CN114814286A - 一种在线低气压系统流速测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在线低气压系统流速测试装置及方法，流速测试装置包括检测装置和测算系统，检测装置包括导流段、整流段、直管段和测试段；测试段内设置有激光发射器、激光接受器和激光反射膜片；测算系统包括数据接收器、数据处理器和数据显示设备，激光接受器与数据接收器信号连接。低气压下被测气体使激光反射膜片发生偏转，激光反射膜片向激光接受器反射激光发射器的激光束，数据处理器将激光接受器的数据得出膜片偏转角度，结合被测气体的参数计算获得被测气体的流速。在本申请中,流速测试装置高效紧凑、能够适应不同温度和气压环境。解决了以往压差传感器负压工况无法测试的问题，克服了传统风速仪在低压工况下阻力过大无法测速的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及低气压环境流体流速测试领域，尤其涉及一种在线低气压系统流速测试装置及方法。
背景技术
近年来，随着人类活动范围的拓展，在高海拔地区、地球高空领域以及外太空的科学研究将越来越频繁。在临近空间领域，这一高度位于20～100km 的空间正在成为开展高科技应用与国防安全活动的重要区域。在低气压环境准确测量换热器空气侧流速是一大难题，由于此类环境舱或低气压环境风洞空间受限，高空中常用的探空气球测速法、气象测试中采用的风杯测试法在低气压时空气无法产生足够的推力使其转动，同样毕托管、热线式风速仪等常规风速测试方法应用于低温低气压环境时均已失准，开发一种在线低气压系统流速测试装置具有重要的科研意义。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种在线低气压系统流速测试装置及方法，旨在解决当前低温、低气压环境下如何高效可靠测量气体流速的问题。
为了实现上述目的，本发明提出一种在线低气压系统流速测试装置，包括检测装置和测算系统，其中：
所述检测装置包括依次水平连接的导流段、整流段、直管段和测试段；所述测试段内设置有激光发射器、激光接受器和激光反射膜片；所述激光接受器固定在所述测试段内底侧，所述激光反射膜片可旋转的设置在所述激光接受器的上方，且多个倾斜设置的所述激光发射器互相平行且间隔排设，所述激光发射器上激光束的照射方向朝向所述激光反射膜片，所述激光反射膜片上激光束的反射方向朝向所述激光接受器；
所述测算系统包括数据接收器、数据处理器和数据显示设备，所述激光接受器与所述数据接收器信号连接，所述数据接收器和数据显示设备均与所述数据处理器数据连接。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述测试段内靠近所述直管段的一端设有所述压力检测传感器，另一端设有所述温度检测传感器，所述激光发射器和激光反射膜片均置于所述压力检测传感器和温度检测传感器之间，所述压力检测传感器和温度检测传感器均与所述数据接收器信号连接。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述激光发射器的数量至少三个。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述激光接受器上设有光量角度检测器。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述激光反射膜片的一端旋转固定在所述测试段内顶侧，另一端自由垂置在所述测试段的内腔中。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述导流段和直管段均具备可调节伸缩功能，且伸缩调节后所述导流段和直管段的内壁光滑无突起。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述检测装置还包括标定段，所述标定段与所述测试段相接，所述标定段内设置有转速测试叶轮和标定调速风机，所述标定段靠近所述测试段的一端设有所述转速测试叶轮。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述导流段、整流段、直管段、测试段和标定段均依次两两采用法兰抱箍结构相连接。
进一步地，在所述的在线低气压系统流速测试装置中，所述数据处理器通过串口通讯设备与所述数据显示设备连接，所述数据显示设备为计算机或显示屏。
本发明还提出一种在线低气压系统流速测试方法，采用上述的所述在线低气压系统流速测试装置，所述导流段远离所述整流段的一端为进气口，被测气体通过低气压下的气流推动力使所述测试段内的所述激光反射膜片发生偏转，在所述激光反射膜片向所述激光接受器反射由所述激光发射器发射出的激光束下，所述数据处理器将由所述数据接收器收集的所述激光接受器上激光束的接收间距数据进行整合计算，得出所述激光反射膜片的偏转角度，结合被测气体的物性参数计算获得在所述测试段内被测气体的流速，所述数据处理器将结果数据传输给所述数据显示设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：流速测试装置体积高效紧凑、能够适应不同温度和气压环境。解决了以往压差传感器负压工况无法测试的问题，同时也克服了传统机械式风速仪等在低压工况下阻力过大无法测速的缺点。
