基于小型爆轟場的快響應熱電偶動態特性標定系統及方法與流程

本發明涉及一種快速響應熱電偶的動態特性標定系統及方法，特別是一種基于小型爆轟場的快響應熱電偶動態特性標定系統及方法。

背景技術：

現如今，在軍工和航天等領域，瞬態溫度測量對于兵器和航天設備的研制與優化起著越來越關鍵的作用。例如：研究火箭高溫羽焰對各部件的燒蝕機理與防護措施；研究內燃機燃燒室內的高溫火焰對膛壁壽命的影響；探索炸藥爆炸威力，需對爆炸沖擊波波陣面的溫度進行測量等。這些場合的溫度場均具有瞬態高溫、高壓、高速氣流，并伴有化學反應等諸多特點，為保證測溫準確性，選用動態特性優異的溫度傳感器至關重要。由于溫度傳感器的動態響應特性不但與自身的熱物性有關，還跟現實應用環境緊密聯系，所以至今尚未形成統一的溫度傳感器動態特性標定標準。

目前，常應用于軍工和航空等領域氣體溫度傳感器動態特性標定方法有熱風洞法、激波管法。但熱風洞法的標定裝置體積十分龐大，成本高昂，并且采用機械動作來產生階躍溫度，不能提供足夠陡峭的階躍前沿，難以實現應用于這些領域的快速響應熱電偶動態特性標定。激波管同樣存在體積龐大，成本較高的問題，并且通過激波管法難以產生較高的階躍溫度，使得標定實驗困難。因此，發明一種階躍大、斜率高的溫度激勵源產生方法，實現相應的低成本、小型化產生裝置，對于快速響應熱電偶動態特性標定具有重要意義。

技術實現要素：

針對這一問題，本發明公開了一種以自反應性化學物質受熱自加速分解瞬間產生大量氣體為基礎的快速響應熱電偶動態特性標定方法及相應的實驗系統。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：以自反應性化學物質受熱自加速分解瞬間產生大量氣體為基礎，通過構造一小型密閉容器使腔內氣壓急劇上升，撐破膜片，產生亞音速高溫沖擊氣流，作為快速響應熱電偶動態特性標定的溫度激勵源，并輔以被標熱電偶信號放大、采集電路實現瞬態變化熱電動勢記錄，通過計算機進行信號處理，計算響應時間常數，實現快速響應熱電偶動態特性標定。

與上述方法對應的實驗系統包括加熱控溫系統、燃爆場發生段、膜片、燃爆場實驗段、待標定熱電偶、熱電偶固定支架、壓力傳感器、試驗樣品、放大電路、niusb-6259數據采集卡、計算機，所述的待標定熱電偶通過數據電纜依次與放大電路、niusb-6259數據采集卡和計算機連接，所述的燃爆場發生段與燃爆場實驗段用膜片隔開，形成兩個環境，所述的加熱控溫系統對燃爆場發生段進行加熱，并通過熱傳導加熱燃爆場發生段中的試驗樣品，所述的試驗樣品受熱會發生劇烈的化學反應，產生高溫高壓氣體，撐破膜片，形成爆轟氣流沖向燃爆場實驗段，對安裝在熱電偶固定支架上的待標定熱電偶產生一個具有一定時間寬度的溫度沖擊信號。待標定熱電偶產生變化的熱電動勢輸出，經放大電路進行信號放大后，由niusb-6259高速數據采集卡記錄整個標定過程待標定熱電偶輸出熱電動勢響應曲線，并傳輸至計算機，計算時間常數，完成熱電偶動態特性標定。

進一步說，所述的試驗樣品具有受熱劇烈發生反應，瞬間產生大量高溫氣體的特性，因燃爆場發生段壓力急劇上升，撐破膜片，形成爆轟氣流沖向燃爆場實驗段，對待標定熱電偶產生一個具有一定時間寬度的沖擊信號。該氣流流速可達276m/s，該沖擊溫度信號的持續時間約為幾百毫秒。

進一步說，所述的燃爆場發生段可通過選用不同材料、不同厚度的膜片改變沖向燃爆場實驗段的氣流流速，模擬不同工況，實現不同氣流流速條件下熱電偶動態特性標定。

進一步說，所述的氣流流速可根據激波管流動理論及燃爆場發生段實測壓力值獲取。

進一步說，所述的niusb-6259數據采集卡的最高采樣頻率可達1.25mhz。

進一步說，在計算熱電偶時間常數過程中，先對記錄熱電動勢響應曲線實施對數變換，再運用最小二乘法實施線性擬合，通過求解其斜率獲得時間常數。該方法相對于一階系統時間常數定義求解法具有噪聲和干擾免疫力強，可靠性高的特性。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、采用與爆炸、燃燒等實際工況相一致的亞音速氣流爆轟場作為激勵源進行快速響應熱電偶的動態標定，該溫度激勵源具有階躍幅度大、邊沿斜率陡的特點，實驗結果表明，本發明可實現十毫秒級快速響應熱電偶的動態特性標定。

