本發(fā)明屬于動(dòng)態(tài)溫度測(cè)試，具體涉及一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針及測(cè)量方法，適用于測(cè)量葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間瞬態(tài)溫度場(chǎng)，其核心在于快速、精確地測(cè)量和監(jiān)測(cè)葉輪機(jī)械進(jìn)、出口及級(jí)間在不同工況下的瞬態(tài)溫度變化。

背景技術(shù)：

1、溫度是葉輪機(jī)工作過(guò)程中一個(gè)重要的熱力學(xué)參數(shù)，目前在葉輪機(jī)測(cè)試領(lǐng)域中如何快速、精確地測(cè)量瞬態(tài)溫度場(chǎng)成為一個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。葉輪機(jī)工作時(shí)內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜多變，尤其在進(jìn)、出口及級(jí)間位置面對(duì)復(fù)雜、高速旋轉(zhuǎn)的情況下，由于轉(zhuǎn)、靜葉相互干涉及流道狹小，內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)非均勻非對(duì)稱特性，存在徑向和周向的渦系摻混，具有強(qiáng)三維性和強(qiáng)非定常性，導(dǎo)致快速、精確地獲得葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化變得十分困難。因此，為快速、精確地獲得葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間瞬態(tài)溫度場(chǎng)，必須發(fā)展更有針對(duì)性的測(cè)試手段。

2、針對(duì)接觸式測(cè)量手段，出于耐用性、可靠性以及對(duì)精度地考慮，目前常采用鎧裝鉑電阻來(lái)精確地獲得流場(chǎng)的溫度，在葉輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)、出口及級(jí)間的溫度場(chǎng)具有強(qiáng)烈的瞬態(tài)變化特性，這些區(qū)域的溫度變化頻繁且迅速。現(xiàn)有的鎧裝鉑電阻溫度傳感器雖然能滿足靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)條件下的溫度測(cè)量精度需求，但其低頻響特性使其難以準(zhǔn)確捕捉這些瞬態(tài)溫度變化，從而無(wú)法滿足對(duì)葉輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜瞬態(tài)溫度場(chǎng)的精確測(cè)試需求。對(duì)于瞬態(tài)溫度場(chǎng)，現(xiàn)有熱電偶溫度傳感器及熱線溫度探針。雖然熱電偶溫度傳感器相較于鎧裝鉑電阻溫度傳感器具有較快的熱響應(yīng)時(shí)間，頻響最高的細(xì)絲熱電偶溫度傳感器也無(wú)法完全滿足特殊工況下葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間瞬態(tài)溫度場(chǎng)的測(cè)試需求，且相對(duì)于鎧裝鉑電阻溫度傳感器，熱電偶的精度較低，長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，熱電偶可能會(huì)由于材料的老化和熱電效應(yīng)漂移，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，易受到環(huán)境因素的影響。針對(duì)熱線溫度探針，具有極快的熱響應(yīng)時(shí)間，能夠迅速捕捉到溫度和流動(dòng)的瞬態(tài)變化，熱線溫度探針通常非常細(xì)小，具有較高的空間分辨率，但熱線溫度探針通常由非常細(xì)的金屬絲制成，熱線溫度探針的制造和維護(hù)成本較高，且容易斷裂和損壞，其耐用性較差，提高了試驗(yàn)成本和不可靠性。

3、針對(duì)非接觸式測(cè)量手段，常采用的有紅外測(cè)溫和光纖測(cè)溫。紅外測(cè)溫需要光學(xué)入口，光路受限于葉輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且測(cè)量距離和紅外傳感器的視場(chǎng)角會(huì)影響測(cè)量精度和分辨率，距離過(guò)遠(yuǎn)或視場(chǎng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差增加；光纖測(cè)溫成本較高，光纖測(cè)溫系統(tǒng)的安裝和布線復(fù)雜，且光纖容易受到葉輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械應(yīng)力、彎曲和物理?yè)p傷的影響，會(huì)影響測(cè)量精度。

4、因此，快速、精確地獲得葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間瞬態(tài)溫度場(chǎng)，急需發(fā)展一種快速、高精度、抗氣流沖刷、對(duì)流場(chǎng)干擾小且同時(shí)測(cè)量葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間瞬態(tài)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)總溫探針，以實(shí)現(xiàn)非定常流場(chǎng)動(dòng)態(tài)溫度的精確測(cè)量，為葉輪機(jī)械高性能設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供可靠的測(cè)量手段和技術(shù)支撐。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針，包括探針頭部、探針支桿、兩塊薄膜鉑電阻、兩個(gè)引線孔。探針頭部呈半圓球狀，正對(duì)主流形成垂直切面。兩塊薄膜鉑電阻在切面上沿探針軸線布置，其引線通過(guò)位于薄膜鉑電阻后的引線孔引出，采用四線制連接方式。探針支桿的圓柱面與垂直切面之間呈維多辛斯基曲線狀，探針支桿沿軸向內(nèi)部開(kāi)有圓形管道。

