專利名稱：離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置
(一) 技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明為測(cè)量離心噴嘴內(nèi)髙頻脈動(dòng)流量的一種新方法。主要應(yīng)用于 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴研制和試驗(yàn)研究領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于環(huán)狀液膜厚度 動(dòng)態(tài)測(cè)量及環(huán)狀液流脈動(dòng)流量測(cè)量等領(lǐng)域。
(二) 背景技術(shù)
燃燒穩(wěn)定性問題是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的關(guān)鍵，噴嘴作為液 體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒的組織者，其霧化摻混性能控制著燃燒完全 性。有關(guān)研究表明，噴嘴的動(dòng)態(tài)特性對(duì)燃燒穩(wěn)定性起著非常重要的作用。 所謂噴嘴動(dòng)態(tài)特性，即噴嘴對(duì)壓力擾動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)而出現(xiàn)流量脈動(dòng)對(duì)整個(gè) 工作過程的穩(wěn)態(tài)參數(shù)平均值和動(dòng)態(tài)特性影響。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中 燃燒室內(nèi)出現(xiàn)1000Hz以下的中、高頻壓力脈動(dòng)情況非常多，而在此脈動(dòng) 影響下，噴嘴的流量也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的脈動(dòng)，如何測(cè)得相應(yīng)頻率的噴 嘴流量脈動(dòng)是整個(gè)噴嘴動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究關(guān)鍵。
離心噴嘴是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用的非常廣泛的噴注單元結(jié)構(gòu)型式， 其工作特點(diǎn)是噴嘴內(nèi)液流旋轉(zhuǎn)，在噴嘴中心線附近會(huì)形成氣渦，液流的 流動(dòng)形式為一旋轉(zhuǎn)的環(huán)形液膜，測(cè)此環(huán)形液流的中、高頻脈動(dòng)流量是一 個(gè)世界性的技術(shù)難題。
高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量在工程上也一直是難以解決的問題，離心噴嘴 內(nèi)液流為環(huán)形、噴嘴內(nèi)部尺寸很小及避免傳感器影響液流等技術(shù)要求， 使得其脈動(dòng)流量測(cè)量更加困難。本發(fā)明研究并實(shí)現(xiàn)了一種使用電導(dǎo)法測(cè) 量出液膜厚度脈動(dòng)量從而評(píng)估出流量脈動(dòng)量的方法。
(三) 實(shí)用新型內(nèi)容 本發(fā)明的目的是提供一種離心噴嘴內(nèi)髙頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置，它首
次提出用液膜厚度脈動(dòng)來評(píng)估離心噴嘴內(nèi)的流量脈動(dòng)，其及工作特點(diǎn)及原理 說明如下
離心噴嘴結(jié)構(gòu)及各流動(dòng)參數(shù)如圖1所示，離心噴嘴的工作過程如下液
體通過切向通道進(jìn)入噴嘴后產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液體會(huì)在旋 流室和噴口通道壁面附近形成旋轉(zhuǎn)的環(huán)形液膜，中心為空氣渦。在離心噴嘴
內(nèi)部，液體具有自由內(nèi)表面的旋流，液體漩渦表面波的傳播情況可用下列類
型的波動(dòng)方程來描述
<formula>complex formula see original document page 4</formula> (1)
公式應(yīng)用于旋流腔處時(shí)取式中7 = &，應(yīng)用于噴口處時(shí)取i -^。
表面波的傳播速度為.
