专利名称：离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明为测量离心喷嘴内高频脉动流量的一种新方法。主要应用于液体火箭发动机喷嘴研制和试验研究领域，也可以应用于环状液膜厚度动态测量及环状液流脉动流量测量等领域。
背景技术：
燃烧稳定性问题是液体火箭发动机研制过程中的关键，喷嘴作为液体火箭发动机燃烧室内燃烧的组织者，其雾化掺混性能控制着燃烧完全性。有关研究表明，喷嘴的动态特性对燃烧稳定性起着非常重要的作用。所谓喷嘴动态特性，即喷嘴对压力扰动产生反应而出现流量脉动对整个工作过程的稳态参数平均值和动态特性影响。在火箭发动机研制过程中燃烧室内出现1000Hz以下的中、高频压力脉动情况非常多，而在此脉动影响下，喷嘴的流量也会产生相应频率的脉动，如何测得相应频率的喷嘴流量脉动是整个喷嘴动态特性的实验研究关键。
离心喷嘴是液体火箭发动机采用的非常广泛的喷注单元结构型式，其工作特点是喷嘴内液流旋转，在喷嘴中心线附近会形成气涡，液流的流动形式为一旋转的环形液膜，测此环形液流的中、高频脉动流量是一个世界性的技术难题。
高频脉动流量的测量在工程上也一直是难以解决的问题，离心喷嘴内液流为环形、喷嘴内部尺寸很小及避免传感器影响液流等技术要求，使得其脉动流量测量更加困难。本发明研究并实现了一种使用电导法测量出液膜厚度脉动量从而评估出流量脉动量的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，它首次提出用液膜厚度脉动来评估离心喷嘴内的流量脉动，其及工作特点及原理说明如下离心喷嘴结构及各流动参数如图1所示，离心喷嘴的工作过程如下液体通过切向通道进入喷嘴后产生高速旋转，在离心力的作用下，液体会在旋流室和喷口通道壁面附近形成旋转的环形液膜，中心为空气涡。在离心喷嘴内部，液体具有自由内表面的旋流，液体漩涡表面波的传播情况可用下列类型的波动方程来描述∂2ξ∂t2=1rm4Win2Rin2(R2-rm22)∂2ξ∂z2---(1)]]>公式应用于旋流腔处时取式中R＝Rvc，应用于喷口处时取R＝RN。
表面波的传播速度为Ww=(Win2Rin2rm3)(R2-rm22rm)=WinRinrm2R2-rm22---(2)]]>上式中的Wm2Rin2/rm3为液体表面上的离心加速度，而另一部分(R2-rm2)/2rm表征了液体漩涡的厚度。此表达式可与浅水波传播方称相类比，对于刚性壁面限制的半无穷空间，方程(1)的解为ξ=Ωeiω(t-z/Ww)---(3)]]>这里Ω表示液体表面波的振幅。对于具有自由内表面的轴对称旋转流动，将运动方程线性化为液体表面波动与轴向速度的关系式∂Wa′∂t=Win2Rin2rm3∂ξ∂z---(4)]]>对上式两边t进行积分得Wa′=Win2Rin2Wwrm3ξ=Win2Rin2Wwrm3Ωeiω(t-z/Ww)---(5)]]>轴向速度的振幅为|Wa′|=ΩWin2Rin2/(Wwrm3)---(6)]]>从(5)式可以看出，喷嘴内液体轴向流速脉动与液体漩涡的表面脉动同相位，且相对振幅相等。由流量的公式可得
Q‾=Q+Q′=2π∫rm-ξR(Wa+Wa′)rdr=2π∫rm-ξR(Wa+Win2Rin2Wwrm3ξ)rdr---(7)]]>由上式可见流量的瞬时值是以液膜厚度瞬时值为变量的单值函数，故完全可以根据液膜厚度之值来表征流量。
本发明基于离心喷嘴喷口内液体流速脉动与液体漩涡的表面脉动同相位且相对振幅相等这一特性。这样就可能根据喷嘴旋流室、喷口通道内环形液体厚度的脉动来评估喷嘴旋流室、喷口通道内流量的脉动。
