连续式风洞降温系统的温度测量和数据采集系统的制作方法

本发明属于风洞测控技术领域，具体是一种连续式风洞降温系统的温度测量与数据采集系统。

背景技术：

连续式风洞降温系统的一种实现形式为通过向风洞内喷注液氮/液氨等制冷剂，利用其气化潜热来实现风洞的降温运行。以喷液氮为例，降温系统由液氮储罐、泵、配气阀组、挤推阀组、供液阀组、集液环以及相关管路组成，其中液氮罐用于液氮的存储；液氮泵及气化器用于将液氮转化成气氮并存储于气瓶组中，作为挤推液氮的驱动气源和气控阀门的驱动气源；通过配气台将气瓶组的气源调节成所需要的高低压驱动气；液氮供给管路上的供液阀组，用于控制液氮管路的清洗、预冷、填充和输送；集液环用于安装液氮喷射电磁阀和喷嘴，同时用于液氮填充。在液氮输送及气氮制备管路、集液环、液氮喷射截面、洞体回路多处配置相应的温度传感器/变送器实施监控，在风洞稳定段配置总温排架，并以排架上温度测点反馈值作为风洞总温控制目标实施降温控制。相比普通连续式风洞，配置降温系统的连续式风洞对温度的测点位置、测试的精度和快速性以及均匀性均有不同的要求。

常规连续式风洞或风洞部段的温度测量和数据采集系统也采用温度传感器/变送器来进行温度测量，并通过数据采集系统实现数据采集分析，其测试精度较高，但并不能完全满足降温系统需求，主要表现在以下几个方面：

一是降温系统对测温装置的指标要求较高，首先是对温度响应的快速性和温度测量的准确性要求较高。降温运行时间较短，而液氮消耗量较大，同时喷液氮降温具有较大的风险，比如液氮不及时气化将导致洞体局部温度过低造成设备损坏，因此必须确保温度测点的快速、准确，以减少液氮消耗量，并降低风洞的低温运行风险。

二是降温系统对稳定段气流温度场的均匀性指标要求较高，稳定段气流温度作为降温系统的控制目标，若按照常规风洞温度测点布局方法，无法准确的表征气流温度的均匀性。因此，需要在稳定段总温排架迎气流截面上每隔较短的距离均匀的安装温度测点，且要求该测温装置的精度高、响应速度快、一致性好。

三是降温系统对温度测量设备的强度和测温范围要求较高，采用喷射液氮汽化吸热的降温方式时，液氮的温度较低，可达到-198℃，且低温下部分材料容易脆化，另外风洞除降温运行外还具备常规和增压等其它工况运行能力，常规运行时高马赫数下风洞内部分位置的气流温度较高，而测温设备安装完成后需长期固定在风洞洞体上，从而需承受高温到低温、常压到增压的反复过程，因此对测温设备的材质、强度和测温范围均有较高要求。

四是降温系统对温度测点的位置有特殊要求。常规风洞测温系统未对液氮喷注段洞壁的温度、液氮顺气流沿程主要关键点，如液氮输送管路、风洞换热器段等的温度进行监测，而上述测点温度的准确测量对降温系统的顺利实施具有重要作用。

在已知的公开文献和专利中尚未发现连续式风洞降温系统的温度测量和数据采集系统的描述。

技术实现要素：

为解决现有技术不适于连续式风洞降温系统的不足，本发明提出了一种连续式风洞降温系统的温度测量和数据采集系统。

本发明通过铠装一体式温度变送器、结合使用的贴片式温度传感器与温度变送器、热电偶总温排架分别测量连续式风洞降温系统多个温控点的数值，并由模拟量采集模块、热电偶模块分别对温度变送器信号和热电偶信号进行采集后，由数据采集控制器进行信号分析处理，其中总温排架热电偶温度作为降温控制系统的温控目标；降温控制系统同时对其它温控点的温度信号进行监控，以便试验数据分析，并将影响风洞和设备安全的信号纳入安全联锁监控，数据采集控制器也作为降温控制系统核心控制器，将所有温度数据上传至风洞核心控制器进行存储显示。

所述的铠装一体式温度变送器包括第一铠装一体式温度变送器、第二铠装一体式温度变送器、第三铠装一体式温度变送器、第四铠装一体式温度变送器、第五铠装一体式温度变送器和第六铠装一体式温度变送器；其中，所述第一铠装一体式温度变送器安装在气化器出口管路上，第二铠装一体式温度变送器安装在供液阀组后端液氮输送管路上，位于集液环和供液阀组中间，第三铠装一体式温度变送器安装在集液环管路最高处，具体位于风洞轴线上方集液环顶部处，第四铠装一体式温度变送器安装在集气环管路最高处，具体位于风洞轴线上方集气环顶部处，第五铠装一体式温度变送器位于液氮喷注段与换热器之间，安装在风洞洞体回路上并距离压缩机末端7米，第六铠装一体式温度变送器安装在风洞换热器段洞体回路上。

