CN115357071B - 高频感应加热的取样探针温度的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频感应加热的取样探针温度的控制系统，属于航空航天测试技术领域，解决现有技术水冷或空气的方式致使探针组件的样气温度维持设计温度效率较低的技术问题。其包括油箱、供油管路、回油管路、探针组件、循环管路和控制器，供油管路上安装有高频加热器，所述控制器控制所述供油管路、回油管路和循环管路的开或关，并与高频加热器电连接，其中：所述油箱的油通过所述供油管路进入所述探针组件后通过所述回油管路流入所述油箱；控制器实时获取所述高频加热器的进、出口油的温度，当高频加热器出口温度低于预设值启动，以对油进行加热，确保探针组件的样气温度达设计值。

Description

高频感应加热的取样探针温度的控制系统

技术领域

本发明属于航空航天测试技术领域，尤其涉及一种高频感应加热的取样探针温度的控制系统。

背景技术

燃气取样试验作为航空发动机整机（或核心机）或燃烧室燃烧效率与排放测量的关键考核试验，准确获取相应测量截面的气体组分对于评估试验结果和优化发动机或燃烧室设计有重要的指导意义。

取样探针作为获取气体组分的关键装置，直接决定了是否能够获取真实、可靠、具有代表性的气体组分，主要的设计难点集中在头部结构、冷却通道、结构强度等方面。根据气体组分的传输特性，特别是未燃碳氢化合物和氮氧化物的特殊温度需求，需保证取样探针出口和沿程保温管路内的气体组分温度控制到433K（160℃，320℉）。为了实现气体组分的温度精准控制，取样探针的结构设计多采用多层耦合控制方案。三层取样探针置于高温燃气强氧化环境中，从外到内共分三层，外层的主要功能是与航空发动机整机（或核心机）或燃烧室高温热环境的热交换，保证取样探针外壳能够长时间稳定工作于高温氧化环境和抵抗热冲击、热腐蚀等，该层多采用水冷，水的流量与压力根据实际试验工况决定；取样探针中间层的主要功能用于对探针内层气体组分的保温以及对探针外层的热交换，该层一般采用导热油，其流量与压力的控制根据取样探针出口气体组分的温度决定；取样探针内层是气体组分的取样通道，气体组分的流量根据气体组分分析仪器的实际需求决定，压力可根据外部的排放与抽取来精准控制。

针对如附图2所示的典型探针组件，三层取样探针，中间层兼顾了对外层热平衡和对内层气体组分保温的综合效应，其中，外层水冷的质量流量不小于200g/s，进、出口冷却水的温差不超过40K；内层气体组分的流量约为0.25g/s，取样探针气体组分的出口温度约为433K。经典型工况的数值仿真计算，对于中间层而言，导热油的最大流量约为0.25Kg/s，最高温度约为577K，即可满足取样探针的整体热平衡需求。

原有取样探针中间层多采用一定温度的空气或者无空气，但由于空气的密度较导热油的密度小，在相同通道下无法保证热平衡所需要的热量，必将导致相同热平衡下中间层的温度超温，甚至超过不锈钢壳体的稳定工作温度。鉴于此，根据导热油最大流量和最高温度的应用需求，基于高频感应加热的原理，根据取样探针实际试验工况流量和温度的需求，提出一种快速、可控的高频感应加热的取样探针温度的控制系统，可以解决三层取样探针气体组分温度精准控制的问题。

发明内容

有鉴于此，提出一种高频感应加热的取样探针温度的控制系统，解决现有技术水冷或空气的方式致使探针组件的样气温度维持设计温度效率较低的技术问题。

提供一种高频感应加热的取样探针温度的控制系统，用于航空发动机整机或燃烧室燃气取样试验所用探针组件的样气温度精准控制，探针组件包括探针，包括油箱、供油管路、回油管路、探针组件、循环管路和控制器，供油管路上安装有高频加热器，所述控制器控制所述供油管路、回油管路和循环管路的开或关，并与高频加热器电连接，其中：

