CN115183979A - 一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，以解决天平由于温度梯度引起零点漂移技术难题。包括高低温箱1、真空泵2、数据采集设备3、第一壳体4、螺栓5、第一密封垫片6、第二壳体7、天平8、接管嘴9、球阀开关10、第二密封垫片11、第三壳体12和支杆13。将密封腔体内天平周围的压力降至P_q，快速降温保持2～5分钟，获得天平8读数变化△U₀，依据△U₀的正负在适当桥臂中串入温补丝，重复操作得到最佳的温补丝长度，完成补偿。本发明装置、操作简单，成本低；真实模拟风洞试验天平所处复杂温度场，对天平温度梯度引起的零点漂移有效抑制，补偿效率高、效果好，特别适用于直径尺寸较小的天平。

Description

一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，属于试验空气动力学测量技术领域。

背景技术

应变天平是风洞试验的核心测量设备。试验时，天平处于复杂的温度环境当中。以暂冲式风洞、马赫数Ma＝3的流场温度分布为例，如图3：室温T_s＝15℃时，流场温度T达-170℃；模型和支杆受速度滞止、边界层影响、热交换等原因，其表面温度T_r降至-15℃以下；模型腔内“死水区”气压与流场压力平衡，处于低气压状态(Ma＝3时，静压0.08atm)，温度T_q与室温相同，约15℃。天平温度变化主要由天平-模型和天平-支杆连接部位的热传导产生，且由于模型-天平连接部分传热路径更短，天平前端更易受到模型低温影响，温度沿轴向呈现出梯度变化：dT/dx≠0，模型尺寸越小(如：轨迹捕获CTS试验)越明显。天平本体温度的改变一般会导致电桥输出变化，称为温度效应或温度漂移，其直接影响试验测量的精准度，需进行抑制。

当前，风洞天平温度效应抑制方法主要有应变片筛选法、补偿法和修正法。筛选法是在应变片敷贴于天平本体之前，将应变片粘贴在测试元件上，利用高低温箱模拟、获得其真实温度特性，从中选出温度特性接近的应变片组成同一桥路，最大程度减小应变片之间的差异。这种方法需将应变片粘贴、揭下、再粘贴，可能对其造成损伤；同时，对温度梯度引起的漂移无法抑制。补偿法是指天平在贴片、组桥完成后，在高低温箱中获得桥路输出，随后在桥路中并入温补丝以抵消对温度变化敏感的应变片影响，实现补偿。这种方法对由温度梯度引起的漂移抑制效果不佳，且温补丝位置差异在无梯度模拟的恒定温差环境试验中也无法获得。修正法是指在应变片敷贴于应变天平本体后、组桥前，在高低温箱中获得各应变片输出特性随温度的函数关系，并在各应变片位置粘贴测温电阻；风洞试验时记录天平电桥输出和各应变片处的温度，利用前述函数关系对桥路输出作修正，进而起到抑制效果。这种方法过程繁杂，且无法适用于尺寸较小的天平(天平本体不具备测温电阻的布置空间)，应用范围有限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，针对风洞试验时天平温度效应影响测力精准度的问题，解决了小尺寸天平由于温度梯度引起零点漂移的技术难题，实现了天平温度效应的有效抑制。

本发明的技术解决方案是：一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，包括置于高低温箱内的第一壳体、螺栓、第一密封垫片、第二壳体、天平、接管嘴、球阀开关、第二密封垫片、第三壳体和支杆，以及置于高低温箱外的真空泵、数据采集设备；

所述第一壳体、第二壳体和第三壳体均为旋成体薄壳结构，所述第二壳体上开有通气孔，并安装有球阀开关，所述球阀开关上安装有接管嘴；

所述天平通过前端的锥形结构安装在第二壳体上，并利用螺栓拉紧固定，所述支杆安装在天平后端的锥形结构上；

所述第一壳体安装在第二壳体上，所述第三壳体安装在支杆上，所述第一壳体和第二壳体之间、第三壳体和支杆之间均采用螺纹连接，并分别通过第一密封垫片和第二密封垫片实现密封；置于高低温箱内的部件共同构成具有密封腔体的装置主体，；

所述真空泵的软管通过接管嘴与装置主体连接；

所述数据采集设备用于采集记录天平的各桥路读数。

进一步地，所述第一壳体、第二壳体和第三壳体具有和风洞试验模型相同的尺寸和材料；所述支杆具有和风洞试验支杆相同的尺寸和材料。

进一步地，所述支杆沿轴向与第二壳体后端相同的位置处设置有环形凸台，与第二壳体、第二密封垫片和第三壳体共同构成密封结构。

进一步地，所述接管嘴为宝塔形结构，所述真空泵的软管插入宝塔形结构中并与之形成密封。

一种基于所述的试验装置实现的风洞天平温度效应补偿方法，包括如下步骤：

步骤(一)：组装试验装置，打开球阀开关，利用真空泵将密封腔体内的压力降至P_q，关闭球阀开关，数据采集设备记录天平的各桥路读数，确认天平读数不随压力变化；

步骤(二)：将真空泵的软管从接管嘴上拔下，后将试验装置放入高低温箱内，设置箱内温度从室温快速降至-25℃后保持2～5分钟，数据采集设备记录天平的各桥路读数在此段时间内的变化；

