一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置的製作方法

2023-05-23 06:31:36 1

本發明涉及一種壓力傳感器冷卻結構，尤其涉及一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置。

背景技術：
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壓力是表徵被研究對象流體力學特性的重要狀態參量，對於非穩態流動過程，工質的壓力、溫度等狀態參量將隨時間而變化，具有動態變化特徵。目前，動態壓力廣泛應用於工業生產和科研領域中，例如內燃機、燃氣輪機、汽輪機、火箭發動機中的壓力基本都是動態的，槍炮的膛壓及爆炸衝擊波均是動態壓力，各種工業控制設備和動力機械中的液壓、氣動裝置的脈衝壓力也是動態壓力。因此需要進行動態壓力的測量，以研究其流體力學特性。

由於動態壓力的測量通常要求較快的響應時間，常見的動態壓力傳感器主要有壓電式傳感器和壓阻式傳感器。商業化使用的矽壓力傳感器主要是矽擴散型壓阻式壓力傳感器，其工藝成熟且性能優異，但其受P-N結耐溫限制，只能在120℃以下進行壓力測量，超過120℃時，傳感器的性能會嚴重惡化以至失效，在600℃時會發生塑性變形和電流洩漏，導致信號處理系統和電路的極度失調，遠不能滿足航空航天、發電、石油化工、汽車等領域高溫環境下的壓力測量需求。此外對於高溫燃燒流體工質的測量，壓力傳感器存在熱衝擊問題，即在燃料燃燒期間，傳遞到壓力傳感器感受元件的熱量急劇增加，從而發生熱衝擊，導致壓力傳感器變形失效。

傳統高溫環境流體工質動態壓力測量主要通過較長的引壓管實現，高溫被測工質經引壓管後熱量逐漸散失，工質溫度最終降到傳感器穩定運行所允許的最大工作溫度以下。這種測試方法比較適用於低頻脈動流體工質的動態壓力測量，但對於高頻非穩態脈動流動工質，採用較長的引壓管後，傳感器所測量的壓力信號與流體工質真實壓力信號之間的幅頻和相頻特性將存在較大的差別，且測量誤差的大小與引壓管長度呈正比，引壓管越長測量誤差越大。

技術實現要素：
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本發明的目的是為了減小現有高溫環境下非穩態流體工質動態壓力測量的誤差，提供了一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置。本發明的技術方案為：

為達到上述目的，本發明採用如下技術方案來實現：

一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置，包括具有中空腔體的冷卻熱交換結構，該冷卻熱交換結構的中空腔體分為內外兩個腔體，且外腔體被間隔為底部連通的兩部分，冷卻熱交換結構的頂部設置有與一部分外腔體相連通的冷卻水入口管，以及與另一部分外腔體相連通的冷卻水出口管，內腔體的頂部設置有傳感器安裝座，底部設置有引壓管，冷卻熱交換結構的周向上設置有穿過一部分外腔體並與內腔體相連通的溫度傳感器安裝座，以及穿過另一部分外腔體並與內腔體相連通的氮氣供給管。

本發明進一步的改進在於，氮氣供給管的安裝位置高於溫度傳感器安裝座的安裝位置。

本發明進一步的改進在於，氮氣供給管上還設置有氮氣截止閥，用於控制冷卻氮氣的供給。

本發明進一步的改進在於，冷卻熱交換結構的周向上還設置有冷卻裝置安裝座。

本發明進一步的改進在於，冷卻裝置安裝座採用法蘭和螺紋安裝兩種形式。

本發明進一步的改進在於，引壓管採用總壓引壓管和靜壓引壓管兩種，分別用來測量被測工質的總壓和靜壓。

本發明進一步的改進在於，傳感器安裝座通過螺紋連接設置在內腔體的頂部，引壓管通過螺紋連接設置在內腔體的底部。

本發明進一步的改進在於，冷卻熱交換結構包括同軸心布置的冷卻腔外壁和冷卻腔內壁，設置在冷卻腔外壁頂部和冷卻腔內壁頂部的冷卻腔蓋板，以及設置在冷卻腔外壁底部和冷卻腔內壁底部的冷卻腔底板，其中，冷卻腔內壁與冷卻腔蓋板和冷卻腔底板之間形成內腔體，冷卻腔外壁和冷卻腔內壁與冷卻腔蓋板和冷卻腔底板之間形成外腔體，該外腔體通過冷卻腔隔板間隔為兩部分，一部分為左半圓形冷卻流路，另一部分為右半圓形冷卻流路，左右半圓形冷卻流路通過冷卻腔隔板與冷卻腔底板之間形成相連通的左冷卻流路孔和右冷卻流路孔。

本發明進一步的改進在於，冷卻腔內壁圓形內表面上等角度均勻布置有若干長條形換熱肋片。

本發明進一步的改進在於，內腔體為圓柱形腔體，外腔體為圓環形腔體。

本發明具有如下的有益效果：

本發明提出的一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置，採用預充冷態氮氣、水冷以及肋片換熱的方法，可有效隔離高溫被測工質與壓力傳感器相接觸，同時加強了高溫被測工質在測量流路中的熱量散失，防止了壓力傳感器測量端面受到被測高溫工質的熱衝擊作用，提高了傳感器的熱適應能力。

