一种适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置

技术领域

本发明涉及热电偶的动态校准技术领域，具体为一种适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置。

背景技术

火炸药、武器系统等的动态温度是评估其毁伤性能的重要指标，尤其以温压炸药为代表的一类以冲击波和高温毁伤共同作用的火炸药的出现及广泛使用，使爆炸场动态温度的测量更加迫切，爆炸场具有高温、高压、高冲击、强电磁干扰的较为恶劣的测试环境，要求测试系统响应速度要快，而且要具有较强的鲁棒性和生存性，目前，对于爆炸场内点温或特殊场所(如坑道内)的温度测量，接触式测温法仍是目前最主要的测试方法，热电偶传感器仍是主要的测温传感器，但热电偶传感器具有一定的热惯性，在应用其进行动态温度测量时，需研究其动态特性(如响应时间、工作频带等)是否满足动态测量的需求，因此，需要进行动态校准，分析其动态特性，热电偶传感器的动态特性不但与传感器本身材料、构造有关，而且还与被测环境、换热方式密切相关，同一支传感器在不同换热环境中表现为不同的动态特性，因此，在对热电偶进行动态特性分析时，需产生与被测对象近似的换热环境，在爆炸场环境中，存在爆轰与燃烧，主要的换热方式为热辐射和对流换热，在对应用于爆炸场温度测试的热电偶进行动态校准时，需构建模拟爆炸环境的动态校准系统，以实现热电偶传感器动态温度激励，

目前，现有热电偶传感器的动态校准方法主要有恒温水/油槽法、热风洞法、电加热法、激光法、激波管法等，恒温水/油槽法中热电偶的换热方式主要以液体对流换热为主，热风洞法和激波管法主要以气流对流换热为主，电加热法和激光法主要以热传导换热方式或对流换热为主，每种方法均不存在燃烧，无法提供近似爆炸场的换热环境，故在这些动态校准系统中得到的热电偶动态参数指标与爆炸现场中存在较大差异，若依据该动态指标进行爆炸场瞬态温度测试时，会产生较大的误差，同时，试验后对热电偶输出信号进行修正时，需依据其动态参数指标，若动态参数获取不准确，将直接影响修正精度。

发明内容

本发明提供一种适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置，可以有效解决上述背景技术中提出现有热电偶传感器的动态校准方法均不存在燃烧，无法提供近似爆炸场的换热环境，故在这些动态校准系统中得到的热电偶动态参数指标与爆炸现场中存在较大差异，若依据该动态指标进行爆炸场瞬态温度测试时，会产生较大的误差，同时，试验后对热电偶输出信号进行修正时，需依据其动态参数指标，若动态参数获取不准确，将直接影响修正精度的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置，包括单脉冲激波管组件、压力传感器组件、比色测温装置、数据采集处理装置、采集及动态特性分析系统、置物台、被校热电偶传感器和热电偶传感器信号调理单元；

所述单脉冲激波管组件具体包括高压室、高压室气瓶阀门、高压室气瓶、膜片、容纳室、低压室气瓶阀门、低压室气瓶、低压室、低压室压力表、低压室压力表阀门、高压室压力表和高压室压力表阀门；

所述高压室和低压室的两个相互靠近的端部之间固定连接，且其间的连接处设置有膜片，所述高压室的底部中端通过高压管道连接有高压室气瓶，且高压室气瓶顶部的高压管道上安装有高压室气瓶阀门，所述高压室顶部一侧通过高压压力管道连接有高压室压力表，所述高压室压力表底部的高压压力管道上安装有高压室压力表阀门；

所述低压室的一侧底部安装有容纳室，所述低压室底部位于容纳室一侧位置处通过低压管道连接有低压室气瓶，且低压室气瓶顶部的低压管道上固定安装有低压室气瓶阀门，所述低压室顶部中端通过低压压力管道连接有低压室压力表，且低压室压力表底部的低压压力管道上固定安装有低压室压力表阀门；

所述压力传感器组件用于测量激波速度及5区压力，具体包括1号压力传感器、2号压力传感器、3号压力传感器和4号压力传感器；

所述1号压力传感器、2号压力传感器、3号压力传感器和4号压力传感器的信号输出端均与数据采集处理装置相连接，所述数据采集处理装置的一端通过线路与采集及动态特性分析系统进行连接，所述采集及动态特性分析系统远离数据采集处理装置的一端通过线路连接有热电偶传感器信号调理单元，所述热电偶传感器信号调理单元的一端通过线路连接有被校热电偶传感器；

所述低压室的一侧底部安装有比色测温装置，所述比色测温装置与采集及动态特性分析系统之间通过传输线路进行连接，所述低压室一侧边部与比色测温装置对应位置处安装有石英窗口，所述低压室内部一侧安装有置物台。

根据上述技术方案，所述低压室底部与容纳室相对一侧依次连接有1号压力传感器、2号压力传感器和3号压力传感器，所述1号压力传感器、2号压力传感器和3号压力传感器之间相邻设置，所述低压室端部的端盖上固定安装有4号压力传感器。

