一种水冷绕线式热流传感器及测量方法与流程

1.本发明涉及地面风洞试验的流场校测技术，更具体地说，涉及一种用于常规高超声速风洞、低密度风洞和电弧加热试验设备、燃烧风洞等高温高速气流中模型表面的热流测量场景中，具有长时间、宽量程测量效果的水冷绕线式热流传感器及热流测量方法。


背景技术：

2.高超声速飞行器在大气层中高速飞行时，会随着大气环境和自身速度的改变，在不同时段受到不同程度的气动热，从几kw/m2～几mw/m2不等。在设计飞行器热防护系统前，需要准确获取不同时段飞行器表面的具体热流大小。为了提高试验效率，在开展地面试验模拟时，往往同一次试验包含不同来流状态，以便模拟不同历程时的受热情况，这时就需要一种覆盖量程宽且可长时间测量不同来流状态的热流传感器。
3.目前常用的长时间热流传感器主要包括戈登计和水卡量热计。戈登计受测热原理限制要么只能测量低热流要么只能测量高热流无法兼顾跨度较大的高低量程；水卡量热计更适合测量高热流，测量低热流时水温差很小，导致测量误差很大甚至无法获得有效数据。故目前没有一种能兼顾高低热流且长时间测量的传感器，导致其在实际应用时的检测范围和检测效果均受限。


技术实现要素：

4.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。
5.为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水冷绕线式热流传感器，包括：
6.水冷式的壳体；
7.设置在壳体内，并与被测量位置相配合的热阻片；
8.沿热阻片长度方向绕设的康铜丝；
9.其中，在热阻片长度方向中间位置处，康铜丝两匝的间隙大于4倍康铜丝线径，以构建用于连接k型热电偶的安装区；
10.所述康铜丝在矩形块宽度方向上电镀一半铜以得到对应的镀铜康铜丝，且矩形块厚度方向的上下表面康铜和铜的节点数相等，所述康铜丝、镀铜康铜丝的引出端为t型热电偶的正负极线。
11.优选的是，所述壳体被配置为两段式结构，包括第一圆柱段和第二圆柱段第二圆柱段；
12.其中，第一圆柱段直径小于第二圆柱段直径，第一圆柱段的后端与第二圆柱段的前端相连；
13.所述第一圆柱段在与被测端相配合的一侧，沿轴线方向开设有容纳热阻片的3级台阶孔，且各级台阶在空间上呈与热阻片相配合的矩形结构；
14.所述热阻片设置在台阶孔的中间一级台阶上；
15.所述第二圆柱段上设置有供t型热电偶、k型热电偶的正负极线穿出的通孔，以及包容各通孔的沉槽。
16.优选的是，所述热阻片在与被测端相配合的一侧设置有第一防护胶层，在与安装区相配合的一侧设置有对k型热电偶位置进行限定的第二防护胶层；
17.且第一防护胶层、第二防护胶层的尺寸与台阶孔的三级台阶、一级台阶的尺寸相配合。
18.优选的是，所述t型热电偶的正负极线与通孔之间设置有相配合的导电银胶层；
19.所述沉槽内设置有对t型热电偶、k型热电偶的正负极线进行限定的环氧胶层。
20.优选的是，所述第二圆柱段上置有与界呈连通状的水冷通道，且水冷通道的进水孔、出水孔均设置在同一端面上；
21.所述进水孔、出水孔上分别设置有与外部水冷循环机构连通的进水管、出水管。
22.一种加工水冷绕线式热流传感器的方法，其特征在于，包括：
23.s10，将康铜丝沿着热阻片的长度方向缠绕在矩形块的表面，并保证热阻片长度方向中间位置两匝的间隙大于4康铜丝倍线径，构成k型热电偶安装区，而康铜丝其余匝与匝之间的间隙配置为康铜丝直径的一半；
24.s11，在绕好的康铜丝热阻片宽度方向上电镀一半铜，并保证矩形块厚度方向的上下表面康铜和铜的节点数相等，在热阻片长度方向两端预留外接t型热电偶正负极线的引出端；