所述油箱的油通过所述供油管路进入所述探针组件后通过所述回油管路流入所述油箱；

控制器实时获取所述高频加热器的进、出口油的温度，当高频加热器出口温度低于预设值启动，以对油进行加热，确保探针组件的样气温度达设计值。

本发明的技术有益效果：

解决了三层取样探针气体组分的温度精准控制问题，通过设计一种高频感应加热取样探针温度控制系统，对三层取样探针中间层导热油的温度和流量进行调节与控制，最终在三层取样探针出口获得真实的气体组分。基于高频感应加热控制导热油的方式，提供了高频感应加热管路，解决了导热油的加热速度慢和加热均匀性差的问题，还规避了直接加热所带来的系统绝缘和安全性问题，且加热功率与进、出口油的温度相耦合，实现导热油流量和温度的精准和安全控制。基于对导热油流动传输、加温、降温和反吹等关键过程的精准时序控制，解决了导热油的流动合理性和系统稳定运行的逻辑控制问题，既节约了导热油的加热时间，还有利于系统泄漏、阀门失效等故障处理，同时在反吹环节中还结合了结焦抑制技术解决了管路积碳的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。

图1为高频感应加热的取样探针温度控制系统原理图；

图2为一种典型的三层取样探针；

图3为高频感应加热管路；

其中：

1、油箱；2、检修阀；3、第二切断阀；4、关启阀；5、第六切断阀门；6、第四切断阀门；7、水冷却器；8、第一切断阀；9、第三切断阀门；10、第二调节阀门；11、单向阀；12、第二手动阀门；13、探针；14、第一手动阀门；15、第二高温流量计；16、第一调节阀门；17、控制器；18、上位机；19、第一高温流量计；20、高频加热器；21、变频泵；22、泄压阀；23、缓冲瓶；24、第五切断阀门；25、吹扫气源装置；26、过滤器；100、降温管；200、保护管路；1301、高温燃气环境；1302、取样探针外层；1303、取样探针中间层；1304、取样探针内层；2001、加热管；2002、石英玻璃管；2003、高硅氧纤维套管； 2004、K型电偶；2005、感应线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

如图1所示的高频感应加热的取样探针温度的控制系统，用于航空发动机整机或燃烧室燃气取样试验所用探针组件的燃气温度取样，图2所示，现有技术中的探针组件包括探针13，探针13包括三层取样探针并在高温燃气环境1301进行探测，探针13包括取样探针外层1302，取样探针中间层1303和取样探针内层1304。该控制系统包括油箱1、供油管路、回油管路、探针组件、循环管路和控制器17，控制器17连接有上位机18。供油管路上安装有高频加热器20，控制器17控制供油管路、回油管路和循环管路的开或关，并与高频加热器20电连接，其中：

油箱1的油通过供油管路进入探针组件后通过回油管路流入油箱1，油箱1与外部供油装置连通的管路上安装有检修阀2，止回阀和排气阀等；

控制器实时获取高频加热器20的进、出口油的温度，当高频加热器20出口温度低于预设值启动，以对油进行加热，确保探针组件的样气温度达设计值，预设值与不同环境下探针组件的测量精度相关。

作为本案所提供的具体实施方式，对高频加热器20启动时进行保护。高频加热器20的出口位置且在供油管路上安装有第一高温流量计19，第一高温流量计19与控制器17通讯连接，供油管路上沿供油方向且在第一高温流量计19之后依次安装有第一调节阀门16、第二高温流量计15和第一手动阀门14，第一调节阀门16用以控制供油管路流入探针组件的油量，第一手动阀门14用于手动控制探针组件导热油的通断，管路上安装有第二调节阀门10，且在第一高温流量计19和第一调节阀门16之间分别与回油管路和供油管路连通，其中：

第一高温流量计19采集的流量值和温度值未达预设值时，控制器17控制第一调节阀门16关闭，第二调节阀门10打开，此时，供油管路内的油通过循环管路进入回油管路进行循环，直至第一高温流量计19达预设值时，第一调节阀门16开且第二调节阀门10关，预设温度的油进入探针组件以维持设计的样气温度。

作为本案所提供的具体实施方式，包括降温回油的功能，探针组件的出口且在回油管路上设置依次有第二手动阀门12、单向阀11、第一切断阀8和第二切断阀3，第一切断阀8并联有水冷却器7，水冷却器7两端安装有第三切断阀门9和第四切断阀门6，单向阀11仅沿回油时开启，循环管路还包括在第二切断阀3和第四切断阀门6之间与供油管路连通的降温管100，降温管100上安装第六切断阀5，控制降温管100内油的通或关，其中：

回油时，控制器控制高频加热器20关闭，且第二切断阀3、第二调节阀门10、第三切断阀门9和第四切断阀门6打开；第一手动阀门14、第一切断阀8和第一调节阀门16打开，控制器采集高频加热器20出口温度达预设温度时，第二调节阀门10、第三切断阀门9和第四切断阀门6关，第二切断阀3、第一手动阀门14、第一切断阀8和第一调节阀门16打开，以常温的方式回油。