附图说明
图1为本发明中在线低气压系统流速测试装置的结构示意图；
图2为图1中A-A部的剖面结构示意图；
图3为本发明中在线低气压系统流速测试方法的原理结构示意图。
其中：导流段1、整流段2、直管段3、测试段4、激光发射器51、激光接受器52、激光反射膜片53、压力检测传感器61、温度检测传感器62、标定段7、转速测试叶轮71、标定调速风机72。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的在线低气压系统流速测试装置及方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1至图2所示，本发明提出一种在线低气压系统流速测试装置，包括检测装置和测算系统，其中：
检测装置包括依次水平连接的导流段1、整流段2、直管段3和测试段4，整流段2用于对进入测试段4前的流体进行整流使其处于层流状态；测试段4 内设置有激光发射器51、激光接受器52和激光反射膜片53；激光接受器52固定在测试段4内底侧，激光反射膜片53可旋转的设置在激光接受器52的上方，且多个倾斜设置的激光发射器51互相平行且间隔排设，激光发射器51上激光束的照射方向朝向激光反射膜片53，激光反射膜片53上激光束的反射方向朝向激光接受器52。
测算系统包括数据接收器、数据处理器和数据显示设备，激光接受器52与数据接收器信号连接，数据接收器和数据显示设备均与数据处理器数据连接。数据处理器通过串口通讯设备与数据显示设备连接，数据显示设备为计算机或显示屏。
进一步地，本实施例中，测试段4内靠近直管段3的一端设有压力检测传感器61，另一端设有温度检测传感器62，激光发射器51和激光反射膜片53均置于压力检测传感器61和温度检测传感器62之间，压力检测传感器61和温度检测传感器62均与数据接收器信号连接。在已知被测气体的成分时，流速测试装置通过测算系统具有换算功能，根据数据接收器采集的由检测装置测试获得的温度和压力数据，数据处理器能够自动计算在不同工况下的测试段4内被测气体的流速。
同时，由于压力检测传感器61和温度检测传感器62均采用自身电源供电具备无线传输功能，方便检测装置在安装过程中不需开孔连线，能够保证流速测试装置在低压工作过程不由于检测装置的结构布置产生泄露风险，同时还能快速布置以提高测试的效率。
进一步地，本实施例中，激光发射器51的数量至少三个，能通过多束平行激光束在激光接受器52上落点进行校核，从而判断被测气体的气流流态是否稳定，校验整流效果是否符合要求。且激光接受器52上设有光量角度检测器，方便将获取的光电信号转换成膜片偏转角度。激光反射膜片53的一端旋转固定在测试段4内顶侧，另一端自由垂置在测试段4的内腔中。激光反射膜片53具有极小的机械阻力，其受到的摩擦阻力远小于气流推动力，根据不同的测试工况激光反射膜片53可以更换不同大小形状，同时在受力偏转时特殊设计使其不发生轴向旋转能够保证测试受力的一致性。
进一步地，在本实施例中，检测装置还包括标定段7，具备自行标定功能。标定段7与测试段4相接，标定段7内设置有转速测试叶轮71和标定调速风机 72，标定段7靠近测试段4的一端设有转速测试叶轮71，转速测试叶轮71与数据接收器信号连接。通过在检测装置上安装标定段7，开启标定调速风机72，使检测装置内产生被测气体的气流，通过转速测试叶轮71的旋转频率获得当前被测气体的气流速度。同时，在为未知气体成分进行测试时，利用标定段7对被测气体的气体流速进行标定，通过检测装置以获得被测气体的流量系数，检测装置能够测试不同工况下该被测气体的流速。
进一步地，在本实施例中，导流段1、整流段2、直管段3、测试段4和标定段7均依次两两采用法兰抱箍结构相连接，可以根据不同被测介质的特性进行快速匹配更换不同特征长度尺寸的各个段。导流段1和直管段3均具备可调节伸缩功能，且伸缩调节后导流段1和直管段3的内壁光滑无突起，能够根据测试的空间及测试工况要求调节长度，进而改变这两段的长径比，且伸缩调节后内壁光滑无突起。
如图3所示，本发明还提出一种在线低气压系统流速测试方法，导流段1 远离整流段2的一端为进气口，被测气体通过低气压下的气流推动力使测试段4 内的激光反射膜片53发生偏转，在激光反射膜片53向激光接受器52反射由激光发射器51发射出的激光束下，数据处理器将由数据接收器收集的激光接受器 52上激光束的接收间距数据进行整合计算，得出激光反射膜片53的偏转角度，结合被测气体的物性参数计算获得在测试段4内被测气体的流速，数据处理器将结果数据传输给数据显示设备。
具体地，测试段4内集成了激光反射膜片53、压力检测传感器61和温度检测传感器62，在工作时，通过低气压下的被测气体的气流推动力使测试段4内的激光反射膜片53发生偏转，激光接受器52将获取激光束偏转后的光电信号通过光量角度检测器转换成膜片偏转角度，数据处理器结合被测气体的物性参数进行二次计算获得被测气体在低气压系统内的气体流速。
由于本发明中的检测装置能够在低温、低气压条件下利用气体流动产生的静压力实现对流动气流的流速测量，整个流速测试装置能够在负压下运行，适合于模拟临近空间、火星表面以及一些低真空特殊场合下的气体流速测量，该流速测试装置能够解决当前低气压环境下的换热特性研究、流体流动特性研究等科研领域内气体流速测量的关键难题。