本发明在离心喷嘴旋流室或喷口内的两个不同截面处安装两个环形电极，导电液体由喷嘴切向通道进入旋流腔后将形成旋流，旋流腔及喷口通道的中心位置出现空气涡，喷嘴旋流室和喷口内形成一旋转的环形液膜。当通过喷嘴为液体来流脉动时，环形液膜的厚度会发生变化，两电极之间环形液膜厚度的变化将引起液体体积的变化，进而引起两电极间液膜电阻的变化，将电阻信号的变化送入经过后续电路处理后得到与液膜厚度变化相关的电信号，随后送入显示仪表或计算机进行数据记录。
综上所述，本发明一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其技术方案详述如下本发明一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，它是由测量用电极块与测量电路组成，电极块的电极引线与测量电路的测量电桥连接后进行脉动流量测量；电极块由环状多孔钛电极通过过盈配合镶嵌入紫铜环中与电极封装壳体构成一个整体，然后通过电极引线接头引出；该封装好的电极块与同口径的离心喷嘴相连接，封装电极块的电极引线与测量电路相连接，经过电路处理完的信号接入显示仪表和计算机进行记录；测量电路是基于锁相放大原理构成的，其结构组成及连接方式是激励电路同时为测量电桥与移相器提供给信号，测量电桥的输出信号经过小信号放大后接入相敏检测器的信号通道，移相电路输出的信号接入相敏检测器的参考通道，由相敏检波器输出的信号经过低通滤波器(一)后接入放大电路，然后再经过低通滤波器(二)后接入模数转换电路，最后经过单片机和RS232接口输出。单片机可对信号放大的倍数进行控制；该测量电路的激励电路可提供较为稳定、幅值频率可调的正弦波。激励信号经过测试电桥后变为携带液膜厚度变化信息的调幅信号经过初级放大后进入后续的相敏检波器。相敏检波器是锁相放大的核心元件，锁相放大能有效地抑制噪声对微弱信号的测量有着良好的效果。经过低通滤波器滤除噪声后，信号进入放大电路进行放大，放大电路的增益控制电阻为数字电位计，因此单片机可以通过控制数字电位计来调节放大器的放大倍数。信号再经过滤波处理、模数转换后可即可输出。
其中，该离心喷嘴与电极块相连接，电极块内部封装有两个相距一定距离的多孔钛电极，测量电极间液膜电阻变化，得到液膜厚度变化进而得到旋流腔或喷口内液体脉动流量。
其中，电极块中的多孔钛电极为环状多孔钛材料制成。由于多孔材料的吸水性增加导电液体和电极接触面积，提高测量的灵敏度。且钛金属性能优良，导电性好，耐腐蚀，价格适中，且能满足强度、可靠性等方面的要求。金属颗粒间的孔隙能增大被测液体与电极的有效接触面积，因此可以解决测量信号微弱的问题。
其中，该多孔钛电极为环形结构，内径和喷口内径相同，多孔钛电极通过过盈配合套一铜环，用于密封和联接接线柱，然后通过电极引线接头引出。
其中，两多孔钛电极间的间距应满足远小于旋流室或喷口通道内的液膜表面波的波长，但应大于旋流室或喷口通道内的液膜厚度。根据经验液膜厚度与喷口内液膜表面波的波长会相差两个数量级，例如几何特性A＝2、喷嘴压降Δp＝0.6MPa、脉动频率为f＝1000Hz且液体为水时，在喷嘴通道内的波长为40.5mm，而喷嘴的液膜厚度为0.2-0.6mm，因而这一要求是能够满足的。
本发明一种测量离心喷嘴内高频脉动流量的装置，其优点和所达到的功效是它能够很好的解决离心喷嘴内部高频脉动流量的测量，从而解决了液体火箭发动机喷注器动力学研究的难点。同时此装置也可以应用于环状液膜厚度测量动态测量及环状液流脉动流量测量等领域。结构简单、灵敏度高、造价低、测量效果好。
