CN118010298A - 一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置和方法,在天平支杆的表面径向设置有第一加热单元;在连接待测模型的天平端部轴向设置有第二加热单元;控制第一加热单元和第二加热单元工作,通过天平支杆热传递给天平,并在加热单元处设置降温系统,通过同时控制升温和降温实现在天平上形成温度梯度。本发明可以对天平两端单独可控加热,可以在天平体前后两端形成稳定的不同阶梯的正温度梯度和负温度梯度;本发明结构简单,使用方便可在天平静态校准条件下安装使用,即在天平前后存在温度梯度条件下可进行加载测试与校准,研究不同载荷条件下温度梯度对于测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及风洞试验领域,具体涉及一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置和方法。
背景技术
在连续式风洞的测力试验中,随着运行时长的增加以及不同马赫数之间的连续变换,气流的来流温度会出现明显变化,天平体温度也会产生变化且呈现出温度分布不均的工况,导致天平阻力元的温度效应尤为显著,将显著影响测力风洞试验数据的不确定度。
国内外风洞试验研究机构都十分重视降低天平的温度效应,开展了恒温条件下的天平温度效应补偿与灵敏度修正技术研究,建立了物理补偿与数据修正方法。在连续式风洞运行过程中,由于气流温度变化大,会在天平体形成明显温度梯度,常规的温度修正方法难以适用于大温变的试验环境,地面等温条件下测试方法与实验装置不能满足研究需要,因而需要在地实验时使天平体形成温度梯度,模拟风洞试验环境的温度梯度状态。
目前,国内外研究天平温度梯度效应时,使天平体形成温度梯度主要有两种方法:一是通过基于热机耦合的有限元仿真分析方法,设置不同边界温度使得天平体形成温度差,理论上计算得到应变信号输出;二是通过温度环境控制对天平加热保温,通过一段时间热传递后在天平上形成温度梯度差。
公开文件(邹星旺. 低温天平温度梯度影响机理及补偿方法研究[D].重庆大学,2020.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2020.001717.)采用热力学分析方法研究温度梯度效应对天平阻力测量元件影响,通过热力学仿真与数据建模方法得到天平修正公式,提高了天平轴向力输出线性度。
公开文件(王艳阳,李小刚,张明龙等.温度分布不均匀的天平阻力元零点温度效应补偿与修正技术研究[J].航空科学技术,2020,31(12):26-32.DOI:10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.003.)采用对天平加热方式对温度分布不均匀条件下天平温度效应修正方法进行验证试验,通过对温度传感器布置位置以及修正公式形式进行研究,减小温度梯度效应对天平阻力元输出电压影响。
以上两种方法存在一定缺陷,前者属于理论计算,其误差较大,而且比较依赖边界条件设置,难以准确模拟温度梯度对于信号的影响;后者只能形成稳定较小温度梯度,且不容易控制,而实际风洞试验中由于气流变化,天平两端温度梯度会产生动态变化,形成的温度梯度范围较大。
发明内容
本发明的目的是针对在一段温度环境下探究温度梯度对天平测量不确定度的影响,在天平两端实现双向温度梯度差以模拟风洞试验环境。
本发明的方案:
一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的方法,将天平支杆、天平、温度控制装置共同置于温度环境试验箱内,在温度试验箱内模拟风洞试验环境,包括以下步骤:
S1:对连接天平的天平支杆端进行加热;
S2:对连接待测模型的天平端进行轴向加热,
S3:在进行S1和S2加热过程的同时,对天平两端进行降温,通过降温平衡加热过程中在天平上产生的热量;
S4:根据以下控制模型对加热和降温进行控制,在天平上形成温度梯度:
其中:加热功率, />为加热时间, />为设置的天平前后温差,/>为加热单元相互之间的距离, />为天平及支杆表面的平均温度, />为所处环境的空气温度, />为导热系数,/>为天平直径, />为对流交换系数。