進一步，氮氣供給管的安裝位置高於溫度傳感器安裝座，這主要由於被測工質是從冷卻裝置下端流向上端，當溫度傳感器感受到被測工質溫度超限時，即刻打開氮氣截止閥，冷卻氮氣充入傳感器測量端，可有效阻止高溫被測工質接觸傳感器測量元件。此外所設計的流體工質溫度測點可監測壓力傳感器測量端流體工質的實時溫度，方便用戶掌握壓力傳感器的實時工作環境，並可為壓力傳感器損壞失效的原因分析提供有效試驗數據。

進一步，氮氣供給管及氮氣截止閥，可在試驗測試前預先引入略高於測試環境壓力的冷態氮氣，待測試開始時截斷冷態氮氣流路，測試管路中預先充滿的冷態氮氣即可有效阻止高溫工質對傳感器的直接熱衝擊作用，提高了壓力傳感器的熱適應性。

進一步，引壓管的螺紋連接方式方便引壓管的拆卸與安裝，可實現冷卻裝置總壓或靜壓測量功用。

進一步，通過左右半圓形冷卻流路對冷卻腔內壁進行冷卻，加快了高溫被測工質傳遞給冷卻腔內壁的熱量散失；通過長條形換熱肋片加強了高溫被測工質與冷卻腔內壁的換熱效率。上述均提高了被測高溫工質的冷卻效率，加快被測工質熱量的散失，縮短了被測工質引壓流路的長度，提高了冷卻裝置的固有動態特性，減小了傳感器所測量的壓力信號與被測工質真實壓力信號之間的幅頻和相頻差異，降低了高溫環境下非穩態流體工質動態壓力測量誤差。

附圖說明：

圖1是本發明螺紋安裝方式壓力傳感器冷卻裝置帶總壓引壓管的等軸測圖；

圖2a是圖1所示的壓力傳感器冷卻裝置的俯視圖，圖2b是圖2a的A-A向剖視圖；

圖3a是圖1所示的壓力傳感器冷卻裝置的正視圖，圖3b是圖3a的A-A向剖視圖，圖3c是圖3a的B-B向剖視圖；

圖4是本發明法蘭安裝方式壓力傳感器冷卻裝置帶總壓引壓管的等軸測圖；

圖5是本發明壓力傳感器冷卻裝置帶靜壓引壓管的正視圖。

圖中：1、冷卻水入口管；2、傳感器安裝座；3、冷卻水出口管；4、溫度傳感器安裝座；5、冷卻裝置安裝座；6、冷卻熱交換結構；7、引壓管；8、氮氣供給管；9、氮氣截止閥；10、冷卻腔隔板；11、換熱肋片；12、冷卻腔外壁；13、冷卻腔內壁；14、冷卻腔底板；15、冷卻腔蓋板；16、左半圓形冷卻流路；17、右半圓形冷卻流路；18、左冷卻流路孔；19、右冷卻流路孔；20、被測工質流路。

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例對本發明進一步的詳細說明。

請參閱圖1至圖5，本發明公開了一種適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置，包括冷卻水入口管1、傳感器安裝座2、冷卻水出口管3、溫度傳感器安裝座4、冷卻裝置安裝座5、冷卻熱交換結構6、引壓管7和氮氣供給管8。

請參閱圖2a至圖3c，所述冷卻熱交換結構6，由冷卻腔外壁12、冷卻腔內壁13、換熱肋片11、冷卻腔隔板10、冷卻腔底板14、冷卻腔蓋板15組成。圓形冷卻腔外壁12和冷卻腔內壁13呈同軸心布置，冷卻腔外壁12、冷卻腔內壁13、冷卻腔底板14以及冷卻腔蓋板15之間形成的冷卻環形空間被冷卻腔隔板10平均分割成左半圓形冷卻流路16和右半圓形冷卻流路17，左右半圓形冷卻流路通過冷卻腔隔板10與冷卻腔底板14之間形成的左冷卻流路孔18和右冷卻流路孔19相連通。長條形換熱肋片11等角度均勻布置在冷卻腔內壁13圓形內表面上，以提升冷卻腔內壁13所形成的被測工質流路20內的高溫介質的冷卻效率。冷卻腔內壁13靠近冷卻腔底板14側的內表面設計成內螺紋結構，以方便總壓、靜壓等不同形式的引壓管7的拆卸與安裝。

