專利名稱：等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試技術(shù)，具體涉及一種測量等離子體電弧熱流與壓力的復(fù)合測試裝置。
(二)
背景技術(shù)：
以等離子體電弧加熱器為核心的防熱材料地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)電弧的熱流和壓力 對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是十分顯著的。要分析被測試件的燒蝕機(jī)理和考核試件的燒蝕性能，對(duì) 實(shí)驗(yàn)過程中電弧熱流和壓力的測量時(shí)十分重要的。但是，實(shí)驗(yàn)過程中等離子體電弧溫度高達(dá)
2500—3000°C，加熱器工作電壓在3000-10000VAC范圍，由于加熱器自身要求其三相中性點(diǎn)
不能接地保護(hù)，而由于物理?xiàng)l件限制(加熱器三相電壓不平衡)其理論中性點(diǎn)的電壓不為零， 加熱器在啟動(dòng)和停止時(shí)空間電磁場會(huì)發(fā)生較大的變化形成電磁干擾，導(dǎo)致流場熱流與壓力測 量裝置處在一個(gè)超高溫、強(qiáng)電、大熱流和大干擾的環(huán)境中。要在這樣惡劣的流場環(huán)境中實(shí)現(xiàn) 電弧流場熱流和壓力的測量存在相當(dāng)大的難度，現(xiàn)在普遍采用的手段為水卡量熱計(jì)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(yīng)慢和需 要單獨(dú)配置大功率冷卻設(shè)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(jié) 構(gòu)簡單可靠，能夠同時(shí)測量電弧熱流和壓力的復(fù)合測試裝置至今未見報(bào)道。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在高溫、高壓、大熱流、強(qiáng)電和大干擾的流場環(huán)境中， 能夠同時(shí)對(duì)流場熱流和壓力進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測的等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)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(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔后部接有氣嘴，氣嘴通過細(xì)銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環(huán) 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于外殼內(nèi)部 軸線上，探芯尾部固定于法蘭之上，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(zhǔn)則連接上位計(jì)算機(jī)。
本發(fā)明還有這樣 一些技術(shù)特征
1、所述的探芯為一個(gè)中心帶有通孔的銅質(zhì)圓柱構(gòu)件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴，氣嘴通過細(xì)銅管接氣壓傳感器；
2、 所述的隔熱環(huán)由Zr02制成，隔熱氈由八1203纖維制成；
3、 所述的變送器通過光電隔離裝置連接上位計(jì)算機(jī)，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(jìn)氣孔進(jìn)入探針內(nèi)部，氣流經(jīng)由進(jìn)氣孔和氣嘴通 過細(xì)銅管進(jìn)入氣壓傳感器，氣壓傳感器將偵測到的氣體壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量按RS485通信 準(zhǔn)則上傳至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理；流場中高溫?zé)崃骷訜崾广~質(zhì)探芯溫度迅速升高，通過 焊接在探針中部的熱電偶感應(yīng)探芯的升溫速率，熱電偶的輸出信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后 按RS485通信準(zhǔn)則送至上位計(jì)算機(jī)統(tǒng)一處理后通過計(jì)算可以得到流場的熱流大小。
本發(fā)明具有以下兒個(gè)主要特征-
1、 所述的探芯為一個(gè)中心帶有通孔的銅質(zhì)圓柱構(gòu)件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴， 氣嘴通過細(xì)銅管接氣壓傳感器。探芯具有較大的軸徑尺寸比且細(xì)銅管也較長，保證了探芯在 高溫流場中取出的氣體在到達(dá)氣壓傳感器之前得到了充分的冷卻，使整個(gè)裝置能夠在超高溫、 高壓流場環(huán)境中長時(shí)間工作。
