阅读说明：本技术 一种热流计动态特性校准装置及方法 (Device and method for calibrating dynamic characteristics of heat flow meter ) 是由 田牧野 刘志鹏 徐强 马虎 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于传感器校准领域,具体涉及一种热流计动态特性校准装置及方法。包括爆震管,爆震管两端均设有端盖,一侧的端盖上设有用于点火的火花塞,相对的另一侧端盖上连接有相邻设置的待测热流计和标准热流计,在距离热流计最远处的端盖上安装有一个端口由膜片密封的长管作为泄压出口；所述爆震管可拆卸的连接有排气机构,燃气供给机构和氮气供给机构。本装置同时对热辐射和对流换热过程,进行研究和校准,既保证了瞬态热流传感器能获得可靠、准确的热流测试数据,同时也为热流传感器研制和性能评价提供可行的动态校准办法。(The invention belongs to the field of sensor calibration, and particularly relates to a device and a method for calibrating dynamic characteristics of a heat flow meter. The detonation tube comprises a detonation tube, end covers are arranged at two ends of the detonation tube, a spark plug for ignition is arranged on the end cover at one side, the end cover at the other opposite side is connected with a heat flow meter to be tested and a standard heat flow meter which are adjacently arranged, and a long tube with a port sealed by a diaphragm is arranged on the end cover at the farthest position away from the heat flow meter and serves as a pressure relief outlet; the detonation tube is detachably connected with an exhaust mechanism, a fuel gas supply mechanism and a nitrogen gas supply mechanism. The device simultaneously researches and calibrates the heat radiation and convection heat exchange processes, ensures that the transient heat flow sensor can obtain reliable and accurate heat flow test data, and provides a feasible dynamic calibration method for heat flow sensor development and performance evaluation.)

一种热流计动态特性校准装置及方法

技术领域

本发明属于传感器校准领域，具体涉及一种热流计动态特性校准装置及方法。

背景技术

随着科技的发展，人们愈来愈多地要求测量动态非电量或在运动过程中测量非电量。例如，航空、航天飞行器某些部件的瞬变温度和压力的测量，物体在装卸时或运动中称重；对切削力的大小和变化进行检测，枪炮的膛内压力，发动机爆震热流、温度的瞬变过程的测量等等。若传感器动态性能不佳，就无法快速、准确地反映被测量的变化。

传感器动态特性是指，传感器测得的输出值与被测输入值增量之间的关系。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数，这是动态测量中对传感器提出的理想要求。但是实际上除了理想的比例特性环节外，输出信号将不会与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出和输入间的差异就是所谓的动态误差。任何测量系统或装置都有影响其动态特性的“固有因素”，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。比如将热电偶放入60摄氏度的水中，其示数不会立刻升到该值而是逐渐上升。上升的这个阶段，热电偶示数和实际温度的差值就是动态误差。这是因为热电偶的热结点与水温的热平衡需要一个过程。这种通过研究传感器的动态特性来减小测量误差的改善措施，可以使这种输出与输入不一致的现象尽可能减小，得到准确的输出随时间变化的规律。

对瞬态热流计的需求是来自于认知特殊条件下热流密度的迫切需要。飞行器气动力、热效应影响的研究；考虑化学非平衡、高温气体效应等气动热环境特征与材料结构热响应耦合作用的实验研究中；在特殊火行为研究、常规兵器中瞬态燃气射流烧蚀问题、瞬态温压毁伤效应、含能材料热安全性的评价都需要掌握在特殊条件(如高过载、高压、高温等)下瞬时热流的变化过程，这不仅对采用热流密度来表征特殊条件下传热、毁伤、防护效能提出了新的要求，而且对热流测量的基础环节——热流传感器在动态性能、抗冲击、抗烧蚀等方面提出了更高的要求。由于温度场的特殊性以及温度的瞬变性，使得传感器实际的响应时间与标定值存在较大差别，这给我们研究某一未知温度场的温度分布规律带来很大的困难。例如针对爆震燃烧这种伴随着高温、高压、高冲击的火焰温度场，测温环境极其复杂，若仅仅通过理论计算，来描述其爆震过程的温度变化规律显然不太可行。近年来在爆温测试中，研究人员大多侧重于对测试方法和测量装置的研究。但是，仍未得出一些较好的结论，并且只是针对热辐射过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热流计动态特性校准装置及方法，利用脉冲爆震发动机的燃气射流和已标定的热流计，来校准待标定热流计，解决了目前校准工具结构复杂对环境要求高和校准过程以手工操作为主，校准精度低，工作效率低的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种热流计动态特性校准装置，包括爆震管，所述爆震管两端均设有端盖，一侧的端盖上设有用于点火的火花塞，相对的另一侧端盖上连接有相邻设置的待测热流计和标准热流计，在距离热流计最远处的端盖上安装有一个端口由膜片密封的长管作为泄压出口。