所述冷卻水入口管1通過冷卻腔蓋板15與左半圓形冷卻流路16相連通，傳感器安裝座2的內孔設計為螺紋孔，孔徑及軸心與冷卻腔內壁13相同，其通過冷卻腔蓋板15與冷卻腔內壁13內孔相連通。冷卻水出口管3與冷卻水入口管1呈中心對稱布置，並通過冷卻腔蓋板15與右半圓形冷卻流路17相連通。溫度傳感器安裝座4的內孔設計有螺紋，以方便溫度傳感器的安裝，其穿過冷卻腔外壁12、左半圓形冷卻流路16以及冷卻腔內壁13與被測工質流路20相連通。為方便所述壓力傳感器冷卻裝置的安裝，在冷卻腔外壁12上設計有冷卻裝置安裝座5，其有法蘭和螺紋安裝兩種形式。引壓管7通過冷卻腔內壁13內壁面螺紋與被測工質流路20相連通，其設計有總壓引壓管和靜壓引壓管兩種，分別用來測量被測工質的總壓和靜壓。氮氣供給管8透過冷卻腔外壁12、右半圓形冷卻流路17以及冷卻腔內壁13與被測工質流路20相連通，其布置位置高於溫度傳感器安裝座4，氮氣供給管8上設計有氮氣截止閥9，用於控制冷卻氮氣的供給。

實施例：

本實施例中冷卻熱交換結構6長80mm，冷卻腔外壁12與冷卻腔內壁13呈同軸心布置，冷卻腔外壁12外徑25mm，內徑21mm，壁厚2mm，冷卻腔內壁13外徑9mm，內徑5mm，壁厚2mm，在冷卻腔內壁13距冷卻腔底板14端的內表面上設計有長15mm的M6×0.5標準內螺紋，冷卻腔底板14和冷卻腔蓋板15壁厚2mm；冷卻腔隔板10長70mm，厚2mm，與冷卻腔外壁12及冷卻腔內壁13相連，將冷卻腔外壁12及冷卻腔內壁13之間形成的環形空間均分成左半圓形冷卻流路16和右半圓形冷卻流路17；8條換熱肋片11等角度均勻布置在冷卻腔內壁13的內表面，換熱肋片11厚0.5mm，寬1mm，長65mm；冷卻水入口管1外徑5mm，內徑3mm，冷卻水出口管3外徑5mm，內徑3mm，二者呈中心對稱布置，且通過冷卻腔蓋板15分別與左半圓形冷卻流路16和右半圓形冷卻流路17相連通；傳感器安裝座2外徑9mm，高12mm，中心設計為M5×0.5的通孔標準內螺紋，其與冷卻腔內壁13呈同軸心布置，通過冷卻腔蓋板15與被測工質流路20相連通；氮氣供給管8外徑5mm，內徑3mm，其軸心離冷卻腔蓋板15之間的距離為13mm，氮氣供給管8依次穿過冷卻腔外壁12和冷卻腔內壁13與被測工質流路20相連通，氮氣供給管8上同時設計有氮氣截止閥9，以控制冷態氮氣的供給；溫度傳感器安裝座4外徑10mm，內徑6mm，安裝段設計有長15mm的M6×1.0的標準內螺紋，其軸心離冷卻腔蓋板15之間的距離為20mm，溫度傳感器安裝座4依次穿過冷卻腔外壁12和冷卻腔內壁13與被測工質流路20相連通；引壓管7外徑6mm，內徑3mm，引壓管7上端設計有長15mm的M6×0.5標準外螺紋，通過螺紋將引壓管7和冷卻熱交換結構6相連接；冷卻裝置安裝座5設計有長15mm的M30×1.5的標準外螺紋，冷卻裝置安裝座5六角螺母的上端面離冷卻腔蓋板15之間的距離為35mm。

本實施例適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置的具體工作方式如下：

適用於高溫環境測試的壓力傳感器冷卻裝置工作時冷卻水經冷卻水入口管1進入左半圓形冷卻流路16，然後通過冷卻腔隔板10與冷卻腔底板14之間形成的左冷卻流路孔18及右冷卻流路孔19進入右半圓形冷卻流路17，最後經冷卻水出口管流出。高溫被測工質直接與冷卻腔內壁13及換熱肋片11相接觸，高溫被測工質的熱量主要通過對流換熱形式最終傳遞給冷卻腔內壁13，換熱肋片11因增加了換熱面積而提高了被測工質熱量的傳遞效率；傳遞給冷卻腔內壁13的熱量主要通過冷卻水與冷卻腔內壁13外壁面對流換熱散失，剩餘的一部分熱量則通過冷卻腔隔板10通過導熱方式傳遞給冷卻腔外壁12，再由冷卻腔外壁12與外部冷卻空氣以及內部冷卻水對流換熱散失。

在壓力傳感器正式測量前，氮氣截止閥9打開，壓力略高於被測工質的冷態氮氣經氮氣供給管8流入被測工質流路20，充滿後經引壓管7排出，待壓力傳感器正式測量時氮氣截止閥9關閉。在被測工質流路20內預先填充冷態氮氣，使壓力傳感器與高溫被測工質相隔開，避免了壓力傳感器直接與高溫被測工質相接觸，對傳感器具有較好的保護作用。壓力傳感器開始測量時，充滿被測工質流路內滯止的冷態氮氣變成一種很好的壓力脈動傳遞介質，且在冷卻水的高效冷卻下，將長時間維持在低溫狀態，有利於壓力傳感器高溫環境下的長期測量，提高了壓力傳感器的熱適應性。