25.s12，将k型热电偶正负极线的裸丝部分焊接为小球状，形成热电偶结点，用防护胶将热电偶结点粘贴到安装区，并至少覆盖绕好的康铜丝，得到第二防护层；
26.s13，将k型热电偶正负极线、以及引出端穿过第二圆柱段的通孔，并将热阻片安装到第一段圆柱的第二级台阶上，在确保热阻片四周均有间隙的前提下，用防护胶涂抹到热阻片的上表面，直至胶的高度与前端面等高，得到第一防护胶层；
27.s14，在t型热电偶正负极线的裸丝上涂抹导电银胶，并将其穿入至通孔中与对应的引出端接触，并在穿入后再次灌入导电银胶，确保引出端与t型热电偶正负极线导电性能；
28.s15，在沉槽内灌入环氧胶，得到对应的环氧胶层。
29.一种应用水冷绕线式热流传感器进行热流测量的方法，包括：
30.s20，对水冷绕线式热流传感器开展热流标定，热流标定方法采用比对标定方法，标定后可通过公式一获得传感器在不同温度t时的灵敏度系数η(t)：
[0031][0032]
其中，温度t以k型热电偶结点测得值为准；f(t)为温度t的多项式拟合函数，η0为温度t小于t0时的修正系数，t0一般小于100℃；
[0033]
s21，将装有水冷绕线式热流传感器的校测模型装入流场的快速送进机构，并将k型热电偶、t型热电偶的正负极线分别接入数采设备；
[0034]
s22，待流场稳定时，将校测模型送入流场核心区的指定位置，通过数采设备获得k型热电偶的温度曲线t(t)，t型热电偶输出的电压曲线u(t)，则可根据公式一、公式二获得
对应时刻热流q(t)：
[0035][0036]
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供一种水冷绕线式热流传感器，基于一维传热原理，通过热电偶串联成热电堆来提高测热灵敏度，进一步通过水冷式的壳体使得其可以适应高热流的测量，并基于标定系统和测得温度对高热流情况进行修正，故具有长时间、宽量程(可覆盖几kw/m2～几mw/m2量程区间)和高精度的测量效果。
[0037]
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
[0038]
图1为本发明实施例所述水冷绕线式热流传感器的剖面a-a结构示意图；
[0039]
图2为本发明实施例所述水冷绕线式热流传感器的俯视结构示意图；
[0040]
图3为图1中c的局部放大示意图；
[0041]
图中：1-水冷壳，2-进水管，3-出水管，4-热阻片，5-康铜丝，6-镀铜康铜丝，7-外接铜导线，8-外接康铜线，9-正极热偶线，10-负极热偶线，11-外表面防护胶，12-内表面防护胶，13-环氧胶，14-导电银胶。
具体实施方式
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0045]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
本发明提供了一种水冷绕线式热流传感器。这种水冷绕线式热流传感器具有响应快、灵敏度大、精度高、可长时间测量的特点，具体结构包括：
[0047]
水冷壳1，其外观为两段圆柱状，第一段圆柱(也称为第一圆柱段)直径小于第二段圆柱(也称为第二圆柱段)直径，第一段圆柱的后端与第二段的前端相连。第一段圆柱内部沿轴线方向开设有3级台阶沉孔，从内向外，依次为第一级、第二级和第三级，三级台阶孔均为矩形状，长宽比例一致。第一级台阶孔的长度小于第二级台阶孔，第二级台阶孔的长度小于第三级台阶孔。3个台阶孔总的深度大于热阻片深度，绕有线圈的热阻片将安装到第二级