步骤(三)：判断天平的各桥路读数变化是否大于其满载荷输出的2‰，若是，则拆解试验装置并对该桥路进行补偿，补偿前桥路读数变化记为△U₀；根据△U₀设置温补丝；

步骤(四)：重复步骤(一)、步骤(二)，记录第一次补偿后该桥路读数变化，记为△U₁，计算温补丝长度l与桥路读数变化的关系，并获得修正后的温补丝长度，重新补偿；

步骤(五)：重复上述步骤，至天平的各桥路读数变化小于满载荷输出的2‰，停止。

进一步地，所述温补丝为铜丝、镍丝或镍铬丝。

进一步地，所述温补丝设置在靠近天平前端的桥臂中。

进一步地，密封腔体内的压力P_q的值依据风洞流场压力而定。

进一步地，所述根据△U₀设置温补丝的方法为：

1)若该桥路读数正向漂移，即，△U₀为正，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号负”桥臂或“电源负-信号正”桥臂中串入一段长度为l的温补丝；

2)若该桥路读数负向漂移，即，△U₀为负，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号正”桥臂或“电源负-信号负”桥臂中串入一段长度为l的温补丝；

进一步地，所述修正后的温补丝长度为l'＝|ΔU₀·l/(ΔU₁-ΔU₀)|。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，可真实模拟风洞试验时天平所处的复杂温度场，对天平温度梯度引起的零点漂移实现有效补偿和抑制，补偿效率高，效果好。

(2)本发明提供的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，对天平桥路进行补偿，试验装置、操作过程简单，成本低；特别适用于直径尺寸较小的天平。

(3)本发明提供的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，可作为天平气压漂移效应的检查设备，即，在天平温度效应补偿前，对气压效应作检查和确认。

附图说明

图1为本发明的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置示意图；

图2、3为本发明的风洞天平温度效应补偿方法示意图；

图4为本发明的暂冲式风洞典型状态下流场温度分布示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明公开了一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置及方法，以解决小尺寸天平由于温度梯度引起的零点漂移技术难题，实现天平温度效应的有效抑制。具体的，本发明提供了一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，如图1～4所示，包括：高低温箱1、真空泵2、数据采集设备3、第一壳体4、螺栓5、第一密封垫片6、第二壳体7、天平8、接管嘴9、球阀开关10、第二密封垫片11、第三壳体12和支杆13。

第一壳体4、第二壳体7和第三壳体12均为旋成体薄壳结构，天平8通过前端的锥形结构安装在第二壳体7上，并利用螺栓5拉紧固定，支杆13安装在天平8后端的锥形结构上；第一壳体4安装在第二壳体7上，第三壳体12安装在支杆13上，第一壳体4和第二壳体7之间、第三壳体12和支杆13之间均采用螺纹连接，并分别通过第一密封垫片6和第二密封垫片11实现密封；第二壳体7上还开有通气孔，并安装有球阀开关10，球阀开关10上安装有接管嘴9；上述部件共同构成具有密封腔体的装置主体，放置于高低温箱1内。

真空泵2和数据采集设备3放置于高低温箱1外，真空泵2的软管通过接管嘴9与装置主体连接，数据采集设备3用于温度补偿试验过程中采集天平各桥路零点读数。

本实施例中，第一壳体4、第二壳体7和第三壳体12具有和风洞试验模型相同的尺寸和材料，支杆13也具有和风洞试验支杆相同的尺寸和材料，以真实模拟传热过程。

本实施例中，如图1所示，支杆13沿轴向与第二壳体7后端相同的位置处设置有环形凸台，与第二壳体7、第二密封垫片11和第三壳体12共同构成密封结构。

本实施例中，优选的，接管嘴9为宝塔形结构，真空泵2的软管可直接插入并与之形成密封。

在上述装置实施例的基础上，本发明还公开了一种风洞天平温度效应补偿方法，本实施例中，结合图1～图4，方法步骤包括：

步骤一：组装试验装置，打开球阀开关10，利用真空泵2将试验装置密封腔体内的压力降至P_q，关闭球阀开关10，数据采集设备3记录天平8的各桥路读数，并确认天平读数不随压力变化。

步骤二：将真空泵2的软管从接管嘴9上拔下，后将试验装置放入高低温箱1内，设置箱内温度从室温快速降至-25℃后保持2～5分钟，数据采集设备3记录天平8的各桥路读数在此段时间内的变化。

步骤三：判断天平8的各桥路读数变化是否大于其满载荷输出的2‰，若是，则拆解试验装置并对该桥路进行补偿，补偿前桥路读数变化记为△U₀，按△U₀的正负可分为以下两种操作方法：

1)若该桥路读数正向漂移，即，△U₀为正，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号负”桥臂或“电源负-信号正”桥臂中串入一段长度为l的温补丝；

