CN1869623A - 动态测压探针及用该探针测量高温射流动压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态测压探针及用该探针测量高温射流动压的方法，包括水冷锥形压力探头及压力传感器，该水冷锥形压力探头包括外管，外管头部开有采样孔，所述外管的中心设有水气隔离管，在该水气隔离管内腔形成气流通道，在水气隔离管与外管之间形成冷却水通道，在所述外管末端连接有压力传感器，该压力传感器的感应面与所述气流通道相对应，该压力传感器通过信号线依次连接放大器、信号采集系统。由于本发明中使用压力传感器，减少了动态测压探针在高温射流中的停留时间，降低对冷却进水水压的要求，降低测量成本，并可以方便快速地得到射流横截面的动压分布，大幅度减少测量时间。

Description

动态测压探针及用该探针测量高温射流动压的方法

技术领域

本发明涉及一种动态测压探针及用该探针测量高温射流动压的方法。

背景技术

热等离子体射流作为具有高温、高焓值特性的高能束流，在航空航天、机械加工、冶金、化工以及生物工程领域都有着广泛的应用，热等离子体射流的温度和速度等参数是表征其流动特性的重要参数。根据测量得到的射流温度和动压数据导出射流速度是较常用的一种测速方法。等离子体射流温度一般在3000-15000K，常规的热等离子体射流动压测量一般是通过水冷皮托管和U型管(或微压计)配合来进行，属于接触式测量方法。即把皮托管固定放置在射流待测位置，皮托管头部正对射流来流位置开有一个采样孔，采样孔后有气体通路和U型管相连，通过U型管水柱的变化可以得到射流该位置的动压。由于射流温度很高，因此在测量射流动压时，皮托管必需很好地水冷。一般的皮托管从头部到管身以至皮托管支座整体制成一体结构，皮托管头部为圆形，冷却水必须流过皮托管头部附近，而不能在头部形成水流的死区，否则皮托管将被烧坏；由于皮托管测压属于接触式测量方法，会对被测气流产生扰动。为了减少对被测气流的扰动，应尽量减小皮托管的尺寸，因此进出水的通道很小，需要采用高压水泵对进入皮托管的冷却水增压，以此提高水流量来保证冷却效果；减小皮托管尺寸虽是降低扰动的最有效方法，然而，特殊的加工技术将使皮托管的价格猛增，使一般的需求者无法承受；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，皮托管的使用需要特别小心，否则皮托管头部将可能被烧损而导致皮托管整体报废，这也限制了对皮托管实际使用范围的尝试。同时由于U型管的固有振动周期很长(秒量级)，它不能快速响应射流动压信号。因此为了测到射流动压的准确信号，皮托管需较长时间放置在高温射流中，这在一定程度上也加速了皮托管头部的烧蚀，从而缩短了皮托管的使用寿命。如何准确有效又能够节省操作成本地测量射流动压一直是人们有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有测压方法的缺陷，提供一种成本低、效率高、可快速方便测量高温射流动压的动态测压探针及用该探针测量高温射流动压的方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种动态测压探针，包括水冷锥形压力探头及压力传感器，该水冷锥形压力探头包括外管，外管头部开有采样孔，所述外管的中心设有水气隔离管，在该水气隔离管内腔形成气流通道，在水气隔离管与外管之间形成冷却水通道，在所述外管末端连接有压力传感器，该压力传感器的感应面与所述气流通道相对应，该压力传感器通过信号线依次连接放大器、信号采集系统。

进一步，所述外管包括可拆卸连接的外管本体及锥形头，该锥形头上设有采样孔。

进一步，所述采样孔的直径小于1mm。

进一步，所述气流通道的长度与直径的比值为20-60。

进一步，所述气流通道末端设有直径渐变的扩口管。

进一步，所述扩口管的扩张半角小于或等于50°。

应用上述动态测压探针测量高温射流动压的方法，首先调整好等离子体发生器和动态测压探针之间的位置，保证动态测压探针的采样孔与等离子体发生器轴线在同一条直线上，标记此时探针所处位置，然后通过传动装置把探针移到射流外部；等离子发生器产生等离子体射流后，把动态测压探针快速移到预先调好的位置，并做适当微调，以传感器感应到的信号最大时为好，根据所述压力传感器响应信号和实际压力之间的换算关系，即得到射流中心动压波动信号。

应用上述动态测压探针测量高温射流动压的方法，首先调整好等离子体发生器和动态测压探针之间的位置，保证动态测压探针的采样孔与等离子体发生器轴线在同一条直线上，标记此时探针所处位置，然后通过传动装置把探针移到射流外部；等离子发生器产生等离子体射流后，通过传动装置使动态测压探针沿垂直于射流轴线的方向快速扫过射流截面，在此过程中压力传感器会实时响应等离子体射流的动压信号，由此得到射流动压的径向分布。

