大空间稳态流场的三维测量装置的制作方法

本实用新型涉及流体测量技术领域，特别涉及一种适用于空间稳态流场的速度矢量三维快速测量装置。

背景技术：

流场测试技术是研究流体基本流动现象及流动特性并对其物理机制进行深入探索的必要技术手段。目前的流场测量方法主要有(1)皮托管测速法；(2)热线/热膜测速法；(3)LDV(Laser Doppler Velocity)激光多普勒及相关技术；(4)PIV(Particle Image Velocimetry)技术等，对于空间的流场测量采用皮托管或热线方法进行测量时需进行逐点测量，测量难度大，费时费力，采用LDV和PIV技术都需要示踪粒子，并且是应用在小型的测量区域内。对于大空间稳态流场的测量应用上述技术都具有较大的局限性，例如在大型电站锅炉的动力场测量过程中多采用飘带法或热线风速仪逐点测量等方法确定指定区域的速度分布，仅能定性分析和观察炉膛内空气流动状况，不能精确反映炉内的三维流场状况，精确快速测量大空间动力场对于锅炉等大型流场空间设备的安全稳定运行具有重要意义。

目前技术在针对大空间进行测量时存在以下问题：

1)采用热线风速仪等设备测定点较多，需预先通过铁丝网进行定位，并且在测量过程中需找准位置，费时费力。

2)无法实现对大空间流场的精确测量，不能反应大空间流场的三维真实状态。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种快速测量大空间稳态流场的三维测量装置，实现对大空间稳态流场的快速精确测量。

本实用新型是采取如下技术方案予以实现的：

大空间稳态流场的三维测量装置，包括内置有惯性传感器的五孔探针，五孔探针连接压力变送器，压力变送器与五孔探针数据处理单元相连，惯性传感器与惯性传感器数据处理单元相连接；五孔探针数据处理单元和惯性传感器数据处理单元与数据耦合处理单元相连；数据耦合处理单元与数据记录单元进行连接。

进一步，所述五孔探针包括测压头和设在测压头上的5个测压孔，各测压孔分别连通5个测压管，各测压孔分别通过测压管连接至压力变送器。

进一步，所述5个测压孔包括一个中心孔以及沿中心孔外侧的五孔探针斜侧面两对对称分布的压力孔，压力孔轴线与中心孔轴线夹角为45°。

进一步，所述惯性传感器刚性固定于五孔探针测压头内部，惯性传感器通过惯性传感器传输线与惯性传感器数据处理单元相连。

进一步，所述测压头上还设有与惯性传感器连接的惯性传感器集成电路，惯性传感器传输线分别连接惯性传感器集成电路与惯性传感器数据处理单元。

进一步，所述惯性传感器包括三轴加速度计和三轴角速度陀螺仪。

进一步，所述数据耦合处理单元将通过惯性传感器所测得五孔探针相对该空间流场下的相对速度和相对偏转角度对五孔探针测得速度矢量进行速度修正和坐标变换，得到统一坐标系下的速度矢量，通过多点测量建立该空间的三维流场。

本实用新型技术方案的具有以下有益效果：

1)在进行空间流场测量时，通过惯性传感器记录空间位置，实现测量装置的实时定位。

2)在测量过程中并对该点的速度矢量进行实时测量，实现大空间稳态流场速度矢量的快速实时定位测量。

3)在测量过程中，利用惯性传感器对多孔探针测得速度矢量进行实时标量修正和方向修正，提高多孔探针测量的数据的精确性。

4)利用数据采集处理系统对多孔探针特性曲线进行自动实时处理，减少人工干预，节省时间提高数据结果精确度。

本实用新型结构简单可靠，使用方便适用范围广，可实现对稳态流场速度矢量的测量，并提高了五孔探针的最大可测量方向角范围和精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

