申请/专利权人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

申请日：2018-03-14

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN108344521B

主分类号：G01K7/06

分类号：G01K7/06;G01K13/024

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2018.08.24#实质审查的生效;2018.07.31#公开

摘要：本发明公开了一种瞬态热流传感器，包括：测热探针外壳体和热流传感器本体，热流传感器本体包括：无氧铜传热体，其中心位置开有容纳通孔；且容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置其内径增大；无氧铜传热体通过安装法兰结构连接在测热探针外壳体内；端露型铠装热电偶，其固定在无氧铜传热体的容纳通孔内，且端露型铠装热电偶的测温点处于无氧铜传热体容纳通孔的中心位置且其头部距离容纳通孔的出口位置有一定距离；纯银柱塞，其通过浇铸或熔焊的方式连接在无氧铜传热体容纳通孔的出口位置，且与端露型铠装热电偶的头部形成一体；该新型结构的瞬态热流传感器具有加工与装配工艺简单、容易实现质量控制，有利于提高传感器热响应速度和测试精确度。

主权项：1.一种瞬态热流传感器，其特征在于，包括：测热探针外壳体，其内部具有容纳腔；所述测热探针外壳体的头部设置有与容纳腔连通的容纳通道；热流传感器本体，其设置在容纳腔内，所述热流传感器本体包括：无氧铜传热体，其前端设置在容纳通道内，所述无氧铜传热体的中心位置开有容纳通孔；且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置其内径增大；所述无氧铜传热体通过其上设置的安装法兰结构可拆卸连接在测热探针外壳体的容纳腔内；端露型铠装热电偶，其通过设置在无氧铜传热体末端的安装顶丝固定在无氧铜传热体的容纳通孔内，并使得端露型铠装热电偶的测温点处于无氧铜传热体容纳通孔的中心位置且其头部距离容纳通孔的出口位置有一定距离；纯银柱塞，其通过浇铸或熔焊的方式设置在无氧铜传热体容纳通孔的出口位置，且与端露型铠装热电偶的头部形成连接；所述端露型铠装热电偶位于无氧铜传热体后端的部分通过环氧树脂胶与无氧铜传热体的后端固定连接；所述无氧铜传热体上的安装法兰结构通过M2内六角螺栓可拆卸连接在测热探针外壳体内。