作为本案所提供的具体实施方式，清扫管路的方式，近邻油箱1的出口位置依次安装有过滤预设颗粒度的过滤器26和用于高频加热器20缓冲的缓冲瓶23，优选的，缓冲瓶23的出口配置有变频泵21，通过变频泵21向高频加热器20供油。过滤器26和缓冲瓶23之间的供油管路上安装有第五切断阀门24，第五切断阀门24的出口位置连通有吹扫气源装置25，吹扫气源装置25存储有吹扫气源，如，氮气或高压空气，并且，吹扫气源装置25的出口安装有关启阀4，其中：

吹扫时，第五切断阀门24和第二调节阀门10关，其余阀均打开，或是，第五切断阀门24、第二调节阀门10、第三切断阀门9和第四切断阀门6关，其余阀均开，以驱赶管路中的存油。

进一步的，提高清扫效率吹扫，控制器控制高频加热器20以预设的功率开启，例如，一半的功率，避免管路中的导热油积碳，并减少结焦。

进一步的，还包括保护管路200，保护管路200一端与油箱1连通，另一端与（变频泵21出口和高频加热器20入口之间）的供油管路相连通，并保护管路200上安装有泄压阀22，保护管路200用于维持供油管路压力的稳定、保证变频泵21在可靠的工作范围工作和用于供油管路的溢流回流，确保整个系统的安全运行。如，变频泵21之后的供油管路，例如，高频加热器20入口和出口油压力不平衡时，泄压阀22开，通过保护管路200补油以维持供油管路上的供油压力平衡，或，出现供油管路前段压力大及后端压力小时，部分油通过保护管路200将部分油回流至油箱1中。

效果为：

（1）根据导热油良好的导热特性，对导热油的可控加温有助于解决取样探针出口气体组分温度的精准控制，通过出口气体组分温度的实测值，在不改变的取样探针外层1302的冷却水流量，可快速调节变频泵的流量和高频感应加热的输出功率，取样探针中间层1303的和温度，使取样探针出口气体组分的温度控制在规定的范围内。

（2）基于PLC控制软件实现取样探针出口气体组分温度的自适应控制。

基于PLC测控系统的自适应控制，可根据出口气体组分温度的实测值进行判断，优先在不改变导热油流量的基础上，调节高频感应加热的输出功率改变导热油的温度，实现出口气体组分温度的控制；当高频感应加热输出的导热油温度超过一定温度仍未达到需求温度，则改变导热油流量，再进行温度调节。

作为本案所提供的具体实施方式，高频加热器20的工作原理是基于自动控制技术实现感应线圈2005内部形成频率可变的磁场，形成涡流快速加热加热管2001，最终对流换热使加热管2001内部的导热油温度快速增加，因此，高频加热器20在工作时需要保护保护，高频加热器20设置有螺杆形状的高硅氧纤维套管2003，高硅氧纤维套管2003上在位置安装有K型电偶2004，高硅氧纤维套管2003外套石英玻璃管2002，石英玻璃管2002连接有感应线圈2005，供油管路穿过高硅氧纤维套管2003，具体的：一是螺杆形状的感应线圈2005外套高硅氧纤维套管2003，高硅氧纤维套管2003外套石英玻璃管2002，将感应线圈2005和加热管2001进行双重物理绝缘隔绝保护；二是供油管路上的加热管2001沿程截面上安装有多只K型电偶2004，若实时监测温度超过限定值，则通过控制系统关闭高频加热器20；三是高硅氧纤维套管2003外套石英玻璃管2002，石英玻璃管2002连接有供油管路上的加热管2001，供油管路穿过高硅氧纤维套管2003，用以加热管2001内的油，石英玻璃管2002既可以起物理绝缘作用，还可以固定支撑加热管2001，解决因导热油局部超温致加热管2001爆裂引发热油泄压飞溅的问题。

基于高频感应加热技术有效解决导热油快速加降温、绝缘、安全等问题。高频加热采用电磁感应的模式完成快速加、降温，本发明采用石英玻璃管2002和高硅氧纤维套管2003双重绝缘保护，加热管与加热管2001无接触，可确保导热油的加热管2001和整个导热油的管路内均无电流通过，可确保导热油管路的绝缘、安全性。