台阶孔的端面上。第二段圆柱外圆周面为外螺纹，用于传感器与被测模型的装配固定。第二段圆柱与第一段圆柱相连的前端面上开设有放置密封圈的密封槽，用于传感器安装时的密封。第二段圆柱内部为水冷结构，设有水冷通道，在第二段圆柱的后端面上设有位置对称的水冷通道入口和水冷通道出口。在这种结构中，通过在第二圆柱段上增加水冷结构，增加了传感器耐温性，使得其可以有效测到几mw/m2的高热流，拓展其测量的量程。
[0048]
进一步地，在第二段圆柱的后端面上中间还设有一个沉孔(也称为沉槽，其覆盖了4个通孔所分布的区间，并通过通孔与第一圆柱段连通，同时为了方便后期各正负极线的连接，第二段圆柱的前端面上中间也设有覆盖了4个通孔所分布的区间的沉孔，但其内径小于后端面上的沉孔)，沉孔底面开有4个用于穿线的通孔，4个通孔贯穿到第一段圆柱的第一级台阶孔的底面。靠近中轴线的两个通孔为正极热偶线和负极热偶线的穿线孔；远离中轴线的两个通孔分别为康铜丝与外接康铜线、镀铜康铜丝与外接铜导线的连接孔，这两个孔的内壁面需做绝缘处理。
[0049]
进水管2，其为紫铜水管，壁厚0.5mm，外径略小于水冷通道入口，其中一端与水冷通道入口相连，另一端与外接系统供水口相连。
[0050]
出水管3，其为紫铜水管，壁厚0.5mm，外径略小于水冷通道出口，其中一端与水冷通道出口相连，另一端与外接系统回水口相连。
[0051]
热阻片4，其为矩形块结构，其长度略小于水冷壳第一段圆柱的第二级台阶孔长度，但大于水冷壳第一段圆柱的第一级台阶孔长度。其宽度略小于水冷壳第一段圆柱的第二级台阶孔宽度。其厚度略小于第二级台阶孔和第一级台阶孔的深度之和，在实际的应用中，康铜丝5需沿着热阻片的长度方向缠绕在矩形块的表面，要求匝数尽可能多，除了长度方向中间位置两匝的间隙需大于4倍线径(得到k型热电偶的安装区)外，其余匝与匝之间的间隙约为康铜丝直径的一半；镀铜康铜丝6在已经缠绕完成的康铜丝5的基础上形成，具体为在绕好的康铜丝5矩形块宽度方向上电镀一半铜，务必保证矩形块厚度方向的上下表面康铜和铜的节点数相等。长度方向两端的最后半圈康铜丝和半圈镀铜康铜丝需留够一定长度，将分别与外接康铜线8和外接铜线7相连。外接铜导线7为较粗的t型热电偶线的正极线，包括铜丝和耐高温绝缘皮。外接康铜线8为较粗的t型热电偶线的负极线，包括康铜丝和耐高温绝缘皮，在这种结构中，通过绕线方式将热电偶串联起来增加了传感器灵敏度，可以有效测到几kw/m2的低热流，同时由于热阻片很薄且热导率较高，测温热电偶测的温度值可近似为表面温度，可用于对流换热系数等流动参数的计算分析。
[0052]
正极热偶线9为耐高温k型热电偶正极线，包括镍铬丝和耐高温绝缘皮。负极热偶线10为耐高温k型热电偶负极线，包括镍硅丝和耐高温绝缘皮，在实际应用中，正极热偶线9、负极热偶线10在安装区与热阻片连接，用于测量热阻片表面的温度，k型热电偶作为测温热电偶，其测得温度值作为传感器灵敏度系数修正的重要依据，进一步提高了该传感器测量中高热流时的精准度。
[0053]
进一步地还包括：设置在热阻片上下端，对进行热阻片防护、隔离、限定的第二防护胶层，将热电偶固定在热阻片上的第一防护胶层，在与t型热电偶线的正负极线相配合的通孔内设置导电银胶层，保证t型热电偶线的正负极线与热阻片上康铜丝、镀铜康铜丝引出端的连接性和导电性，另外通过在沉槽内设置相配合的环氧胶层，对各正负极线进行限定、固定，保证其连接不受外力拉扯的限制。
[0054]
实施例1：
[0055]
先将进水管2焊接到水冷壳1的水冷通道入口，将出水管3焊接到水冷壳1的水冷通道出口，并开展通水保压试验，保压压力1mpa。
