專利名稱：離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明為測量離心噴嘴內高頻脈動流量的一種新方法。主要應用于液體火箭發動機噴嘴研制和試驗研究領域，也可以應用于環狀液膜厚度動態測量及環狀液流脈動流量測量等領域。
背景技術：
燃燒穩定性問題是液體火箭發動機研制過程中的關鍵，噴嘴作為液體火箭發動機燃燒室內燃燒的組織者，其霧化摻混性能控制著燃燒完全性。有關研究表明，噴嘴的動態特性對燃燒穩定性起著非常重要的作用。所謂噴嘴動態特性，即噴嘴對壓力擾動產生反應而出現流量脈動對整個工作過程的穩態參數平均值和動態特性影響。在火箭發動機研制過程中燃燒室內出現1000Hz以下的中、高頻壓力脈動情況非常多，而在此脈動影響下，噴嘴的流量也會產生相應頻率的脈動，如何測得相應頻率的噴嘴流量脈動是整個噴嘴動態特性的實驗研究關鍵。
離心噴嘴是液體火箭發動機采用的非常廣泛的噴注單元結構型式，其工作特點是噴嘴內液流旋轉，在噴嘴中心線附近會形成氣渦，液流的流動形式為一旋轉的環形液膜，測此環形液流的中、高頻脈動流量是一個世界性的技術難題。
高頻脈動流量的測量在工程上也一直是難以解決的問題，離心噴嘴內液流為環形、噴嘴內部尺寸很小及避免傳感器影響液流等技術要求，使得其脈動流量測量更加困難。本發明研究并實現了一種使用電導法測量出液膜厚度脈動量從而評估出流量脈動量的方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，它首次提出用液膜厚度脈動來評估離心噴嘴內的流量脈動，其及工作特點及原理說明如下離心噴嘴結構及各流動參數如圖1所示，離心噴嘴的工作過程如下液體通過切向通道進入噴嘴后產生高速旋轉，在離心力的作用下，液體會在旋流室和噴口通道壁面附近形成旋轉的環形液膜，中心為空氣渦。在離心噴嘴內部，液體具有自由內表面的旋流，液體漩渦表面波的傳播情況可用下列類型的波動方程來描述∂2ξ∂t2=1rm4Win2Rin2(R2-rm22)∂2ξ∂z2---(1)]]>公式應用于旋流腔處時取式中R＝Rvc，應用于噴口處時取R＝RN。
表面波的傳播速度為Ww=(Win2Rin2rm3)(R2-rm22rm)=WinRinrm2R2-rm22---(2)]]>上式中的Wm2Rin2/rm3為液體表面上的離心加速度，而另一部分(R2-rm2)/2rm表征了液體漩渦的厚度。此表達式可與淺水波傳播方稱相類比，對于剛性壁面限制的半無窮空間，方程(1)的解為ξ=Ωeiω(t-z/Ww)---(3)]]>這里Ω表示液體表面波的振幅。對于具有自由內表面的軸對稱旋轉流動，將運動方程線性化為液體表面波動與軸向速度的關系式∂Wa′∂t=Win2Rin2rm3∂ξ∂z---(4)]]>對上式兩邊t進行積分得Wa′=Win2Rin2Wwrm3ξ=Win2Rin2Wwrm3Ωeiω(t-z/Ww)---(5)]]>軸向速度的振幅為|Wa′|=ΩWin2Rin2/(Wwrm3)---(6)]]>從(5)式可以看出，噴嘴內液體軸向流速脈動與液體漩渦的表面脈動同相位，且相對振幅相等。由流量的公式可得
Q‾=Q+Q′=2π∫rm-ξR(Wa+Wa′)rdr=2π∫rm-ξR(Wa+Win2Rin2Wwrm3ξ)rdr---(7)]]>由上式可見流量的瞬時值是以液膜厚度瞬時值為變量的單值函數，故完全可以根據液膜厚度之值來表征流量。
本發明基于離心噴嘴噴口內液體流速脈動與液體漩渦的表面脈動同相位且相對振幅相等這一特性。這樣就可能根據噴嘴旋流室、噴口通道內環形液體厚度的脈動來評估噴嘴旋流室、噴口通道內流量的脈動。
本發明在離心噴嘴旋流室或噴口內的兩個不同截面處安裝兩個環形電極，導電液體由噴嘴切向通道進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空氣渦，噴嘴旋流室和噴口內形成一旋轉的環形液膜。當通過噴嘴為液體來流脈動時，環形液膜的厚度會發生變化，兩電極之間環形液膜厚度的變化將引起液體體積的變化，進而引起兩電極間液膜電阻的變化，將電阻信號的變化送入經過后續電路處理后得到與液膜厚度變化相關的電信號，隨后送入顯示儀表或計算機進行數據記錄。
綜上所述，本發明一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其技術方案詳述如下本發明一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，它是由測量用電極塊與測量電路組成，電極塊的電極引線與測量電路的測量電橋連接后進行脈動流量測量；電極塊由環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中與電極封裝殼體構成一個整體，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量電路相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表和計算機進行記錄；測量電路是基于鎖相放大原理構成的，其結構組成及連接方式是激勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大后接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)后接入放大電路，然后再經過低通濾波器(二)后接入模數轉換電路，最后經過單片機和RS232接口輸出。