采用本发明的装置及方法后，由于使用压力传感器，减少了动态测压探针在高温射流中的停留时间，可以降低对冷却进水水压的要求，降低测量成本，又因动态测压探针有很高的响应速率，可以方便快速地得到射流横截面的动压分布，可大幅度减少测量时间。探针的头部可拆卸并设计为锥形，锥形头可减小在测量过程中对射流的扰动，提高测量结果的准确度；锥形头可拆卸，使该动态测压探针可根据测量要求选择不同的探头中心开孔尺寸，并可改变锥形头锥角以探讨其对射流的扰动影响；另外，由于射流温度极高，探针头部为容易烧蚀的部分，这种可拆卸设计可避免探针整体因探头烧损而报废，更方便于探索性的实验测量。而本发明动态测压探针的水气隔离管与外管之间设有进出水隔离管，进出水隔离管与水气隔离管之间形成冷却水进水通道，进出水隔离管与外管之间形成冷却水出水通道，保证冷却水的冷却效果，提高探针的使用寿命；本装置的采样孔直径小于1mm，从而保证测量结果有较高的空间分辨率，气流通道的长度与直径的比值为20-60，气流通道末端设有直径渐变的扩口管，扩口管的扩张半角小于或等于50°，减少了截面突变导致的动压损失，使测量结果更加真实。

附图说明

图1为动态测压探针的结构示意图；

图2为射流动压随时间的变化图；

图3为射流动压的径向分布测量结果图。

具体实施方式：

本发明高温射流动压的时空高响应测量方法所需动态测压探针如图1所示，包括水冷锥形压力探头及压力传感器，该水冷锥形压力探头1包括外管11，外管11包括可拆卸连接的外管本体111及锥形头112，该锥形头112前端开有采样孔113，该外管11的中心连接水气隔离管12，在水气隔离管12中心形成气流通道14，在水气隔离管12与外管11之间设有进出水隔离管13，进出水隔离管13与水气隔离管12之间形成冷却水进水通道，进水通道上设有进水口，进出水隔离管13与外管11之间形成冷却水出水通道，该出水通道上设有出水口；在所述外管11末端设有探针座15，该探针座15上固定有压力传感器16，该压力传感器16的感应面161与气流通道14相对应，并且压力传感器16与探针座15之间设有密封装置；该压力传感器16通过信号线17依次连接放大器18、信号采集系统19。

如图1所示，使用时，高温气流A通过测压探针头部采样孔113和气流通道14作用于压力传感器16的感应面161，压力传感器16把感应到的压力信号转换为毫伏级的电压信号，通过信号线17和放大器18被信号采集系统19采集。通过预先标定好的实际压力与传感器输出电压信号的关系曲线，即可得到实际的动压数据。测压探针为水冷设计，冷却水通过入水口进入探针的水冷通路，直至探针头部，进出水隔离管13把冷却水通路分隔为进水通路和出水通路，冷却水经出水口流出测压探针。水气隔离管12把气流通道14和水冷通路隔开，外管11把探针外部的高温气流隔开。

为保证测量结果有较高的空间分辨率，所述采样孔113的直径需尽量做小，本实施例中采样孔113的直径小于1mm。气流通道14的设计需考虑采样孔孔径、通道长度、通道截面变化形式等因素，即气流通道14和采样孔113不能是孔径相差太多的截面突变设计，因当管道截面突然扩大时，流体会产生一定的流动损失(主要为涡流损失)，即局部阻力，由于局部阻力作用，射流将有动压损失，从而使得测量到的动压信号失真；动压损失系数和大小截面面积差与大截面比值的平方成正比，两者面积相差越多，动压损失系数越大；气流通道14需有适当的长度，以保证充分冷却通路中的气流，从而降低压力传感器16因受热产生温漂而使响应信号偏离真实数据的可能性；在保证气流冷却的同时，需控制气流通道14的容积，以利于探针的响应；由于测量点的动压信息传递到传感器感应面161需要经历一定的时间，容积越大，时间越长，从而影响探针的响应，即：如果被测信号为高频脉动信号，气流通道容积过大不利于探针响应被测信号的高频脉动，从而影响测量结果的真实性；本实施例中，气流通道14的长度与直径的比值范围在20-60之间；气流通道14的末端固结有压力传感器16，由于气流通道14与压力传感器16感应面161的直径差别较大，本专利中，气流通道14末端设有直径渐变的扩口管20，尽量减少截面突变导致的动压损失，扩口管20的扩张半角应不大于50°，以尽量得到真实的动压数据。