本案的系统，全部管路必须进行保温处理，附图3的高频加热器20的加热总功率不小于50KW，系统热量总损失不大于10%；加热管2001的材质应为不锈钢，直径D1的范围为10mm，且反应管外壁根据实际需求布置5只、20mm间距的K型电偶2004；石英玻璃管2002的直径D2为20mm；高硅氧纤维套管2003的直径为10mm；感应线圈2005的环绕直径D3为25mm；系统的总流量通过变频泵控制，第一高温流量计19和第二高温流量15计分别定量监测系统的总流量和探针组件的流量值；通过调节第一调节阀门16和第二调节阀门10开度完成探针组件的需求流量值；

取样探针所处的环境为高温燃气环境1301，温度范围为900K-2200K；取样探针外层1302为水冷通道；取样探针中间层1303为导热油冷通道；取样探针内层1304为样气通道。还包括测控系统，测控系统采用PLC系统搭建。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种高频感应加热的取样探针温度的控制系统，用于航空发动机整机或燃烧室燃气取样试验所用探针组件的样气温度的精准调控，探针组件包括探针，其特征在于，包括油箱、供油管路、回油管路、探针组件、循环管路和控制器，供油管路上安装有高频加热器（20），所述控制器控制所述供油管路、回油管路和循环管路的开或关，并与高频加热器（20）电连接，其中：

所述油箱的油通过所述供油管路进入所述探针组件后通过所述回油管路流入所述油箱；

控制器实时获取所述高频加热器（20）的进、出口油的温度，当高频加热器出口温度低于预设值启动，以对油进行加热，确保探针组件的样气温度达设计值；

所述高频加热器（20）出口位置且在所述供油管路上安装有第一高温流量计（19），所述第一高温流量计（19）与控制器通讯连接，所述供油管路上沿供油方向且在第一高温流量计（19）之后依次安装有第一调节阀门（16）、第二高温流量计（15）和第一手动阀门（14），所述第一手动阀门（14）用以控制所述供油管路流入所述探针组件的油量，所述循环管路上安装有第二调节阀门（10），且在所述第一高温流量计（19）和第一调节阀门（16）之间分别与回油管路和供油管路连通，其中：

所述第一高温流量计（19）采集的流量值未达预设值时，控制器控制所述第一调节阀门（16）关闭，第二调节阀门（10）打开，此时，所述供油管路内油通过所述循环管路进入回油管路进行循环，直至第一高温流量计（19）达预设值时，所述第一调节阀门（16）开且第二调节阀门（10）关，预设温度的油进入所述探针组件以维持设计的样气温度。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述探针组件的出口且在回油管路上设置依次有第二手动阀门（12）、单向阀（11）、第一切断阀（8）和第二切断阀（3），所述第一切断阀（8）并联有水冷却器（7），所述水冷却器（7）两端安装有第三切断阀门（9）和第四切断阀门（6），所述单向阀（11）仅沿回油时开启，循环管路还包括在第二切断阀（3）和第四切断阀门（6）之间与供油管路连通的降温管（100），其中：

回油时，控制器控制所述高频加热器（20）关闭，且第二切断阀（3）、第二调节阀门（10）、第三切断阀门（9）和第四切断阀门（6）打开；第一手动阀门（14）、第一切断阀（8）和第一调节阀门（16）打开，控制器采集高频加热器（20）出口温度达预设温度时，第二调节阀门（10）、第三切断阀门（9）和第四切断阀门（6）关，所述第二切断阀（3）、第一手动阀门（14）、第一切断阀（8）和第一调节阀门（16）打开，以常温的方式回油。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，近邻所述油箱的出口位置依次安装有过滤预设颗粒度的过滤器（26）和用于高频加热器（20）缓冲的缓冲瓶（23），过滤器（26）和缓冲瓶（23）之间的供油管路上安装有第五切断阀门（24），所述第五切断阀门（24）的出口位置分别连通有吹扫气源装置（25）和缓冲瓶（23），吹扫气源装置（25）存储有吹扫气源，其中：

吹扫时，所述第五切断阀门（24）和第二调节阀门（10）关，其余阀均打开，或是，第五切断阀门（24）、第二调节阀门（10）、第三切断阀门（9）和第四切断阀门（6）关，其余阀均开，以驱赶管路中的存油。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，吹扫时，控制器控制所述高频加热器（20）以预设的功率开启，避免管路中的油积碳，以减少结焦。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述高频加热器（20）设置有螺杆形状的高硅氧纤维套管（2003），高硅氧纤维套管（2003）上安装有K型电偶（2004），所述高硅氧纤维套管（2003）外套石英玻璃管（2002），

所述石英玻璃管（2002）连接有感应线圈（2005），所述供油管路穿过所述高硅氧纤维套管（2003），用以加热管内的油。

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