單片機可對信號放大的倍數進行控制；該測量電路的激勵電路可提供較為穩定、幅值頻率可調的正弦波。激勵信號經過測試電橋后變為攜帶液膜厚度變化信息的調幅信號經過初級放大后進入后續的相敏檢波器。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微弱信號的測量有著良好的效果。經過低通濾波器濾除噪聲后，信號進入放大電路進行放大，放大電路的增益控制電阻為數字電位計，因此單片機可以通過控制數字電位計來調節放大器的放大倍數。信號再經過濾波處理、模數轉換后可即可輸出。
其中，該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內部封裝有兩個相距一定距離的多孔鈦電極，測量電極間液膜電阻變化，得到液膜厚度變化進而得到旋流腔或噴口內液體脈動流量。
其中，電極塊中的多孔鈦電極為環狀多孔鈦材料制成。由于多孔材料的吸水性增加導電液體和電極接觸面積，提高測量的靈敏度。且鈦金屬性能優良，導電性好，耐腐蝕，價格適中，且能滿足強度、可靠性等方面的要求。金屬顆粒間的孔隙能增大被測液體與電極的有效接觸面積，因此可以解決測量信號微弱的問題。
其中，該多孔鈦電極為環形結構，內徑和噴口內徑相同，多孔鈦電極通過過盈配合套一銅環，用于密封和聯接接線柱，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滿足遠小于旋流室或噴口通道內的液膜表面波的波長，但應大于旋流室或噴口通道內的液膜厚度。根據經驗液膜厚度與噴口內液膜表面波的波長會相差兩個數量級，例如幾何特性A＝2、噴嘴壓降Δp＝0.6MPa、脈動頻率為f＝1000Hz且液體為水時，在噴嘴通道內的波長為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。
本發明一種測量離心噴嘴內高頻脈動流量的裝置，其優點和所達到的功效是它能夠很好的解決離心噴嘴內部高頻脈動流量的測量，從而解決了液體火箭發動機噴注器動力學研究的難點。同時此裝置也可以應用于環狀液膜厚度測量動態測量及環狀液流脈動流量測量等領域。結構簡單、靈敏度高、造價低、測量效果好。
圖1離心噴嘴結構及各流動參數示意圖；圖2測量裝置示意圖；圖3(a)電極形式示意圖3(b)兩電極封裝后示意圖；圖4測量裝置連接示意圖；圖5測量電路框圖；圖6文氏電橋振蕩器電路結構圖；圖7移相器電路結構圖；圖8相敏檢波器電路結構圖；圖9低通濾波電路結構圖；圖中標號說明如下ξ-液體漩渦厚度振動量的瞬時值 rm-液體漩渦表面的半徑Rvc-旋流腔半徑Rin-液體旋流半徑RN-噴嘴半徑z-沿旋渦長度的坐標dz-沿旋渦長度的增量Win-液體由切向通道進入旋流腔時的速度Wa-液體軸向流速Wu-液體周向流速W∑-液流總速1-切向通道2-噴嘴旋流腔3-噴嘴噴口4-離心噴嘴5-環狀多孔鈦電極6-紫銅環7-電極封裝殼體8-電極引線接頭9-電極引線10-測量電路11-顯示儀表12-計算機13-電極塊具體實施例方式本發明一種測量離心噴嘴內高頻脈動流量的裝置。其組成如圖2所示，由測量用電極塊13與測量電路10組成，電極塊13的電極引線9與測量電路10的測量電橋連接后進行脈動流量測量，如圖4所示。
其中，該電極塊13的結構形式如圖3(a)、(b)所示，環狀多孔鈦電極5通過過盈配合鑲嵌入紫銅環6中，圖3(b)所示為電極塊13示意圖，兩個環狀多孔鈦電極5均通過過盈配合鑲嵌入紫銅環6后，按照一定間距(在本實施例中取與環狀多孔鈦電極5內徑的半徑相同)與電極封裝殼體7構成一個整體，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與測量電路10相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表11和計算機12進行記錄。
測量電路10的結構及連接方式如圖(5)所示，激勵電路同時為測量電橋與移相器提供激勵信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大后接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)后接入放大電路，然后再經過低通濾波器(二)后接入模數轉換電路，最后經過單片機和RS232接口輸出。單片機可對信號放大的倍數進行控制。對測量電路10中的主要電路進一步說明如下1)激勵電路如圖6所示由于測量水電阻的過程實際上是一個電化學過程，為了防止電極極化應采用交流激勵。激勵信號的頻率至少要高出液膜波動頻率一個數量級。激勵電路以運算放大器OP07CP為核心構成，具體的電路結構如圖6所示，運算放大器OP07CP的第7腳與正電源相接，運算放大器OP07CP的第4腳與負電源相接，運算放大器的第2腳分別與電阻Rd、可調電阻Re相連，電阻Re的另一端接電源地，可調電阻Rd的另一端與電阻R及二極管D1、二極管D2相連，電阻R及二極管D1、二極管D2的另一端與運算放大器的第6腳及電阻R2相連，電阻R2的另一端與電容C2相連，電容C2與運算放大器的第3腳及電阻R1、電容C1相連，電阻R1、電容C1的另一端接電源地。
