專利名稱：用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于測量超高溫流動氣體射流的溫度、速度、組分及其分布的探針，特別是涉及一種用于測量超高溫流動氣體射流的溫度、速度、組分及其分布的減擾焓探針。
背景技術(shù)：
在航空航天、機械加工、冶金、化工以及生物工程領域廣泛應用的熱等離子體，其氣體溫度一般在3000-20000K，常規(guī)測溫所用的熱電偶在這種情況下是無法使用的。在這種超高溫的條件下，根據(jù)氣體的壓力、溫度、以及氣體種類的不同，其電離度和處于各種激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)密度也相應變化，因此，對這種等離子體射流的溫度測量，常采用光譜診斷的方法測量其氣體溫度與分布。光譜測量方法為非接觸式，由檢測高溫氣體發(fā)出的一定特征的譜線及其強度來導出氣體的溫度，對氣體射流本身不產(chǎn)生任何外加擾動。但是光譜測量的方法一般設備比較昂貴，需要比較復雜深奧的專門知識，并且對被測對象的狀態(tài)有很多的限定，例如光學薄、軸對稱、處于局域熱力學平衡狀態(tài)等等，如果不滿足這些要求，測量的難度將大大增加、得到結(jié)果的誤差也很大，然而，實際的超高溫部分電離氣體射流都不同程度地偏離這些要求，因此，很難判斷測量結(jié)果的準確性。
水冷焓探針是另一種常用的測量超高溫氣體溫度的手段，這類焓探針的結(jié)構(gòu)大致有兩種，一種是探針桿體橫跨氣體流動方向，而在桿體中心開有一個小孔，使開孔迎著被測點的來流；另一種是在探針桿的端頭開有一個小孔，端頭直對來流方向，而桿體則順著氣體流動方向放置。橫跨氣流方向的探針測量在同樣桿徑的情況下對氣流的擾動比較大，并且在沿著或垂直于桿體方向?qū)饬鞯臄_動不同，因此，現(xiàn)在實際使用的基本上是端頭直對來流方向的桿狀焓探針，例如文獻1.J.Grey，Cooledelectrostatic probes，ibid.，Chapter 6，1976中所介紹的焓探針。這種焓探針從探頭到桿身以至探針支座整體制成一體結(jié)構(gòu)，探針頭部為圓形，中心有一直徑很小的孔，通向后端的排氣系統(tǒng)，通氣孔外周水冷；為了能夠測量很高的氣體溫度，焓探針需要很好的冷卻效果，冷卻水必須流過端頭附近，而不能在端頭部形成水流的死區(qū)，否則探針將被燒壞；而為了減少對被測氣流的擾動，應盡量減小探頭和探針桿的尺寸，因此探針內(nèi)部水路通道很小，需要采用高壓水泵，將進水口處的壓力增至50公斤/平方厘米以上，以此提高水流量來保證冷卻效果；由于一般的加工技術(shù)所能制造的探針桿徑很難小于5mm，同時，測量時探針插入所需測量的位置，因而不可避免地將對高溫被測氣體自身的流動產(chǎn)生擾動；減小探針尺寸是降低擾動的最有效方法，然而，特殊的加工技術(shù)將使探針的價格猛增，使一般的需求者無法承受；再加之目前的焓探針都為整體結(jié)構(gòu)，等離子體射流的最高溫度經(jīng)常超過一萬度，特別是當射流氣體中添加了氫等熱導率高的氣體時，而探針的可測量的范圍大致在數(shù)千度，更高溫度范圍的嘗試需要特別小心，否則探針頭部將可能被燒損而導致探針整體報廢。這更使一般的使用者難以接受，也限制了對探針實際使用范圍的嘗試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的缺陷；為了降低制造成本、提高使用效果、擴大使用范圍；提供一種錐形且可換接頭部的焓探針，用于測量超高溫流動氣體射流的溫度及其分布的參數(shù)，在簡化冷卻水系統(tǒng)的情況下能減小測量中對氣體流動的擾動的焓探針。