所述铠装一体式温度变送器包括传感器和变送器两部分，其中:传感器采用PT100铂电阻传感器，传感器至变送器采用三线制连接方式，测温范围-250℃～100℃，精度A级；感温端保护管变径至1.9mm；变送器采用两线制4～20mA电流输出；整体响应时间：气体介质T_0.5<8s、液体介质T_0.5<1s。

所述铠装一体式温度变送器全部采用垂直于所测管路/洞体回路轴线的方式安装，各铠装一体式温度变送器的感温端保护管的插入深度为所测管路直径的1/2。

所述贴片式温度传感器包括第一贴片式温度传感器和第二贴片式温度传感器，其中第一贴片式温度传感器安装在集液环上游电磁阀组处，位于该处风洞轴线下方风洞外壁上；所述第二贴片式温度传感器安装在集液环下游电磁阀组处，位于该处风洞轴线下方风洞外壁上；所述第一贴片式温度传感器的接线端与第一温度变送器的接线端通过四芯电缆按照指定的管脚进行连接；所述第二贴片式温度传感器的接线端与第二温度变送器的接线端通过四芯电缆按照指定的管脚进行连接；通过温度变送器将各所述贴片式温度传感器的信号转换成电流信号；

所述温度变送器包括第一温度变送器和第二温度变送器；所述的第一温度变送器安装在液氮喷注段集液环上游电磁阀组处，靠近第一贴片式温度传感器，第二温度变送器安装在液氮喷注段集液环下游电磁阀组处，靠近第二贴片式温度传感器；温度变送器尽量靠近对应的贴片式温度传感器，距离不超过2米，就近合适位置固定安装。

所述的模拟量采集模块有8个模拟量采集通道；所述热电偶模块共3只，每只有4个热电偶采集通道；分别将各铠装一体式温度变送器依次与模拟量采集模块的1～6通道连接；分别将各温度变送器依次与模拟量采集模块的7～8通道连接，并且各变送器的信号正端接模拟量采集模块各通道的信号正端，各变送器的信号负端接各通道的信号负端；总温排架上均匀布置9个热电偶温度传感器，将总温排架的各热电偶温度传感器均分为3组，并分别接至3只热电偶采集模块中的各通道上；各热电偶温度传感器的信号正端接热电偶采集模块各通道的信号正端，各热电偶温度传感器的信号负端接各通道的信号负端。

各所述的热电偶温度传感器在所述总温排架上的底部起至顶部等距离布置；该热电偶温度传感器测温范围-30℃～60℃，精度0.5℃，响应时间T_0.9＝0.5s。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：

1、测试精度较高、响应快。稳定段总温排架采用高精度，快速响应热电偶传感器，温度信号由高分辨率和高采样率的采集模块进行采集，从而保证了测试数据的精度和速度。测试精度0.5℃，整体响应时间<1s。

2、总温测试的均匀性保证。总温排架上布置多个温度测点，按照稳定段高度均匀分布于稳定段气流中心，且使用相同的热电偶传感器和采集模块，保证了温度场测量的均匀性。常温18℃测试条件下，各测点温度偏差小于0.3℃。

3、对关键节点进行检测，提高系统的安全性。对液氮气化管路、液氮输送管路、液氮喷射处洞壁、顺气流换热器等处温度进行监测，为顺利实施喷液氮降温及保证风洞的安全运行奠定基础。

本发明通过NF-6风洞降温系统进行验证，验证结果证明具有良好的效果。

附图说明

图1为一种连续式风洞降温系统的温度测量与数据采集系统零部件布置图。

图2为一种连续式降温风洞主要部段布局图。

图中：1.第一铠装一体式温度变送器；2.第二铠装一体式温度变送器；3.第三铠装一体式温度变送器；4.第四铠装一体式温度变送器；5.第一贴片式温度传感器；6.第二贴片式温度传感器；7.第一温度变送器；8.第二温度变送器；9.第五铠装一体式温度变送器；10.第六铠装一体式温度变送器；11.总温排架；12.数据采集控制器；13.模拟量采集模块；14.热电偶模块；15.信号电缆；16.输液管路；17.放空阀；18.换热器；19.排气阀组的接口；20.热电偶补偿导线；21.稳定段；22.压缩机；23.供液阀组；24.液氮储罐；25.液氮泵；26.挤推阀组；27.配气台；28.气化器；29.气瓶组；30.集液环；31.集气环；32.液氮喷注段，33.换热器段，34.压缩机段。

