CN206905939U - 一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置 - Google Patents
一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，包括热电偶、对热电偶进行喷吹的校准风洞、为校准风洞供风的气源；还包括用于为热电偶加热的激光加热***、用于调节热电偶空间位置的位移机构以及对整个装置进行控制和数据采集的控制***。具有上述结构的实验装置实现了常温风洞加激光加热技术对热电偶进行动态标定的方法，成本低，易于建设，试验效率高；阶跃温度范围大，阶跃延迟时间短，小于0.1ms，试验结果精确。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于热电偶动态响应特性试验与研究，即动态响应特性表征参数----热响应时间常数测量的装置。
背景技术
目前国内外用于热电偶动态响应特性的试验***通常都是传统的热风洞加冷气冷却装置，形成正的温度阶跃，例如624所小型热风洞、304 所大型热风洞等，小型热风洞是利用电加热技术对流场进行加热，使用小型空气压缩机进行供气，利用电磁阀控制氮气气路对偶丝接点进行冷却，其风洞喷口小、流场稳定性差、阶跃温度范围小、阶跃延迟时间长；304 所大型热风洞通过风洞对热电偶进行加热，包罩机构控制冷气进行冷却，设备建设费用昂贵，阶跃延迟时间长等原因导致高低温界面模糊。高校实验室中，也有利用其他加热的方法，形成负的温度阶跃，测量热电偶时间常数，其流场稳定性差、实验室设备相对简陋、结果不是很理想，工程应用困难。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，应用于航空发动机或零部件试验件总温进气畸变试验、高速瞬变温度场测试用热电偶的热响应特性标定；也可用于发动机级间(压气机级间、燃烧室振荡燃烧、涡轮级间)动态温度场测试用热电偶的热响应特性标定，并具备一定的测试精度，得到工程应用。
为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，包括热电偶、对热电偶进行喷吹的校准风洞、为校准风洞供风的气源；还包括用于为热电偶加热的激光加热***、用于调节热电偶空间位置的位移机构以及对整个装置进行控制和数据采集的控制***。
作为一种改进，所述校准风洞为小型常温风洞，包括依次连接的进气管道、对气流进行整流的直管段、对气流进行扩压减速的扩散段、稳定气流压力的稳压箱、对气流降压升速的喷管段、引出气流进行排气的引射段；所述热电偶位于喷管段与引射段之间。风洞可针对热电偶建设，所以风洞结构尺寸不必要过大，即小型常温风洞。管道之间通过法兰连接。
作为一种改进，所述扩散段为锥形，其较小的一端与直管段连接，较大的一端与稳压箱连接。
作为一种改进，所述进气管道上安装调节阀调节气流流量，所述稳压箱上安装总压探针，所述喷管段出口处安装壁面静压探针，对气流速度进行测量。
作为一种优选，所述的气源为空气压缩机。气源可根据风洞气流流量选择不同功率的空气压缩机。
作为一种优选，所述的位移机构为五自由度位移机构，可实现俯仰角、偏航角、X、Y、Z五个方向的移动。由于CO2激光器发出的光没有颜色，肉眼是看不到的，并且人体肉眼不能直视，对眼睛的危害程度严重，所以将热电偶装夹在位移机构的悬臂上，通过位移机构调节热电偶的位置，将热电偶接点置于光路中。
作为一种优选，所述的激光加热***为CO2激光器加热***。CO2激光器加热***主要包括激光器本体和激光器控制器，功率连续可调，可对热电偶加热至所需要的温度。由于CO2激光器发出的光是肉眼看不得的，所以必须对光路进行保护，试验人员须戴护目镜，并且在激光发射器边上安装一套可发出红色光或其他颜色光的装置做为引导光，引导光会反射和折射，激光主要是透射，所以在进行光路调试时将通过合束镜片将引导光与激光光路调至平行，最好光路同心或通过激光瞬间点燃纸张的方法测出两种光之间的距离，以便试验时通过位移机构调节热电偶的位置，将热电偶接点置于光路中进行加热。
作为一种优选，所述控制***包括动态数据采集模块和控制模块。动态数据采集模块需配备高采样率，将各***通过控制线连接，集成到控制***中。控制模块通过PLC控制气流马赫数、阀门开度等。
热电偶动态响应特性试验，一般是使热电偶探头(偶丝接点)产生一个温度阶跃，同时动态数据采集***记录热电偶温度阶跃响应特性，取其阶跃温度上升到63.2％时所对应的时间，即为温度探针在该工况下的时间常数τ。因此测量热电偶的动态特性关键是在其使用(校准)工况下，设法将热电偶感温探头产生一个温度阶跃，而阶跃延迟时间又能尽量缩短。
此试验装置采用激光器对热电偶感温探头进行加热，并同时在所需工况下进行吹风，试验时检查风洞各试验设备是否完好，调试数据采集软件及采集仪器，设置数据采集***采样率至合理水平，用夹紧装置将被校热电偶夹持牢固，调整五自由度位移机构，使被校热电偶接点或头部置于风洞喷口中央，按CO2激光器操作规程打开CO2激光器，通过五自由度位移机构调节使得热电偶接点置于激光光路中，调节风洞气流Ma至被校Ma，并连续供气，调节CO2激光器加热，使热电偶测量温度达到试验温度，并且稳定，关闭CO2激光器，观察数采***温度阶跃曲线变化，直至阶跃曲线下降到平直，在此过程中气源一直连续供气，并完成试验数据采集，记录热电偶动态响应特性曲线。在热电偶动态响应特性曲线上找出起始温度T0、时间t0、终止温度T和阶跃温度的63.2％所对应的时间t，即可求得热电偶时间常数τ值，方法快捷，效率高。
热电偶可加热最高温度取决于激光器的功率，一般情况使用40W的 CO2激光器在连续吹风状态下对热电偶可加热值1200℃，完全可满足航空发动机流场动态温度测试，可根据情况选取不同功率的激光器，激光器功率连续可调。
