[发明专利]一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器及测量方法

权利要求书

1.一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：该热流密度传感器包括：绝热套筒(1)、端盖(2)、尾盖(9)和若干组组合件；

所述的组合件包括热电偶和柱塞，热电偶的测点位置与柱塞固定连接；

所述的尾盖(9)带有中心孔；

通过端盖(2)和尾盖(9)将若干组组合件固定在绝热套筒(1)内，且组合件中的热电偶穿过尾盖(9)的中心孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的绝热套筒(1)的顶端带有限位环，所述的绝热套筒(1)的底端内壁带有螺纹。

3.根据权利要求2所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的端盖(2)为带有凸台的圆柱；所述的绝热套筒(1)的顶端的限位环与所述的端盖(2)的凸台相匹配。

4.根据权利要求2所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的尾盖(9)为带有中心孔的螺柱，所述的绝热套筒(1)的底端内壁的螺纹与尾盖(9)的螺纹相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的组合件为三个，包括上组合件、中组合件和下组合件；

所述的上组合件包括上层热电偶(3)和上层柱塞(4)；

所述的中组合件包括中层热电偶(5)和中层柱塞(6)；

所述的下组合件包括下层热电偶(7)和下层柱塞(8)。

6.根据权利要求5所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的中组合件位于下组合件的上方，所述的上组合件位于所述的中组合件的上方，且上组合件、中组合件和下组合件均位于绝热套筒(1)内。

7.根据权利要求5所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的上层热电偶(3)的测点位置与上层柱塞(4)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接，且上层热电偶(3)穿过尾盖(9)的中心孔；

所述的中层热电偶(5)的测点位置与中层柱塞(6)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且中层热电偶(5)穿过尾盖(9)的中心孔；

所述的下层热电偶(7)的测点位置与下层柱塞(8)的中心位置通过焊接或粘接的方式固定连接；且下层热电偶(7)穿过尾盖(9)的中心孔。

8.根据权利要求5所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：通过所述的绝热套筒(1)顶端的限位环与所述的端盖(2)的凸台的匹配关系以及所述的绝热套筒(1)底端的螺纹与尾盖(9)的螺纹的匹配关系，将端盖(2)、上层热电偶(3)、上层柱塞(4)、中层热电偶(5)、中层柱塞(6)、下层热电偶(7)、下层柱塞(8)和尾盖(9)固定在绝热套筒(1)内。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，其特征在于：所述的绝热套筒(1)的材料为耐高温多孔纤维陶瓷，耐高温多孔纤维陶瓷为莫来石、二氧化硅、氧化铝中的一种或两种以上的混合物；所述的尾盖(9)的材料与所述的绝热套筒(1)的材料一致；

所述的端盖(2)的材料为钢、合金钢、纯铜、铜合金、镍基高温合金、铌基高温合金、钼基高温合金、超高温陶瓷或三元层状陶瓷；

所述的上层柱塞(4)、中层柱塞(6)和下层柱塞(8)的材料与端盖(2)的材料相同；

所述的上层热电偶(3)为S、R、B、K、T、J、N、E型热电偶。

10.一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器的测量方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)将组合式热流密度传感器安装在由紫铜加工的空心圆柱模型中心；

(2)将步骤(1)得到的组合体置于电弧风洞流场中，热电偶测得热流密度曲线；

(3)将组合式热流密度传感器从紫铜加工的空心圆柱模型中拆出，使组合式热流密度传感器恢复至室温；

(4)重复步骤(1)-步骤(3)，再次测量电弧风洞流场中热流密度，重复1-3次；

(5)按照热流密度q(xn,t)计算表达式得到电弧风洞流场中的热流密度；式中q为热流密度，单位为W/m2；xn为热电偶的位置，上层热电偶为x1，中层热电偶为x2，下层热电偶为x3，以此类推；x为热电偶距离端盖(2)顶端的距离，单位为m；T为热电偶的实测温度，单位为K；T0为测量初始时刻温度；λ为热传导系数，单位为W/(m·K)；α为热扩散系数，单位为m2/s。