等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置的製作方法

2023-05-22 07:44:06

專利名稱：等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試技術，具體涉及一種測量等離子體電弧熱流與壓力的複合測試裝置。
(二)
背景技術：
以等離子體電弧加熱器為核心的防熱材料地面模擬實驗系統中，實驗電弧的熱流和壓力 對於實驗結果的影響是十分顯著的。要分析被測試件的燒蝕機理和考核試件的燒蝕性能，對 實驗過程中電弧熱流和壓力的測量時十分重要的。但是，實驗過程中等離子體電弧溫度高達
2500—3000°C，加熱器工作電壓在3000-10000VAC範圍，由於加熱器自身要求其三相中性點
不能接地保護，而由於物理條件限制(加熱器三相電壓不平衡)其理論中性點的電壓不為零， 加熱器在啟動和停止時空間電磁場會發生較大的變化形成電磁幹擾，導致流場熱流與壓力測 量裝置處在一個超高溫、強電、大熱流和大幹擾的環境中。要在這樣惡劣的流場環境中實現 電弧流場熱流和壓力的測量存在相當大的難度，現在普遍採用的手段為水卡量熱計和水冷壓 力探頭分別測量等離子體電弧熱流和壓力，這兩種裝置都存在體積大、精度低、反應慢和需 要單獨配置大功率冷卻設備等不足之處，使用上存在很大的局限性。而不需要水冷裝置，結 構簡單可靠，能夠同時測量電弧熱流和壓力的複合測試裝置至今未見報導。
(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠在高溫、高壓、大熱流、強電和大幹擾的流場環境中， 能夠同時對流場熱流和壓力進行長時間監測的等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置。
本發明的目的是這樣實現的它包括探芯、石墨夾頭、外殼、熱電偶和隔熱氈，探芯上 開有進氣孔，進氣孔後部接有氣嘴，氣嘴通過細銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環 與石墨夾頭連接在一起，石墨夾頭通過螺紋與外殼連接，探芯中部靠隔熱氈固定於外殼內部 軸線上，探芯尾部固定於法蘭之上，法蘭通過定位螺絲與外殼相連接；熱電偶焊接在探芯中 部，外接變送器，變送器按RS485通信準則連接上位計算機。
本發明還有這樣 一些技術特徵
1、所述的探芯為一個中心帶有通孔的銅質圓柱構件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴，氣嘴通過細銅管接氣壓傳感器；
2、 所述的隔熱環由Zr02製成，隔熱氈由八1203纖維製成；
3、 所述的變送器通過光電隔離裝置連接上位計算機，變送器為溫度變送器。
流場中的高溫、高壓氣體通過探芯上的進氣孔進入探針內部，氣流經由進氣孔和氣嘴通 過細銅管進入氣壓傳感器，氣壓傳感器將偵測到的氣體壓力信號轉換成數字量按RS485通信 準則上傳至上位計算機進行統一處理；流場中高溫熱流加熱使銅質探芯溫度迅速升高，通過 焊接在探針中部的熱電偶感應探芯的升溫速率，熱電偶的輸出信號經變送器轉換成數字量後 按RS485通信準則送至上位計算機統一處理後通過計算可以得到流場的熱流大小。
本發明具有以下兒個主要特徵-
1、 所述的探芯為一個中心帶有通孔的銅質圓柱構件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴， 氣嘴通過細銅管接氣壓傳感器。探芯具有較大的軸徑尺寸比且細銅管也較長，保證了探芯在 高溫流場中取出的氣體在到達氣壓傳感器之前得到了充分的冷卻，使整個裝置能夠在超高溫、 高壓流場環境中長時間工作。