为方便地调整测压探针头部采样孔113和射流测量点之间的位置，所述测压探针固定于可前后、水平、上下移动的传动装置上，在测量射流动压随时间变化特性时，通过传动装置，迅速把动态测压探针移动到射流测量点，由于动态测压探针有很高的响应速率，因此可在极短的时间内得到射流动压随时间变化的数据。而对于射流动压分布数据，当探针通过传动装置沿垂直于射流轴线的方向快速扫过射流截面时，压力传感器16实时输出响应到的动压信号，根据压力传感器响应信号和实际压力信号之间的换算关系，同时测量时间和压力探针移动速度相乘，即可得到射流动压沿射流径向的分布。通过改变探针沿射流轴向的位置，可以快速地得到不同轴向位置的射流动压径向分布。由于测量过程中使用压力传感器，它有很高的响应速率，可以快速响应动压信号，因此可以采用测压探针沿垂直射流轴线的方向快速扫过射流截面的方法，得到射流的动压分布。

本实施例中选取的测压探针采样孔113直径为0.6mm，气流通道14直径为1.2mm，长度为50mm。压力传感器16具有40kHz的响应频率，输出为mV信号，最大量程为60kPa。压力传感器16由应变放大器供电，同时输出的mV信号经应变放大器放大100倍后由示波器采集，最终数据由计算机存储。冷却水由冷却循环水机提供，冷却进水水压调整到4公斤/平方厘米。

图2为射流处于不同流动状态时射流中心动压随时间的变化，其中图2的上图为射流处于层流流动状态的动压测量结果，下图为射流处于湍流流动状态的动压测量结果。测量前首先要调整锥形头部采样孔113的高度和水平度，使其轴线与等离子体发生器轴线在一条直线上，记下该位置，然后通过传动装置，把测压探针移开发生器出口；随后引弧，发生器产生等离子体射流，调整好射流参数后，通过传动装置快速把测压探针移到射流中心位置，便可以测量压力传感器实时响应的射流中心动压信号，根据预先标定的压力传感器响应信号和实际压力信号之间的换算关系，即可得到射流中心动压波动信号，测量时间只有毫秒量级。从图中看到射流处于湍流流动时，动压信号中存在高频脉动，并且脉动频率和产生射流的弧电压脉动频率一致，即压力探针能够响应高频变化的动压信号。图3为应用图1的动压测量装置得到的距发生器出口5mm处等离子体射流动压的径向分布结果。测量中传动装置的运动速度为111mm/s，而图中显示射流直径约5mm，说明测压探针在射流中的停留时间只有约43ms，就可以得到沿射流径向的动压分布，这么短的时间，是用常规的水冷皮托管和U型管组合的方式测量射流动压分布时不可能做到的，这进一步证明了本发明提供的测量射流动压方法的高效性。

Claims (8)

1、一种动态测压探针，其特征在于，包括水冷锥形压力探头及压力传感器，该水冷锥形压力探头包括外管，外管头部开有采样孔，所述外管的中心设有水气隔离管，在该水气隔离管内腔形成气流通道，在水气隔离管与外管之间形成冷却水通道，在所述外管末端连接有压力传感器，该压力传感器的感应面与所述气流通道相对应，该压力传感器通过信号线依次连接放大器、信号采集系统。

2、如权利要求1所述的动态测压探针，其特征在于，所述外管包括可拆卸连接的外管本体及锥形头，该锥形头上设有采样孔。

3、如权利要求1所述的动态测压探针，其特征在于，所述采样孔的直径小于1mm。

4、如权利要求1所述的动态测压探针，其特征在于，所述气流通道的长度与直径的比值为20-60。

5、如权利要求5所述的动态测压探针，其特征在于，所述气流通道末端设有直径渐变的扩口管。

6、如权利要求6所述的动态测压探针，其特征在于，所述扩口管的扩张半角小于或等于50°。

7、应用权利要求1-6任一所述动态测压探针测量高温射流动压的方法，其特征在于，首先调整好等离子体发生器和动态测压探针之间的位置，保证动态测压探针的采样孔与等离子体发生器轴线在同一条直线上，标记此时探针所处位置，然后通过传动装置把探针移到射流外部；等离子发生器产生等离子体射流后，把动态测压探针快速移到预先调好的位置，并做适当微调，以传感器感应到的信号最大时为好，根据所述压力传感器响应信号和实际压力之间的换算关系，即得到射流中心动压波动信号。

8、应用权利要求1-6任一所述动态测压探针测量高温射流动压的方法，其特征在于，首先调整好等离子体发生器和动态测压探针之间的位置，保证动态测压探针的采样孔与等离子体发生器轴线在同一条直线上，标记此时探针所处位置，然后通过传动装置把探针移到射流外部；等离子发生器产生等离子体射流后，通过传动装置使动态测压探针沿垂直于射流轴线的方向快速扫过射流截面，在此过程中压力传感器会实时响应等离子体射流的动压信号，由此得到射流动压的径向分布。

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