<formula>complex formula see original document page 4</formula>、(2)
上式中的『J《"為液體表面上的離心加速度，而另一部分(及2-0/2^表 征了液體漩渦的厚度。此表達(dá)式可與淺水波傳播方稱相類比，對(duì)于剛性壁面
限制的半無窮空間，方程(l)的解為<formula>complex formula see original document page 4</formula> (3)
這里Q表示液體表面波的振幅。對(duì)于具有自由內(nèi)表面的軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)流動(dòng)， 將運(yùn)動(dòng)方程線性化為液體表面波動(dòng)與軸向速度的關(guān)系式<formula>complex formula see original document page 4</formula> ，
對(duì)上式兩邊t進(jìn)行積分得
<formula>complex formula see original document page 4</formula>
(5)
軸向速度的振幅為
<formula>complex formula see original document page 4</formula>(6)
從(5)式可以看出，噴嘴內(nèi)液體軸向流速脈動(dòng)與液體漩渦的表面脈動(dòng)同相 位，且相對(duì)振幅相等。由流量的公式可得<formula>complex formula see original document page 5</formula> (7)
由上式可見流量的瞬時(shí)值是以液膜厚度瞬時(shí)值為變量的單值函數(shù)，故完 全可以根據(jù)液膜厚度之值來表征流量。
本發(fā)明基于離心噴嘴噴口內(nèi)液體流速脈動(dòng)與液體漩渦的表面脈動(dòng)同 相位且相對(duì)振幅相等這一特性。這樣就可能根據(jù)噴嘴旋流室、噴口通道 內(nèi)環(huán)形液體厚度的脈動(dòng)來評(píng)估噴嘴旋流室、噴口通道內(nèi)流量的脈動(dòng)。
本發(fā)明在離心噴嘴旋流室或噴口內(nèi)的兩個(gè)不同截面處安裝兩個(gè)環(huán)形 電極，導(dǎo)電液體由噴嘴切向通道進(jìn)入旋流腔后將形成旋流，旋流腔及噴 口通道的中心位置出現(xiàn)空氣渦，噴嘴旋流室和噴口內(nèi)形成一旋轉(zhuǎn)的環(huán)形 液膜。當(dāng)通過噴嘴為液體來流脈動(dòng)時(shí)，環(huán)形液膜的厚度會(huì)發(fā)生變化，兩 電極之間環(huán)形液膜厚度的變化將引起液體體積的變化，進(jìn)而引起兩電極 間液膜電阻的變化，將電阻信號(hào)的變化送入經(jīng)過后續(xù)電路處理后得到與 液膜厚度變化相關(guān)的電信號(hào)，隨后送入顯示儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。
綜上所述，本發(fā)明一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置，其技術(shù)
方案詳述如下
本發(fā)明一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置，它是由測(cè)量用電極 塊與測(cè)量電路組成，電極塊的電極引線與測(cè)量電路的測(cè)量電橋連接后進(jìn)
行脈動(dòng)流量測(cè)量；
電極塊由環(huán)狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環(huán)中與電極封裝
殼體構(gòu)成一個(gè)整體，然后通過電極引線接頭引出；該封裝好的電極塊與同口 徑的離心噴嘴相連接，封裝電極塊的電極引線與測(cè)量電路相連接，經(jīng)過電路 處理完的信號(hào)接入顯示儀表和計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄；
測(cè)量電路是基于鎖栢放大原理構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)組成及連接方式是激 勵(lì)電路同時(shí)為測(cè)量電橋與移相器提供給信號(hào)，測(cè)量電橋的輸出信號(hào)經(jīng)過小信 號(hào)放大后接入相敏檢測(cè)器的信號(hào)通道，移相電路輸出的信號(hào)接入相敏檢測(cè)器 的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(一)后接入放大電路， 然后再經(jīng)過低通濾波器(二)后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后經(jīng)過單片機(jī)和RS232 接口輸出。單片機(jī)可對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)進(jìn)行控制；該測(cè)量電路的激勵(lì)電路可
