外壳13与凸字形热沉11之间的密闭空气夹层设计，可有效减弱凸字形热沉11、K型热电偶12与外壳13之间的传热影响，保证凸字形热沉11径向方向与K型热电偶12的绝热性能，进一步保证凸字形热沉11结构的一维传热规律与热测量准确性。
如图6～7所示，本具体实施例中安装壳14是传感器与工装结构的连接件，采用不锈钢材料机械加工成型，安装壳14为一端设置有正六边形把持部148的筒状结构，安装壳14沿轴向设置有第二内螺纹146和第三外螺纹147，第二内螺纹146和第二外螺纹136规格相同，第三外螺纹147与安装场所所要连接的工装结构螺纹规格相同，正六边形把持部148的作用是为了便于拆装，根据实际需要也可以采用四边形或其他形状。
耐高温无机胶15填充在第一走线槽112和第二走线槽113的出线口位置，其作用是固定K型热电偶12的线缆、防止线缆因外力拖拽而发生K型热电偶12焊点松动，同时保证热沉外壳间隙133的密闭性。
线缆插接件16设置在K型热电偶12的线缆的出线端，其作用是为了便于与后端数据传输线缆的对接，提升传感器数据传输线安装的便捷性。
本具体实施例中所述双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器的工作原理为：传感器整体的结构设计保证了其在高温热流下的结构完整性与热沉径向绝热性，当传感器正面施加热流时，通过A点、B点两个轴向位置瞬态温度Ta、Tb的测量，可根据双点温度变化率计算获得传感器热流接收面的温度以及热流随时间变化关系。
本具体实施例和标准圆箔式热流传感器实验获得的热流测试曲线如图8所示。本具体实施例中的传感器样件与标准热流传感器的热流测试对比实验。标准热流传感器采用经标定校准过的圆箔式热流传感器，有效测试量程约为0～4MW/m2。实验条件为某商业火箭发动机底部喷流热测试环境，两种传感器均位于火箭尾部正下方860mm处，热测量环境相同。在标准热流传感器有效量程范围内(4MW/m2以下)，两种传感器测试曲线基本一致，本具体实施例与标准热流传感器的最大测试偏差小于10％；当热流密度超过标准热流传感器有效量程范围后，标准热流传感器发生失效，本具体实施例持续工作，最大热流测试范围达到16.5MW/m2；经实验结束后对两种传感器的结构完整性观察发现，标准热流传感器已发生表面严重烧损，本具体实施例表面完整性较好。该实验对比结果证明了本具体实施例在4MW/m2以下热流密度范围内测试结果的准确性，并证明了本具体实施例在火箭发动机底部喷流极端环境下的结构完整性良好，热流测试量程和测试时长均优于现有标准圆箔式热流传感器。
综上，本具体实施例与现有技术相比所取得的有益技术效果是：
①、凸字形热沉11的“凸”形热沉结构和外壳13的上端面131“宽面”设计，可有效减小凸字形热沉11的总吸热量、增加凸字形热沉11及外壳13的总热容量，使凸字形热沉11在相同的高热流作用下，热流接收面温度更低，传感器整体的耐熔耐烧损能力更强，不仅提升了传感器在极端环境下的结构完整性，还提升了传感器的有效量程范围；
②、外壳13与凸字形热沉11之间的气密槽132以及空气夹层设计，可有效增强传感器内部气密性及绝缘绝热效果，分别从凸字形热沉11径向绝热保护及K型热电偶12抗干扰两个方面保障了传感器的测试准确度；
③、双热电偶测温设计，测温点A点、B点分别位于凸字形热沉11侧面的不同轴向位置，其测量值综合反映了凸字形热沉11轴向与径向的热分布情况，既减小了因凸字形热沉11径向传热引起的热流计算误差，又通过双点温差计算提升了热流的计算精度。
④、生产制备方面，构件数量少、结构设计小巧简单、零部件加工难度低、组装方便、可重复加工性强，极大降低了生产制造的难度与加工成本。
本具体实施例解决了现有技术中柱塞式热流传感器最大量程不足，极端环境下数据存活率和测量准确度无法保证的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (10)

1.一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于，包括凸字形热沉(11)，K型热电偶(12)，外壳(13)和安装壳(14)，所述凸字形热沉(11)与外壳(13)螺纹连接，传感器安装壳(14)分别与传感器外壳(13)和试验工装螺纹连接，所述K型热电偶(12)有两支，分别以激光点焊的方式固定在凸字形热沉(11)靠近外壳(13)的一侧，两支K型热电偶(12)在凸字形热沉(11)的轴向存在高度差，K型热电偶(12)的热偶线沿走线槽延伸至凸字形热沉(11)远离外壳(13)的一侧端部。
2.根据权利要求1所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述凸字形热沉(11)整体呈截面为“凸”形的轴状结构，凸字形热沉(11)半径较小的一侧端面是热流的接收面，表面涂有吸收率为0.98的Co3O2混合物涂层(111)。
3.根据权利要求2所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器还包括耐高温无机胶(15)，所述耐高温无机胶(15)填充在凸字形热沉(11)远离外壳(13)的一侧端部走线槽内。
4.根据权利要求3所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器还包括线缆插接件(16)，所述线缆插接件(16)设置在K型热电偶(12)的线缆的出线端，所述K型热电偶(12)的热偶线合并后连接到线缆插接件(16)。
5.根据权利要求4所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述凸字形热沉(11)和外壳(13)均采用无氧纯铜材料机械加工成型，所述传感器安装壳(14)采用不锈钢材料机械加工成型。
6.根据权利要求5所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述凸字形热沉(11)内部沿中心线对称开设第一走线槽(112)和第二走线槽(113)，所述第一走线槽(112)和第二走线槽(113)的起点分别位于距热接收面3.5mm和7.5mm处，第一走线槽(112)和第二走线槽(113)均与凸字形热沉(11)前端相切形成约0.5mm深的半圆形浅槽，第一走线槽(112)和第二走线槽(113)均与凸字形热沉(11)后端相交形成直径2mm的圆形槽，凸字形热沉(11)半径较大的一侧沿周向设置有第一外螺纹(115)和限位凸台(114)。
7.根据权利要求6所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述K型热电偶(12)均为线缆直径1mm的K型热电偶，两支热电偶的头部通过激光点焊的方式分别固定于第一走线槽(112)上方距热接收面3mm处、第二走线槽(113)上方距热接收面7mm处，K型热电偶(12)的线缆分别沿第一走线槽(112)、第二走线槽(113)向下延伸。
8.根据权利要求7所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述外壳(13)整体呈圆柱形，内部设置有与凸字形热沉(11)外形相匹配的热沉外壳间隙(113)，外壳(13)外壁设置有第二外螺纹(136)，开孔半径较小的一端为上端面(131)，热沉外壳间隙(113)接近上端面的一侧设置有气密槽(132)，另一侧设置有第一内螺纹(135)，第一内螺纹(135)和第一外螺纹(115)规格相同，热沉外壳间隙(113)内还设置有内凸台(134)。
9.根据权利要求8所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述外壳(13)的上端面(131)内部还设有宽2mm、深1mm的气密槽(132)。
10.根据权利要求9所述的一种双热电偶大热沉结构柱塞式热流传感器，其特征在于：所述安装壳(14)为一端设置有把持部(148)的筒状结构，安装壳(14)沿轴向设置有第二内螺纹(146)和第三外螺纹(147)，第二内螺纹(146)和第二外螺纹(136)规格相同，第三外螺纹(147)与安装场所所要连接的工装结构螺纹规格相同。
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