2、 本發(fā)明通過Zr02制成的隔熱環(huán)和A1A纖維隔熱氈對(duì)探芯進(jìn)行了徑向和底部的密封， 保證在測量過程中探芯受熱升溫后其熱量不會(huì)以輻射的方式向周圍空間散發(fā)，顯著提高了裝 置整體的熱流測量精度。
3、 本發(fā)明通過光電隔離裝置實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與溫度變送器回路之間的物理隔斷，不但有效 地消除了噪聲電壓干擾，而且也有效地解決了長線驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配等問題，同時(shí)也可以在被 測設(shè)備短路時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不受損壞。
本發(fā)明由銅質(zhì)探芯、氣嘴、細(xì)銅管和氣壓傳感器共同構(gòu)成流場氣壓監(jiān)測回路。高溫狀態(tài) 下，探芯從超高溫流場中取出高溫氣體，高溫氣體流經(jīng)探芯、氣嘴和細(xì)銅管經(jīng)充分冷卻后進(jìn) 入氣壓傳感器，氣壓傳感器將監(jiān)測到的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)按RS485準(zhǔn)則送至上位機(jī)進(jìn) 行統(tǒng)一處理。超高溫流場中氣體溫度高達(dá)2500—3000'C，高溫氣體在流場中被銅質(zhì)探芯取出 后經(jīng)由探芯本體吸熱和細(xì)銅管散熱到達(dá)氣壓傳感器時(shí)其溫度降到了 IOO(TC以下，氣壓傳感器 采用AK-4型陶瓷壓電傳感器，該傳感器能夠以1次/秒的速度對(duì)氣體壓力進(jìn)行監(jiān)測。
本發(fā)明由銅質(zhì)探芯、Zr02隔熱環(huán)、A1A隔熱氈、熱電偶和變送器共同構(gòu)成熱流測試回路。 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(zhì)探芯的溫度迅速升高，由于同具 有熱容大、熱導(dǎo)率高等特性認(rèn)為銅質(zhì)探芯沿軸線方向的溫度分布使均勻的，采用ZiU隔熱環(huán) 和八1203隔熱氈將探芯徑向方向和底部進(jìn)行密封，保證探芯溫度不會(huì)山于高溫探芯與周圍空氣發(fā)生熱交換而導(dǎo)致的探芯溫度損失，熱電偶焊接于探芯表面，熱電偶信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)按RS485通信準(zhǔn)則上傳至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理后得到超高溫流場加載到探芯表 面的熱流。根據(jù)流場溫度的不同適當(dāng)選擇銅質(zhì)探芯的長度，可以保證在超高溫流場環(huán)境中探 芯溫度不超過100(TC，選用K型保準(zhǔn)熱電偶對(duì)探芯溫度進(jìn)行測量，K型熱電偶能夠在1200°C 以下的環(huán)境中長時(shí)間工作，測量誤差0.75%左右，反應(yīng)時(shí)間不超過1秒。溫度變送器采用研 華公司的ADAM4018，轉(zhuǎn)換誤差不超過1%，反應(yīng)時(shí)間不超過0. 02秒。
信號(hào)采集裝置與計(jì)算機(jī)之間的通信線路上串聯(lián)高達(dá)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(fā)生單相熄火導(dǎo)致其所提供的超高溫流場中出現(xiàn)漏電 現(xiàn)象，隔離裝置能有效保護(hù)中央計(jì)算機(jī)及操作人員不至于接觸到測試環(huán)境中的10000V高壓電。
本發(fā)明涉及的是一種測量等離子體電弧熱流與壓力的復(fù)合測試裝置，具體地說是一種能 夠在高溫、高壓、大熱流和強(qiáng)干擾的環(huán)境中，對(duì)超高溫等離子體電弧熱流和壓力進(jìn)行測量的 裝置。本發(fā)明可以在超高溫，高壓、大熱流、強(qiáng)電和大干擾環(huán)境中長時(shí)間正常工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)
表明，本發(fā)明在10000VAC, 2500—3000。C，強(qiáng)電磁干擾，存在一倍以上音速氣流的惡劣環(huán)境 中，以最快1次/秒的速度對(duì)2MPa以卜'的流場壓力和10麗/1112的流場熱流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述-
本實(shí)施例包括銅質(zhì)探芯5、石墨夾頭2、外殼3、熱電偶和12隔熱氈4,銅質(zhì)探芯5上 開有進(jìn)氣孔13，進(jìn)氣孔13后部接有氣嘴8，氣嘴8通過細(xì)銅管9接氣壓傳感器10;銅質(zhì)探 芯5燒蝕端通過隔熱環(huán)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(zhì)探芯5中部靠隔熱毯4固定于外殼3內(nèi)部軸線上，銅質(zhì)探芯5尾部固定于法蘭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(zhì)探芯5中部，外接變送器ll，變 送器11按RS485通信準(zhǔn)則連接上位計(jì)算機(jī)15。
結(jié)合圖1-