2、在校準(zhǔn)風(fēng)洞中對(duì)一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針進(jìn)行寬范圍校準(zhǔn)，校準(zhǔn)速度范圍為0.1馬赫至1.4馬赫，偏轉(zhuǎn)角范圍為-80°至80°，俯仰角范圍為-40°到40°，風(fēng)洞試驗(yàn)校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)使用兩片薄膜鉑電阻同時(shí)進(jìn)行溫度測(cè)量，兩片薄膜熱電阻用信號(hào)發(fā)生器提供不同的恒定電流，兩片電阻初始溫度不同，但擁有同樣的對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，即可獲得不同工況下兩塊薄膜鉑電阻的熱流密度之比，定義熱流密度之比為c，并滿足如下方程：

3、q1＝h(tt-tw1)

4、q2＝h(tt-tw2)

5、

6、式中，q1、q2——薄膜熱電阻的熱流密度，單位w/m2；tw1、tw2——薄膜熱電阻測(cè)量的溫度，單位k；tt——校準(zhǔn)風(fēng)洞來(lái)流總溫，單位k，通過(guò)上述校準(zhǔn)方法即可獲得不同校準(zhǔn)工況下的熱流密度之比c；

7、試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，在已知來(lái)流工況情況下，可由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)查得對(duì)應(yīng)的熱流密度之比c，由測(cè)得的tw1、tw2數(shù)據(jù)，通過(guò)下列公式計(jì)算得到被測(cè)氣流總溫tg：

8、

9、本發(fā)明提供了一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針，要解決的技術(shù)問(wèn)題是：第一，解決了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)溫度探針精度不足的問(wèn)題。第二，解決了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)溫度探針受限于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)溫度傳感器頻響較低的問(wèn)題。第三，解決了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)溫度探針耐久性問(wèn)題。

10、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

11、1、一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針，由探針頭部(1)、探針支桿(2)、上薄膜鉑電阻(3)、下薄膜鉑電阻(4)、兩個(gè)引線孔(6)(7)組成，其特征在于：探針頭部(1)呈半圓球狀，探針頭部(1)正對(duì)主流側(cè)形成垂直切面；切面上沿軸線開(kāi)有上引線孔(6)和下引線孔(7)，分別安裝上薄膜鉑電阻(3)和下薄膜鉑電阻(4)；薄膜鉑電阻的導(dǎo)線通過(guò)對(duì)應(yīng)的引線孔引出；探針支桿(2)的側(cè)面與垂直切面之間采用維多辛斯基曲線(5)連接，探針支桿(2)沿軸向內(nèi)部開(kāi)有圓形管道(8)。

12、2、探針頭部(1)圓柱體的直徑d，d的取值范圍為2毫米≤d≤10毫米，曲線旋轉(zhuǎn)體可選擇圓弧線、維多辛斯基曲線或圓錐曲線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)而成，曲線設(shè)計(jì)有助于氣流平滑地繞過(guò)探針頭部，避免產(chǎn)生紊流和渦流，且可以有效減少探針對(duì)流場(chǎng)地影響，提高測(cè)量精度，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

13、3、探針頭部(1)采用絕緣絕熱材料，減少測(cè)量時(shí)的導(dǎo)熱誤差，提高探針的測(cè)量精度和頻響。

14、4、探針頭部(1)圓柱體正對(duì)主流側(cè)形成垂直切面；切面的厚度為y，y的取值范圍為1毫米≤y≤5毫米；切面沿軸線的高度為z，z的取值范圍為10毫米≤z≤15毫米，切面更好得使氣流滯止，提高測(cè)量精度，且切面為薄膜鉑電阻的安裝提供了一個(gè)平面，固定和引線更加方便和可靠。

15、5、垂直切面上沿軸線開(kāi)有上引線孔(6)和下引線孔(7)，兩引線孔等大，引線孔直徑為b，b的取值范圍為0.2毫米≤y≤1毫米；圓心距為x，x的取值范圍為0.5毫米≤y≤1.5毫米。

