用熱流探針測(cè)量激波速度

張仕忠,李 賢,李進(jìn)平,陳 宏,俞鴻儒

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

0 引 言

激波速度是激波管和激波風(fēng)洞運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)，一般都是通過測(cè)量傳感器信號(hào)之間的時(shí)間間隔計(jì)算出激波速度，進(jìn)一步換算得出激波馬赫數(shù)。常用的激波速度測(cè)量方法有：通過壓力傳感器測(cè)量激波壓力信號(hào)；通過電離探針測(cè)出空氣電離信號(hào)[1]；通過光學(xué)方法測(cè)量激波波面發(fā)光和激波前后密度的跳躍[2-6]。

在激波管各連接環(huán)處安裝壓力傳感器，既可以測(cè)出激波壓力信號(hào)，同時(shí)也能得到激波速度信息，是一種比較實(shí)用的激波管運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量手段。常用的壓力傳感器有壓電傳感器和壓阻傳感器，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中每個(gè)傳感器都需要占用一個(gè)放大器通道和一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。在小型激波管和激波風(fēng)洞設(shè)備中，所需傳感器個(gè)數(shù)并不是很多，可以采用這種壓力測(cè)試手段。但在大型激波管和激波風(fēng)洞設(shè)備中，由于所需測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多，如果全部采用壓力傳感器測(cè)量會(huì)造成測(cè)試系統(tǒng)成本很高。特別是激波管的有些位置，只關(guān)心激波傳播速度而忽略激波壓力信息，這時(shí)候就需要用一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的激波速度測(cè)試系統(tǒng)。

電離探針作為一種激波測(cè)速方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在空氣解離的條件下，可以很好地測(cè)出激波速度。但是在激波馬赫數(shù)較低、波后溫度達(dá)不到空氣電離程度的情況下，實(shí)驗(yàn)氣流無法滿足傳統(tǒng)電離探針的工作條件，傳統(tǒng)電離探針方法失效，這時(shí)候就需要研究一種新的激波測(cè)速探針。

激波測(cè)速探針需要測(cè)量激波管內(nèi)的一種變化量，而激波管內(nèi)氣體化學(xué)反應(yīng)除了壓力變化外還有溫度變化[7-8]。同軸熱電偶熱流傳感器具有頻響快[9-10]、耐沖刷的優(yōu)點(diǎn)，一直被用在模型駐點(diǎn)熱流測(cè)量上[11]。充分利用熱電偶頻響快的優(yōu)點(diǎn)，我們采用同軸熱電偶作為激波測(cè)速探針，通過信號(hào)放大和觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)了一種單通道、多測(cè)點(diǎn)的激波風(fēng)洞測(cè)速系統(tǒng)。

傳統(tǒng)電離探針結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，使用傳統(tǒng)電離探針測(cè)量激波速度在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較早，在20世紀(jì)50年代技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，而使用熱流探針測(cè)量激波速度這種方法在國(guó)內(nèi)外則屬于首創(chuàng)，之前沒有被應(yīng)用過。

使用熱流探針測(cè)量激波速度系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩大關(guān)鍵問題：一是如何實(shí)現(xiàn)熱流探針信號(hào)的快速響應(yīng)，二是對(duì)熱流信號(hào)的放大處理措施。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)電離探針測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，所以本文首先介紹傳統(tǒng)電離探針電路。

1 傳統(tǒng)電離探針測(cè)速系統(tǒng)

1.1傳統(tǒng)電離探針原理

在強(qiáng)激波后面，氣流溫度較高(MS>6，T2>2000K)，氣體出現(xiàn)離解，甚至局部電離，因此波后氣流存在著能導(dǎo)電的粒子，傳統(tǒng)電離探針就是利用這種特性制成測(cè)探系統(tǒng)，元件制作簡(jiǎn)單，測(cè)量線路也不復(fù)雜，特別適用于測(cè)量強(qiáng)激波速度。