进一步的，所述爆震管可拆卸的连接有排气机构，燃气供给机构和氮气供给机构；

所述抽真空机构用于对爆震管的抽真空，所述燃气供给机构用于对爆震管供给燃气，所述氮气供给机构用于置换管内气体、冷却和保护热流计。

进一步的，所述爆震管为直径为40～60mm，长为1200～1500mm的铜管。

进一步的，所述排气机构包括真空泵，所述真空泵通过手动阀可拆卸的与爆震管连接。

进一步的，所述燃气供给机构包括氢氧气罐，所述氢氧气罐依次通过手动阀、限流喉道、防回火阀和防爆电磁阀与爆震管可拆卸的连接。

进一步的，所述氮气供给机构包括氮气罐，所述氮气罐依次连接减压阀、限流喉道和电磁阀之后分为两路气管，其中一路气管依次通过防回火阀、手动阀和火花塞所在的端盖连接，另一路气管依次通过防回火阀、手动阀和爆震管靠近热流计的一端连接。

进一步的，所述标准热流计为HFM型热流传感器。

进一步的，还包括用于采集数据的数据采集器。

一种采用上述的校准装置校准热流计动态特性的方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：真空泵将爆震管内抽成真空，待管内压力达到要求时，由手动阀关闭；

步骤(2)：将氢氧氮混合气体通过限流喉道注入爆震管内，在氢氧气罐与爆震管连接的管路中设置单向阀防止回火，待爆震管内压力达到要求后，先关电磁阀，再分离管路；

步骤(3)：实验时，火花塞点火，产生脉冲式爆震波，由泄压出口排出，热流计测得数据；

步骤(4)：同时氮气通过减压阀缓缓注入爆震管内，一方面置换爆震管内气体，一方面冷却和保护热流计；

步骤(5)：实验结束后两个热流计比较数据，由瞬态校准软件自动校准。

进一步的，所述瞬态校准软件采用比较法校准，具体采用下式校准：

式中：C——被标定热流传感器的系数

C₀——标准热流传感器的系数

q——热流密度

E——被标定热流传感器的输出电势

E₀——标准热流传感器的输出电势。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)脉冲爆震是先给燃烧室以低压注入燃料和氧化剂混合物，然后用一个适当的点火源引爆混合物，在极短时间内，爆震波和高温高压燃气被排出尾喷管而产生推力；它能产生3×10⁶Pa～1×10⁷Pa的峰值压升，马赫数Ma＝5～6的速度以及2000度的温度，这种高温高压高速环境对流换热在传热中占有很大比重，本装置可以同时针对热辐射和对流换热环境下热流计校准，提高热流计的动态特性。

(2)本发明的气动管路为可拆卸的气动管路，使实验更加安全可靠。

(3)实验台搭建完成后，无需人工操作，整个过程自动化，减少了人工误差，实验数据更加精准可靠。

附图说明

图1为本发明的校准装置示意图。

附图标记说明：

1-真空泵，2-爆震管，3-手动阀，4-氢氧气罐，5-限流喉道，6-防回火阀，7-电磁阀，8-火花塞，9-泄压出口，10-氮气罐，11-减压阀，12-热流计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种基于脉冲爆震发动机燃气射流的瞬态热流传感器动态特性校准系统。如图1所示，包括直径为40～60mm，长为1200～1500mm的铜管作为爆震管2、发动机固定架、氢氧气罐4、氮气罐10、真空泵1、火花塞8、气阀、气动通道、HFM型热流传感器、数据采集器及笔记本电脑。

