CN103353355A - 一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，包括防护壳体、与测量组件；测量组件为两套与相同方式安装在防护壳体前端面的固定底座上；测量组件中冷却套安装在固定底座上开设的通孔内；冷却套内安装有内外套接的进水管与出水管。外部依次套有隔热内套与隔热外套的测量柱，固定安装在固定底座前端面上；且测量柱的中部与后部个连接一个热电偶的电热端。通过上述结构，构成本发明温度、热流测量传感器，采用双热电堆，既可测量到达测量端面的热流，又可测量与测量柱端面接触的气体或者固体温度。本发明的优点为：可长时间工作在高温环境下，工作最高允许温度可达1300℃，可实现温度和热流的双参数测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器,具体来说,是一种可用于高温环境(温度可达1300℃)下的温度、热流两用传感器，可用于气体、固体等的温度或热流测量。
背景技术
火箭、飞机等航天器发动机是航天器的灵魂，针对这些发动机的研究一直在持续中，其中发动机的热防护是研究重点之一。
热流和温度是热防护的两个重要参数，但是由于发动机的燃气温度很高，可达上千摄氏度，现有的高温热流传感器工作温度大多不超过800℃，无法满足长时间测量的要求；同时发动机壁面温度也很高，可达上千摄氏度，市场上的直接测温装置也无法满足测量要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种可用于高温环境下的温度、热流测量传感器。
一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：包括防护壳体、固定底座以及由测量柱、隔热内套、隔热外套、冷却套、出水管、进水管与两个热电偶构成的测量组件。
所述防护壳体为筒状结构，前端面安装有固定底座，固定底座上开有两个安装孔；测量组件为两套，每个安装孔处采用相同方式安装一套测量组件。
所述测量组件中冷却套为一端封闭的筒状结构，封闭一端伸入固定底座上的安装孔内，与安装孔间配合固定；隔热内套套在测量柱外侧，隔热内套与测量柱的末端均与冷却套封闭端端面固定；隔热外套套在隔热内套外侧，使测量柱前端与隔热外套前端面开设的通口间固定。
所述出水管设置在冷却套内，出水管后部与冷却套焊接，前部与与冷却套间具有间隙；出水管侧壁上开设有出水孔；出水管内部进水管设置于出水管内部；进水管周向与出水管前端周向上具有内向连接边缘固连，使进水管与出水管间具有间隙。
所述两个热电偶的电热端通过银焊分别与测量柱的中部与后部连接。
通过上述结构，构成本发明温度、热流测量传感器，采用双热电堆，既可测量到达测量端面的热流，又可测量与测量柱端面接触的气体或者固体温度。
本发明的优点在于：
1、本发明温度、热流测量传感器，可长时间工作在高温环境下，工作最高允许温度可达1300℃，可实现温度和热流的双参数测量；
2、本发明温度、热流测量传感器，可有效减少对测量柱的热辐射和热传导；
3、本发明温度、热流测量传感器，可阻碍气体对流，极大降低外界气体与内部气体的热交换。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明整体结构剖视图。
图中：
1-防护壳体 2-固定底座 3-测量组件
301-测量柱 302-隔热内套 303-隔热外套 304-冷却套
305-出水管 306-进水管 307-热电偶 308-环槽
具体实施方式
下面结合附图来对本发明做进一步说明。
本发明温度、热流测量传感器，包括防护壳体1、固定底座2以及由测量柱301、隔热内套302、隔热外套303、冷却套304、出水管305、进水管306与两个热电偶307构成的测量组件3；
所述防护壳体1为筒状结构，前端面安装有固定底座2，固定底座2上开有两个安装孔。测量组件3为两套，每个安装孔处以相同方式安装一套测量组件3。以一套测量组件3为例，对本发明中测量组件3的结构及安装方式进行说明：
测量组件3中冷却套304为一端封闭的筒状结构，封闭一端伸入固定底座2上的安装孔内，与固定底座2前侧面齐平，并将冷却套304周向上与安装孔配合并焊接固定，实现冷却套304与固定底座2间的固定。冷却套304封闭一端端面上开有具有内外两层的台阶结构安装槽，用来定位测量柱301与隔热内套302。
所述测量柱301末端嵌入内层安装槽内，与内层安装槽间通过导热胶粘接固定；隔热内套302同轴套在测量柱301外侧，末端嵌入外层安装槽内，与外层安装槽间通过导热胶粘接固定。隔热外套303同轴套在隔热内套302外侧，前端封闭，开有通口，使测量柱301前端伸入通口与通口间通过高温胶粘合固定，并使测量柱301前端面与隔热外套303前端面齐平。上述隔热内套302与测量柱301间具有间隙，隔热内套302与隔热外套303间具有空隙，且隔热内套302侧壁周向上等间隔设计有环槽308，由此可防止被测高温气体与固体的热传导，影响测量精度。
所述出水管305同轴设置在冷却套304内，出水管305侧壁周向上均匀开设有4个出水孔308；出水管305内部同轴设置有进水管306；出水管305后部周向外壁上具有外突部分，通过外突部分与冷却套304焊接，实现出水管306与冷却套304间的固定，由此使出水管305与冷却套304间具有间隙，作为出水通道A。出水管305前端周向上具有内向连接边缘，通过连接边缘与进水管306焊接，实现进水管306与出水管305间的固定，且使进水管306与出水管305间具有间隙，作为出水通道B。由此通过进水管306注入冷却水，通过冷却水对冷却套进行冷却后，冷却水由出水通道A和出水通道B流出。
所述两个热电偶307的电热端通过银焊分别与测量柱301的中部与后部连接，具体为：冷却套304侧壁上开设有引线槽，引线槽连通隔热内套302和测量柱301间的间隙，由此使两个热电偶307的电热端穿过引线槽后进入接线通道，用高温胶对引线槽填充，以达到对偶丝的密封固定，实现与测量柱301的连接。