试验装置主要技术指标：风洞流场品质满足GJB1197-11；阶跃延迟时间＜0.1ms；动态***采样率：≮200kHz。
本实用新型的有益之处在于：具有上述结构的实验装置实现了常温风洞加激光加热技术对热电偶进行动态标定的方法，成本低，易于建设，试验效率高；阶跃温度范围大，阶跃延迟时间短，小于0.1ms，试验结果精确。
本装置的建立对于动态温度测量的准确性具有非常重要的意义。成功应用在航空发动机或零部件试验件总温、总压进气畸变试验、高速瞬变温度场测试用温度探针和热电偶的热响应特性标定；也可用于发动机级间 (压气机级间、燃烧室振荡燃烧、涡轮级间)动态温度场测试用温度探针和热电偶的热响应特性标定，并具备一定的测试精度，还可以优化航空发动机测试用温度探针的结构设计，提高温度探针的测量精度，对航空发动机温度场动态测试的顺利开展提供了重要的技术支撑。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图中标记：1气源、2调节阀、3直管段、4扩散段、5稳压箱、6喷管段、7热电偶、8引射段、9位移机构、10激光加热***、11控制***。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
如图1所示，本实用新型包括热电偶7、对热电偶7进行喷吹的校准风洞、为校准风洞供风的气源1；还包括用于为热电偶7加热的激光加热***10、用于调节热电偶7空间位置的位移机构9以及对整个装置进行控制和数据采集的控制***11。
所述校准风洞为小型常温风洞，包括依次连接的进气管道、对气流进行整流的直管段3、对气流进行扩压减速的扩散段4、稳定气流压力的稳压箱5、对气流降压升速的喷管段6、引出气流进行排气的引射段8；所述热电偶7位于喷管段6与引射段8之间。扩散段4为锥形，其较小的一端与直管段3连接，较大的一端与稳压箱5连接。进气管道上安装调节阀 2调节气流流量，所述稳压箱5上安装总压探针，所述喷管段6出口处安装壁面静压探针，对气流速度进行测量。
气源1为空气压缩机，可根据风洞气流流量选择不同功率。
位移机构9为五自由度位移机构，可实现俯仰角、偏航角、X、Y、Z 五个方向的移动。使被校热电偶7接点或头部置于风洞喷口中央。
激光加热***10为CO2激光器加热***。
控制***11包括动态数据采集模块和控制模块。动态数据采集模块需配备高采样率，将各***通过控制线连接，集成到控制***中。控制模块通过PLC控制气流马赫数、调节阀2阀门开度等。
该试验装置建好后需要对风洞流场进行标定，风洞流场品质需满足 GJB1197-11的要求，对各仪器仪表进行计量标定，满足其精度要求。
试验时检查风洞各试验设备是否完好，调试数据采集软件及采集仪器，设置数据采集***采样率至合理水平，用夹紧装置将被校热电偶夹持牢固，调整五自由度位移机构，使被校热电偶接点或头部置于风洞喷口中。
Claims (8)
1.一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：包括热电偶、对热电偶进行喷吹的校准风洞、为校准风洞供风的气源；还包括用于为热电偶加热的激光加热***、用于调节热电偶空间位置的位移机构以及对整个装置进行控制和数据采集的控制***。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述校准风洞为小型常温风洞，包括依次连接的进气管道、对气流进行整流的直管段、对气流进行扩压减速的扩散段、稳定气流压力的稳压箱、对气流降压升速的喷管段、引出气流进行排气的引射段；所述热电偶位于喷管段与引射段之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述扩散段为锥形，其较小的一端与直管段连接，较大的一端与稳压箱连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述进气管道上安装调节阀调节气流流量，所述稳压箱上安装总压探针，所述喷管段出口处安装壁面静压探针。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述的气源为空气压缩机。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述的位移机构为五自由度位移机构，可实现俯仰角、偏航角、X、Y、Z五个方向的移动。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述的激光加热***为CO2激光器加热***。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光器的热电偶动态响应特性试验装置，其特征在于：所述控制***包括动态数据采集模块和控制模块。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109186815A (zh) * | 2018-10-31 | 2019-01-11 | 北京航空航天大学 | 一种低温高马赫数测试用探针温度标定装置 |
| CN111006793A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-04-14 | 北京航空航天大学 | 一种基于热管法的k型铠装热电偶响应时间测量方法 |
| CN112161728A (zh) * | 2020-09-04 | 2021-01-01 | 南京理工大学 | 一种瞬态热流计双功能型校准装置及方法 |
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