1、本實(shí)施例所述裝置的銅質(zhì)探芯5與Zr02隔熱環(huán)l之間采用緊配合裝配，裝配好的組 合件從后部裝入石墨夾頭2內(nèi)部空腔，石墨夾頭2和不銹鋼外殼3之間采用螺紋連接，隔熱 環(huán)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(nèi)部靠夾接固定細(xì)銅管9。殼體3通過螺絲6和法蘭7相連接，各構(gòu)件之間可空隙通 過隔熱氈4密封。熱電偶12焊接于銅質(zhì)探芯5上。
2、 本實(shí)施例所述裝置在工作過程中，銅質(zhì)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(jīng)銅質(zhì)探芯5、氣嘴8和細(xì)銅管9經(jīng)充分冷卻后進(jìn)入氣壓傳感 器10，氣壓傳感器10將監(jiān)測到的氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)按RS485通信準(zhǔn)則送至上位計(jì)算 機(jī)15統(tǒng)一處理；
3、 本實(shí)施例所述裝置在工作過程中，超高溫流場的加熱作用導(dǎo)致銅質(zhì)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(zhì)探芯5的溫度不會(huì)由于與周圍空氣發(fā)生熱交換而 導(dǎo)致的溫度損失，熱電偶12測量銅質(zhì)探芯5溫度并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入變送器 11中，變送器11將接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)按RS485通信準(zhǔn)則送入上位計(jì)算機(jī)15 進(jìn)行統(tǒng)一處理、計(jì)算得到流場熱流信息。
4、 通信線路與上位計(jì)算機(jī)15之間串接10000VAC高壓光電隔離裝置14。
權(quán)利要求
1、一種等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置，其特征在于它包括探芯、石墨夾頭、外殼、熱電偶和隔熱氈，探芯上開有進(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔后部接有氣嘴，氣嘴通過細(xì)銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環(huán)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于外殼內(nèi)部軸線上，探芯尾部固定于法蘭之上，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(zhǔn)則連接上位計(jì)算機(jī)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置，其特征在于所述的探 芯為一個(gè)中心帶有通孔的銅質(zhì)圓柱構(gòu)件，探芯尾部通過螺紋連接裝有氣嘴，氣嘴通過細(xì)銅 管接氣壓傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置，其特征在于所述的隔 熱環(huán)由Zr02制成，隔熱氈由A1203纖維制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子射流流場熱流與動(dòng)壓復(fù)合測試裝置，其特征在于所述的變 送器通過光電隔離裝置連接上位計(jì)算機(jī)，變送器為溫度變送器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測量等離子體電弧熱流與壓力的復(fù)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(jìn)氣孔，進(jìn)氣孔后部接有氣嘴，氣嘴通過細(xì)銅管接氣壓傳感器；探芯燒蝕端通過隔熱環(huán)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于外殼內(nèi)部軸線上，探芯尾部固定于法蘭之上，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(fā)明可以在超高溫，高壓、大熱流、強(qiáng)電和大干擾環(huán)境中長時(shí)間正常工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明在10000VAC，2500-3000℃，強(qiáng)電磁干擾，存在一倍以上音速氣流的惡劣環(huán)境中，以最快1次/秒的速度對(duì)2MPa以下的流場壓力和10MW/m²的流場熱流進(jìn)行實(shí)時(shí)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(hào)G01K7/02GK101441114SQ20081006427
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者丁小恒, 孟松鶴, 白光輝, 韓杰才 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)