CN1818591A - 恶劣环境中实验压力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种恶劣环境中实验压力测量装置。它包括受热体，受热体上开有进气孔，进气孔上连接有导气管，导气管位于由带有进水孔及水流通道的进水件和带有出水孔及水流通道的出水件中，进水件、出水件及受热体相互连接，水流通道中设置有将水流通道分隔成内、外通道的挡水板，导气管后连接可将气压信号转换成模拟电压信号的气体压力传感器，模拟电压信号由模拟电量采集装置转换成数字信号，数字信号经过光电隔离装置后按RS－485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。本发明可以在超高温，强电和大干扰环境中正常工作。经实验表明，本发明在10000VAC，2500－3000℃，强电磁干扰，存在一倍以上音速气流的恶劣环境中，以最快10次/S的速度对4MPa以下的流场压力进行实时测量，系统误差在2级左右。

Description

恶劣环境中实验压力测量装置
(一)技术领域
本发明涉及的是一种压力测量装置，具体地说是一种能够在高温、强电和强干扰的环境中，对超高温电弧压力进行测量的装置。
(二)背景技术
以等离子体电弧加热器为核心的防热材料地面模拟实验系统中，实验电弧的压力对于实验结果的影响是十分显著的。要分析被测试件的烧蚀机理和考核试件的烧蚀性能，对实验过程中电弧压力的测量时十分重要的。但是，实验过程中等离子体电弧温度高达2500-3000℃，加热器工作电压在3000-10000VAC范围，由于加热器自身要求其三相中性点不能接地保护，而由于物理条件限制(加热器三相电压不平衡)其理论中性点的电压不为零，加热器在启动和停止时空间电磁场会发生较大的变化形成电磁干扰，导致流场压力测量装置处在一个超高温、强电和大干扰的环境中。要在这样恶劣的流场环境中实现电弧流场压力的测量，现在普遍采用的手段为测量加热器气源压力辅以加热器气路的机械参数进行计算初步得到电弧流场压力，但这种方法是大量外界因素的影响精度相当低。
(三)发明内容
本发明的发明目的在于提供一种能够在超高温、强电、大干扰的流场环境中，对流场压力进行高精度测量的恶劣环境中实验压力测量装置。
本发明的目的是这样实现的：它包括受热体，受热体上开有进气孔，进气孔上连接有导气管，导气管位于由带有进水孔及水流通道的进水件和带有出水孔及水流通道的出水件中，进水件、出水件及受热体相互连接，水流通道中设置有将水流通道分隔成内、外通道的挡水板，导气管后连接可将气压信号转换成模拟电压信号的气体压力传感器，模拟电压信号由模拟电量采集装置转换成数字信号，数字信号经过光电隔离装置后按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。导气管与气体压力传感器之间连接有聚乙烯管。
流场中的高温高压气体通过受热体的冷却进入导气管，通过导气管的进一步冷却后的气体进入导气管末端的聚乙烯管并最终进入气体压力传感器，气体压力传感器将气压信号转换成模拟电压信号，模拟电压信号由模拟电量采集装置将其转换成数字信号，数字信号经过光电隔离装置后按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机统一处理供操作人员参考。整个测量装置采用水冷方式冷却，冷却水由进水件进入装置，经过挡水件内侧对导气管内气体进行冷却后进入受热体夹层内，再经过挡水件外侧由出水件离开装置。
本发明具有以下几个主要技术特征：
1、所述的受热体为一个带有夹层的圆形铜构件，构件中心转有小孔，构件尾部与前端小孔相对应的位置套有螺纹用来固定同样为铜制的导气管。受热体的夹层为中空，而且空腔占其整体结构的绝大部分，方便冷却水流动和对受热体前端面的冷却，使得整个装置可以在超高温环境中正常工作。
2、本发明通过挡水件将装置内腔一分为二，使得进入装置的冷却水可以先对导气管内经过受热体初步冷却的气体进行进一步冷却，然后再进入受热体夹层对其进行冷却，最后经过大量换热导致温度升高的冷却水经由挡水件外侧通过出水件离开装置。这样的设计使得冷却水得到了充分的利用，整个装置可以在并不需要很大的冷却水流量的前提下达到自身和其内部气体的充分冷却，大大提高了装置的实用性并降低了实验成本。