16、6、上薄膜鉑電阻(3)和下薄膜鉑電阻(4)分別安裝在上引線孔(6)和下引線孔(7)，上薄膜鉑電阻(3)和下薄膜鉑電阻(4)材料、大小相同，上薄膜鉑電阻(3)和下薄膜鉑電阻(4)均采用微型四線制薄膜鉑電阻，長(zhǎng)度：1毫米到3毫米，寬度：0.5毫米到1.5毫米，厚度：0.05毫米到0.2毫米，四線制測(cè)量能有效消除引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量精度，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

17、7、探針支桿(2)的側(cè)面與垂直切面之間采用維多辛斯基曲線(5)連接，減少氣流在探針表面的干擾，使測(cè)量流場(chǎng)流體更平滑地繞過(guò)探針，這種均勻的流體流動(dòng)使得熱量更均勻地傳遞，從而減少了局部過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，減少探針對(duì)測(cè)量流場(chǎng)的干擾，提高測(cè)量精度。

18、8、探針支桿(2)沿軸向內(nèi)部開(kāi)有圓形管道(8)，圓形管道直徑為a，a的取值范圍為1毫米≤a≤8毫米，薄膜鉑電阻導(dǎo)線穿過(guò)引線孔后經(jīng)圓形管道(8)與外界采集設(shè)備相連。

19、本發(fā)明一種基于雙薄膜鉑電阻的動(dòng)態(tài)總溫探針，具有以下有益效果：

20、有益效果一：本發(fā)明經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞的校準(zhǔn)，能夠有效提升測(cè)量的精度。通過(guò)精確的校準(zhǔn)過(guò)程，確保薄膜鉑電阻在不同溫度點(diǎn)的響應(yīng)準(zhǔn)確可靠，且測(cè)量時(shí)只需獲得來(lái)流參數(shù)，無(wú)需了解被測(cè)介質(zhì)的物性參數(shù)。

21、有益效果二：本發(fā)明基于雙薄膜鉑電阻的設(shè)計(jì)，兩片薄膜鉑電阻在測(cè)溫時(shí)互相補(bǔ)償，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得溫度解析傳遞函數(shù)系數(shù)，構(gòu)建雙薄膜鉑電阻動(dòng)態(tài)總溫探針的測(cè)溫傳遞函數(shù)，重構(gòu)被測(cè)流場(chǎng)的氣流總溫，可大大提高動(dòng)態(tài)總溫探針的頻響。

22、有益效果三：本發(fā)明的探針設(shè)計(jì)具有自帶定位功能，探針頭部的垂直切面為定位參考，使探針的安裝更加簡(jiǎn)單快捷。測(cè)量時(shí)無(wú)需旋轉(zhuǎn)探針，減少了因操作不當(dāng)可能引發(fā)的誤差，適用范圍廣泛，適合對(duì)非周期性流場(chǎng)的精準(zhǔn)測(cè)量。

23、有益效果四：本發(fā)明的薄膜鉑電阻受感部位于探針的垂直切面上，不受探針本身結(jié)構(gòu)的干擾，能夠直接感受來(lái)流的溫度變化。薄膜鉑電阻能第一時(shí)間響應(yīng)流場(chǎng)的脈動(dòng)信息，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性和測(cè)量的高精度，尤其在動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)的測(cè)量中展現(xiàn)出極高的響應(yīng)效率。

24、有益效果五：探針頭部采用緊湊的“i”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尺寸小巧，雙薄膜鉑電阻豎直布置，大大提高了探針的空間分辨率。頭部型面經(jīng)過(guò)曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)，使氣流能夠貼合通過(guò)，減少附面層分離對(duì)測(cè)量的干擾，特別適用于葉輪機(jī)進(jìn)、出口及級(jí)間的高精度測(cè)量，在復(fù)雜氣動(dòng)環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

25、有益效果六：探針支桿側(cè)面采用維多辛斯基曲線設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)優(yōu)化了氣動(dòng)性能，使流體能夠更加平

26、滑地繞過(guò)探針，顯著減少了氣流對(duì)探針的沖擊和干擾。通過(guò)減少流體紊流和渦流的產(chǎn)生，降低了探針表面局部過(guò)熱的現(xiàn)象，保證了溫度測(cè)量過(guò)程中的均勻性。同時(shí)，有效降低了探針支桿的導(dǎo)熱效應(yīng)，減少了探針材料本身對(duì)熱傳導(dǎo)的影響，從而避免了測(cè)量過(guò)程中可能出現(xiàn)的溫度偏差。這種設(shè)計(jì)不僅提高了探針的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還顯著提升了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，使得在復(fù)雜的流體環(huán)境中也能保持良好的測(cè)量性能。