CN113109016A - 一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，包括散热桶、设置于所述散热桶内的转接头、以及流动填充于所述散热桶与所述转接头之间的冷媒介质，所述转接头远离所述散热桶底部的一面设有用于定位风洞天平的锥孔及温度检测器，所述转接头接近所述散热桶底部的一面以及所述转接头的周侧面均设有TEC制冷片，所述散热桶还设有用于所述冷媒介质进出的进口及出口，所述TEC制冷片与温控系统电连接，所述TEC制冷片、所述温控系统以及所述温度检测器配合形成PID控制系统，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化。

Description

一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置
技术领域
本发明涉及的技术领域，特别是一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置。
背景技术
风洞是以人工的方式产生并且控制气流，用以模拟飞行器或实验模型周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。风洞中的气流速度一般用实验气流的马赫数(M数)来衡量，当实验气流为1<M<4范围内时称为超声速实验段，实验时需要测量各种空速下的气动载荷/压力系数。
一般情况下，由于高速空气压缩导致风洞温度场会下降，实验时间越久温度下降越大，直到0℃附近。温度下降会导致测量设备天平体的温度下降，在国内暂冲式风洞中，经测量一次实验时间(大约在2分钟)内天平体下降温度最大为10℃，同时还存在温度梯度，这样会直接导致热应变值混入到天平测力数据中，所以必须提前在地面对天平体进行温度补偿，而常规模拟天平体温度常采用温度试验箱(即热对流传热方式)，与风洞试验中天平锥面热传导的传热方式大相径庭，不能真实反映风洞实验中天平体温度变化工况。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，本案由此产生。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，包括散热桶、设置于所述散热桶内的转接头、以及流动填充于所述散热桶与所述转接头之间的冷媒介质，所述转接头远离所述散热桶底部的一面设有用于定位风洞天平的锥孔及温度检测器，所述转接头接近所述散热桶底部的一面以及所述转接头的周侧面均设有TEC制冷片，所述散热桶还设有用于所述冷媒介质进出的进口及出口，所述TEC制冷片与温控系统电连接，所述TEC制冷片、所述温控系统以及所述温度检测器配合形成PID控制系统，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化。
作为进一步改进的，还包括微控制单元MCU系统、PC系统，所述微控制单元MCU系统与所述PC系统通过通信电缆连接，所述微控制单元MCU系统分别与所述TEC制冷片及所述温度检测器电连接。
作为进一步改进的，还包括用于控制所述冷媒介质在所述散热桶内流速的油泵电机，所述油泵电机与所述微控制单元MCU系统电连接。
作为进一步改进的，所述转接头为正方体结构，且所述转接头由铝合金材料制成。
作为进一步改进的，所述温度检测器为NTC热敏电阻，所述NTC热敏电阻布设于所述锥孔的大端面及小端面。
作为进一步改进的，所述锥孔的锥度为1：5，定义所述锥孔的深度为H，40mm<H<55mm。
作为进一步改进的，所述TEC制冷片与所述转接头之间通过传热硅脂粘结，且所述TEC制冷片的制冷面靠近所述转接头。
作为进一步改进的，所述散热桶为长方体结构，所述进口设于所述长方体的一面，所述出口设于所述长方体的一面相对的另一面，且所述进口靠近所述散热桶的底部，所述出口远离所述散热桶的底部。
作为进一步改进的，所述TEC制冷片为正方形结构，所述转接头的面上设有四片所述TEC制冷片，4片所述TEC制冷片通过串联的方式连接。
本发明通过，利用TEC制冷片具有的制冷及制热的原理，NTC热敏电阻检测出锥孔处的温度，即测出天平体的温度，NTC热敏电阻检测出温度数据传输给微控制单元MCU系统，微控制单元MCU系统将接收温度数据进行处理后传输给PC系统，PC系统接收到微控制单元MCU系统发出的温度数据后与预先设定的参数进行比对后向微控制单元MCU系统发出指令来控制油泵电机的转速，从而控制冷媒介质在散热桶内的流速，进而控制温场的变化，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1是本发明实施例提供的整体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的整体结构中凸显进口及出口的示意图；
图3是本发明实施例提供的整体结构俯视图；
图4是本发明实施例提供的整体结构剖视图；