根据上述技术方案，所述单脉冲激波管组件根据不同的高压段、低压段压力及膜片的厚度，产生不同温度及压力的激波，为实现单脉冲温度加热，安装容纳室形成单次激波，现被校热电偶传感器的单脉冲温度激励。

根据上述技术方案，所述膜片具有一定的厚度，且其厚度根据需要的压力及温度进行确定，所述膜片可以是铝模、钢膜。

根据上述技术方案，所述比色测温装置主要通过石英窗口测量单脉冲激波管组件的5区温度，该温度数据作为激励信号；

所述数据采集处理装置采集1号压力传感器、2号压力传感器、3号压力传感器和4号压力传感器的各个通道的压力信号。

根据上述技术方案，所述被校热电偶传感器通过热电偶传感器信号调理单元与比色测温装置输出信号共同输入到采集及动态特性分析系统进行动态模型的建立与特性分析，且被校热电偶传感器的输出信号经热电偶传感器信号调理单元处理后作为响应信号。

根据上述技术方案，所述采集及动态特性分析系统可自动实现系统的辨识，给出激励和响应温度曲线、动态模型，并分析得到被校热电偶传感器的动态参数。

根据上述技术方案，所述采集及动态特性分析系统接收激励信号和响应信号，采集及动态特性分析系统为上位机软件系统，实现比色测温信号和压力信号的处理，并调用MATLAB编制的系统辨识程序，应用激励信号和响应信号自动辨识得到被校热电偶传感器的动态模型；

通过动态模型可实现被校热电偶传感器的频率特性分析，得到被校热电偶传感器的带宽，通过在软件上对模型施加阶跃信号，可获取被校热电偶传感器的动态参数，如响应时间。

根据上述技术方案，所述置物台位于单脉冲激波管内低压室的底端，用于放置热化学材料，热化学材料可以是三硝基甲苯、铝粉，利用激波温度对材料进行加热，产生化学热，形成爆炸环境，模拟爆炸场温度环境。

根据上述技术方案，所述被校热电偶传感器可为各种类型热电偶传感器，包括S型、R型、B型、K型、N型、J型热电偶传感器、钨铼系、铂铑系和铱铑系热电偶。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过单脉冲激波管及热化学材料实现了爆炸场高温高压环境的模拟，可产生温度较高的脉冲激励，并通过动态分析系统实现被校热电偶传感器的动态建模及特性分析，解决了现有热电偶动态校准系统激励温度低，无法模拟爆炸环境、无法得到准确的热电偶动态特性的问题，且该热电偶动态校准装置适用于各种铠装热电偶及丝状热电偶传感器的动态校准，尤其适用于在爆炸温度场环境下的各种热电偶传感器动态特性的分析。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明热电偶动态校准装置的结构示意图；

图2是本发明采集及动态特性分析系统的示意图；

图中标号：1、高压室；2、高压室气瓶阀门；3、高压室气瓶；4、膜片；5、容纳室；6、低压室气瓶阀门；7、低压室气瓶；8、低压室；9、1号压力传感器；10、2号压力传感器；11、3号压力传感器；12、石英窗口；13、数据采集处理装置；14、比色测温装置；15、采集及动态特性分析系统；16、热电偶传感器信号调理单元；17、4号压力传感器；18、被校热电偶传感器；19、置物台；20、低压室压力表；21、低压室压力表阀门；22、高压室压力表；23、高压室压力表阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1-2所示，本发明提供一种技术方案，一种适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置，包括单脉冲激波管组件、压力传感器组件、比色测温装置14、数据采集处理装置13、采集及动态特性分析系统15、置物台19、被校热电偶传感器18和热电偶传感器信号调理单元16；

单脉冲激波管组件根据不同的高压段、低压段压力及膜片4的厚度，产生不同温度及压力的激波，为实现单脉冲温度加热，安装容纳室5形成单次激波，现被校热电偶传感器18的单脉冲温度激励，单脉冲激波管组件具体包括高压室1、高压室气瓶阀门2、高压室气瓶3、膜片4、容纳室5、低压室气瓶阀门6、低压室气瓶7、低压室8、低压室压力表20、低压室压力表阀门21、高压室压力表22和高压室压力表阀门23；

高压室1和低压室8的两个相互靠近的端部之间固定连接，且其间的连接处设置有膜片4，膜片4具有一定的厚度，且其厚度根据需要的压力及温度进行确定，膜片4是铝模，高压室1的底部中端通过高压管道连接有高压室气瓶3，且高压室气瓶3顶部的高压管道上安装有高压室气瓶阀门2，高压室1顶部一侧通过高压压力管道连接有高压室压力表22，高压室压力表22底部的高压压力管道上安装有高压室压力表阀门23；

低压室8的一侧底部安装有容纳室5，低压室8底部位于容纳室5一侧位置处通过低压管道连接有低压室气瓶7，且低压室气瓶7顶部的低压管道上固定安装有低压室气瓶阀门6，低压室8顶部中端通过低压压力管道连接有低压室压力表20，且低压室压力表20底部的低压压力管道上固定安装有低压室压力表阀门21；

