一种高温气体标准源辐射系统的制作方法

1.本发明涉及一种源辐射系统，具体涉及一种高温气体标准源辐射系统。


背景技术：

2.固体火箭发动机尾焰常呈现高温、高速和非平衡流动态特征。了解尾焰温度对发动机推进剂配方优化、推进剂燃烧场分析、热防护材料性能评估、喷管转化效率提升等具有重要意义。然而因发动机尾焰组成成份异常复杂，对于尾焰温度的表征和测试，不仅要考虑固体颗粒对温度测量的影响，还要考虑气体组份对温度测量的影响。尤其对于气体光谱信息反演温度时候，浓度分析、二次燃烧、温度差、气固两相流特性等因素对气体材料光谱发射率影响较大，极大增加了真温测量难度。
3.目前温度测量方法大致分为两种：即接触式测温和非接触式测温。前者中热电偶和热电阻应用最广泛；后者中主要以辐射测温法为主。其中辐射测温法中常使用的测量工具包括单波长温度计、比色温度计以及全波长辐射温度计。辐射测温法普遍测的并不是对象的实际温度，只是分别为亮度温度、颜色温度及辐射温度等，求得真温的前提需要已知被测对象的材料发射率。因此材料的发射率是否准确直接关系到所测温度的精确度。在材料发射率相关研究中，应用较为成熟的研究思路主要分为以下几种：第一种即事先构建测试平台测得物体材料发射率，并根据所得数据对测试结果进行修正。该种方法应用范围较广。为了提高测试精度，有时需要减少发射率影响，即逼近黑体法，但受被测对象限制较多。间接测量法，通过测被测对象反射率来求得发射率进而求得真温。多光谱辐射测温法通过获得多个被测对象辐射亮度信息求解方程获得物体的光谱发射率。以上方法针对准静态或实验室环境下的固体材料能取得较好的测试效果。对于固体火箭发动机尾焰而言，其组成成分不仅含有固体颗粒，还有混合气体组分。对于气体组份特征光谱发射率的测量，目前国内相关研究还较少，而国外方面也只是给了一些特征温度点，并没有针对测量温度校准而建立气体特征光谱发射率数据库。因此为了修正固发尾焰温度测试数据，有必要针对尾焰气体组份建立气体特征光谱发射率数据库。
4.目前针对固体火箭发动机尾焰真温测量技术，常采用接触式测温和辐射测温等手段。接触式测温方面采用热电偶对火焰温度进行测量，虽然可以得到尾焰的一部分真实温度数据。但因热电偶的介入会改变被测对象原温度场分布，尤其在高温阶段，因热流冲击以及高温加热，测量工具会过早失效甚至损坏。并且接触式测温测得动温和静温之间存在误差。而在辐射测温技术方面，其测试精准度与被测对象的实际工况联系密切，往往在准静态或者实验室环境可取得较理想测试结果。在固体火箭发动机地面点火试验中，尾焰有效成分中包含固体颗粒以及气相组份，采用辐射测温法测量尾焰真温，被测固体颗粒光谱信息复杂，造成测量有效特征信息识别困难。而气体辐射窄带光谱信息相对较少，特征识别较为容易。目前国内外对该种方法的研究尤其针对固体火箭发动机尾焰温度测试领域的应用研究还较少，对于固发尾焰温度测量校准还没有较为有效的办法。有必要针对固体火箭发动机尾焰气体组份构建标准混合气体光谱发射率测试系统，获得混合气体光谱发射率数据
库，修正尾焰温度辐射测量结果，进而精确获得固体火箭发动机尾焰真温。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种高温气体标准源辐射系统，以解决现有固体火箭发动机尾焰温度测量中气体组份温度误差修正，实现固体火箭发动机尾焰真温精准测量的问题。
6.为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高温气体标准源辐射系统，包括气体混合装置、液体气化仪、水冷却系统和高温加热炉，所述气体混合装置和液体气化仪分别与混合气体止回阀连接后再与高温加热炉的管式炉进气口连接，气体混合装置将指定的气体源按照要求的浓度和比例进行混合，液体气化仪对液态水加热得到指定浓度的水蒸气气体，经气体混合装置混合后的气体源与经液体气化仪加热得到的水蒸气气体在混合气体止回阀管路中混合后的混合气体通过管式炉进气口输送到高温加热炉中；所述高温加热炉的主体为高温加热炉管，高温加热炉管的两侧面安装有待测气体特征光谱高透过率玻璃；高温加热炉管的两侧分别设置有管式炉进气口和管式炉出气口，混合气体通过管式炉进气口输送到高温加热炉管中进行加热，然后经管式炉出气口排出；高温加热炉管上设置有标准热电偶，用于实时监测高温加热炉管内气体的实时温度；所述水冷却系统通过冷却水入口、冷却水出口与高温加热炉连接，并通过高温加热炉管上安装的冷却装置对待测气体特征光谱高透过率玻璃窗口进行冷却。