全文数据：一种瞬态热流传感器技术领域[0001]本发明属于地面防热试验技术领域，具体涉及一种新型结构的瞬态热流传感器。背景技术[0002]高超声速飞行器在大气层内飞行时，与周围空气相互作用会在飞行器表面形成高温边界层，给飞行器的结构、材料施加巨大的气动热载荷，严重影响飞行器的结构安全和寿命。为了有效筛选、评估与鉴定飞行器防热材料及结构防热特性，电弧风洞和电弧加热器常作为重要的气动热与热防护地面模拟试验平台，往往需要模拟几十MWm2超高热流的气动加热环境。地面防热试验中瞬态热流测量方法主要是基于表面温度的Duhamel理论方法。但在高超声速地面模拟防热试验超高温、高冲刷电弧流场中传感器外表面温度用热电偶直接测试往往是非常困难的。因此常用于毫秒量级的脉冲式风洞试验测试的瞬态热流传感器如薄膜热流传感器和同轴热电偶无法满足电弧风洞和电弧加热器瞬态热流测试需求。常用于瞬态热流测量的零点量热计利用内腔“零点”位置温度间接获得一维半无限体传热体前表面温度-时间数据，并由此计算出前表面输入热流。但存在如下困难：1由于内腔孔径小于1mm、长径比大于10且是盲孔，因此机械加工难度大，很难满足内腔底部几何尺寸加工精度要求;2为了实现瞬态热流测试，常常采用高导热系数的无氧铜纯铜作为热流传感器传热体，但会带来热电偶接点很难在空腔底部直接进行冶金融化焊接问题。因此，常采用钎焊膏焊接方式，但存在较大的接触热阻以及钎焊位置偏差大。上述问题直接导致零点量热计加工质量难以控制，响应时间慢以及测试误差大甚至达到20%，影响其有效应用。本发明针对上述情况，提出了一种新型结构的瞬态热流传感器。发明内容[0003]本发明的一个目的是解决至少上述问题和或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。[0004]本发明的目的在于提供一种新型结构的瞬态热流传感器，其适用于高超声速飞行器地面模拟防热试验等试验条件下的高热流瞬态测量。[0005]为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种瞬态热流传感器，包括：[0006]测热探针外壳体，其内部具有容纳腔;所述测热探针外壳体的头部设置有与容纳腔连通的容纳通道；[0007]热流传感器本体，其设置在容纳腔内，所述热流传感器本体包括：[0008]无氧铜传热体，其前端设置在容纳通道内，所述无氧铜传热体的中心位置开有容纳通孔;且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置其内径增大;所述无氧铜传热体通过其上设置的安装法兰结构可拆卸连接在测热探针外壳体的容纳腔内；[0009]端露型铠装热电偶，其通过设置在无氧铜传热体末端的安装顶丝固定在无氧铜传热体的容纳通孔内，并使得端露型铠装热电偶的测温点处于无氧铜传热体容纳通孔的中心位置且其头部距离容纳通孔的出口位置有一定距离；[0010]纯银柱塞，其通过浇铸或熔焊的方式设置在无氧铜传热体容纳通孔的出口位置，且与端露型铠装热电偶的头部形成连接。[0011]优选的是，所述测热探针外壳体具有圆形头部结构。[0012]优选的是，所述的无氧铜传热体为直径Φ3mm、总长11.7mm的圆柱体形的结构，所述无氧铜传热体中心位置的容纳通孔的内径为Φ〇.68mm;且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置的内径增大至Φ1mm。[0013]优选的是，所述端露型铠装热电偶的外径为Φ0.5mm;所述端露型铠装热电偶的头部距离容纳通孔的出口位置的距离为0.3mm。[0014]优选的是，所述端露型铠装热电偶位于无氧铜传热体后端的部分通过环氧树脂胶与无氧铜传热体的后端固定连接。[0015]优选的是，所述无氧铜传热体上的安装法兰结构通过M2内六角螺栓可拆卸连接在测热探针外壳体内。[0016]优选的是，所述无氧铜传热体的安装法兰结构与测热探针外壳体之间以及M2内六角螺栓与无氧铜传热体的安装法兰结构之间都设置了0.3mm厚的云母垫片;所述云母垫片的厚度为〇.3mm。[0017]优选的是，设置在容纳通道内的无氧铜传热体与测热探针外壳体侧向有0.1mm的环形空气隔热间隙且前端面的间隙用氧化镁粉与水玻璃混合物密封。[0018]优选的是，所述安装法兰结构的直径为Φ16_、厚度为3_。[0019]优选的是，所述纯银柱塞的直径为ΦImm。[0020]本发明至少包括以下有益效果:本发明所述的一种新型结构的瞬态热流传感器制备工艺难度降低，其测温热电偶焊接工艺简单、焊接位置可控性强，安装法兰结构方便零点量热计的安装且不会引入传热干扰;通过仿真分析以及试验结果都显示该新型结构的瞬态热流传感器基于一维半无限体传热假设测热公式，测热响应时间小于0.03秒如图2所示），对比测试相对偏差小于6%如表1所示），满足了瞬态热流测试需求。[0021]本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明：[0022]图1为本发明所述瞬态热流传感器的剖面结构示意图。[0023]图2为本发明所述瞬态热流传感器测热响应时间检测结果。具体实施方式：[0024]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。[0025]应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。[0026]本发明的一种新型结构的带测热探针外壳的瞬态热流传感器，能够适用于电弧风洞和电弧加热器试验环境流场热流分布扫描和驻点热流瞬态测试。对于目前用于瞬态热流测量的零点量热计存在加工质量难以控制，响应时间慢以及测试误差大问题，本发明设计了带安装法兰的传热体，并提出了一种细小露端铠装热电偶通孔安装与位置固定结构；给出了一种新的浇铸或熔接连接工艺，在测温接点外端形成纯银柱塞，保证了热电偶测点与传热体之间的相对位置和连接良好;设计了传感器本体与测热探针外壳间的隔热与绝缘安装垫片，避免了传热和电气干扰。该新型结构的瞬态热流传感器具有加工与装配工艺简单、容易实现质量控制，有利于提高传感器热响应速度和测试精确度。