在流速测试时，拆除标定段5，被测气体由导流段1进气口进入流速测试装置，经整流段2整流后经由直管段3进入测试段；当被测气流进入测试段4后气流流动产生的推力使激光反射膜片53发生偏转，通过激光反射膜片53使激光发射器51发射的激光束反射至激光接受器52表面，通过计算激光接受器52 接受激光束偏移的距离，数据处理器二次计算获得激光反射膜片53偏转的角度，利用激光反射膜片53偏转的角度结合被测气体的物性参数进而计算获得被测气体的流速。
综上，在本实施例中，提出的在线低气压系统流速测试装置及方法，流速测试装置体积高效紧凑、能够适应不同温度和气压环境。解决了以往压差传感器负压工况无法测试的问题，同时也克服了传统机械式风速仪等在低压工况下阻力过大无法测速的缺点。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，包括检测装置和测算系统，其中：
所述检测装置包括依次水平连接的导流段(1)、整流段(2)、直管段(3)和测试段(4)；所述测试段(4)内设置有激光发射器(51)、激光接受器(52)和激光反射膜片(53)；所述激光接受器(52)固定在所述测试段(4)内底侧，所述激光反射膜片(53)可旋转的设置在所述激光接受器(52)的上方，且多个倾斜设置的所述激光发射器(51)互相平行且间隔排设，所述激光发射器(51)上激光束的照射方向朝向所述激光反射膜片(53)，所述激光反射膜片(53)上激光束的反射方向朝向所述激光接受器(52)；
所述测算系统包括数据接收器、数据处理器和数据显示设备，所述激光接受器(52)与所述数据接收器信号连接，所述数据接收器和数据显示设备均与所述数据处理器数据连接。
2.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述测试段(4)内靠近所述直管段(3)的一端设有所述压力检测传感器(61)，另一端设有所述温度检测传感器(62)，所述激光发射器(51)和激光反射膜片(53)均置于所述压力检测传感器(61)和温度检测传感器(62)之间，所述压力检测传感器(61)和温度检测传感器(62)均与所述数据接收器信号连接。
3.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述激光发射器(51)的数量至少三个。
4.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述激光接受器(52)上设有光量角度检测器。
5.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述激光反射膜片(53)的一端旋转固定在所述测试段(4)内顶侧，另一端自由垂置在所述测试段(4)的内腔中。
6.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述导流段(1)和直管段(3)均具备可调节伸缩功能，且伸缩调节后所述导流段(1)和直管段(3)的内壁光滑无突起。
7.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述检测装置还包括标定段(7)，所述标定段(7)与所述测试段(4)相接，所述标定段(7)内设置有转速测试叶轮(71)和标定调速风机(72)，所述标定段(7)靠近所述测试段(4)的一端设有所述转速测试叶轮(71)。
8.根据权利要求7所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述导流段(1)、整流段(2)、直管段(3)、测试段(4)和标定段(7)均依次两两采用法兰抱箍结构相连接。
9.根据权利要求1所述的在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述数据处理器通过串口通讯设备与所述数据显示设备连接，所述数据显示设备为计算机或显示屏。
10.一种在线低气压系统流速测试方法，采用如权利要求1至9中任意一项所述在线低气压系统流速测试装置，其特征在于，所述导流段(1)远离所述整流段(2)的一端为进气口，被测气体通过低气压下的气流推动力使所述测试段(4)内的所述激光反射膜片(53)发生偏转，在所述激光反射膜片(53)向所述激光接受器(52)反射由所述激光发射器(51)发射出的激光束下，所述数据处理器将由所述数据接收器收集的所述激光接受器(52)上激光束的接收间距数据进行整合计算，得出所述激光反射膜片(53)的偏转角度，结合被测气体的物性参数计算获得在所述测试段(4)内被测气体的流速，所述数据处理器将结果数据传输给所述数据显示设备。
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| Publication number | Publication date |
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| CN114814286B (zh) | 2023-06-02 |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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