一般取R1＝R2＝R、C1＝C2＝C由電路的關系式f=12πRC]]>可得，可通過調節圖中的電阻R1與R2的阻值來調整激勵電路的輸出頻率以達到適用的要求。激勵信號的輸出同時接入測量電橋和移相電路。
2)測量電橋測量電橋的四個橋臂中三個為定值電阻，另一個橋臂由環狀多孔鈦電極及電極引線構成。電橋信號經過放大后進入相敏檢測器的信號通道。
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與輸入信號的載波同頻率、同相位。符合上述條件的參考信號是通過0-180°移相器對正弦信號進行移相得到的。具體的電路結構如圖7所示。
移相器以運算放大器OP07CP為核心，電阻RF1與可調電阻Rt的一端相連接并接信號輸入，可調Rt的另一端與運算放大器的第2腳相連并與電容Ct相連接，電容Ct的另一端與電源地相連。電阻RF1的另一端與運算放大器第3腳及電阻RF2相連，電阻RF2的另一端與運算放大器的第6腳相連，運算放大器的第7腳與正電源相接，運算放大器的第4腳與負電源相接。移相電路的輸出信號經過放大后進入相敏檢測器的參考通道。
4)相敏檢測器如圖8所示相敏檢波器由集成電路AD630構成，其電路結構如圖8所示，信號通道接入放大后的電橋信號，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)均采用此結構，以4階有源濾波器芯片MAX275為核心，具體的電路結構如圖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，將兩部分串聯使用，其截止頻率為F0(Hz)=(1R2(R4+5KΩ))(2×108).]]>
權利要求
1.一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特征在于它是由測量用電極塊與測量電路組成，電極塊的電極引線與測量電路的測量電橋連接后進行脈動流量測量；電極塊由環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中與電極封裝殼體構成一個整體，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，封裝電極塊的電極引線與測量電路相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表和計算機進行記錄；測量電路是基于鎖相放大原理構成的，其結構組成及其連接方式是激勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大后接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)后接入放大電路，然后再經過低通濾波器(二)后接入模數轉換電路，最后經過單片機和RS232接口輸出。
2.根據權利要求1所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特征在于該離心噴嘴與電極塊相連接，電極塊內部封裝有兩個相距預定距離的多孔鈦電極，測量電極間液膜電阻變化，得到液膜厚度變化進而得到旋流腔或噴口內液體脈動流量。
3.根據權利要求1或2所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特征在于電極塊中的多孔鈦電極為環狀多孔鈦材料制成。
4.根據權利要求1所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特征在于該多孔鈦電極為環形結構，內徑和噴口內徑相同，多孔鈦電極通過過盈配合套一銅環，用于密封和聯接接線柱。
5.根據權利要求1或2所述的一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，其特征在于兩多孔鈦電極間的間距應滿足遠小于旋流室或噴口通道內的液膜表面波的波長，但應大于旋流室或噴口通道內的液膜厚度。
全文摘要
一種離心噴嘴內高頻脈動流量的測量裝置，是由電極塊與測量電路組成，電極塊由兩個環狀多孔鈦電極通過過盈配合鑲嵌入紫銅環中并與電極封裝殼體構成一個整體，然后通過電極引線接頭引出；測量電路是基于鎖相放大原理構成的，激勵電路同時為測量電橋與移相器提供給信號，測量電橋的輸出信號經過小信號放大后接入相敏檢測器的信號通道，移相電路輸出的信號接入相敏檢測器的參考通道，由相敏檢波器輸出的信號經過低通濾波器(一)后接入放大電路，再經過低通濾波器(二)后接入模數轉換電路，最后經過單片機和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量電路相連接，經過電路處理完的信號接入顯示儀表和計算機進行記錄。
文檔編號G01F1/56GK101074886SQ20071011795
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者楊立軍, 王向東, 范文宏 申請人:北京航空航天大學