[發明專利]一種瞬態熱流傳感器及其測試方法

在審

• 申請號: 202010961672.4
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN111947882A
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 王輝;程光輝;吳東;朱新新;楊凱;朱濤;楊遠劍
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06;G01M9/04;G01K17/00;G01K19/00
• 代理公司: 北京遠大卓悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11369
• 代理人: 賈曉燕

1.一種瞬態熱流傳感器，其特征在于，包括：

熱流傳感器封裝外殼體，其為T型結構；所述熱流傳感器封裝外殼體的內部具有T型容納通腔；

熱流傳感器本體，其包括：

無氧銅傳熱體，其設置在T型容納通腔內，所述無氧銅傳熱體的前端開設有徑向通孔；所述無氧銅傳熱體的前端部與T型容納通腔的較小端前緣保持過渡配合且與無氧銅傳熱體的前端面齊平；所述無氧銅傳熱體的后段一體成型設置有無氧銅傳熱體法蘭盤；且所述無氧銅傳熱體法蘭盤位于T型容納通腔的較大端；所述無氧銅傳熱體法蘭盤固定在上層氧化鋯墊圈和下層氧化鋯墊圈之間；

兩根單孔剛玉管，其分別位于無氧銅傳熱體和熱流傳感器封裝外殼體內壁之間，且兩根單孔剛玉管穿過無氧銅傳熱體法蘭盤；兩根單孔剛玉管的前端部均低于無氧銅傳熱體的徑向通孔；

過渡連接部件，其上端連接在上層氧化鋯墊圈和熱流傳感器封裝外殼體內壁之間；且所述過渡連接部件的上端與熱流傳感器封裝外殼體的內壁可拆卸連接；

尾蓋，其與過渡連接部件可拆卸連接，且所述過渡連接部件的下端連接在下層氧化鋯墊圈和尾蓋內壁之間；

依次可拆卸連接在尾蓋的后端面上的云母墊片和不銹鋼壓片，所述云母墊片和不銹鋼壓片上均設置有無絕緣層對接型熱電偶絲和無氧銅傳熱體穿出的通孔；所述兩根單孔剛玉管的末端位于云母墊片的通孔內；

其中，無絕緣層對接型熱電偶絲穿過徑向通孔，使其測溫接點位于徑向通孔中間位置并保持緊配合；在無氧銅傳熱體徑向通孔兩側出口外部裸露的對接型熱電偶絲分別從兩根單孔剛玉管穿過，并用高溫環氧樹脂膠在不銹鋼壓片出口位置將其固定。

2.如權利要求1所述的瞬態熱流傳感器，其特征在于，所述熱流傳感器封裝外殼體為T型圓柱結構。

3.如權利要求1所述的瞬態熱流傳感器，其特征在于，所述的無氧銅傳熱體為變直徑的圓柱體形的結構，從前段到后部直徑分別為Φ2.4mm、Φ2mm、Φ2.5mm和Φ2mm，總長40mm；所述無氧銅傳熱體徑向通孔的內徑為Φ0.2mm；所述無氧銅傳熱體前端部與T型容納通腔的較小端前緣保持過渡配合的臺階高度為0.3mm。

4.如權利要求1所述的瞬態熱流傳感器，其特征在于，所述兩根單孔剛玉管的外徑為Φ0.9mm，內徑為Φ0.4mm，長度34.5mm；所述單孔剛玉管的頭部距離無氧銅傳熱體徑向通孔中心線的距離為0.4mm。

5.如權利要求1所述的動態熱流傳感器，其特征在于，所述熱流傳感器封裝外殼體頭部的外部為長度為1mm，直徑為6mm，隨后為長度為10mm的M8×0.75的細外螺紋。

6.如權利要求1所述的動態熱流傳感器，其特征在于，所述過渡連接部件的上端與熱流傳感器封裝外殼體的內壁可拆卸連接的方式為：所述過渡連接部件上設置有外螺紋，所述熱流傳感器封裝外殼體的內壁設置有內螺紋Ⅰ，通過外螺紋和內螺紋Ⅰ實現螺紋連接；且所述熱流傳感器封裝外殼體的外側連接有固定過渡連接部件的防松動無頭螺釘。

7.如權利要求1所述的動態熱流傳感器，其特征在于，所述尾蓋與過渡連接部件可拆卸連接的方式為：所述過渡連接部件上設置有外螺紋，所述尾蓋的內壁設置有內螺紋Ⅱ，通過外螺紋和內螺紋Ⅱ實現螺紋連接；且所述尾蓋的外側連接有固定過渡連接部件的防松動無頭螺釘。

8.如權利要求1所述的動態熱流傳感器，其特征在于，所述云母墊片和不銹鋼壓片通過壓緊螺釘可拆卸連接在尾蓋的后端面上。

9.一種采用如權利要求1～8任一項所述的瞬態熱流傳感器進行瞬態熱流測試的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、根據瞬態熱流傳感器的無絕緣層對接型熱電偶絲在無氧銅傳熱體徑向通孔中心位置測試溫度數據信號T(k)，采樣時間間隔為Δt；

步驟二、根據能量守恒原則，結合熱容吸熱和一維半無限體傳熱，給出一種混合瞬態熱流測試方法，計算公式如下：

其中，q(k)為示值熱流，ρ、C、K分別為無氧銅傳熱體的密度，單位kg/m³、比熱，單位J/kg·K和導熱系數，單位W/m·K；t_k＝kΔt；h₁為無氧銅傳熱體的徑向通孔中心線與瞬態熱流傳感器前端面之間的距離；

步驟三、采用步驟一所測溫度數據T(k)，根據步驟二所給計算公式，計算出時間序列熱流值q(k)；考慮到熱容響應時間和半無限體傳熱假設有效時長，設0時刻為輸入熱流起始時刻，則根據上述計算公式獲得的有效熱流數據時間范圍為：

其中，h₂為無氧銅傳熱體徑向通孔中心線與無氧銅傳熱體第二個臺階面之間的距離；

步驟四、考慮到熱電偶絲測溫誤差和無氧銅傳熱體頭部存在高度0.3mm的異徑臺階影響熱流測試準確度，因此需要在熱流傳感器標定試驗平臺進行校準，獲得矯正系數c_r，即

其中，q_c為已知標定熱流；q(k)為利用在q_c熱流輸入下的瞬態熱流傳感器溫度測試數據T(k)，根據步驟二和步驟三獲得的示值熱流；

步驟五、在電弧風洞或電弧加熱器試驗現場，用已標定的瞬態熱流傳感器進行熱流測試，獲得熱流傳感器溫度響應T(k)數據，結合步驟二、三、四，測試出高溫流場環境中的熱流數據q_e(k)＝c_rq(k)。