本發(fā)明提供的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，包括一根探針桿外管6，在其內(nèi)套入探針內(nèi)管2，在探針桿外管6與探針內(nèi)管2之間插入一進出水分離管4，三根管子同軸安裝；其特征在于所述的探針桿外管6頭部安裝一可拆卸的錐形外殼頭罩7，錐形外殼頭罩7中心開有圓孔8，錐形外殼頭罩7與探針內(nèi)管2之間為螺紋配合；所述的進出水分離管4的頭部呈錐形。
在上述的技術(shù)方案中，所述的錐形外殼頭罩7的錐度范圍為8°-90°。
在上述的技術(shù)方案中，所述的錐形外殼頭罩7中心圓孔8的孔徑大小，根據(jù)對空間分辨率的不同測量要求，選擇不同的探頭中心開孔尺寸；優(yōu)選的錐形外殼頭罩7中心圓孔8的孔徑范圍為0.3-0.8mm，來保證測量結(jié)果有較高的空間分辨率及測量靈敏度。
在上述的技術(shù)方案中，所述的進出水分離管4其錐形頭部的錐度小于錐形外殼頭罩7的內(nèi)壁錐度。
在上述的技術(shù)方案中，所述的探針桿外管6、探針內(nèi)管2與進出水分離管4之間的距離遵從水流量相同的原則來確定。
在上述的技術(shù)方案中，所述的探針內(nèi)管選用成型紫銅管，壁度僅為0.15mm，可保證良好的導熱性能。
在上述的技術(shù)方案中，所述的探針桿外管長度可做到50mm，以減少對射流的擾動。
本發(fā)明的特點在于1)本發(fā)明的可換接的錐形頭焓探針設計，該探針的頭部外殼為一件可與探針桿體分離的錐形殼罩，可將其看作易更換的消耗件。根據(jù)對空間分辨率的不同測量要求，選擇不同的探頭中心開孔尺寸，在意外誤操作或氣體溫度過高等因素造成探針頭部外殼燒蝕時，僅換接該錐形外殼即可完全重新恢復使用功能。因此，可以不必過分小心保守地縮小其使用范圍，因為探頭燒壞也不會造成大的損失。
2)本發(fā)明的探針桿體的探針內(nèi)管2、進出水分離管4、探針桿外管6采用了成形薄壁管，可使探針桿身外徑尺寸降至4mm的情況下，有充分的冷卻水路通道，因此測量系統(tǒng)如圖2所示不需要采用高壓水泵，在進水口壓力為4公斤/平方厘米的條件下能夠正常工作，已用于測量溫度高達15000K的純氬等離子體射流而探頭不被燒損。在探針桿身外徑尺寸為4mm的情況下，錐形外殼頭罩7的錐頭未圓滑直徑9可做到1.5mm，再經(jīng)圓滑加工，在測量時可以非常有效地減少對被測流體的擾動，從而提高測量結(jié)果的準確度。


圖1為錐形探頭殼罩與探針桿連接部分的組裝結(jié)構(gòu)圖。
圖2為與本發(fā)明設計的探針組合的工作系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
實施例1參照圖1，制作一測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，圖中氣路-
參照圖1，制作一測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，圖中氣路-1，探針內(nèi)管壁-2，冷卻水進水通道-3，進出水分離管-4，出水通道-5，探針桿外管-6，錐形外殼頭罩-7，端部進氣開孔-8，圓孔-9，臺階-10。