图1离心喷嘴结构及各流动参数示意图；图2测量装置示意图；图3(a)电极形式示意图3(b)两电极封装后示意图；图4测量装置连接示意图；图5测量电路框图；图6文氏电桥振荡器电路结构图；图7移相器电路结构图；图8相敏检波器电路结构图；图9低通滤波电路结构图；图中标号说明如下ξ-液体漩涡厚度振动量的瞬时值 rm-液体漩涡表面的半径Rvc-旋流腔半径Rin-液体旋流半径RN-喷嘴半径z-沿旋涡长度的坐标dz-沿旋涡长度的增量Win-液体由切向通道进入旋流腔时的速度Wa-液体轴向流速Wu-液体周向流速W∑-液流总速1-切向通道2-喷嘴旋流腔3-喷嘴喷口4-离心喷嘴5-环状多孔钛电极6-紫铜环7-电极封装壳体8-电极引线接头9-电极引线10-测量电路11-显示仪表12-计算机13-电极块具体实施例方式本发明一种测量离心喷嘴内高频脉动流量的装置。其组成如图2所示，由测量用电极块13与测量电路10组成，电极块13的电极引线9与测量电路10的测量电桥连接后进行脉动流量测量，如图4所示。
其中，该电极块13的结构形式如图3(a)、(b)所示，环状多孔钛电极5通过过盈配合镶嵌入紫铜环6中，图3(b)所示为电极块13示意图，两个环状多孔钛电极5均通过过盈配合镶嵌入紫铜环6后，按照一定间距(在本实施例中取与环状多孔钛电极5内径的半径相同)与电极封装壳体7构成一个整体，然后通过电极引线接头8引出后。将封装好的电极块13与同口径的离心喷嘴4相连接，电极引线9与测量电路10相连接，经过电路处理完的信号接入显示仪表11和计算机12进行记录。
测量电路10的结构及连接方式如图(5)所示，激励电路同时为测量电桥与移相器提供激励信号，测量电桥的输出信号经过小信号放大后接入相敏检测器的信号通道，移相电路输出的信号接入相敏检测器的参考通道，由相敏检波器输出的信号经过低通滤波器(一)后接入放大电路，然后再经过低通滤波器(二)后接入模数转换电路，最后经过单片机和RS232接口输出。单片机可对信号放大的倍数进行控制。对测量电路10中的主要电路进一步说明如下1)激励电路如图6所示由于测量水电阻的过程实际上是一个电化学过程，为了防止电极极化应采用交流激励。激励信号的频率至少要高出液膜波动频率一个数量级。激励电路以运算放大器OP07CP为核心构成，具体的电路结构如图6所示，运算放大器OP07CP的第7脚与正电源相接，运算放大器OP07CP的第4脚与负电源相接，运算放大器的第2脚分别与电阻Rd、可调电阻Re相连，电阻Re的另一端接电源地，可调电阻Rd的另一端与电阻R及二极管D1、二极管D2相连，电阻R及二极管D1、二极管D2的另一端与运算放大器的第6脚及电阻R2相连，电阻R2的另一端与电容C2相连，电容C2与运算放大器的第3脚及电阻R1、电容C1相连，电阻R1、电容C1的另一端接电源地。
一般取R1＝R2＝R、C1＝C2＝C由电路的关系式f=12πRC]]>可得，可通过调节图中的电阻R1与R2的阻值来调整激励电路的输出频率以达到适用的要求。激励信号的输出同时接入测量电桥和移相电路。
2)测量电桥测量电桥的四个桥臂中三个为定值电阻，另一个桥臂由环状多孔钛电极及电极引线构成。电桥信号经过放大后进入相敏检测器的信号通道。
3)移相电路如图7所示为了保证相敏检波器正常工作，必须保证提供给相敏检波器的参考信号与输入信号的载波同频率、同相位。符合上述条件的参考信号是通过0-180°移相器对正弦信号进行移相得到的。具体的电路结构如图7所示。
移相器以运算放大器OP07CP为核心，电阻RF1与可调电阻Rt的一端相连接并接信号输入，可调Rt的另一端与运算放大器的第2脚相连并与电容Ct相连接，电容Ct的另一端与电源地相连。电阻RF1的另一端与运算放大器第3脚及电阻RF2相连，电阻RF2的另一端与运算放大器的第6脚相连，运算放大器的第7脚与正电源相接，运算放大器的第4脚与负电源相接。移相电路的输出信号经过放大后进入相敏检测器的参考通道。