[0027]图1示出了本发明的一种瞬态热流传感器，包括:测热探针外壳体8,其内部具有容纳腔81;所述测热探针外壳体8的头部设置有与容纳腔连通的容纳通道82;热流传感器本体，其设置在容纳腔81内，所述热流传感器本体包括:无氧铜传热体2，其前端设置在容纳通道82内，所述无氧铜传热体2的中心位置开有容纳通孔21;且所述容纳通孔21接近无氧铜传热体2前端的位置其内径增大;所述无氧铜传热体2通过其上设置的安装法兰结构22可拆卸连接在测热探针外壳体8的容纳腔81内；[0028]端露型铠装热电偶5,其通过设置在无氧铜传热体2末端的安装顶丝3固定在无氧铜传热体2的容纳通孔21内，并使得端露型铠装热电偶5的测温点处于无氧铜传热体容纳通孔21的中心位置且其头部距离容纳通孔21的出口位置有一定距离;所述无氧铜传热体2末端上设置有与安装顶丝3相匹配的螺纹孔;纯银柱塞1，其通过浇铸或熔焊的方式设置在无氧铜传热体容纳通孔21的出口位置，且与端露型铠装热电偶5的头部形成连接；[0029]在这种技术方案中，采用浇铸或熔焊的方式，将纯银熔接在端露型铠装热电偶接头上，形成纯银柱塞并与周围的无氧铜传热体熔接成一体，从而保证导热体与热电偶具有良好的连接，确保无氧铜传热体与端露型铠装热电偶之间传热良好，明显降低了接触热阻，提高了热响应速度和降低了加工难度。[0030]在上述技术方案中，所述测热探针外壳体具有圆形头部结构;所述的无氧铜传热体为直径Φ3_、总长11.7_的圆柱体形的结构，所述无氧铜传热体中心位置的容纳通孔的内径为Φ0.68mm;且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置的内径增大至ΦImm以通过浇铸或熔焊的方式形成纯银柱塞。[0031]在上述技术方案中，所述端露型铠装热电偶的外径为Φ0.5mm;所述端露型铠装热电偶的头部距离容纳通孔的出口位置的距离为〇.3mm。[0032]在上述技术方案中，所述端露型铠装热电偶5位于无氧铜传热体2后端的部分通过环氧树脂胶4与无氧铜传热体2的后端固定连接，采用这种方式，进一步加强端露型铠装热电偶与无氧铜传热体的连接固定。[0033]在上述技术方案中，所述无氧铜传热体上的安装法兰结构通过M2内六角螺栓6可拆卸连接在测热探针外壳体内；所述安装法兰结构的直径为Φ16mm、厚度为3mm，安装法兰结构上均布四个直径Φ2.2mm的通孔与M2内六角螺栓相匹配连接;所述无氧铜传热体的安装法兰结构与测热探针外壳体之间以及M2内六角螺栓与无氧铜传热体的安装法兰结构之间都设置了〇.3mm厚的绝缘云母垫片7;所述绝缘云母垫片的厚度为0.3mm;采用云母垫片的方式，屏蔽了传热和电信号干扰。[0034]在上述技术方案中，设置在容纳通道内的无氧铜传热体与测热探针外壳体侧向有0.1mm的环形空气隔热间隙，且前端面的间隙用氧化镁粉与水玻璃混合物密封。[0035]图2示出了为本发明所述瞬态热流传感器测热响应时间检测结果，具体的实验过程为:采用设定温度600°C的热风枪作为对流加热源;在热风枪与瞬态热流传感器之间设有手动快门；通过快速打开快门，实现对瞬态热流传感器阶跃对流加热;并同时采集瞬态热流传感器中的热电偶温升数据，并根据一维半无限体传热假设，计算出输入热流。根据该试验结果，可以评估出瞬态热流传感器热响应时间小于0.03秒。[0036]为了分析本发明的瞬态热流传感器测试精确度以及应用性，针对三个不同热流水平的电弧加热器流场试验状态，分别用所设计的瞬态热流传感器和作为基准的塞式量热计在同一流场位置和相同试验状态情况进行驻点热流对比测试。如表1所示，对比测试结果表明：所设计的瞬态热流传感器可以应用于高热流试验环境，测试相对偏差小于6%。[0037]表1:本发明所述瞬态热流传感器热流测试对比结果[0040]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种瞬态热流传感器，其特征在于，包括：测热探针外壳体，其内部具有容纳腔;所述测热探针外壳体的头部设置有与容纳腔连通的容纳通道；热流传感器本体，其设置在容纳腔内，所述热流传感器本体包括：无氧铜传热体，其前端设置在容纳通道内，所述无氧铜传热体的中心位置开有容纳通孔;且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置其内径增大;所述无氧铜传热体通过其上设置的安装法兰结构可拆卸连接在测热探针外壳体的容纳腔内；端露型铠装热电偶，其通过设置在无氧铜传热体末端的安装顶丝固定在无氧铜传热体的容纳通孔内，并使得端露型铠装热电偶的测温点处于无氧铜传热体容纳通孔的中心位置且其头部距离容纳通孔的出口位置有一定距离；纯银柱塞，其通过浇铸或熔焊的方式设置在无氧铜传热体容纳通孔的出口位置，且与端露型铠装热电偶的头部形成连接。2.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述测热探针外壳体具有圆形头部结构。3.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述的无氧铜传热体为直径Φ3mm、总长11.7mm的圆柱体形的结构，所述无氧铜传热体中心位置的容纳通孔的内径为Φ0.68_;且所述容纳通孔接近无氧铜传热体前端的位置的内径增大至Φ1_。4.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述端露型铠装热电偶的外径为Φ0.5mm;所述端露型铠装热电偶的头部距离容纳通孔的出口位置的距离为0.3mm。5.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述端露型铠装热电偶位于无氧铜传热体后端的部分通过环氧树脂胶与无氧铜传热体的后端固定连接。6.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述无氧铜传热体上的安装法兰结构通过M2内六角螺栓可拆卸连接在测热探针外壳体内。7.如权利要求6所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述无氧铜传热体的安装法兰结构与测热探针外壳体之间以及M2内六角螺栓与无氧铜传热体的安装法兰结构之间都设置了0.3mm厚的云母垫片;所述云母垫片的厚度为0.3mm。8.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，设置在容纳通道内的无氧铜传热体与测热探针外壳体侧向有0.1mm的环形空气隔热间隙且前端面的间隙用氧化镁粉与水玻璃混合物密封。9.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述安装法兰结构的直径为Φ16mm、厚度为3mm。10.如权利要求1所述的瞬态热流传感器，其特征在于，所述纯银柱塞的直径为Φ1mm。

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