圖1為傳統(tǒng)電離探針測(cè)試系統(tǒng)原理圖，電離探針有2個(gè)電極，其中一極加電壓，另一極接地，當(dāng)激波通過以后，波后的氣體將兩極接通，電容放電從而產(chǎn)生激波脈沖信號(hào)。

圖1 傳統(tǒng)電離探針測(cè)試系統(tǒng)

電極之間的電導(dǎo)率對(duì)輸出信號(hào)波形及幅度有很大影響，激波后面氣流的電導(dǎo)率是初始?jí)毫图げR赫數(shù)的函數(shù)，電極形狀和電極表面污染程度對(duì)電極間的電導(dǎo)率有很大影響。

1.2帶自鎖功能的電離探針系統(tǒng)

在圖1所示的電離探針系統(tǒng)中，當(dāng)氣體離解不均勻時(shí)會(huì)造成探針不斷斷開和導(dǎo)通，從而使電容不斷充電放電，測(cè)量信號(hào)中會(huì)有脈沖干擾，從而影響最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。針對(duì)這種情況，可采用如圖2所示的改進(jìn)系統(tǒng)：

圖2 帶自鎖功能的電離探針測(cè)試系統(tǒng)

這種電離探針系統(tǒng)利用單向可控硅SCR，從而帶有自鎖功能，R2，C2，R3組成一個(gè)脈沖回路，當(dāng)電離探針Pin1導(dǎo)通時(shí)，C2放電從而觸發(fā)SCR1柵極導(dǎo)通，電容C1對(duì)負(fù)載R0放電得到激波脈沖信號(hào)。SCR1一旦導(dǎo)通后，外部信號(hào)就無法使其關(guān)斷，從而保證一路只有一個(gè)脈沖信號(hào)，從而避免了后面干擾脈沖的產(chǎn)生。下次再使用之前，需要對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位。

由以上分析可以看出，傳統(tǒng)電離探針測(cè)試系統(tǒng)是在激波后空氣電離的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的，當(dāng)激波速度較低(MS<3，T2<1000K)，波后溫度達(dá)不到空氣電離程度的情況時(shí)，傳統(tǒng)電離探針無法工作。在這種情況下，本文研究了一種同軸熱電偶探針測(cè)速技術(shù)。

2 熱流探針測(cè)速系統(tǒng)

激波測(cè)速系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成，一部分為熱流探針部分，另一部分為信號(hào)調(diào)理電路部分。熱流探針必須能夠?qū)崃餍盘?hào)進(jìn)行快速響應(yīng)，工業(yè)用熱電偶響應(yīng)時(shí)間一般都為s量級(jí)，反應(yīng)時(shí)間慢，不能直接用來作為熱流探針使用。本系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一種快速響應(yīng)熱電偶用來作為熱流探針。信號(hào)調(diào)理電路涉及將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱流信號(hào)，其轉(zhuǎn)換電路的容性負(fù)載會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成很大的噪聲干擾，在設(shè)計(jì)中需要合理調(diào)整放大倍數(shù)，并做好去噪措施。

2.1熱流探針設(shè)計(jì)

快速熱流探針的結(jié)構(gòu)如圖3所示，將康銅絲穿入紫銅管中，使用環(huán)氧樹脂隔離，表面使用機(jī)械打磨使其導(dǎo)通，從而構(gòu)成銅—康銅熱電偶。由于這種結(jié)構(gòu)形式的熱電偶節(jié)點(diǎn)很小，所以其相應(yīng)時(shí)間很快，頻響高，并且適用溫度范圍較寬，抗沖刷能力較好。

圖3 熱流探針結(jié)構(gòu)形式

在探針設(shè)計(jì)中，首先通過現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)量熱流探針的頻響特性，圖4是使用熱流探針測(cè)量激波管壁面溫度和熱流的電壓信號(hào)(未進(jìn)行換算處理)，放大器采用東華DH-3840P放大器。

從圖4可以看出，熱流響應(yīng)比溫度曲線要快，對(duì)圖4的熱流曲線進(jìn)行局部放大，如圖5所示。圖5說明同軸熱電偶熱流響應(yīng)在μs量級(jí)，其頻率響應(yīng)完全可以用來作為激波測(cè)速探針。