在上述技术方案中,加热控制过程包括以下步骤:
S31:将检查后的天平安装在校准台上,在天平前后两端靠近测量元件位置布置温度传感器,然后将天平保护罩安装在天平上;
S32:将若干个第一加热单元布局设置在天平支杆表面,将若干个第二加热单元布局设置在连接待测模型的天平端部;
S33:将温控仪、温度传感器和第一加热单元、第二加热单元进行电连接,检测电路,设定初始参数;
S34:打开电源,控制第一加热单元给天平支杆加热,天平支杆将热传递到天平上,控制第二加热单元给天平加热,温度传感器采集天平上的温度值并反馈到温控仪,温控仪采用PID逻辑控制第一加热单元和第二加热单元进行加热;
S35:通过对第一加热单元和第二加热单元设置不同的控制温度,在天平上实现温度梯度。
在上述技术方案中,单独控制第一加热单元对天平支杆进行加热;或
单独控制第二加热单元对天平进行加热;或
同时控制第一加热单元对天平支杆进行加热、第二加热单元对天平进行加热。
在上述技术方案中,在执行S1和S2过程中,天平两端的温度不均衡,满足以下三种状态:
或状态一,天平体两端设定温度均超过环境温度,天平的两端均启动降温系统,当天平温度低的一端稳定在设定温度时,启用降温系统,设定温度高的一端继续升温控制系统,在天平体两端形成稳定温度梯度;
或状态二,天平体一端设定温度高于环境温度,一端设定温度低于环境温度,设定温度高的一端启用升温系统,设定温度低的一端启用降温系统,在天平体两端形成稳定温度梯度;
或状态三,天平两端设定温度均低于环境温度,两端都启用降温系统,在天平体两端形成稳定温度梯度。
一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置,包括轴向连接的天平支杆、天平、所述天平支杆上连接有天平保护罩,
在天平支杆上设置有第一加热单元,所述第一加热单元包括环套在天平支杆上的加热套,所述加热套内用于设置加热棒,
在连接待测模型的天平端部轴向连接有第二加热单元,所述第二加热单元包括安装盘和设置在安装盘上的加热筒,所述加热筒内用于设置加热棒;
所述加热套内与加热筒内分别还设置有冷凝管。
在上述技术方案中,所述加热套为环状结构,加热套套在天平支杆上,所述加热套上沿着轴向设置有若干个安装孔,若干个安装孔沿着周向分布,每个安装孔内设置一个加热棒或冷凝管。
在上述技术方案中,所述安装盘沿着周向设置有若干个安装孔,每个安装孔通过螺纹连接一个加热筒,每个加热筒内设置一个加热棒或冷凝管,所有加热筒轴向连接到安装盘上。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
一是可以对天平两端单独可控加热,因而可以在天平体实现正温度梯度和负温度梯度;
二是通过温度控制策略,可以在低温环境下在天平体前后两端形成稳定的不同阶梯的温度梯度;
三是此装置结构简单,使用方便可在天平静态校准条件下安装使用,即在天平前后存在温度梯度条件下可进行加载测试与校准,研究不同载荷条件下温度梯度对于测量结果的影响;
四是本装置可放置于其他温度环境内,研究不同温度环境条件下,温度梯度变化情况。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明,其中:
图1是天平的加热装置结构示意图;
图2是第一加热单元的结构示意图;
图3是第二加热单元的结构示意图;
图4是温度控制系统框图;
图5是PID控制系统框图;
图6控制流程示意图;
其中:1是天平支杆,2是天平,3是第一加热单元,3-1是锁紧孔,3-2是安装孔,4是天平保护罩,5是锁紧螺钉,6是固定盘,7是加热套筒。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 所示,整体装置的结构分为三部分,包括有第一加热单元、第二加热单元和温度控制系统,其中在天平支杆端加载第一加热单元,在连接待测模型的天平端加载第二加热单元,第一加热单元从天平支杆端向天平传输热量,第二加热单元向天平传输热量;温度控制系统分别控制第一加热单元和第二加热单元,可以实现对第一加热单元和第二加热单元的独立控制或者同时控制。