4)相敏检测器如图8所示相敏检波器由集成电路AD630构成，其电路结构如图8所示，信号通道接入放大后的电桥信号，参考通道与移相器相连接。
5)低通滤波器(一)、(二)如图9所示低通滤波器(一)与低通滤波器(二)均采用此结构，以4阶有源滤波器芯片MAX275为核心，具体的电路结构如图9所示。芯片分为A与B两部分，每部分均为二阶有源滤波器，将两部分串联使用，其截止频率为F0(Hz)=(1R2(R4+5KΩ))(2×108).]]>
权利要求
1.一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其特征在于它是由测量用电极块与测量电路组成，电极块的电极引线与测量电路的测量电桥连接后进行脉动流量测量；电极块由环状多孔钛电极通过过盈配合镶嵌入紫铜环中与电极封装壳体构成一个整体，然后通过电极引线接头引出；该电极块与同口径的离心喷嘴相连接，封装电极块的电极引线与测量电路相连接，经过电路处理完的信号接入显示仪表和计算机进行记录；测量电路是基于锁相放大原理构成的，其结构组成及其连接方式是激励电路同时为测量电桥与移相器提供给信号，测量电桥的输出信号经过小信号放大后接入相敏检测器的信号通道，移相电路输出的信号接入相敏检测器的参考通道，由相敏检波器输出的信号经过低通滤波器(一)后接入放大电路，然后再经过低通滤波器(二)后接入模数转换电路，最后经过单片机和RS232接口输出。
2.根据权利要求1所述的一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其特征在于该离心喷嘴与电极块相连接，电极块内部封装有两个相距预定距离的多孔钛电极，测量电极间液膜电阻变化，得到液膜厚度变化进而得到旋流腔或喷口内液体脉动流量。
3.根据权利要求1或2所述的一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其特征在于电极块中的多孔钛电极为环状多孔钛材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其特征在于该多孔钛电极为环形结构，内径和喷口内径相同，多孔钛电极通过过盈配合套一铜环，用于密封和联接接线柱。
5.根据权利要求1或2所述的一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，其特征在于两多孔钛电极间的间距应满足远小于旋流室或喷口通道内的液膜表面波的波长，但应大于旋流室或喷口通道内的液膜厚度。
全文摘要
一种离心喷嘴内高频脉动流量的测量装置，是由电极块与测量电路组成，电极块由两个环状多孔钛电极通过过盈配合镶嵌入紫铜环中并与电极封装壳体构成一个整体，然后通过电极引线接头引出；测量电路是基于锁相放大原理构成的，激励电路同时为测量电桥与移相器提供给信号，测量电桥的输出信号经过小信号放大后接入相敏检测器的信号通道，移相电路输出的信号接入相敏检测器的参考通道，由相敏检波器输出的信号经过低通滤波器(一)后接入放大电路，再经过低通滤波器(二)后接入模数转换电路，最后经过单片机和RS232接口输出。电极块与同口径的离心喷嘴相连接，电极块的电极引线与测量电路相连接，经过电路处理完的信号接入显示仪表和计算机进行记录。
文档编号G01F1/56GK101074886SQ20071011795
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者杨立军, 王向东, 范文宏 申请人:北京航空航天大学