2、 本發明通過Zr02製成的隔熱環和A1A纖維隔熱氈對探芯進行了徑向和底部的密封， 保證在測量過程中探芯受熱升溫後其熱量不會以輻射的方式向周圍空間散發，顯著提高了裝 置整體的熱流測量精度。
3、 本發明通過光電隔離裝置實現了計算機與溫度變送器迴路之間的物理隔斷，不但有效 地消除了噪聲電壓幹擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配等問題，同時也可以在被 測設備短路時保護系統不受損壞。
本發明由銅質探芯、氣嘴、細銅管和氣壓傳感器共同構成流場氣壓監測迴路。高溫狀態 下，探芯從超高溫流場中取出高溫氣體，高溫氣體流經探芯、氣嘴和細銅管經充分冷卻後進 入氣壓傳感器，氣壓傳感器將監測到的氣壓信號轉換成數位訊號按RS485準則送至上位機進 行統一處理。超高溫流場中氣體溫度高達2500—3000'C，高溫氣體在流場中被銅質探芯取出 後經由探芯本體吸熱和細銅管散熱到達氣壓傳感器時其溫度降到了 IOO(TC以下，氣壓傳感器 採用AK-4型陶瓷壓電傳感器，該傳感器能夠以1次/秒的速度對氣體壓力進行監測。
本發明由銅質探芯、Zr02隔熱環、A1A隔熱氈、熱電偶和變送器共同構成熱流測試迴路。 本裝置工作過稃中，超高溫等離子體流場的加熱作用使銅質探芯的溫度迅速升高，由於同具 有熱容大、熱導率高等特性認為銅質探芯沿軸線方向的溫度分布使均勻的，採用ZiU隔熱環 和八1203隔熱氈將探芯徑向方向和底部進行密封，保證探芯溫度不會山於高溫探芯與周圍空氣發生熱交換而導致的探芯溫度損失，熱電偶焊接於探芯表面，熱電偶信號通過變送器轉換成 數位訊號按RS485通信準則上傳至上位計算機進行統一處理後得到超高溫流場加載到探芯表 面的熱流。根據流場溫度的不同適當選擇銅質探芯的長度，可以保證在超高溫流場環境中探 芯溫度不超過100(TC，選用K型保準熱電偶對探芯溫度進行測量，K型熱電偶能夠在1200°C 以下的環境中長時間工作，測量誤差0.75%左右，反應時間不超過1秒。溫度變送器採用研 華公司的ADAM4018，轉換誤差不超過1%，反應時間不超過0. 02秒。
信號採集裝置與計算機之間的通信線路上串聯高達10000VAC以上絕緣的光電隔離裝置， 在本裝置工作過程中，如果電弧加熱器發生單相熄火導致其所提供的超高溫流場中出現漏電 現象，隔離裝置能有效保護中央計算機及操作人員不至於接觸到測試環境中的10000V高壓電。
本發明涉及的是一種測量等離子體電弧熱流與壓力的複合測試裝置，具體地說是一種能 夠在高溫、高壓、大熱流和強幹擾的環境中，對超高溫等離子體電弧熱流和壓力進行測量的 裝置。本發明可以在超高溫，高壓、大熱流、強電和大幹擾環境中長時間正常工作。經實驗
表明，本發明在10000VAC, 2500—3000。C，強電磁幹擾，存在一倍以上音速氣流的惡劣環境 中，以最快1次/秒的速度對2MPa以卜'的流場壓力和10麗/1112的流場熱流進行實時測量'壓力 測量誤差不超過1%，熱流測量誤差不超過2%。
(四)


圖l是本發明的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發明作更詳細的描述-
本實施例包括銅質探芯5、石墨夾頭2、外殼3、熱電偶和12隔熱氈4,銅質探芯5上 開有進氣孔13，進氣孔13後部接有氣嘴8，氣嘴8通過細銅管9接氣壓傳感器10;銅質探 芯5燒蝕端通過隔熱環1與石墨夾頭2連接在一起，石墨夾頭2通過螺紋與外売3連接，銅 質探芯5中部靠隔熱毯4固定於外殼3內部軸線上，銅質探芯5尾部固定於法蘭7之上，法 蘭7通過定位螺絲與外殼3相連接；熱電偶12焊接在銅質探芯5中部，外接變送器ll，變 送器11按RS485通信準則連接上位計算機15。
結合圖1-