本发明中测量柱301和防护套304均采用镍基高温合金制成，可承受1300℃的高温；隔热外套303采用硅酸铝陶瓷纤维或其它高温绝热材料制成，其余部分均材采用不锈钢制成。
通过上述结构，构成本发明温度、热流测量传感器，采用双热电堆，既可测量到达测量端面的热流，又可测量与测量柱301端面接触的气体或者固体温度；具体方法如下：令两套测量组件分别为第一测量组件与第二测量组件，首先向两套测量组件中进水管306分别通入温度C1、流速V1与温度C2、流速V2的冷却液体，C1<C2，V1>V2；由此可尽量增大第一测量组件与第二测量组件中两个测量柱301底端的温差，使温度测量更准确。温度低的第一测量组件中冷却液流速高，可加快热交换，使第一测量组件中的测量柱301底端温度相比于第二 测量组件的测量柱301底端温度更低；本发明中C1为0℃，C2为80℃。
通过两套测量组件中四个热电偶分别测量得到第一测量组件中测量柱301中部与底部的温度T1中、T1底，以及第二测量组件中测量柱301中部与底部的温度T2中、T2底，则到达两套测量组件中测量柱301端面的热流密度为：
其中，k1为第一测量组件中测量柱301整体修正系数（通过标定确定，修正热辐射以及材料热导率随温度的变化），k2为第二测量组件中测量柱301整体修正系数；λ表示测量柱301的热导率，h测量柱301的高度，h1为第一测量组件中两个热电偶307电热端间沿测量柱轴线的距离；h2为第二测量组件中两个热电偶307电热端间沿测量柱轴线的距离。
气流的温度为：
其中，k′1为第一测量组件中两个热电偶307之间的部分测量柱301修正系数（与k1不同之处在于，k1是对第一测量组件中整个测量柱301进行修正，而k只是针对第一测量组件中两个热电偶307之间的部分测量柱301修正）；k′2为第二测量组件中两个热电偶307之间的部分测量柱301修正系数；h'表示测量柱301高度。
固体的温度为：
Claims (10)
1.一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：包括防护壳体、固定底座以及由测量柱、隔热内套、隔热外套、冷却套、出水管、进水管与两个热电偶构成的测量组件；
所述防护壳体为筒状结构，前端面安装有固定底座，固定底座上开有两个安装孔；测量组件为两套，每个安装孔处采用相同方式安装一套测量组件；
所述测量组件中冷却套为一端封闭的筒状结构，封闭一端伸入固定底座上的安装孔内，与安装孔间配合固定；隔热内套套在测量柱外侧，隔热内套与测量柱的末端均与冷却套封闭端端面固定；隔热外套套在隔热内套外侧，使测量柱前端与隔热外套前端面开设的通口间固定；
所述出水管设置在冷却套内，出水管后部与冷却套焊接，前部与冷却套间具有间隙；出水管侧壁上开设有出水孔；出水管内部进水管设置于出水管内部；进水管周向与出水管前端周向上具有内向连接边缘固连，使进水管与出水管间具有间隙；
所述两个热电偶的电热端通过银焊分别与测量柱的中部与后部连接。
2.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述冷却套封闭一端端面与固定底座前侧面齐平。
3.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述隔热内套与测量柱的末端分别通过冷却套端面上设计的内外两层定位槽，实现在冷却套端面上的定位。
4.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述测量柱前端面与隔热外套前端面齐平。
5.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述隔热内套与测量柱间具有间隙，隔热内套与隔热外套间具有空隙，且隔热内套侧壁周向上等间隔设计有环槽。
6.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述出水管侧壁周向上均匀开设有4个出水孔。
7.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述冷却套侧壁上开设的引线槽，引线槽连通隔热内套和测量柱间的间隙，作为热电偶的电热端接线通道。
8.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：所述测量柱和防护套均采用镍基高温合金制成；隔热外套采用高温绝热材料制成，其余部分均材采用不锈钢制成。
9.如权利要求8所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：高温绝热材料为硅酸铝陶瓷纤维。
10.如权利要求1所述一种用于高温环境下的温度、热流测量的传感器，其特征在于：令两套测量组件分别为第一测量组件与第二测量组件，首先向两套测量组件中进水管分别通入温度C1、流速V1与温度C2、流速V2的冷却液体，C1<C2，V1>V2；通过两套测量组件中四个热电偶分别测量得到第一测量组件中测量柱中部与底部的温度T1中、T1底，以及第二测量组件中测量柱中部与底部的温度T2中、T2底，则到达两套测量组件中测量柱端面的热流密度为：
其中，k1为第一测量组件中测量柱整体修正系数，k2为第二测量组件中测量柱整体修正系数；λ表示测量柱的热导率，h测量柱的高度，h1为第一测量组件中两个热电偶电热端间的距离；h2为第二测量组件中两个热电偶电热端间的距离；
气流的温度为：
其中，k′1为第一测量组件中两个热电偶之间的部分测量柱修正系数；k′2为第二测量组件中两个热电偶之间的部分测量柱修正系数；h'表示测量柱高度。
固体的温度为：
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