3、本发明通过光电隔离装置实现了计算机与信号采集回路之间的物理隔断，不但有效地消除了噪声电压干扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配等问题，同时也可以在被测设备短路时保护系统不受损坏。
本发明由进水件，出水件，挡水件和受热体构成装置冷却水回路。室温状态下的冷却水经过进水件进入装置内部，首先对导气管中经过受热件初步冷却温度相对较低的气体进行冷却，流经导气管后温度有所上升的冷却水进入受热体内部空腔对温度相对较高的受热体进行冷却，冷却水在受热体空腔内经过与其进行充分的热交换后温度骤升，完成冷却任务的高温冷却水离开受热体后流经挡水件外侧由出水件排出装置。冷却水经过在装置内部的充分热交换后出水温度可高达40-60℃。流场中2500-3000℃的超高温气体流经本装置后进入气体压力传感器的气体温度在20-30℃之间。
本发明的气体通路由导气管，聚乙烯管和气体压力传感器共同构成。流场中的气流通过受热体后进入导气管，气体在导气管中经过充分冷却后经过聚乙烯管进入气体压力传感器。在导气管和气体压力传感器之间加入聚乙烯管可以充分利用聚乙烯管的绝缘性和韧性，一方面使得气体压力采集回路和装置暴露在强电流场中的部分之间通过优良绝缘体相连保护了采集装置，另一方面聚乙烯管的韧性为装置的整体安装与维修带来了方便。
信号采集装置与计算机之间的通信线路上串联高达10000VAC以上绝缘的光电隔离装置，在系统测温过程中，如果热电偶测量端保护层失效，隔离装置能有效保护中央计算机及操作人员不至于接触到测试环境中的10000V高压电。
本发明可以在超高温，强电和大干扰环境中正常工作。经实验表明，本发明在10000VAC，2500-3000℃，强电磁干扰，存在一倍以上音速气流的恶劣环境中，以最快10次/S的速度对4MPa以下的流场压力进行实时测量，系统误差在2级左右。
(四)附图说明
附图是本发明的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
恶劣环境中实验压力测量装置的组成包括受热体1，受热体上开有进气孔，进气孔上连接有导气管5，导气管位于由带有进水孔及水流通道的进水件4和带有出水孔及水流通道的出水件3中，进水件、出水件及受热体相互连接，水流通道中设置有将水流通道分隔成内、外通道的挡水板2，导气管后连接可将气压信号转换成模拟电压信号的气体压力传感器7，模拟电压信号由模拟电量采集装置转换成数字信号，数字信号经过光电隔离装置8后按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。导气管与气体压力传感器之间连接有聚乙烯管6。
室温状态下的冷却水经过进水件4进入装置内部；冷却水首先对导气管5中经过受热件1初步冷却温度相对较低的气体进行冷却；流经导气管5后温度有所上升的冷却水进入受热体1内部空腔对温度相对较高的受热体进行冷却；完成冷却任务的冷却水流经挡水件2外侧由出水件3排出装置；流场中的气流通过受热体1后进入导气管5；气体在导气管5中经过充分冷却后经过聚乙烯管6进入气体压力传感器7；气体压力传感器7将气压信号转化成为数字电压信号经过光电隔离装置8传给上位计算机统一处理。

Claims (2)

1、一种恶劣环境中实验压力测量装置，它包括受热体，其特征是：受热体上开有进气孔，进气孔上连接有导气管，导气管位于由带有进水孔及水流通道的进水件和带有出水孔及水流通道的出水件中，进水件、出水件及受热体相互连接，水流通道中设置有将水流通道分隔成内、外通道的挡水板，导气管后连接可将气压信号转换成模拟电压信号的气体压力传感器，模拟电压信号由模拟电量采集装置转换成数字信号，数字信号经过光电隔离装置后按RS-485异步串行通信准则经过信号线上传至计算机。
2、根据权利要求1所述的恶劣环境中实验压力测量装置，其特征是：导气管与气体压力传感器之间连接有聚乙烯管。
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