采用市場上可買到的壁厚約0.5mm或1.0mm紫銅管作為探針桿外管6，所述的探針桿外管長度可做到50mm，以減少對射流的擾動。探針內(nèi)管2厚度為0.15mm，進出水分離管4的厚度為0.2mm。該紫銅探針桿外管6，在其內(nèi)套入探針內(nèi)管2，在探針桿外管6與探針內(nèi)管2之間插入一進出水分離管4，三根管子同軸安裝。所述的探針桿外管6頭部安裝一可拆卸的錐形外殼頭罩7，錐形外殼頭罩7可做到的錐度范圍為8°-90°均可，錐形外殼頭罩7中心開有圓孔8，錐形外殼頭罩7與探針內(nèi)管2之間為螺紋配合。該進出水分離管4為一根頭部呈錐形的圓管，其錐形從該管與探針桿外管6與錐形外殼頭罩7連接處相同的長度位置變錐，錐度要比錐形外殼頭罩7內(nèi)壁的錐度??；進出水分離管4的頂端與錐形外殼頭罩7內(nèi)壁臺階10處的距離為1.3mm；在保證探針有充分的冷卻水路通道的前提下，探針桿外徑尺寸最小可以做到4mm。錐形外殼頭罩7與探針桿身可分離裝拆，錐形外殼頭罩7的錐頭未圓滑直徑9可做到1.5mm，再經(jīng)圓滑加工，在測量時可以非常有效地減少對被測流體的擾動。同時，由于錐形外殼頭罩7為可裝拆件，它可以做成不同的錐度，來研究不同錐度對射流的擾動程度，進而對測量結(jié)果的影響。端部進氣開孔8可根據(jù)被測對象的溫度分布梯度來選擇不同的尺寸，即當氣體流線的正交方向的溫度梯度不太大時，開孔尺寸可適當選大一些。這樣在抽氣時的流量可以大一些，以提高測量的靈敏度；但當溫度梯度很大時，開口尺寸要盡量地小，以保證測量的空間分辨率。本焓探針的開孔尺寸范圍為0.3mm-0.8mm。探針桿外管6、探針內(nèi)管2與進出水分離管4之間的距離遵從水流量相同的原則來確定，在本實施例中他們之間的距離范圍為0.5-1.0mm。并且探針桿外管6與探針內(nèi)管2之間形成出水通道5，探針內(nèi)管2與進出水分離管4之間形成冷卻水進水通道3。
本實施例的探針頭部采用錐形設計，可以有效地減小在測量過程中對流動氣體的擾動和提高測量結(jié)果的準確度，特別是適用于在氣體流線的正交方向的溫度分布梯度大，以及氣流速度高的流場溫度及其分布的測量。另外，錐形頭部是一件可與探針桿身分離或組裝的外形為錐形的殼罩可換件，可根據(jù)被測量氣體的實際情況和測量精度要求選擇不同的錐形殼罩尖端中心開孔尺寸；需要探討錐角對氣體流動的擾動影響時，可換接各種不同錐角殼罩，在探針桿身外徑尺寸為4mm的情況下，錐形外殼頭罩的錐頭未圓滑直徑可做到1.5mm，經(jīng)圓滑加工，可以非常有效地減少對被測流體的擾動；氣體溫度過高、導熱性好、誤操作等情況下造成探針頭嚴重燒蝕或燒損時，能避免探針整體報廢，僅更換探頭外殼即可完全恢復使用功能。
所述的探針桿身外徑尺寸降至4mm的情況下，還有充分的冷卻水路通道，系統(tǒng)不需高壓水泵及相關機構(gòu)，而只需要一般水冷系統(tǒng)，在進水口壓力為4公斤/平方厘米的條件下能夠正常工作，測量溫度高達15000K的純氬等離子體射流而探頭不被燒損。
實施例2，參照圖2，本實施例制作的減擾焓探針的使用方法，圖中探針桿外管-6，探針的錐形外殼頭罩-7，探針支座-10，測量出水溫度的熱電偶-11，測量進水溫度的熱電偶-12，水流量計-13，水閥-14，冷卻水進水管-15，冷卻水出水管-16，滯止壓力測量儀-17，氣體三通選向截止閥-18，氣體采樣區(qū)-19，氣體通路調(diào)節(jié)閥-20，氣體流量計-21，排氣泵-22，排氣管-23，被測氣體射流-24。