图5是本发明实施例提供的温度控制系统流程图。
标号说明：
10、散热桶；101、进口；102、出口；20、转接头；201锥孔；30、温度检测器；40、TEC制冷片；50、微控制单元MCU系统；60、PC系统；70、油泵电机；80、开关稳压电源；90、恒流电源。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至5，是作为本发明的最佳实施例的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，包括散热桶10、设置于散热桶10内的转接头20、以及流动填充于散热桶10与转接头20之间的冷媒介质，转接头20远离散热桶10底部的一面设有用于定位风洞天平的锥孔201及温度检测器30，转接头20接近散热桶10底部的一面以及转接头20的周侧面均设有TEC制冷片40，散热桶10还设有用于冷媒介质进出的进口101及出口102，散热桶10为长方体结构，进口101设于长方体的一面，出口102设于长方体的一面相对的另一面，且进口101靠近散热桶10的底部，出口102远离散热桶10的底部，TEC制冷片40与温控系统电连接，TEC制冷片40、温控系统以及温度检测器30配合形成PID控制系统，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化，本实施利中，冷媒介质为甲基硅油，温度检测器30为NTC热敏电阻，且NTC热敏电阻布设于锥孔201的大端面及小端面。
还包括微控制单元MCU系统50、PC系统60及油泵电机70，微控制单元MCU系统50与PC系统60通过通信电缆连接，微控制单元MCU系统50分别与TEC制冷片40、油泵电机70以及温度检测器30电连接，具体的，微控制单元MCU系统50与PC系统60通过串口RS232/485通讯协议传输数据。油泵电机70、TEC制冷片40、温度检测器30、温控系统、微控制单元MCU系统50及PC系统60组成测控系统，其中NTC热敏电阻由恒流电源90进行供电确保NTC热敏电阻工作的稳定性，TEC制冷片40由开关稳压电源80进行控制，微控制单元MCU系统50包括模数转换器A/D、数字控制电路及PWM脉宽调制输出，当转接头20温度产生变化时，NTC热敏电阻的电阻值也随之变化，在恒流电源90提供的恒定电流激励下，其电路中电压随之变化，并且通过模数转换器A/D转换为数字电压值，即微控制单元MCU系统50获得到温度变化值，温度变化值作为测控系统负反馈的输入量，PC系统60通过串口RS232/485通讯协议获取微控制单元MCU系统50中的温度变化值，同时将客户预先设定在PC系统60中的温度值、降温速率等参数读取到微控制单元MCU系统50，通过调节负反馈闭环控制中的传递函数G(s)，最终趋向于稳态。微控制单元MCU系统50中的数字输出信号通过PWM脉冲宽度调制控制方式，根据相应的G(s)的变化来调制来实现晶体管导通/断开时间变化，最终实现对开关稳压电源80输出的控制。微控制单元MCU系统50中的的数字信号还对油泵电机70进行控制，进而实现对散热桶10里绝缘硅油的进油/出油速率自动控制，从而保障TEC制冷片40的发热面温度不会太高而烧坏TEC制冷片40。
TEC制冷片40，也叫热电制冷片，它是利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷和制热的目的。TEC制冷片40与转接头20之间通过传热硅脂粘结，且TEC制冷片40的制冷面靠近转接头20，发热面直接放置于散热桶10的绝缘硅油中，TEC制冷片40在工作中产生热量可被流动的绝缘硅油及时带走以免烧坏TEC制冷片40。
转接头20由铝合金材料所制成的正方体结构，即转接头20含有六个方形面，由于铝合金材料具有较好的传热效果，同时TEC制冷片40为正方形结构，转接头20的面上设有四片TEC制冷片40，四片TEC制冷片40通过串联的方式连接，具体的，TEC制冷片40选择40*40mm规格，转接头20的每一个方形面的规格为100*100mm,即转接头20的每一个方形面上可均匀布置四片TEC制冷片40，除去安装天平那个方形面外，一共需要TEC制冷片40数量S为20片，每个方形面上布置的四片TEC制冷片40通过串联的方式组成一个温度控制通道，在温度控制通道的后端部署5个温度控制仪，通过控制调节电流大小用以控制前端TEC制冷片40的制冷量，锥孔201的锥度为1：5，定义锥孔201的深度为H，40mm<H<55mm。