具体实施方式

本实施例是用于某连续式风洞降温系统的温度测量与数据采集系统，该系统的主要工作原理为：如图1温度测量和数据采集系统零部件布置图所述，通过铠装一体式温度变送器、结合使用的贴片式温度传感器与温度变送器、热电偶总温排架分别测量连续式风洞降温系统多个温控点的数值，并由模拟量采集模块13、热电偶模块14分别对温度变送器信号和热电偶信号进行采集，然后由数据采集控制器12进行信号分析处理，其中总温排架热电偶温度作为降温控制系统的温控目标。降温控制系统同时对其它温控点的温度信号进行监控，以便试验数据分析，并将影响风洞和设备安全的信号纳入安全联锁监控，数据采集控制器12也作为降温控制系统核心控制器，将所有温度数据上传至风洞核心控制器进行存储显示。

为了表述清晰，以便更直观的了解连续式风洞降温系统的温度测量和数据采集系统，首先对连续式风洞降温系统的结构原理、温度测量和数据采集系统各设备的功能进行简要描述。图1中，第一铠装一体式温度变送器1用于测量气化器出口管路气流温度；第二铠装一体式温度变送器2用于测量液氮输送管路液体温度；第三铠装一体式温度变送器3用于测量集液环液体温度；第四铠装一体式温度变送器4用于测量集气环气体温度；第一贴片式温度传感器5用于测量液氮喷注段32集液环上游电磁阀组处洞壁温度；第二贴片式温度传感器6用于测量液氮喷注段集液环下游电磁阀组处洞壁温度；第一温度变送器7将第一贴片式温度传感器5采集的信号变成电流的方式进行传输；第二温度变送器8将第二贴片式温度传感器6采集的信号变成电流的方式进行传输；第五铠装一体式温度变送器9用于测量液氮喷注段和换热器之间风洞气流温度；第六铠装一体式温度变送器10用于测量换热器处气流温度；总温排架11采用9只垂直于风洞轴线等距分布的热电偶传感器，用于测量稳定段21气流温度和表征气流温度的均匀性；数据采集控制器12用于数据的分析处理，并和风洞核心控制器进行数据交互；模拟量采集模块13通过信号电缆15采集各温度变送器测点信号；热电偶模块14通过热电偶补偿导线20采集各热电偶温度测点信号；输液管路16将液氮储罐的液氮送至集液环处；放空阀17用于液氮输送管路及集液环、集气环上的液氮/气氮排空；当风洞常温运行时换热器18用于降低风洞气流温度；排气阀组的接口19用于调节风洞压力；压缩机22为风洞的驱动源；安装于液氮储罐出口的液氮输送管路上的供液阀组23用于液氮输送管路的清洗、预冷和液氮填充；液氮储罐24用于储存液氮；挤推阀组26放置于配气台中，提供挤液氮所需的驱动气；通过配气台27将气瓶组29的气源调节成所需要的驱动气；液氮泵25及气化器28用于将液氮转化成气氮并存储于气瓶组中，作为挤推液氮的驱动气源和气控阀门的驱动气源；集液环30用于安装液氮喷射电磁阀和喷嘴，同时用于液氮填充，集液环上电磁阀组分成上游电磁阀组和下游电磁阀组，集液环上游电磁阀组位于压缩机段34和换热器段33之间，具体安装于靠近压缩机侧，距离压缩机末端约2米位置，集液环下游电磁阀组距离压缩机末端约4米位置，集液环安装位置由气动条件设计得到；集气环31用于收集集液环气化的氮气。

本实施例中，所述的铠装一体式温度变送器包括第一铠装一体式温度变送器1、第二铠装一体式温度变送器2、第三铠装一体式温度变送器3、第四铠装一体式温度变送器4、第五铠装一体式温度变送器9和第六铠装一体式温度变送器10。其中，所述第一铠装一体式温度变送器安装在气化器28出口管路上；第二铠装一体式温度变送器安装在供液阀组23后端液氮输送管路16上，位于集液环和供液阀组中间；第三铠装一体式温度变送器安装在集液环30管路的最高处，具体位于风洞轴线上方集液环顶部处；第四铠装一体式温度变送器安装在集气环31管路的最高处，具体位于风洞轴线上方集气环顶部处；第五铠装一体式温度变送器位于液氮喷注段32与换热器18之间，被安装在风洞洞体回路上并距离压缩机末端7米；第六铠装一体式温度变送器安装在风洞换热器段33洞体回路上。上述铠装一体式温度变送器全部采用垂直于所测管路或洞体回路轴线的方式安装。各铠装一体式温度变送器的感温端保护管的插入深度为所测管路直径的1/2。