2、本發明相對熱風洞法、激波管法等溫度傳感器動態特性標定方法及裝置，具有系統小型化，成本低、操作簡便等優點。

附圖說明

圖1是基于小型爆轟場的快響應熱電偶動態特性標定系統結構示意圖。

圖2(a)co1-k快速響應熱電偶的響應曲線圖。

圖2(b)sa1-k快速響應熱電偶的響應曲線圖。

圖2(c)c060-k快速響應熱電偶的響應曲線圖。

圖3是co1-k型熱電偶在不同流速下的響應曲線。

圖中，1、加熱控溫系統，2、燃爆場發生段，3、膜片，4、燃爆場實驗段，5、待標定熱電偶，6、熱電偶固定支架，7、壓力傳感器，8、試驗樣品，9、放大電路，10、niusb-6259數據采集卡，11、計算機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行進一步地描述。

如圖1所示，一種基于小型爆轟場的快響應熱電偶動態特性標定系統，包括加熱控溫系統1、燃爆場發生段2、膜片3、燃爆場實驗段4、待標定熱電偶5、熱電偶固定支架6、壓力傳感器7、試驗樣品8、放大電路9、niusb-6259數據采集卡10、計算機11，所述的待標定熱電偶5通過數據電纜依次與放大電路9、niusb-6259數據采集卡10和計算機11連接，所述的燃爆場發生段2與燃爆場實驗段4用膜片3隔開，形成兩個環境，所述的加熱控溫系統1對燃爆場發生段2進行加熱，并通過熱傳導加熱燃爆場發生段2中的試驗樣品8，所述的試驗樣品8受熱會發生劇烈的化學反應，產生大量高溫高壓氣體，撐破膜片，形成爆轟氣流沖向燃爆場實驗段4，對安裝在熱電偶固定支架6上的待標定熱電偶5產生一個具有一定時間寬度的沖擊信號。所述的壓力傳感器7將燃爆場發生段2的壓力突變信號作為niusb-6259數據采集卡10的外部觸發信號，niusb-6259數據采集卡10將采集到的數據傳輸給計算機11。

所述的基于小型爆轟場的快響應熱電偶動態特性標定方法，其實驗步驟說明如下：

a.采用高精度電子天平稱量一定質量的試驗樣品8安置于燃爆場發生段2，并裁剪合適大小及形狀的膜片3封住燃爆場發生段2，連接燃爆場發生段2與燃爆場實驗段4。

b.將待標定熱電偶5安裝在熱電偶固定支架6上。

c.將壓力傳感器7的輸出端連接至niusb-6259數據采集卡10，用作niusb-6259數據采集卡10的外部觸發信號。

d.將待標定熱電偶5的輸出導線連接至放大電路9，將放大電路9的輸出端與niusb-6259數據采集卡10的輸入端連接，將niusb-6259數據采集卡10接入計算機11。

e.打開加熱控溫系統1對燃爆場發生段2進行加熱，試驗樣品8受熱發生反應產生高溫高壓氣體，撐破膜片3形成爆轟氣流沖向燃爆場實驗段4，待標定熱電偶5受到激勵后產生輸出電勢，使用放大電路9將信號放大1000倍，通過niusb-6259數據采集卡10采集待標定熱電偶5輸出的熱電勢信號。

f.由計算機(11)對niusb-6259數據采集卡10采集到的熱電勢信號進行數據處理，計算時間常數，具體說明如下：將快速響應熱電偶視為一階系統，根據響應曲線獲取動態特性標定之前初始溫度t0，標定過程中最高溫度tf，t為實時溫度，對t0至tf之間溫度——時間曲線實施對數變換：

再對對數變換后數據進行線性最小二乘擬合，獲取其斜率，即為快速響應熱電偶時間常數。最終根據所求取時間常數大小評估熱電偶5的動態特性。

實驗過程中爆轟氣流流速可根據激波管流動理論及燃爆場發生段實測壓力值獲取，具體計算公式如下：

式中，p4與p1分別是高壓段、低壓段的初始壓力值，p4可實測獲得，p1為標準大氣壓；γ4與γ1分別是高壓段、低壓段氣體初始絕熱指數；t4與t1分別是高壓段、低壓段的熱力學溫度，t4可實測獲得，t1為環境室溫；r4與r1分別是高壓段、低壓段氣體常數。根據上述參量，可以計算獲取激波馬赫數ms。再根據馬赫數計算獲取激波后續氣體流速v。

選用三款不同型號的快速響應熱電偶進行動態標定測試，選擇0.32mm厚硬紙膜作為膜片2，三款快速響應熱電偶的響應曲線如圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示。經過計算機處理后的時間常數見表1。

表1三款商用熱電偶時間常數

實驗結果表明，本發明公開的標定方法和實驗系統可實現十毫秒級快速響應熱電偶的動態標定。

通過選用0.32mm厚硬紙膜和0.1mm厚鋁膜作為膜片2產生不同氣流流速進行熱電偶動態特性標定實驗。運用空氣動力學理論計算公式及壓力傳感器7實測壓力值可得：選用0.32mm厚硬紙膜產生約194m/s氣流流速；選用0.1mm厚鋁膜產生約276m/s氣流流速。選用co1-k型快速響應熱電偶進行標定實驗，熱電偶響應曲線如圖3所示。經過計算機處理后的時間常數見表2。

表2不同流速下的co1-k熱電偶時間常數

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應該涵蓋在本發明的保護范圍之內。