提供較為穩(wěn)定、幅值頻率可調(diào)的正弦波。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過測(cè)試電橋后變?yōu)閿y帶
液膜厚度變化信息的調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過初級(jí)放大后進(jìn)入后續(xù)的相敏檢波器。相敏 檢波器是鎖相放大的核心元件，鎖相放大能有效地抑制噪聲對(duì)微弱信號(hào)的測(cè) 量有著良好的效果。經(jīng)過低通濾波器濾除噪聲后，信號(hào)進(jìn)入放大電路進(jìn)行放 大，放大電路的增益控制電阻為數(shù)字電位計(jì)，因此單片機(jī)可以通過控制數(shù)字 電位計(jì)來調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。信號(hào)再經(jīng)過濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后可即可 輸出。
其中，該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內(nèi)部封裝有兩個(gè)相距一定距 離的多孔鈦電極，測(cè)量電極間液膜電阻變化，得到液膜厚度變化進(jìn)而得到旋 流腔或噴口內(nèi)液體脈動(dòng)流量。
其中，電極塊中的多孔鈦電極為環(huán)狀多孔鈦材料制成。由于多孔材料的 吸水性增加導(dǎo)電液體和電極接觸面積，提高測(cè)量的靈敏度。且鈦金屬性能優(yōu) 良，導(dǎo)電性好，耐腐蝕，價(jià)格適中，且能滿足強(qiáng)度、可靠性等方面的要 求。金屬顆粒間的孔隙能增大被測(cè)液體與電極的有效接觸面積，因此可 以解決測(cè)量信號(hào)微弱的問題。
其中，該多孔鈦電極為環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑和噴口內(nèi)徑相同，多孔鈦電極通 過過盈配合套一銅環(huán)，用于密封和聯(lián)接接線柱，然后通過電極引線接頭引出。
其中，兩多孔鈦電極間的間距應(yīng)滿足遠(yuǎn)小于旋流室或噴口通道內(nèi)的液膜 表面波的波長，但應(yīng)大于旋流室或噴口通道內(nèi)的液膜厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)液膜厚
度與噴口內(nèi)液膜表面波的波長會(huì)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，例如幾何特性j-2、噴嘴
壓降A(chǔ)p-0.6MPa、脈動(dòng)頻率為/ = 1000他且液體為水時(shí)，在噴嘴通道內(nèi)的波長為 40.5mm,而噴嘴的液膜厚度為0.2~0.6mm,因而這一要求是能夠滿足的。
本發(fā)明一種測(cè)量離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的裝置，其優(yōu)點(diǎn)和所達(dá)到 的功效是它能夠很好的解決離心噴嘴內(nèi)部高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量，從而解 決了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器動(dòng)力學(xué)研究的難點(diǎn)。同時(shí)此裝置也可以應(yīng)用 于環(huán)狀液膜厚度測(cè)量動(dòng)態(tài)測(cè)量及環(huán)狀液流脈動(dòng)流量測(cè)量等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)簡 單、靈敏度高、造價(jià)低、測(cè)量效果好。

圖1離心噴嘴結(jié)構(gòu)及各流動(dòng)參數(shù)示意圖2測(cè)董裝置示意圖3 (a)電極形式示意圖3 (b)兩電極封裝后示意圖4測(cè)量裝置連接示意圖5測(cè)量電路框圖6文氏電橋振蕩器電路結(jié)構(gòu)圖7移相器電路結(jié)構(gòu)圖8相敏檢波器電路結(jié)構(gòu)圖9低通濾波電路結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)號(hào)說明如下
《 - 液體濂渦厚度振動(dòng)量的瞬時(shí)值 -液體漩渦表面的半徑
& -旋流腔半徑& -液體旋流半徑 ^ -噴嘴半徑 z -沿旋渦長度的坐標(biāo) 必-沿旋渦長度的增量 W -液體由切向通道進(jìn)入旋流腔時(shí)的速度 『。 - 液體軸向流速 『a -液體周向流速 & -液流總速 l-切向邇道 2-噴嘴旋流腔 3-噴嘴噴口 4-離心噴嘴 5-多孔鈦電極 6-紫銅環(huán)