2)若该桥路读数负向漂移，即，△U₀为负，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号正”桥臂或“电源负-信号负”桥臂中串入一段长度为l的温补丝。

步骤四：重复步骤一、步骤二，记录第一次补偿后该桥路读数变化，记为△U₁，计算温补丝长度l与桥路读数变化的关系，并获得修正后的温补丝长度：l'＝|ΔU₀·l/(ΔU₁-ΔU₀)|，按长度l’重新进行补偿。

步骤五：重复上述步骤，直到天平8的各桥路读数变化小于满载荷输出的2‰，停止。

本实施例中，优选的，温补丝可选择铜丝、镍丝或镍铬丝。

本实施例中，如图2、3所示，温补丝应尽量设置在靠近天平前端的桥臂中，以使其处于温度变化剧烈的位置，快速实现补偿。

本实施例中，密封腔体内的压力P_q的值依据风洞流场压力而定，优选的，选取马赫数Ma＝3时的流场压力P_q＝0.08atm。

本发明装置可真实模拟风洞试验时天平所处的复杂温度场，对天平温度梯度引起的零点漂移实现有效补偿和抑制，补偿效率高，效果好；试验装置、操作过程简单，成本低，特别适用于直径尺寸较小的天平。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，其特征在于：包括置于高低温箱(1)内的第一壳体(4)、螺栓(5)、第一密封垫片(6)、第二壳体(7)、天平(8)、接管嘴(9)、球阀开关(10)、第二密封垫片(11)、第三壳体(12)和支杆(13)，以及置于高低温箱(1)外的真空泵(2)、数据采集设备(3)；

所述第一壳体(4)、第二壳体(7)和第三壳体(12)均为旋成体薄壳结构，所述第二壳体(7)上开有通气孔，并安装有球阀开关(10)，所述球阀开关(10)上安装有接管嘴(9)；

所述天平(8)通过前端的锥形结构安装在第二壳体(7)上，并利用螺栓(5)拉紧固定，所述支杆(13)安装在天平(8)后端的锥形结构上；

所述第一壳体(4)安装在第二壳体(7)上，所述第三壳体(12)安装在支杆(13)上，所述第一壳体(4)和第二壳体(7)之间、第三壳体(12)和支杆(13)之间均采用螺纹连接，并分别通过第一密封垫片(6)和第二密封垫片(11)实现密封；置于高低温箱(1)内的部件共同构成具有密封腔体的装置主体；

所述真空泵(2)的软管通过接管嘴(9)与装置主体连接；

所述数据采集设备(3)用于采集记录天平(8)的各桥路读数。

2.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，其特征在于：所述第一壳体(4)、第二壳体(7)和第三壳体(12)具有和风洞试验模型相同的尺寸和材料；所述支杆(13)具有和风洞试验支杆相同的尺寸和材料。

3.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，其特征在于：所述支杆(13)沿轴向与第二壳体(7)后端相同的位置处设置有环形凸台，与第二壳体(7)、第二密封垫片(11)和第三壳体(12)共同构成密封结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平温度效应补偿的试验装置，其特征在于：所述接管嘴(9)为宝塔形结构，所述真空泵(2)的软管插入宝塔形结构中并与之形成密封。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述的试验装置实现的风洞天平温度效应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(一)：组装试验装置，打开球阀开关(10)，利用真空泵(2)将密封腔体内的压力降至P_q，关闭球阀开关(10)，数据采集设备(3)记录天平(8)的各桥路读数，确认天平读数不随压力变化；

步骤(二)：将真空泵(2)的软管从接管嘴(9)上拔下，后将试验装置放入高低温箱(1)内，设置箱内温度从室温快速降至-25℃后保持2～5分钟，数据采集设备(3)记录天平(8)的各桥路读数在此段时间内的变化；

步骤(三)：判断天平(8)的各桥路读数变化是否大于其满载荷输出的2‰，若是，则拆解试验装置并对该桥路进行补偿，补偿前桥路读数变化记为△U₀；根据△U₀设置温补丝；

步骤(四)：重复步骤(一)、步骤(二)，记录第一次补偿后该桥路读数变化，记为△U₁，计算温补丝长度l与桥路读数变化的关系，并获得修正后的温补丝长度，重新补偿；

步骤(五)：重复上述步骤，至天平(8)的各桥路读数变化小于满载荷输出的2‰，停止。

6.根据权利要求5所述的一种风洞天平温度效应补偿方法，其特征在于：所述温补丝为铜丝、镍丝或镍铬丝。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述温补丝设置在靠近天平前端的桥臂中。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：密封腔体内的压力P_q的值依据风洞流场压力而定。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据△U₀设置温补丝的方法为：

1)若该桥路读数正向漂移，即，△U₀为正，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号负”桥臂或“电源负-信号正”桥臂中串入一段长度为l的温补丝；

2)若该桥路读数负向漂移，即，△U₀为负，则在此惠斯通电桥的“电源正-信号正”桥臂或“电源负-信号负”桥臂中串入一段长度为l的温补丝。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述修正后的温补丝长度为l'＝|ΔU₀·l/(ΔU₁-ΔU₀)|。

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