2.2信號(hào)調(diào)理電路

由于熱流探針信號(hào)很弱，必須先對(duì)熱流探針溫度信號(hào)進(jìn)行放大。由圖4可知，要提高熱流探針激波測(cè)速系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，必須使用熱流信號(hào)作為觸發(fā)源，所以電路設(shè)計(jì)中需要將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱流信號(hào)。設(shè)計(jì)的激波測(cè)速系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路框架如圖6所示。

圖4 熱流探針測(cè)量壁面溫度和熱流曲線

圖5 同軸熱電偶熱流響應(yīng)曲線

圖6 激波測(cè)速系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)中的熱電模擬網(wǎng)絡(luò)并沒有完全按照實(shí)際熱流測(cè)量需要的熱電模擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)[12]來設(shè)計(jì)，因?yàn)樵诩げy(cè)速系統(tǒng)中，只關(guān)注時(shí)間響應(yīng)，而對(duì)具體的熱流值沒有要求，這樣可以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

激波測(cè)速系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示，圖中只是一個(gè)測(cè)點(diǎn)的電路原理圖，測(cè)速通道信號(hào)合并同圖2原理相同，這里不再給出。

溫度信號(hào)經(jīng)過熱電模擬網(wǎng)絡(luò)后，由于通過電容負(fù)載，造成二級(jí)放大信號(hào)干擾特別大，二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)不能太高，而熱流信號(hào)起跳幅度又是由二級(jí)放大倍數(shù)來決定的，所以需要權(quán)衡這二者之間的關(guān)系，同時(shí)作好信號(hào)去噪措施。

3 激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

3.1高焓激波管實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用的爆轟激波管如圖8所示。該設(shè)備激波管全長(zhǎng)31m，包括驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段和卸爆段，內(nèi)徑均為224mm；試驗(yàn)段直徑1m、長(zhǎng)大于8m。實(shí)驗(yàn)氣體為空氣，驅(qū)動(dòng)氣體是氫氣和氧氣，使用火花塞+點(diǎn)火管裝置點(diǎn)火。

圖7 激波測(cè)速系統(tǒng)原理圖

圖8 高焓激波管實(shí)驗(yàn)裝置

為了獲得最佳運(yùn)行時(shí)間，驅(qū)動(dòng)段和被驅(qū)動(dòng)段最佳長(zhǎng)度比是根據(jù)模擬的飛行馬赫數(shù)計(jì)算出來的。該激波管比較適合飛行高度H=30～60km，飛行馬赫數(shù)8～18范圍內(nèi)的模型頭部駐點(diǎn)區(qū)的氣動(dòng)加熱的模擬。實(shí)驗(yàn)中同軸熱電偶探針安裝在標(biāo)號(hào)⑧和⑨的位置，同時(shí)，在這兩個(gè)位置分別安裝有壓電傳感器，用來作為本系統(tǒng)測(cè)量的對(duì)比信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)激波管的激波馬赫數(shù)為3.0，實(shí)驗(yàn)氣體總溫計(jì)算公式如下：

(1)

計(jì)算結(jié)果為804K，低于空氣解離溫度。

3.2溫度作為觸發(fā)信號(hào)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用了兩個(gè)同軸熱電偶探針測(cè)量激波速度。本系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，只需要將擴(kuò)展的探針模塊電路并聯(lián)接入主電路就可以工作。

首先使用溫度信號(hào)作為脈沖的信號(hào)觸發(fā)源，在圖4分析中，知道溫度信號(hào)爬坡比較慢，幅度值比較小，要想作為觸發(fā)源，信號(hào)幅度必須能達(dá)到SCR的柵極電位。為滿足這個(gè)觸發(fā)條件，在實(shí)驗(yàn)前先通過一個(gè)平衡電路來調(diào)整熱電偶的輸出偏置電壓，從而使得SCR柵極電位處于臨界觸發(fā)狀態(tài)，這樣即使信號(hào)幅度很小也可以觸發(fā)柵極，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 使用溫度作為觸發(fā)信號(hào)

