本發(fā)明屬于動態(tài)溫度測試，具體涉及一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針，適用于測量葉輪機中三維非定常流場的瞬態(tài)信息，其核心在于快速、精確地測量和監(jiān)測葉輪機械三維非定常流場的瞬態(tài)總溫、靜溫、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角和馬赫數(shù)的變化。

背景技術：

1、葉輪機進口、出口和級間的三維流場，由于流體粘性、激波、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)、葉尖間隙的存在、動靜葉片排的交錯排列等，本質(zhì)上是非定常的。導致快速、精確地獲得葉輪機進、出口及級間溫度場隨時間的變化變得十分困難。對于葉輪機，研究人員更希望獲得級間、轉(zhuǎn)子出口的動態(tài)溫度分布以及氣流方向角，用于驗證設計和流場診斷，以便改進機器性能。因此，為快速、精確地獲得葉輪機進、出口及級間瞬態(tài)溫度場，必須發(fā)展更有針對性的測試手段。

2、目前，常采用動態(tài)壓力探針來獲取來流的俯仰角、偏轉(zhuǎn)角信息，動態(tài)壓力探針由于動態(tài)壓力傳感器受試驗來流溫度的影響，在保證精度的前提下，最高試驗來流溫度不超過200℃，極大的限制了其使用范圍，而薄膜鉑電阻溫度傳感器可在高達800℃的環(huán)境中使用。針對流場總溫而言，常采用熱電偶溫度傳感器和熱線溫度探針獲取流場動態(tài)溫度信號，其中，熱電偶溫度傳感器由于響應頻率低，即使頻響最高的細絲熱電偶溫度傳感器也無法完全滿足特殊工況下葉輪機進、出口及級間瞬態(tài)溫度場的測試要求，并且相對于薄膜鉑電阻溫度傳感器，熱電偶的測量精度較低，在長時間使用過程中，熱電偶可能會由于材料的老化和熱點效應漂移，導致測量誤差增大，易受到環(huán)境因素的影響。熱線溫度探針具有極短的熱響應時間，能夠迅速捕捉到溫度和流動的瞬態(tài)變化，并且熱線溫度探針非常細小，具有較高的空間分辨率，但是其通常由非常細的金屬絲制成，制造和維護成本較高且容易斷裂和損壞，耐用性較差，提高了試驗成本和不可靠性。此外熱電偶溫度傳感器和熱線溫度探針使用時，僅能測得總溫，無法獲取葉輪機械跨音速三維非定常流場的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角變化。

3、因此，快速、精確地獲得葉輪機進、出口及級間瞬態(tài)溫度、俯仰角和偏轉(zhuǎn)角，急需發(fā)展一種快速、高精度、抗氣流沖刷、空間分辨率小、對流場干擾小的測試技術，以實現(xiàn)高溫環(huán)境下非定常流場動態(tài)溫度、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角的精確測量，為葉輪機械高性能設計及優(yōu)化提供可靠的測量手段和技術支撐。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針，包括探針頭部、探針支桿、左薄膜鉑電阻、中薄膜鉑電阻、右薄膜鉑電阻、上薄膜鉑電阻、圓形管道、楔頂斜面、圓柱前切面、左側平面、右側平面等，探針頭部為楔頂棱柱結構，探針測量時的探針頭部迎風面包括楔頂棱柱的楔頂斜面、圓柱前切面、對稱的左側平面和右側平面，背風面為圓柱后弧面；圓柱后弧面與探針支桿為同一圓柱的側面，圓形管道軸線與探針支桿的軸線重合；在探針頭部的楔頂斜面、圓柱前切面、左側面、右側面上各開有1個引線孔，引線孔上分別安裝薄膜鉑電阻，這4個薄膜鉑電阻尺寸相同，薄膜鉑電阻的導線通過對應的引線孔經(jīng)圓形管道引出與外界采集設備相連。

2、使用時，隨著溫度的變化，薄膜鉑電阻的電阻值也會隨之變化，關系式如下：

3、rt＝r0[1+at+bt2]

