CN1746640A - 用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，包括一根探针杆外管，在其内套入探针内管，在探针杆外管与探针内管之间插入一进出水分离管，三根管子同轴安装；所述的探针杆外管头部安装一可拆卸的锥形外壳头罩，锥形外壳头罩中心开有圆孔，锥形外壳头罩与探针内管之间为螺纹配合；所述的进出水分离管的头部呈锥形。采用锥形探针，减小在测量过程中对射流气体的扰动和提高测量准确度；并可在同样测量效果的前提下适当增大探针杆体的冷却水通路，省去高压水泵及相关机构。

Description

用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针

技术领域

本发明涉及一种用于测量超高温流动气体射流的温度、速度、组分及其分布的探针，特别是涉及一种用于测量超高温流动气体射流的温度、速度、组分及其分布的减扰焓探针。

背景技术

在航空航天、机械加工、冶金、化工以及生物工程领域广泛应用的热等离子体，其气体温度一般在3000-20000K，常规测温所用的热电偶在这种情况下是无法使用的。在这种超高温的条件下，根据气体的压力、温度、以及气体种类的不同，其电离度和处于各种激发态的粒子数密度也相应变化，因此，对这种等离子体射流的温度测量，常采用光谱诊断的方法测量其气体温度与分布。光谱测量方法为非接触式，由检测高温气体发出的一定特征的谱线及其强度来导出气体的温度，对气体射流本身不产生任何外加扰动。但是光谱测量的方法一般设备比较昂贵，需要比较复杂深奥的专门知识，并且对被测对象的状态有很多的限定，例如：光学薄、轴对称、处于局域热力学平衡状态等等，如果不满足这些要求，测量的难度将大大增加、得到结果的误差也很大，然而，实际的超高温部分电离气体射流都不同程度地偏离这些要求，因此，很难判断测量结果的准确性。

水冷焓探针是另一种常用的测量超高温气体温度的手段，这类焓探针的结构大致有两种，一种是探针杆体横跨气体流动方向，而在杆体中心开有一个小孔，使开孔迎着被测点的来流；另一种是在探针杆的端头开有一个小孔，端头直对来流方向，而杆体则顺着气体流动方向放置。横跨气流方向的探针测量在同样杆径的情况下对气流的扰动比较大，并且在沿着或垂直于杆体方向对气流的扰动不同，因此，现在实际使用的基本上是端头直对来流方向的杆状焓探针，例如文献1.J.Grey，Cooledelectrostatic probes，ibid.，Chapter 6，1976中所介绍的焓探针。这种焓探针从探头到杆身以至探针支座整体制成一体结构，探针头部为圆形，中心有一直径很小的孔，通向后端的排气系统，通气孔外周水冷；为了能够测量很高的气体温度，焓探针需要很好的冷却效果，冷却水必须流过端头附近，而不能在端头部形成水流的死区，否则探针将被烧坏；而为了减少对被测气流的扰动，应尽量减小探头和探针杆的尺寸，因此探针内部水路通道很小，需要采用高压水泵，将进水口处的压力增至50公斤/平方厘米以上，以此提高水流量来保证冷却效果；由于一般的加工技术所能制造的探针杆径很难小于5mm，同时，测量时探针插入所需测量的位置，因而不可避免地将对高温被测气体自身的流动产生扰动；减小探针尺寸是降低扰动的最有效方法，然而，特殊的加工技术将使探针的价格猛增，使一般的需求者无法承受；再加之目前的焓探针都为整体结构，等离子体射流的最高温度经常超过一万度，特别是当射流气体中添加了氢等热导率高的气体时，而探针的可测量的范围大致在数千度，更高温度范围的尝试需要特别小心，否则探针头部将可能被烧损而导致探针整体报废。这更使一般的使用者难以接受，也限制了对探针实际使用范围的尝试。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷；为了降低制造成本、提高使用效果、扩大使用范围；提供一种锥形且可换接头部的焓探针，用于测量超高温流动气体射流的温度及其分布的参数，在简化冷却水系统的情况下能减小测量中对气体流动的扰动的焓探针。

本发明提供的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，包括一根探针杆外管6，在其内套入探针内管2，在探针杆外管6与探针内管2之间插入一进出水分离管4，三根管子同轴安装；其特征在于：所述的探针杆外管6头部安装一可拆卸的锥形外壳头罩7，锥形外壳头罩7中心开有圆孔8，锥形外壳头罩7与探针内管2之间为螺纹配合；所述的进出水分离管4的头部呈锥形。