如图2所示,第一加热单元3由两个半圆状结构构成的环套,在环套上沿着轴向设置有若干个安装孔3-2,在每一个安装孔3-2内设置加热棒,将环套通过锁紧孔3-1用螺栓进行固定后,使得第一加热单元3可以固定环套在天平支杆1的表面。控制加热棒的工作,加热棒的热量通过天平支杆1向天平2进行传递。改变在安装孔3-2内的加热棒数量,可以调节第一加热单元3的整体发热效率,均匀的布置加热棒,可以使得第一加热单元3对天平支杆均匀的传递热量。
如图3所示,第二加热单元包括一个固定盘6,固定盘6的中心设置有定位孔,定位孔用于与天平的端部通过锁紧螺钉5进行固定连接。在固定盘6的圆周方向设置有一圈安装孔,加热套筒7通过螺纹连接在安装孔内,每一个加热套筒7内设置一根加热棒。与第一加热单元3一样,通过改变加热棒的数量和分布布局,可以将热量均匀的传递到天平上。
加热单元和安装孔直径取决于加热棒的直径和长度,而加热棒直径和长度与其功率相关,因此加工前应估算加热棒功率,具体实施时,可根据对应变天平升温温度,升温时长来选择合适的加热棒功率及支杆端加热套的长度。一般对称分布6或8个加热棒,以保证对接触部分均匀加热。
在温度模拟试验中,天平表面与加热模块进行热传导,同时也与温度模拟箱发生热对流。采用以下公式估算一定温差下的加热功率:
其中:加热功率,/>为加热时间, />为设置的天平前后温差, />为加热单元相互之间的距离, />为天平及支杆表面的平均温度(通过布置在天平表面的温度传感器获得),/>为所处环境的空气温度(常温环境下,去室温;低温环境下取值为温度环境稳定值),/>为导热系数,/>为天平直径,/>为对流交换系数。
本实施例中,天平保护罩4具有两个功能,一是天平体温度变化恢复常温过程中防止水蒸气接触,造成天平体不绝缘,影响后续实验;二是可以有效减少天平体与外界环境热量交换,提升天平体升温或降温速率和温度控制精度,天平体温度梯度分布更加均匀。
工作时,为了使天平体两端降温,只需将制冷系统管道分布在加热套上,与加热棒安装方法类似,通过温度控制系统即可实现天平体两端温度恒定。温度控制系统包含温控仪及固态继电器,温度传感器PT100,加热棒和电加热器等,如图4所示。温度控制系统包含两个回路,升温控制回路和降温控制回路。在温度控制系统中,一般采用PID控制理论来实现温度调节。PID控制系统包含给定值,PID控制器,执行机构、被控对象、传感器组成,如图5所示。
具体的控制流程如图6所示:
S1:检查天平是否正常工作,确认无误后将天平安装在校准台上或将其平放置U型块上;在天平前后两端靠近测量元件位置布置温度传感器;将天平保护壳安装在天平上。
S2:将加热装置安装在模型端和天平支杆上,根据模拟温度环境场景,选择合理的加热棒布局,将加热棒固定在加热装置上。
S3:将温控仪,固态继电器,温度传感器和加热棒按照连接图连接,先开启温控仪,依照说明书设置温控仪参数,设置完成后温控仪界面显示测量温度和设定温度,此时测量温度低于设定温度,温控仪应输出直流信号,固态继电器指示灯应处于常亮状态。
S4:打开加热棒供电电源开关,对加热棒加热。加热棒升温后将热量传递给加热套,再传递给天平支杆端及模型端;温度传感器实时测量天平两端温度,将测量温度反馈给温控仪,温控仪根据反馈温度调节继电器的通断频率,控制加热棒供电电流,从而实现温度稳定。温控仪控制逻辑为PID控制,如若控制温度效果不佳,可更改PID参数以提高温度控制精度。
S5:试验时,温度控制系统采用定值控制和程序控制两种控制方式,定值控制即天平两端温度设定为固定值,通过控制程序使得天平两端温度稳定在设定温度附近,天平体两端形成稳定的温度梯度。这种方式有三种工作状态:
状态一:天平体两端设定温度均超过环境温度。试验时,两端都先启用升温系统,当设定温度低的一端温度稳定在设定温度附近时,启用降温系统,而设定温度高的一端继续升温控制系统,最终在天平体两端形成稳定温度梯度。
状态二:天平体一端设定温度高于环境温度,一端设定温度低于环境温度。试验时,设定温度高的一端启用升温系统,设定温度低的一端启用降温系统,最终在天平体两端形成稳定温度梯度。
状态三:天平两端设定温度均低于环境温度。试验时,两端都启用降温系统,最终在天平体两端形成稳定温度梯度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的方法,将天平支杆、天平、温度控制装置共同置于温度环境试验箱内,在温度试验箱内模拟风洞试验环境,其特征在于包括以下步骤:
S1:对连接天平的天平支杆端进行加热;
S2:对连接待测模型的天平端进行轴向加热,
S3:在进行S1和S2加热过程的同时,对天平两端进行降温,通过降温平衡加热过程中在天平上产生的热量;
S4:根据以下控制模型对加热和降温进行控制,在天平上形成温度梯度:
,其中:/>为加热功率,/>为加热时间,/>为设置的天平前后温差,/>为加热单元相互之间的距离,/>为天平及支杆表面的平均温度,/>为所处环境的空气温度,/>为导热系数,/>为天平直径,/>为对流交换系数。
2.根据权利要求1所述的一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的方法,其特征在于加热过程包括以下步骤:
S31:将检查后的天平安装在校准台上,在天平前后两端靠近测量元件位置布置温度传感器,然后将天平保护罩安装在天平上;
S32:将若干个第一加热单元布局设置在天平支杆表面,将若干个第二加热单元布局设置在连接待测模型的天平端部;
S33:将温控仪、温度传感器和第一加热单元、第二加热单元进行电连接,检测电路,设定初始参数;
S34:打开电源,控制第一加热单元给天平支杆加热,天平支杆将热传递到天平上,控制第二加热单元给天平加热,温度传感器采集天平上的温度值并反馈到温控仪,温控仪采用PID逻辑控制第一加热单元和第二加热单元进行加热;
S35:通过对第一加热单元和第二加热单元设置不同的控制温度,在天平上实现温度梯度。
3.根据权利要求2所述的一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的方法,其特征在于:
单独控制第一加热单元对天平支杆进行加热;或
单独控制第二加热单元对天平进行加热;或
同时控制第一加热单元对天平支杆进行加热、第二加热单元对天平进行加热。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的方法,其特征在于:在S1和S2过程中,天平两端的温度不均衡,满足以下三种状态:
或状态一,天平体两端设定温度均超过环境温度,天平的两端均启动降温系统,当天平温度低的一端稳定在设定温度时,启用降温系统,设定温度高的一端继续升温控制系统,在天平体两端形成稳定温度梯度;
或状态二,天平体一端设定温度高于环境温度,一端设定温度低于环境温度,设定温度高的一端启用升温系统,设定温度低的一端启用降温系统,在天平体两端形成稳定温度梯度;
或状态三,天平两端设定温度均低于环境温度,两端都启用降温系统,在天平体两端形成稳定温度梯度。
5.一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置,包括轴向连接的天平支杆、天平、所述天平支杆上连接有天平保护罩,其特征在于:
在天平支杆上设置有第一加热单元,所述第一加热单元包括环套在天平支杆上的加热套,所述加热套内用于设置加热棒,
在连接待测模型的天平端部轴向连接有第二加热单元,所述第二加热单元包括安装盘和设置在安装盘上的加热筒,所述加热筒内用于设置加热棒;
所述加热套内与加热筒内分别还设置有冷凝管。
6.根据权利要求5所述的一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置,其特征在于:
所述加热套为环状结构,加热套套在天平支杆上,所述加热套上沿着轴向设置有若干个安装孔,若干个安装孔沿着周向分布,每个安装孔内设置一个加热棒或冷凝管。
7.根据权利要求5所述的一种在杆式天平轴向方向形成温度梯度的装置,其特征在于:
所述安装盘沿着周向设置有若干个安装孔,每个安装孔通过螺纹连接一个加热筒,每个加热筒内设置一个加热棒或冷凝管,所有加热筒轴向连接到安装盘上。
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骆纯珊: "WWER-1000压水堆核电厂热工水力及工程热力学基础", 31 March 2012, 中国原子能出版社 * |
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