图1是本实用新型一种大空间稳态流场的三维测量装置示意图；

图2(a)是本实用新型五孔探针内部结构图；图2(b)为图2(a)左视图；图2(c)为图2(a)俯视图；图2(d)为三维轴测图。

图3(a)、图3(b)分别是本实用新型五孔探针传感器局部图。

图中：1.五孔探针；2.测压孔；21.测孔Ⅰ；22.测孔Ⅱ；23.测孔Ⅲ；24.测孔Ⅳ；25.测孔Ⅴ；3.五孔探针后端盖；4.惯性传感器；41.惯性传感器集成电路；5.惯性传感器传输线；6.测压管；7.压力变送器；8.五孔探针数据处理单元；9.惯性传感器数据处理单元；10.数据耦合处理单元；11.数据记录单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

请参阅图1所示，本实用新型大空间稳态流场的三维测量装置，包括内置有惯性传感器4的五孔探针1，五孔探针1连接数据采集处理系统，数据采集系统的包括压力变送器7、五孔探针数据处理单元8、惯性传感器数据处理单元9、数据耦合处理单元10和数据记录单元11。五孔探针1的测压管6连接压力变送器7，压力变送器7与五孔探针数据处理单元8相连，将测压孔2的压力信号转变为电信号进入五孔探针数据处理单元8；惯性传感器4与惯性传感器数据处理单元9相连接；五孔探针数据处理单元8和惯性传感器数据处理单元9所处理后的数据进入数据耦合处理单元10；数据耦合处理单元10与数据记录单元11进行连接。

如图2(a)-(d)所示，五孔探针1包括测压头和设在测压头上的共计5个测压孔2，各测压孔2分别连接5个测压管6；在测压头后部设有五孔探针后端盖3，惯性传感器4刚性固定于五孔球形探针内部，各测压孔2分别通过测压管6连接至压力变送器7，惯性传感器4通过惯性传感器传输线5与惯性传感器数据处理单元9相连。

如图2(a)-(c)所示，五孔探针的5个测压孔2(测孔Ⅰ21-测孔Ⅴ25)与测压管6是相连通的。

如图3(a)、(b)所示，惯性传感器4是放置在球状测压头5个测压孔2后侧，惯性传感器4与惯性传感器集成电路41相连并通过惯性传感器传输线5连接至惯性传感器数据处理单元9。

工作原理如附图1所示，首先五孔球形探针的五个压力测点通过测压管道连接于压力变送器7上，将五孔探针1置于大空间稳态流场中，五孔探针1开始测量时设置坐标原点与五孔探针1原始正方向；通过五孔探针对稳态流场中单点进行速度矢量的测量。坐标系下的其他坐标位置均通过惯性传感器4测量的加速度进行积分与坐标原点的相对位置进行确定；坐标系下其他坐标点的探针相对方向通过惯性传感器4测量的角速度进行积分与坐标原点的原始正方向的相对角度进行确定；惯性传感器4的三轴加速度计可对五孔探针在三维空间内的加速度进行测量，确定稳态流场相对位置并可对五孔探针测得的该位置的速度矢量进行五孔探针相对原始坐标系的相对速度矢量修正，三轴角速度陀螺仪可对五孔探针在三维空间内的角速度进行测量。惯性传感器的角速度陀螺仪对所测速度矢量进行坐标系变换。五孔探针1在风力的作用下测压孔Ⅰ21、测压孔Ⅱ22、测压孔Ⅲ23、测压孔Ⅳ24、测压孔Ⅴ25分别产生压力信号，数据采集处理系统对五孔探针的测量量程进行自动检测，若超出五孔探针测试范围将提示调整探针迎风面。压力变送器7将五孔探针的压力参数变换为标准电信号。通过五孔探针数据处理单元8可计算得出当前点的流场的速度矢量，速度矢量包括速度的大小和方向；在数据耦合处理单元11中，利用五孔探针测得的速度矢量与惯性传感器测得的五孔探针相对该空间下的相对速度及相对偏转角度进行速度矢量修正和坐标变换，得到原始坐标系下该位置坐标的速度矢量；通过数据记录单元11对所测该位置的速度矢量进行记录。五孔探针数据处理单元可以对压力变送器7送入的压力信号进行是否超量程判断，对超量程的点可进行判断剔除。通过惯性传感器可以对所测速度矢量的位置和角度进行快速确定，将大空间稳态流场内的速度矢量进行大量测量记录后绘制大空间稳态三维流场。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范田由所附的权利要求书及其等效物界定。