7.进一步地，本发明所述高温加热炉管的管式炉进气口和管式炉出气口的管路上分别安装有压力表和进气止回阀与出气止回阀。
8.进一步地，本发明所述高温气体标准源辐射系统还包括辐射高温计，辐射高温计通过待测气体特征光谱高透过率玻璃窗口测量高温气体辐射温度。
9.进一步地，本发明所述高温气体标准源辐射系统还包括真空系统，真空系统与高温加热炉管的管式炉出气口连接，真空系统通过将内部空腔抽真空，使得高温加热炉管内部的气压远高于高温加热炉管外部，实现高温加热炉管内的气体排出。
10.本发明通过构建一个浓度和温度可调的标准气体源辐射系统，通过特征光谱的开放窗口，利用高温辐射计加窄带滤光片进行测量，并与标准热电偶进行对比，得到不同浓度下不同温度下混合气体发射率。
11.本发明不仅针对固体火箭发动机尾焰混合气体标准源的构建，同时也可应用于液体火箭发动机、航空发动机、燃气轮机等领域真温测量技术的研究
12.有益效果
13.本发明可以解决固体火箭发动机尾焰气体组份发射率未知，无法对测量结果进行修正的问题，提高尾焰温度测量精度。可以构建本平台建立混合气体发射率数据库，所搭建平台更加便于不同气体不同浓度不同温度气体光谱发射率测量。
附图说明
14.图1是高温气体标准源辐射系统工作结构原理图，图中标号分别表示如下：1-气体混合装置：11-标准流量计：12-混合气体止回阀：2-液体气化仪；3-水冷却系统；4-高温加热炉；41-待测气体特征光谱高透过率玻璃；42-不锈钢连接法兰；43
‑‑
冷却水入口；44-冷却水
出口；45-管式炉进气口；46-进气止回阀；47-压力表；48-标准热电偶；49-加热炉管；410管式炉出气口；411出气止回阀；5-高温辐射计；6-真空系统；
15.图2h2o特征光谱；
16.图3co2特征光谱；
17.图4co特征光谱。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明要保护的范围做出更为明确的界定。
19.如图1所示，本发明用于构建高温气体标准源辐射系统，获得不同组份不同浓度不同温度混合气体光谱发射率数据。包括以下组成部分：一个气体混合装置1、一个液体气化仪2、一个水冷却系统3、一个高温加热炉4、一个真空系统6。
20.气体混合装置1，能够将指定的气体源按照要求的浓度，比例进行混合，精确得到所要求浓度的气体标准源，保证混合气体浓度控制精度在100ppm。
21.标准流量计11，通过标准流量计测量并经过相应公式换算得到输入混合气体的浓度。
22.混合气体止回阀12，通过止回阀控制对应标准气体源的输入控制。
23.液体气化仪2，对液态水加热得到指定浓度的水蒸气气体。与气体混合装置1中的标准气体源混合后输送混合气体。
24.水冷却系统3，通过冷却水入口43、冷却水出口44与高温加热炉4连接。循环水对待测气体特征光谱高透过率玻璃窗口进行冷却，防止玻璃窗口光谱透过率因高温气体干扰而发生变化，观测窗口玻璃材料在高温下发生高温反应，材料的理化性质发生变化，影响气体特征光谱的不确定度，同时循环水降温还可以提高材料的强度，提高材料可靠性。
25.高温加热炉4，包括待测气体特征光谱高透过率玻璃41，不锈钢连接法兰盘42，进气止回阀46，压力表47，标准热电偶48，高温加热炉管49，出气止回阀411。混合气体经管式炉进气口45进入高温加热炉管4，压力表47实时监测进气口气体压力变化。气体在高温加热炉管4进行加热，通过标准热电偶48实时监测管内气体实时温度。通过管式炉出气口410排出加热炉管。在此过程中，水冷却系统3中循环水经冷却水入口43进入，经冷却水出口44排出。
26.通过高温加热炉管49对按照确定比例确定浓度气体进行加热到指定温度，其材料强度和密封性指标满足炉内压强不大于1.5个标准大气压，高温加热炉同时满足温控精度为
±
1℃(加热温度可达1650℃)。
27.辐射高温计5，带标准窄带滤光片，通过观测窗口测量高温气体辐射温度，并与实际气体温度进行相关的计算可以测得气体组分发射率。
28.真空系统6，通过将内部空腔抽真空，使得高温加热炉内气压远高于炉外，实现炉内气压顺利排出。
29.本发明通过标准气体混合装置可以将co2、n2等气体实现浓度精准配比。通过液化气化仪可以将液态水转化为水蒸气气体。并对加热管及其配属零件结构进行专门设计，便于气体的出入以及后续的观察测试工作，加入水冷却系统，对石英观察窗口冷却，提高结构
可靠性，降低高温对观测窗口理化性质影响，消除校准误差。
30.本发明通过实验测到部分气体组分特征光谱如下图2－4所示。