所述氢氧气罐4：氢气氧气按照2：1比例装填，作为脉冲爆震发动机的燃料。气罐4依次与限流喉道、电磁阀、防回火阀、手动阀以及燃烧室连接。限流喉道作用为控制管路气体流速小于10m/s，保证实验安全。防回火阀防止点火后氢气回火，为了安全起见电磁阀必须防爆禁油。

爆震管2：爆震燃烧在直径为40～60mm，长为1200～1500mm的铜管内产生。燃烧室其实就是一个爆震管，为测试带来爆震波来流。首端由法兰端盖密封，尾端用膜片密封。在法兰端盖处有一火花塞点火装置。燃烧室首端有两个进气管路和一个排气管路：两个进气管路分别是氢氧混合燃气和氮气，排气管路是真空泵抽气用的。燃烧室尾端除了泄压出口外，还放置一个待测热流传感器和一个标准热流传感器。

火花塞8：位于爆震管2端盖上的点火装置，由电脑远程联线控制点火。快速点火形成脉冲式爆震波，为热流传感器提供脉冲信号。

发动机固定架：固定整个发动机及标定系统的装置。

真空泵1：注入燃气前，先将管内空气抽出，防止与空气混合的氢气发生***。与燃烧室利用手动阀连接，点火前拆离燃烧室。

氮气罐10：氮气罐10连接燃烧室首端和尾端热流传感器处，一方面置换管内爆震后的气体，一方面冷却保护热流传感器。由于气罐内为高压氮气，管路先经过减压阀和限流喉道减小压力和流速，并且由电磁阀控制。同时设置防回火阀和手动阀保证实验安全。

数据采集器：型号为NI 9215，该产品信号调理电压高(±60V)，高达800kS/s的复用或最多100kS/s的同步采样，同时还具备多种先进的功能，如智能TEDS传感器的能力，抗混叠滤波器，热电偶开路检测。

放大适配器：热流传感器信号为毫伏级的电压信号，电势很小，很容易淹没在噪声中，从而失去有用的信号。放大适配器可以起到低通滤波，放大信号的作用。

气动通道：采用硬铜管作为气动管路，铜管密封性好，结实可靠，实验安全。

HFM型热流传感器：美国Vatell公司提供的HFM型商用热流传感器也是一种热阻式薄膜热电堆热流传感器，这也是本人将来用来作为基准的传感器，该热流计动态特性好，灵敏度系数高。考虑感应面温度对传感器灵敏度系数的影响，HFM型热流传感器的热流测试数据满足如下关系式：

式中：a，b——两个待标定系数，亦即a+b×T)是经温度T修正的传感器灵敏度系数；T——感应面温度，T≈(T₁+T₂)/2，利用镀在感应面上的铂电阻和铂电阻阻值变化与温度之间的标定关系变换获得，单位：℃。

热流传感器瞬态校准软件：软件校准原理理论上为比较法校准。用比较法标定热流传感器也与用比较法测定绝热材料的导热系数相类似。把待标定的热流传感器与经绝对法标定的作为标准的热流传感器一起放在燃烧室尾端的相同位置。每次实验，两个热流计同时测得数据，利用标准热流传感器的系数C₀和输出电势E₀就可以算出热流密度q，于是也就能确定热流传感器的系数。这种方法标定的准确度主要取决于标准热流传感器系数的准确度。

式中：C——被标定热流传感器的系数

C₀——标准热流传感器的系数

q——热流密度

E——被标定热流传感器的输出电势

E₀——标准热流传感器的输出电势

实验过程为：

1.真空泵(1)先将爆震管(2)内抽成真空，待管内压力达到要求时，由手动阀(3)关闭。

2.将氢氧氮混合气体(4)通过限流喉道(5)注入管内，在管路中设置单向阀(6)防止回火，待管内压力达到要求后，先关电磁阀(7)，再分离管路保证安全。

3.实验时，火花塞(8)点火，产生脉冲式爆震波，由泄压出口(9)排出，热流计测得数据。

4.同时氮气(10)通过减压阀(11)缓缓注入管内，一方面置换管内气体，一方面冷却和保护热流计(12)。

5.实验结束后两个热流计比较数据，由瞬态校准软件自动校准。