在上述的技术方案中，所述的锥形外壳头罩7的锥度范围为8°-90°。

在上述的技术方案中，所述的锥形外壳头罩7中心圆孔8的孔径大小，根据对空间分辨率的不同测量要求，选择不同的探头中心开孔尺寸；优选的锥形外壳头罩7中心圆孔8的孔径范围为0.3-0.8mm，来保证测量结果有较高的空间分辨率及测量灵敏度。

在上述的技术方案中，所述的进出水分离管4其锥形头部的锥度小于锥形外壳头罩7的内壁锥度。

在上述的技术方案中，所述的探针杆外管6、探针内管2与进出水分离管4之间的距离遵从水流量相同的原则来确定。

在上述的技术方案中，所述的探针内管选用成型紫铜管，壁度仅为0.15mm，可保证良好的导热性能。

在上述的技术方案中，所述的探针杆外管长度可做到50mm，以减少对射流的扰动。

本发明的特点在于：

1)本发明的可换接的锥形头焓探针设计，该探针的头部外壳为一件可与探针杆体分离的锥形壳罩，可将其看作易更换的消耗件。根据对空间分辨率的不同测量要求，选择不同的探头中心开孔尺寸，在意外误操作或气体温度过高等因素造成探针头部外壳烧蚀时，仅换接该锥形外壳即可完全重新恢复使用功能。因此，可以不必过分小心保守地缩小其使用范围，因为探头烧坏也不会造成大的损失。

2)本发明的探针杆体的探针内管2、进出水分离管4、探针杆外管6采用了成形薄壁管，可使探针杆身外径尺寸降至4mm的情况下，有充分的冷却水路通道，因此测量系统如图2所示不需要采用高压水泵，在进水口压力为4公斤/平方厘米的条件下能够正常工作，已用于测量温度高达15000K的纯氩等离子体射流而探头不被烧损。在探针杆身外径尺寸为4mm的情况下，锥形外壳头罩7的锥头未圆滑直径9可做到1.5mm，再经圆滑加工，在测量时可以非常有效地减少对被测流体的扰动，从而提高测量结果的准确度。

附图说明

图1为锥形探头壳罩与探针杆连接部分的组装结构图。

图2为与本发明设计的探针组合的工作系统示意图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，制作一测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，图中：气路-

参照图1，制作一测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，图中：气路-1，探针内管壁-2，冷却水进水通道-3，进出水分离管-4，出水通道-5，探针杆外管-6，锥形外壳头罩-7，端部进气开孔-8，圆孔-9，台阶-10。

采用市场上可买到的壁厚约0.5mm或1.0mm紫铜管作为探针杆外管6，所述的探针杆外管长度可做到50mm，以减少对射流的扰动。探针内管2厚度为0.15mm，进出水分离管4的厚度为0.2mm。该紫铜探针杆外管6，在其内套入探针内管2，在探针杆外管6与探针内管2之间插入一进出水分离管4，三根管子同轴安装。所述的探针杆外管6头部安装一可拆卸的锥形外壳头罩7，锥形外壳头罩7可做到的锥度范围为8°-90°均可，锥形外壳头罩7中心开有圆孔8，锥形外壳头罩7与探针内管2之间为螺纹配合。该进出水分离管4为一根头部呈锥形的圆管，其锥形从该管与探针杆外管6与锥形外壳头罩7连接处相同的长度位置变锥，锥度要比锥形外壳头罩7内壁的锥度小；进出水分离管4的顶端与锥形外壳头罩7内壁台阶10处的距离为1.3mm；在保证探针有充分的冷却水路通道的前提下，探针杆外径尺寸最小可以做到4mm。锥形外壳头罩7与探针杆身可分离装拆，锥形外壳头罩7的锥头未圆滑直径9可做到1.5mm，再经圆滑加工，在测量时可以非常有效地减少对被测流体的扰动。同时，由于锥形外壳头罩7为可装拆件，它可以做成不同的锥度，来研究不同锥度对射流的扰动程度，进而对测量结果的影响。端部进气开孔8可根据被测对象的温度分布梯度来选择不同的尺寸，即：当气体流线的正交方向的温度梯度不太大时，开孔尺寸可适当选大一些。这样在抽气时的流量可以大一些，以提高测量的灵敏度；但当温度梯度很大时，开口尺寸要尽量地小，以保证测量的空间分辨率。本焓探针的开孔尺寸范围为0.3mm-0.8mm。探针杆外管6、探针内管2与进出水分离管4之间的距离遵从水流量相同的原则来确定，在本实施例中他们之间的距离范围为0.5-1.0mm。并且探针杆外管6与探针内管2之间形成出水通道5，探针内管2与进出水分离管4之间形成冷却水进水通道3。