[0056]
将康铜丝5沿着热阻片4的长度方向进行缠绕，要求缠绕匝数尽可能多，除了长度方向中间位置两匝的间隙需大于4倍康铜丝线径外，其余匝与匝之间的间隙约为康铜丝直径的一半；在绕好的康铜丝5的热阻片宽度方向上电镀一半铜，务必保证热阻片厚度方向的上下表面康铜和铜的节点数相等。长度方向两端的最后半圈康铜丝和半圈镀铜康铜丝需留够一定长度，将分别与外接康铜线和外接铜线相连。
[0057]
将正极热偶线9和负极热偶线10的裸丝部分焊接为小球状，形成热电偶结点，用内表面防护胶12将该热电偶结点粘贴到热阻片下表面中间未绕有康铜丝的位置。
[0058]
将康铜丝5、镀铜康铜丝6、正极热偶线9、负极热偶线10依次穿过水冷壳中间沉孔端面的4个穿线孔。并将热阻片安装到水冷壳第一段圆柱的第二级台阶孔上，此时热阻片应略低于水冷壳前端面，且确保四周均有间隙的前提下，用外防护胶涂抹到热阻片的上表面，直至胶的高度与前端面等高。
[0059]
导电银胶14需涂抹到外接铜导线7和外接康铜线8的裸丝上，外接铜导线的裸丝插入到穿有镀铜康铜丝6的孔中，外接康铜导线的裸丝插入到穿有康铜丝5的孔中，穿入后在这两个孔中尽量多灌入一些导电银胶14，确保外接铜线和外接康铜导线导电良好。
[0060]
最后用环氧胶13将外接铜导线7、外接康铜线8、正极热偶线9、负极热偶线10固定到水冷壳第二圆柱段的沉孔中。
[0061]
本发明还提供了一种如上所述的水冷绕线式热流传感器的热流测量方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤一：对水冷绕线式热流传感器开展热流标定，热流标定方法采用通用的比对标定方法，标定后可获得该传感器在不同温度t时的灵敏度系数η(t)，具体如式(1)所示
[0063][0064]
其中，温度t以传感器正极热偶线和负极热偶线形成的k型热电偶结点测得值为准，单位为摄氏度(℃)；t0一般小于100℃，因传感器工艺不同，会略有差别；f(t)为温度t的多项式拟合函数，单位与η0一样，具体表达式根据标定数据拟合得到。
[0065]
步骤二：将装有水冷绕线式热流传感器的校测模型，装入流场的快速送进机构，并将外接铜线与外接康铜线、正极热偶线与负极热偶线分别接入数采设备。
[0066]
步骤三：待流场稳定时，将校测模型送入流场核心区的指定位置，通过数采设备获得水冷绕线式热流传感器正极热偶线与负极热偶线输出的温度曲线t(t)，和外接铜线与外接康铜线输出的电压曲线u(t)。则可根据式(1)和式(2)获得对应时刻热流。
[0067][0068]
实施本发明的水冷绕线式热流传感器及测量方法，具有如下优点：1)以绕线方式将热电偶串联起来增加了传感器灵敏度，可以有效测到几kw/m2的低热流；2)水冷结构增加了传感器耐温性，可以有效测到几mw/m2的高热流；3)设置了测温热电偶，热电偶测的温度
值作为传感器灵敏度系数修正的重要依据，进一步提高了该传感器测量中高热流时的精准度；另一方面由于热阻片很薄且热导率较高，测温热电偶测的温度值可近似为表面温度，可用于对流换热系数等流动参数的计算分析。
[0069]
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
[0070]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0071]
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。