使用溫度作為觸發(fā)信號(hào)得到的激波速度信號(hào)為2個(gè)脈沖信號(hào)，同對(duì)應(yīng)位置的壓電傳感器相比，第1個(gè)脈沖比壓電傳感器延遲130μs，第2個(gè)延遲80μs，延遲時(shí)間不一致。原因?yàn)槭褂脺囟茸鳛橛|發(fā)信號(hào)，幅值小，所以熱電偶平衡電路處于偏置狀態(tài)，使得SCR柵極處于臨界觸發(fā)狀態(tài)。但是由于元器件觸發(fā)臨界值有差異，調(diào)整觸發(fā)極限電壓時(shí)有誤差，從而造成信號(hào)觸發(fā)延遲不一致，所以不能使用溫度作為觸發(fā)信號(hào)。

3.3熱流作為觸發(fā)信號(hào)

在放大電路中加入熱點(diǎn)模擬網(wǎng)絡(luò)，將熱電偶探針的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱流信號(hào)，經(jīng)過熱電模擬網(wǎng)絡(luò)處理的熱流信號(hào)可以認(rèn)為是溫度信號(hào)的微分形式，信號(hào)響應(yīng)時(shí)間大幅度提高，信號(hào)輸出幅值也高，這樣可以不用考慮由于SCR元器件柵極觸發(fā)電壓的差異而造成的觸發(fā)延時(shí)現(xiàn)象。

圖10為使用自己制作的信號(hào)放大系統(tǒng)得到的一個(gè)熱電偶探針測(cè)點(diǎn)的溫度、熱流信號(hào)，以及使用熱流信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)得到的激波脈沖信號(hào)。從溫度曲線中可以看出，激波到達(dá)時(shí)溫度平緩上升，而經(jīng)過熱點(diǎn)模擬網(wǎng)絡(luò)的熱流值則會(huì)出現(xiàn)尖峰信號(hào)，并且熱流信號(hào)起跳是溫度信號(hào)的10倍，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SCR的柵極觸發(fā)電壓，從而保證了脈沖信號(hào)觸發(fā)無延時(shí)。

圖10 溫度、熱流及探針信號(hào)

熱電偶激波測(cè)速系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性，所有的熱電偶探針單元可以很方便地并入總系統(tǒng)單元，本實(shí)驗(yàn)中僅以2個(gè)熱電偶探針為例，測(cè)得的激波速度如圖11所示。

圖11中3個(gè)圖為3次重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)圖中為熱電偶探針系統(tǒng)測(cè)得的激波速度信號(hào)和相應(yīng)位置安裝的壓電傳感器測(cè)得的壓力起跳信號(hào)對(duì)比?？梢钥闯?，采用熱流作為激波速度信號(hào)觸發(fā)源，可以保證信號(hào)觸發(fā)無延時(shí)，能夠獲得準(zhǔn)確的激波速度。

(a)

(b)

(c)

同時(shí)從圖11中可以看出本熱電偶測(cè)速系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。使用熱電偶作為激波速度探針，其測(cè)量結(jié)果可以和壓電傳感器一樣準(zhǔn)確，但本系統(tǒng)的成本卻要低很多。

4 結(jié) 論

相對(duì)于傳統(tǒng)電離探針系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用同軸熱電偶作為探針，頻響可以滿足測(cè)試要求，在使用溫度和熱流作為觸發(fā)信號(hào)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中可以看出，只有使用熱流信號(hào)才能滿足激波速度測(cè)量時(shí)間要求。

本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)電離探針在激波速度較低、波后溫度達(dá)不到空氣電離程度的情況下無法測(cè)出激波速度的弊端，適用范圍更廣，可以用于一般激波管和激波風(fēng)洞測(cè)量激波速度需求，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介:

張仕忠(1983-)，男，湖北隨州人，工程師。研究方向：激波管和激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量。通信地址：北京市北四環(huán)西路15號(hào)中科院力學(xué)所高溫空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(100190)。E-mail: zhangshizhong191@163.com