4、其中，r0為0℃的電阻值，a、b為分度常數(shù)。將探針置于被測流場中，當被測流場溫度發(fā)生變化時，正式試驗之前，分別對4個薄膜鉑電阻進行靜態(tài)標定。要實現(xiàn)更高精度的測量，需要使用標準溫度裝置和標準電阻表，針對特定的鉑電阻進行校準獲得其特性曲線，即獲取特性曲線中各項的系數(shù)，用來在測量時進行阻值-溫度轉(zhuǎn)換。對其進行靜態(tài)標定，其步驟為：將被校薄膜鉑電阻傳感器與高精度電阻儀相連，并放置于干式計量爐恒溫槽內(nèi)，保證被校準薄膜鉑電阻傳感器位于干式計量爐恒溫槽正中心，避免被校傳感器與恒溫槽壁面接觸。完成上述安裝準備后，開啟干式計量爐，調(diào)整至校準點溫度值，待示數(shù)穩(wěn)定后，等待30分鐘以上，直至被校薄膜鉑電阻傳感器達到熱平衡(薄膜鉑電阻傳感器示數(shù)不變)。校準溫度點選擇包含0℃在內(nèi)，根據(jù)實際溫度測量范圍進行溫度校準，每間隔10℃校準一次。

5、將薄膜鉑鉑電阻傳感器置于0℃和測量范圍內(nèi)另外兩個溫度點下測量電阻值，稱之為“三點校準”方法，可以得到如下方程組：

6、

7、聯(lián)立求解可以得到：

8、

9、最后得到標定范圍內(nèi)鉑電阻的測溫公式：

10、

11、經(jīng)上述靜態(tài)校準，通過數(shù)據(jù)處理方法，得到校準之后的分度常數(shù)a、b以及測量溫度計算公式。

12、靜態(tài)校準之后在校準風洞進行寬范圍校準，校準速度范圍為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°；確定一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、總溫特性。

13、定義偏轉(zhuǎn)角系數(shù):

14、

15、定義俯仰角系數(shù):

16、

17、定義總溫系數(shù)：

18、

19、定義靜溫系數(shù)：

20、

21、其中，yaw為探針旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角，pitch為探針俯仰角，其中t1、t2、t3、t4為不同氣流偏轉(zhuǎn)角α、俯仰角下中薄膜鉑電阻、左薄膜鉑電阻、右薄膜鉑電阻、上薄膜鉑電阻的校準溫度數(shù)據(jù)，tt為校準風洞來流總溫，ts為校準風洞來流靜溫。

22、本發(fā)明提供了一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針，要解決的技術問題是：第一，解決了現(xiàn)有動態(tài)溫度探針精度不足的問題。第二，解決了現(xiàn)有動態(tài)溫度探針受限于傳統(tǒng)動態(tài)溫度傳感器頻響較低的問題。第三，解決了現(xiàn)有動態(tài)溫度探針無法測量偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、靜溫、馬赫數(shù)的問題。

23、本發(fā)明的技術解決方案是：

24、1、一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針，由探針頭部(1)、探針支桿(2)、左薄膜鉑電阻(3)、中薄膜鉑電阻(4)、右薄膜鉑電阻(5)、上薄膜鉑電阻(6)、圓形管道(7)、楔頂斜面(8)、圓柱前切面(9)、左側平面(10)、右側平面(11)組成，其特征在于：所述探針頭部(1)為楔頂棱柱結構，探針測量時的探針頭部(1)迎風面包括楔頂棱柱的楔頂斜面(8)、圓柱前切面(9)、對稱的左側平面(10)和右側平面(11)，背風面為圓柱后弧面；圓柱后弧面與探針支桿(2)為同一圓柱的側面，圓形管道(7)軸線與探針支桿(2)的軸線重合；在探針頭部(1)的楔頂斜面(8)、圓柱前切面(9)、左側面(10)、右側面(11)上各開有1個引線孔，引線孔上分別安裝薄膜鉑電阻，分別為左薄膜鉑電阻(3)、中薄膜鉑電阻(4)、右薄膜鉑電阻(5)、上薄膜鉑電阻(6)，這4個薄膜鉑電阻尺寸相同，薄膜鉑電阻的導線通過對應的引線孔經(jīng)圓形管道(7)引出與外界采集設備相連。