氣體溫度的測量原理與一般的同類焓探針相同，將由探針支座10及探針桿外管6支撐的探針錐形外殼頭罩部分7插入射流24內(nèi)需要測量溫度的位置，使氣流的當?shù)亓鲃臃较蛘龑μ筋^中心通氣孔，首先通過氣體三通選向截止閥18阻斷氣路1與排氣泵22的通路，同時分別由熱電偶11和12實時測量冷卻水出水管16及冷卻水進水管15中的出水及進水的溫度，由水流量計13記錄水流量(通過水閥14可把水流量調(diào)節(jié)到合適的流量，以保證熱電偶可以測到較明顯的水溫變化)，根據(jù)出水與進水的溫差和流量導出冷卻水的焓值變化a，進而打開氣體三通選向截止閥18，導通氣路1與排氣泵22的通路，通過氣體流量計11控制氣體的流量，以確保對射流流場的影響最小，同樣測得這種情況下冷卻水的焓值變化b，由b與a之差求出探頭中心孔所在位置的射流氣體溫度；在阻斷氣路1與排氣泵22的通路的情況下可以由測壓儀17測得探頭中心孔所在位置的射流氣體的滯止壓力；在導通氣孔1與排氣泵22的通路的情況下，可在氣體采樣區(qū)19采集氣體供成分分析所用，剩余氣體通過排氣管23排入大氣中。
權(quán)利要求
1.一種用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，包括一根探針桿外管(6)，在其內(nèi)套入探針內(nèi)管(2)，在探針桿外管(6)與探針內(nèi)管(2)之間插入一進出水分離管(4)，三根管子同軸安裝；其特征在于所述的探針桿外管(6)頭部安裝一可拆卸的錐形外殼頭罩(7)，錐形外殼頭罩(7)中心開有圓孔(8)，錐形外殼頭罩(7)與探針內(nèi)管(2)之間為螺紋配合；所述的進出水分離管(4)的頭部呈錐形。
2.按權(quán)利要求1所述的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，其特征在于所述的錐形外殼頭罩(7)的錐度范圍為8°-90°。
3.按權(quán)利要求1所述的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，其特征在于所述的錐形外殼頭罩(7)中心圓孔(8)的孔徑大小，根據(jù)對空間分辨率的不同測量要求，選擇不同的探頭中心開孔尺寸。
4.按權(quán)利要求3所述的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，其特征在于所述的錐形外殼頭罩(7)中心圓孔(8)的孔徑范圍為0.3-0.8mm。
5.按權(quán)利要求1所述的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，其特征在于所述的進出水分離管(4)其錐形頭部的錐度小于錐形外殼頭罩(7)的內(nèi)壁錐度。
6.按權(quán)利要求1所述的用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，其特征在于所述的探針桿外管(6)、探針內(nèi)管(2)與進出水分離管(4)之間的距離遵從水流量相同的原則來確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量超高溫流動氣體射流參數(shù)用的減擾焓探針，包括一根探針桿外管，在其內(nèi)套入探針內(nèi)管，在探針桿外管與探針內(nèi)管之間插入一進出水分離管，三根管子同軸安裝；所述的探針桿外管頭部安裝一可拆卸的錐形外殼頭罩，錐形外殼頭罩中心開有圓孔，錐形外殼頭罩與探針內(nèi)管之間為螺紋配合；所述的進出水分離管的頭部呈錐形。采用錐形探針，減小在測量過程中對射流氣體的擾動和提高測量準確度；并可在同樣測量效果的前提下適當增大探針桿體的冷卻水通路，省去高壓水泵及相關機構(gòu)。
文檔編號G01K7/40GK1746640SQ20041007453
公開日2006年3月15日 申請日期2004年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者潘文霞, 孟顯, 吳承康 申請人:中國科學院力學研究所