从设计模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置指标出发，温控范围0-40℃很容易满足，NTC热敏电阻作为负温度系数热敏电阻，其灵敏度高，NTC热敏电阻能检测10-6℃的温度变化值，是完全满足装置±0.1℃的技术指标，而最难的是降温速率，天平体一次实验时间大约为2min，天平体质量最大值为M＝ρπr2L,天平体散失热量值为Q1＝M*Cp，根据能量守恒定律，那么每片TEC制冷片40每分钟需要制冷功率为P1＝Q1/S/2，由于TEC制冷片40的制冷效率一般较低，制冷量/制热量比值为2/3，那么TEC制冷片40在产生制冷量Q1的同时产生了制热量Q2，且Q2需要通过散热桶10里的甲基硅油将此热量带走，可计算出所需甲基硅油的重量M＝Q2/CP2，现以304不锈钢为例，其密度ρ为7.8*103kg/m3，比热容系数CP1为500J/Kg,甲基硅油比热容系数CP2为1.63*103J/(kg·K)，一般天平体前锥大端直径φ48mm，长度一般200mm以内，根据公式计算出天平体质量最大值为M＝ρπr2L＝2.82kg,天平体散失热量值为Q1＝M*Cp＝1410J，那么每片TEC制冷片40每分钟需要制冷功率为P1＝Q1/S/2＝35.25W，在选择TEC制冷片40时制冷功率需要大于35.25W的，所以选择TEC制冷片40的制冷功率为40W时足以满足制冷需求，同时给TEC制冷片40提供开关稳压电源80，则开关稳压电源80总功率P总＝P*S＝800W，所以开关稳压电源80需要选择大于800W，那么要将TEC制冷片40产生的热量带走，需要甲基硅油的重量M＝Q3/CP2＝1.297kg，则散热桶10每秒需要进油量速率为V1＝M/ρ2/60/2＝0.011L/s，已知甲基硅油的密度ρ2为0.963，当散热桶10的进口101直径为φ20mm，进油量速率达到35mm/s即可。因此，目前的TEC制冷片40以及温控系统是可以满足设计技术指标，能够真实模拟风洞实验过程中天平体受到的温度变化环境，从而为温度补偿提供必需的变化温度场。
综上所述，利用TEC制冷片40具有的制冷及制热的原理，NTC热敏电阻检测出锥孔201处的温度，即测出天平体的温度，NTC热敏电阻检测出温度数据传输给微控制单元MCU系统50，微控制单元MCU系统50将接收温度数据进行处理后传输给PC系统60，PC系统60接收到微控制单元MCU系统50发出的温度数据后与预先设定的参数进行比对后向微控制单元MCU系统50发出指令来控制油泵电机70的转速，从而控制冷媒介质在散热桶10内的流速，进而控制温场的变化，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，包括散热桶、设置于所述散热桶内的转接头、以及流动填充于所述散热桶与所述转接头之间的冷媒介质，其特征在于，所述转接头远离所述散热桶底部的一面设有用于定位风洞天平的锥孔及温度检测器，所述转接头接近所述散热桶底部的一面以及所述转接头的周侧面均设有TEC制冷片，所述散热桶还设有用于所述冷媒介质进出的进口及出口，所述TEC制冷片与温控系统电连接，所述TEC制冷片、所述温控系统以及所述温度检测器配合形成PID控制系统，从而实现模拟风洞中天平体在风场中的温度变化。
2.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，还包括微控制单元MCU系统、PC系统，所述微控制单元MCU系统与所述PC系统通过通信电缆连接，所述微控制单元MCU系统分别与所述TEC制冷片及所述温度检测器电连接。
3.根据权利要求2所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，还包括用于控制所述冷媒介质在所述散热桶内流速的油泵电机，所述油泵电机与所述微控制单元MCU系统电连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述转接头为正方体结构，且所述转接头由铝合金材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述温度检测器为NTC热敏电阻，所述NTC热敏电阻布设于所述锥孔的大端面及小端面。
6.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述锥孔的锥度为1：5，定义所述锥孔的深度为H，40mm<H<55mm。
7.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述TEC制冷片与所述转接头之间通过传热硅脂粘结，且所述TEC制冷片的制冷面靠近所述转接头。
8.根据权利要求1所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述散热桶为长方体结构，所述进口设于所述长方体的一面，所述出口设于所述长方体的一面相对的另一面，且所述进口靠近所述散热桶的底部，所述出口远离所述散热桶的底部。
9.根据权利要求4所述的一种模拟超声速风洞试验中天平体温度变化的装置，其特征在于，所述TEC制冷片为正方形结构，所述转接头的面上设有四片所述TEC制冷片，四片所述TEC制冷片通过串联的方式连接。
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