7-電極封裝殼體 8-電極引線接頭 9-電極引線 IO-測(cè)量電路 11-顯示儀表12-計(jì)算機(jī) 13-電極塊
具體實(shí)施方式
本發(fā)明一種測(cè)量離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的裝置。其組成如圖2所 示，由測(cè)i用電極塊13與測(cè)量電路IO組成，電極塊13的電極引線9與 測(cè)量電路10的測(cè)量電橋連接后進(jìn)行脈動(dòng)流量測(cè)量，如圖4所示。
其中，該電極塊13的結(jié)構(gòu)形式如圖3 (a)、 (b)所示，環(huán)狀多孔鈦 電極5通過過盈配合鑲嵌入紫銅環(huán)6中，圖3 (b)所示為電極塊13示 意圖，兩個(gè)環(huán)狀多孔鈥電極5均通過過盈配合鑲嵌入紫銅環(huán)6后，按照 一定間距(在本實(shí)施例中取與環(huán)狀多孔鈦電極5內(nèi)徑的半徑相同)與電
極封裝殼體7構(gòu)成一個(gè)整體，然后通過電極引線接頭8引出后。將封裝好的 電極塊13與同口徑的離心噴嘴4相連接，電極引線9與測(cè)量電路10相連接，
經(jīng)過電路處理完的信號(hào)接入顯示儀表11和計(jì)算機(jī)12進(jìn)行記錄。
測(cè)量電路10的結(jié)構(gòu)及連接方式如圖(5)所示，激勵(lì)電路同時(shí)為測(cè)量電
橋與移相器提供激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量電橋的輸出信號(hào)經(jīng)過小信號(hào)放大后接入相敏 檢測(cè)器的信號(hào)通道，移相電路輸出的信號(hào)接入相敏檢測(cè)器的參考通道，由相 敏檢波器輸出的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(一)后接入放大電路，然后再經(jīng)過低通濾 波器(二)后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后經(jīng)過單片機(jī)和RS232接口輸出。單片機(jī)可 對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)進(jìn)行控制。對(duì)測(cè)量電路10中的主要電路進(jìn)一步說明如下
1) 激勵(lì)電路如圖6所示
由于測(cè)量水電阻的過程實(shí)際上是一個(gè)電化學(xué)過程，為了防止電極極 化應(yīng)釆用交流激勵(lì)。激勵(lì)信號(hào)的頻率至少要高出液膜波動(dòng)頻率一個(gè)數(shù)量 級(jí)。激勵(lì)電路以運(yùn)算放大器OP07CP為核心構(gòu)成，具體的電路結(jié)構(gòu)如圖6所 示，運(yùn)算放大器OP07CP的第7腳與正電源相接，運(yùn)算放大器OP07CP的第4 腳與負(fù)電源相接，運(yùn)算放大器的第2腳分別與電阻^、可調(diào)電阻&相連，電 阻&的另 一端接電源地，可調(diào)電阻&的另 一端與電阻i 及二極管A 、 二極管A 相連，電阻i 及二極管A、二極管A的另一端與運(yùn)算放大器的第6腳及電阻A 相連，電阻^的另一端與電容q相連，電容q與運(yùn)算放大器的第3腳及電阻i ,、
電容C,相連，電阻/f,、電容C,的另一端接電源地。
一般取A-^-i 、 (71=&=0由電路的關(guān)系式/ = :^可得，可通過調(diào)節(jié)
圖中的電阻^與A的阻值來調(diào)整激勵(lì)電路的輸出頻率以達(dá)到適用的要求。激 勵(lì)信號(hào)的輸出同時(shí)接入測(cè)量電橋和移相電路。
2) 測(cè)量電橋
測(cè)量電橋的四個(gè)橋臂中三個(gè)為定值電阻，另一個(gè)橋臂由環(huán)狀多孔鈦電極 及電極引線構(gòu)成。電橋信號(hào)經(jīng)過放大后進(jìn)入相敏檢測(cè)器的信號(hào)通道。
3) 移相電路如圖7所示為了保證相敏檢波器正常工作，必須保證提供給相敏檢波器的參考信號(hào)
與輸入信號(hào)的載波同頻率、同相位。符合上述條件的參考信號(hào)是通過0-180° 移相器對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行移相得到的。
具體的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。
移相器以運(yùn)算放大器OP07CP為核心，電阻/^與可調(diào)電阻《的一端相連 接并接信號(hào)輸入，可調(diào)《的另一端與運(yùn)算放大器的第2腳相連并與電容C,相 連接，電容C,的另一端與電源地相連。電阻i^的另一端與運(yùn)算放大器第3腳 及電阻42相連，電阻&2的另一端與運(yùn)算放大器的第6腳相連，運(yùn)算放大器的 第7腳與正電源相接，運(yùn)算放大器的第4腳與負(fù)電源相接。移相電路的輸出 信號(hào)經(jīng)過放大后進(jìn)入相敏檢測(cè)器的參考通道。