压力传感器组件用于测量激波速度及5区压力，具体包括1号压力传感器9、2号压力传感器10、3号压力传感器11和4号压力传感器17，低压室8底部与容纳室5相对一侧依次连接有1号压力传感器9、2号压力传感器10和3号压力传感器11，1号压力传感器9、2号压力传感器10和3号压力传感器11之间相邻设置，低压室8端部的端盖上固定安装有4号压力传感器17；

1号压力传感器9、2号压力传感器10、3号压力传感器11和4号压力传感器17的信号输出端均与数据采集处理装置13相连接，数据采集处理装置13采集1号压力传感器9、2号压力传感器10、3号压力传感器11和4号压力传感器17的各个通道的压力信号，数据采集处理装置13的一端通过线路与采集及动态特性分析系统15进行连接，采集及动态特性分析系统15远离数据采集处理装置13的一端通过线路连接有热电偶传感器信号调理单元16，热电偶传感器信号调理单元16的一端通过线路连接有被校热电偶传感器18，被校热电偶传感器18可为各种类型热电偶传感器，包括S型、R型、B型、K型、N型、J型热电偶传感器、钨铼系、铂铑系和铱铑系热电偶，被校热电偶传感器18通过热电偶传感器信号调理单元16与比色测温装置14输出信号共同输入到采集及动态特性分析系统15进行动态模型的建立与特性分析，且被校热电偶传感器18的输出信号经热电偶传感器信号调理单元16处理后作为响应信号；

低压室8的一侧底部安装有比色测温装置14，比色测温装置14主要通过石英窗口12测量单脉冲激波管组件的5区温度，该温度数据作为激励信号，比色测温装置14与采集及动态特性分析系统15之间通过传输线路进行连接，采集及动态特性分析系统15可自动实现系统的辨识，给出激励和响应温度曲线、动态模型，并分析得到被校热电偶传感器18的动态参数，采集及动态特性分析系统15接收激励信号和响应信号，采集及动态特性分析系统15为上位机软件系统，实现比色测温信号和压力信号的处理，并调用MATLAB编制的系统辨识程序，应用激励信号和响应信号自动辨识得到被校热电偶传感器18的动态模型，通过动态模型可实现被校热电偶传感器18的频率特性分析，得到被校热电偶传感器18的带宽，通过在软件上对模型施加阶跃信号，可获取被校热电偶传感器18的动态参数，如响应时间，低压室8一侧边部与比色测温装置14对应位置处安装有石英窗口12，低压室8内部一侧安装有置物台19，置物台19位于单脉冲激波管内低压室8的底端，用于放置热化学材料，热化学材料是铝粉，利用激波温度对材料进行加热，产生化学热，形成爆炸环境，模拟爆炸场温度环境。

本发明的工作原理及使用流程：该适用于爆炸环境下的热电偶动态校准装置在具体工作过程中，测试开始前，将1号压力传感器9、2号压力传感器10、3号压力传感器11、4号压力传感器17及被校热电偶传感器18安装在固定位置，将一定量的热化学材料放置于置物台19上，同时根据所需压力及温度，来打开高压室气瓶阀门2、低压室气瓶阀门6、低压室压力表阀门21和高压室压力表阀门23，并安装一定厚度的膜片4，使膜片4置于高压室1和低压室8之间；

接着，查看低压室压力表20，当低压室8达到压力后，关闭低压室气瓶阀门6，高压室1继续充气，当达到一定压力后，膜片4破开，在低压室8内形成高温高压激波，通过高温高压激波来加热置物台19上的热化学材料，并燃烧，从而在单脉冲激波管5区形成爆炸环境，并且容纳室5与低压室8相通，并充入相同的气体，用以吸收和消除二次激波脉冲；

数据采集处理装置13对4个通道压力传感器的信号进行采集，1号压力传感器9、2号压力传感器10、3号压力传感器11作为测速传感器进行信号采集并上传至采集及动态特性分析系统15，根据正激波理论，计算出反射激波作用后的气体的温度、密度、压力等参数，而4号压力传感器17安装于低压室8的端盖上，用于测量5区的压力值，比色测温装置14通过石英窗口12测量5区温度；

采集及动态特性分析系统15通过比色测温装置14的输出信号计算得到的5区温度，作为激励信号，被校热电偶传感器18输出信号经热电偶传感器信号调理单元16处理后作为响应信号，两信号输出到采集及动态特性分析系统15，采集及动态特性分析系统15为上位机软件系统，实现比色测温信号和压力信号的处理，并调用MATLAB编制的系统辨识程序，应用激励和响应信号自动辨识得到被校热电偶传感器18的动态模型，通过动态模型可实现被校热电偶传感器18的频率特性分析，得到被校热电偶传感器18的带宽，通过在软件上对模型施加阶跃信号，可获取被校热电偶传感器18的响应时间等动态参数；

此外，在具体实施时，被校热电偶传感器18可为各种类型的热电偶传感器，如S型、R型、B型、K型、N型、J型热电偶传感器、钨铼系、铂铑系、铱铑系热电偶。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。