本实施例的探针头部采用锥形设计，可以有效地减小在测量过程中对流动气体的扰动和提高测量结果的准确度，特别是适用于在气体流线的正交方向的温度分布梯度大，以及气流速度高的流场温度及其分布的测量。另外，锥形头部是一件可与探针杆身分离或组装的外形为锥形的壳罩可换件，可根据被测量气体的实际情况和测量精度要求选择不同的锥形壳罩尖端中心开孔尺寸；需要探讨锥角对气体流动的扰动影响时，可换接各种不同锥角壳罩，在探针杆身外径尺寸为4mm的情况下，锥形外壳头罩的锥头未圆滑直径可做到1.5mm，经圆滑加工，可以非常有效地减少对被测流体的扰动；气体温度过高、导热性好、误操作等情况下造成探针头严重烧蚀或烧损时，能避免探针整体报废，仅更换探头外壳即可完全恢复使用功能。

所述的探针杆身外径尺寸降至4mm的情况下，还有充分的冷却水路通道，系统不需高压水泵及相关机构，而只需要一般水冷系统，在进水口压力为4公斤/平方厘米的条件下能够正常工作，测量温度高达15000K的纯氩等离子体射流而探头不被烧损。

实施例2，

参照图2，本实施例制作的减扰焓探针的使用方法，图中：探针杆外管-6，探针的锥形外壳头罩-7，探针支座-10，测量出水温度的热电偶-11，测量进水温度的热电偶-12，水流量计-13，水阀-14，冷却水进水管-15，冷却水出水管-16，滞止压力测量仪-17，气体三通选向截止阀-18，气体采样区-19，气体通路调节阀-20，气体流量计-21，排气泵-22，排气管-23，被测气体射流-24。

气体温度的测量原理与一般的同类焓探针相同，将由探针支座10及探针杆外管6支撑的探针锥形外壳头罩部分7插入射流24内需要测量温度的位置，使气流的当地流动方向正对探头中心通气孔，首先通过气体三通选向截止阀18阻断气路1与排气泵22的通路，同时分别由热电偶11和12实时测量冷却水出水管16及冷却水进水管15中的出水及进水的温度，由水流量计13记录水流量(通过水阀14可把水流量调节到合适的流量，以保证热电偶可以测到较明显的水温变化)，根据出水与进水的温差和流量导出冷却水的焓值变化a，进而打开气体三通选向截止阀18，导通气路1与排气泵22的通路，通过气体流量计11控制气体的流量，以确保对射流流场的影响最小，同样测得这种情况下冷却水的焓值变化b，由b与a之差求出探头中心孔所在位置的射流气体温度；在阻断气路1与排气泵22的通路的情况下可以由测压仪17测得探头中心孔所在位置的射流气体的滞止压力；在导通气孔1与排气泵22的通路的情况下，可在气体采样区19采集气体供成分分析所用，剩余气体通过排气管23排入大气中。

Claims (6)

1.一种用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，包括一根探针杆外管(6)，在其内套入探针内管(2)，在探针杆外管(6)与探针内管(2)之间插入一进出水分离管(4)，三根管子同轴安装；其特征在于：所述的探针杆外管(6)头部安装一可拆卸的锥形外壳头罩(7)，锥形外壳头罩(7)中心开有圆孔(8)，锥形外壳头罩(7)与探针内管(2)之间为螺纹配合；所述的进出水分离管(4)的头部呈锥形。

2.按权利要求1所述的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，其特征在于：所述的锥形外壳头罩(7)的锥度范围为8°-90°。

3.按权利要求1所述的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，其特征在于：所述的锥形外壳头罩(7)中心圆孔(8)的孔径大小，根据对空间分辨率的不同测量要求，选择不同的探头中心开孔尺寸。

4.按权利要求3所述的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，其特征在于：所述的锥形外壳头罩(7)中心圆孔(8)的孔径范围为0.3-0.8mm。

5.按权利要求1所述的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，其特征在于：所述的进出水分离管(4)其锥形头部的锥度小于锥形外壳头罩(7)的内壁锥度。

6.按权利要求1所述的用于测量超高温流动气体射流参数用的减扰焓探针，其特征在于：所述的探针杆外管(6)、探针内管(2)与进出水分离管(4)之间的距离遵从水流量相同的原则来确定。