所述贴片式温度传感器包括第一贴片式温度传感器5和第二贴片式温度传感器6，其中第一贴片式温度传感器安装在集液环30上游电磁阀组处，位于该处风洞轴线下方风洞外壁上；所述第二贴片式温度传感器安装在集液环下游电磁阀组处，位于该处风洞轴线下方风洞外壁上。所述第一贴片式温度传感器的接线端与第一温度变送器7的接线端通过四芯电缆按照指定的管脚进行连接；所述第二贴片式温度传感器的接线端与第二温度变送器8的接线端通过四芯电缆按照指定的管脚进行连接；通过变送器将各所述贴片式温度传感器的信号转换成电流信号，以便于远距离传输，并提高抗干扰能力。所述贴片式温度传感器需按照风洞的外壁弧面形状进行加工，安装时，将风洞外壁打磨后紧贴风洞外壁进行焊接安装，并将测点处洞壁及贴片式传感器进行保温处理。

所述温度变送器包括第一温度变送器7和第二温度变送器8。所述的第一温度变送器安装在液氮喷注段集液环上游电磁阀组处，靠近第一贴片式温度传感器；第二温度变送器安装在液氮喷注段集液环下游电磁阀组处，靠近第二贴片式温度传感器。温度变送器靠近对应的贴片式温度传感器，距离不超过2米。

所述的数据采集控制器12、模拟量采集模块13和热电偶模块14安装于风洞大厅稳定段21处的降温系统控制柜中。所述的数据采集控制器12、模拟量采集模块13和热电偶模块14均为倍福的标准化工控模块，相互之间均通过背板总线实现电气连接，并通过模块末端的机械卡扣，牢固连接在一起，固定于控制柜内安装导轨上。

所述的模拟量采集模块共1只，每只有8个模拟量采集通道。所述热电偶模块共3只，每只有4个热电偶采集通道。利用两芯屏蔽双绞信号电缆15将各铠装一体式温度变送器分别与模拟量采集模块13的1～6通道连接，将各温度变送器分别与模拟量采集模块13的7～8通道连接；连接时，所述各铠装一体式温度变送器的信号正端分别与该模拟量采集模块各通道的信号正端连接，所述各铠装一体式温度变送器的信号负端分别与该模拟量采集模块各通道的信号负端连接。

利用与热电偶传感器匹配的9根两芯补偿导线20分别将总温排架的1～9只热电偶温度传感器分别与3只热电偶模块中的9个通道连接。连接时，各所述热电偶温度传感器的信号正端分别与3只热电偶模块中的各通道的信号正端连接，各所述热电偶温度传感器的信号负端分别与3只热电偶模块中的各通道的信号负端连接。

按照图1配置铠装一体式温度变送器、贴片式温度传感器、温度变送器、数据采集控制器、模拟量采集模块和热电偶采集模块。其中各零部件的特征为：

铠装一体式温度变送器：包括传感器和变送器两部分，传感器采用PT100铂电阻传感器，传感器至变送器采用三线制连接方式，测温范围-250℃～100℃，精度A级；感温端保护管变径至1.9mm。变送器采用两线制4～20mA电流输出。整体响应时间：气体介质T_0.5<8s、液体介质T_0.5<1s。上述铠装一体式温度变送器性能参数相同，所不同的是安装位置和传感器保护管的插深长度，而插深长度约为所测管路直径的1/2。

贴片式温度传感器：四线制输出，测温范围-50℃～70℃，精度A级，可无缝安装于液氮喷注段洞体外壁。

温度变送器：两线制4～20mA电流输出，精度A级。

总温排架传感器11：该总温排架上均匀布置9个热电偶温度传感器，从稳定段底部起至顶部每间隔等距离布置一个T型热电偶，该热电偶温度传感器测温范围-30℃～60℃，精度0.5℃，响应时间T_0.9＝0.5s，采用专用的热电偶补偿导线。

数据采集控制器12：采用BECKOFF倍福嵌入式控制器，时钟频率1.6GHz，WinCE操作系统带实时系统环境。

模拟量采集模块13：8通道，分辨率12位，转换时间典型值1.25ms。

热电偶采集模块14：4通道，带开路识别，响应最快20ms,默认250ms，分辨率每数位0.01℃。数据采集控制器12、模拟量采集模块13、热电偶采集模块14通过E-BUS背板总线连接。

用信号电缆将1～4,7～10连接至模拟量采集模块13，用热电偶补偿导线将热电偶温度传感器分别连接至热电偶采集模块14，并分别进行硬件组态，然后对控制器和采集模块进行软件配置，确定分辨率和采样率等。

温度测量与数据采集系统工作的具体步骤为：数据采集控制器上电，然后打开降温系统控制程序，读取各传感器的初读数，判断传感器是否正常工作，数据采集控制器实时采集各传感器数值并进行软件滤波处理，同时对涉及系统安全的温度信号进行监控，以便其实施安全联锁保护，并将所有温度数据上传至风洞核心控制器进行存储显示。