25、2、探針支桿(2)為圓柱體，圓柱體的直徑d，d的取值范圍為2毫米≤d≤10毫米；探針支桿(2)沿軸向內(nèi)部開有圓形管道(7)，圓形管道直徑為a，a的取值范圍為1毫米≤a≤8毫米，薄膜鉑電阻導線穿過引線孔后經(jīng)圓形管道(7)與外界采集設備相連。

26、3、探針頭部(1)楔頂斜面(8)與探針支桿(2)軸線的夾角為36°至54°。

27、4、上薄膜鉑電阻(6)中心線、中薄膜鉑電阻(4)中心線與探針支桿(2)軸線在同一個平面上，左側平面(10)、右側平面(11)沿該平面對稱分布，左側平面(5)、右側平面(6)夾角為30°至70°。

28、5、探針頭部(1)上的左薄膜鉑電阻(3)和右薄膜鉑電阻(5)沿中薄膜鉑電阻(4)與上薄膜鉑電阻(6)中心線所在的平面對稱分布。

29、6、探針頭部(1)上的上薄膜鉑電阻(6)中心與楔頂斜面(8)最低點距離為1毫米至5毫米。

30、7、探針頭部(1)上的中薄膜鉑電阻(4)中心與楔頂斜面(3)圓弧最低點距離為1毫米至3毫米。

31、8、左薄膜鉑電阻(3)、中薄膜鉑電阻(4)、右薄膜鉑電阻(5)、上薄膜鉑電阻(6)分別安裝在引線孔上，左薄膜鉑電阻(3)、中薄膜鉑電阻(4)、右薄膜鉑電阻(5)、上薄膜鉑電阻(6)材料、大小相同，左薄膜鉑電阻(3)、中薄膜鉑電阻(4)、右薄膜鉑電阻(5)、上薄膜鉑電阻(6)均采用微型四線制薄膜鉑電阻，長度：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，四線制測量能有效消除引線電阻對測量結果的影響，提高測量精度，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準確性。

32、9、探針頭部(1)楔頂棱柱結構的圓弧直徑為4毫米至10毫米，棱柱結構高15毫米至50毫米。

33、本發(fā)明一種測量三維非定常流場的薄膜鉑電阻動態(tài)總溫探針，具有以下有益效果：

34、有益效果一：本發(fā)明經(jīng)過校準風洞校準后，根據(jù)特有的數(shù)據(jù)處理方法，能獲得來流的瞬態(tài)總溫、靜溫、偏轉(zhuǎn)角、俯仰角和馬赫數(shù)信息。

35、有益效果二：本發(fā)明經(jīng)過校準風洞及恒溫爐標定箱校準后，能提高提高測量精度，基底采用絕熱材料，提高探針的頻響，能夠精準捕捉快速變化的溫度場。為葉輪機非定常流場測試提供了一種高效、準確的手段。

36、有益效果三：本發(fā)明的探針自帶定位功能，頭部垂直切面形成定位參考，探針的安裝方便簡單，測量時無需旋轉(zhuǎn)，對被測流場沒有周期性的要求，適用范圍廣。

37、有益效果四：本發(fā)明的探針頭部結構簡單緊湊，為“i”型，尺寸小，雙薄膜鉑電阻采用豎直布置，提高了探針的空間分辨率，適用于葉輪機進、出口及級間的測量。

38、有益效果五：本發(fā)明的薄膜鉑電阻體積小且為四線制鉑電阻，測量精度高，受感部不受探針本身結構的影響，最先感受來流的脈動，流場信息不失真，測量精度高。