1、本實施例所述裝置的銅質探芯5與Zr02隔熱環l之間採用緊配合裝配，裝配好的組 合件從後部裝入石墨夾頭2內部空腔，石墨夾頭2和不鏽鋼外殼3之間採用螺紋連接，隔熱 環1靠外殼3和石墨夾頭2壓緊定位。探芯5軸線上開有小孔13，小孔13末端焊接有氣嘴8，氣嘴8內部靠夾接固定細銅管9。殼體3通過螺絲6和法蘭7相連接，各構件之間可空隙通 過隔熱氈4密封。熱電偶12焊接於銅質探芯5上。
2、 本實施例所述裝置在工作過程中，銅質探芯5通過其軸線上的小孔13從超高溫流場 中取出高溫氣體，高溫氣體流經銅質探芯5、氣嘴8和細銅管9經充分冷卻後進入氣壓傳感 器10，氣壓傳感器10將監測到的氣壓信號轉換成數位訊號按RS485通信準則送至上位計算 機15統一處理；
3、 本實施例所述裝置在工作過程中，超高溫流場的加熱作用導致銅質探芯5的溫度迅 速升高，通過隔熱氈4的密封作用保證銅質探芯5的溫度不會由於與周圍空氣發生熱交換而 導致的溫度損失，熱電偶12測量銅質探芯5溫度並將溫度信號轉換成電壓信號送入變送器 11中，變送器11將接收到的電壓信號轉化為數位訊號按RS485通信準則送入上位計算機15 進行統一處理、計算得到流場熱流信息。
4、 通信線路與上位計算機15之間串接10000VAC高壓光電隔離裝置14。
權利要求
1、一種等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置，其特徵在於它包括探芯、石墨夾頭、外殼、熱電偶和隔熱氈，探芯上開有進氣孔，進氣孔後部接有氣嘴，氣嘴通過細銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環與石墨夾頭連接在一起，石墨夾頭通過螺紋與外殼連接，探芯中部靠隔熱氈固定於外殼內部軸線上，探芯尾部固定於法蘭之上，法蘭通過定位螺絲與外殼相連接；熱電偶焊接在探芯中部，外接變送器，變送器按RS485通信準則連接上位計算機。
2、 根據權利要求1所述的等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置，其特徵在於所述的探 芯為一個中心帶有通孔的銅質圓柱構件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴，氣嘴通過細銅 管接氣壓傳感器。
3、 根據權利要求2所述的等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置，其特徵在於所述的隔 熱環由Zr02製成，隔熱氈由A1203纖維製成。
4、 根據權利要求3所述的等離子射流流場熱流與動壓複合測試裝置，其特徵在於所述的變 送器通過光電隔離裝置連接上位計算機，變送器為溫度變送器。
全文摘要
本發明提供了一種測量等離子體電弧熱流與壓力的複合測試裝置。它包括探芯、石墨夾頭、外殼、熱電偶和隔熱氈等。探芯上開有進氣孔，進氣孔後部接有氣嘴，氣嘴通過細銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環與石墨夾頭連接在一起，石墨夾頭通過螺紋與外殼連接，探芯中部靠隔熱氈固定於外殼內部軸線上，探芯尾部固定於法蘭之上，法蘭通過定位螺絲與外殼相連接；熱電偶焊接在探芯中部，外接變送器。本發明可以在超高溫，高壓、大熱流、強電和大幹擾環境中長時間正常工作。經實驗表明，本發明在10000VAC，2500-3000℃，強電磁幹擾，存在一倍以上音速氣流的惡劣環境中，以最快1次/秒的速度對2MPa以下的流場壓力和10MW/m2的流場熱流進行實時測量，壓力測量誤差不超過1％，熱流測量誤差不超過2％。
文檔編號G01K7/02GK101441114SQ20081006427
公開日2009年5月27日 申請日期2008年4月11日 優先權日2008年4月11日
發明者丁小恆, 孟松鶴, 白光輝, 韓傑才 申請人:哈爾濱工業大學