4)相敏檢測(cè)器如圖'8所示
相敏檢波器由集成電路AD630構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，信號(hào)通道 接入放大后的電橋信號(hào)，參考通道與移相器相連接。
5 )低通濾波器(一 )、(二 )如圖9所示
低通濾波器(一)與低通濾波器(二)均釆用此結(jié)構(gòu)，以4階有源濾波 器芯片MAX275為核心，具體的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。芯片分為A與B兩部 分，每部分均為二階有源濾波器，將兩部分串聯(lián)使用，其截止頻率為
權(quán)利要求1、一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置，其特征在于它是由測(cè)量用電極塊與測(cè)量電路組成，電極塊的電極引線與測(cè)量電路的測(cè)量電橋連接后進(jìn)行脈動(dòng)流量測(cè)量；電極塊由環(huán)狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環(huán)中與電極封裝殼體構(gòu)成一個(gè)整體，然后通過電極引線接頭引出；該電極塊與同口徑的離心噴嘴相連接，電極塊的電極引線與測(cè)量電路相連接，經(jīng)過電路處理完的信號(hào)接入顯示儀表和計(jì)算機(jī)；測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)組成及其連接方式是激勵(lì)電路同時(shí)為測(cè)量電橋與移相器提供給信號(hào)，測(cè)量電橋的輸出信號(hào)經(jīng)過小信號(hào)放大后接入相敏檢測(cè)器的信號(hào)通道，移相電路輸出的信號(hào)接入相敏檢測(cè)器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(一)后接入放大電路，然后再經(jīng)過低通濾波器(二)后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后經(jīng)過單片機(jī)和RS232接口輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置， 其特征在于該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內(nèi)部封裝有兩個(gè)相距預(yù)定 距離并由環(huán)狀多孔鈦材料制成的的多孔鈦電極。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝 置，其特征在于該多孔鈦電極為環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑和噴口內(nèi)徑相同，多孔鈦 電極通過過盈配合套一銅環(huán)，用于密封和聯(lián)接接線柱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝 置，其特征在于該兩個(gè)多孔鈦電極間的間距應(yīng)滿足遠(yuǎn)小于旋流室或噴口通 道內(nèi)的液膜表面波的波長，但應(yīng)大于旋流室或噴口通道內(nèi)的液膜厚度。
專利摘要一種離心噴嘴內(nèi)高頻脈動(dòng)流量的測(cè)量裝置，是由電極塊與測(cè)量電路組成，電極塊由兩個(gè)環(huán)狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環(huán)中并與電極封裝殼體構(gòu)成一個(gè)整體，然后通過電極引線接頭引出；測(cè)量電路是基于鎖相放大原理構(gòu)成的，激勵(lì)電路同時(shí)為測(cè)量電橋與移相器提供給信號(hào)，測(cè)量電橋的輸出信號(hào)經(jīng)過小信號(hào)放大后接入相敏檢測(cè)器的信號(hào)通道，移相電路輸出的信號(hào)接入相敏檢測(cè)器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器(一)后接入放大電路，再經(jīng)過低通濾波器(二)后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，最后經(jīng)過單片機(jī)和RS232接口輸出。電極塊與同口徑的離心噴嘴相連接，電極塊的電極引線與測(cè)量電路相連接，經(jīng)過電路處理完的信號(hào)接入顯示儀表和計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。
文檔編號(hào)G01F1/56GK201072348SQ200720169428
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者楊立軍, 王向東, 范文宏 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)