一种高压差承压环境控制仪器舱及方法

摘要

本发明涉及风洞测试领域，公开了一种高压差承压环境控制仪器舱及方法，所述仪器舱包括承压壳体，所述承压壳体包括柱形金属壳体、设备托架，所述柱形金属壳体两端设置前端盖板与后端盖板；所述前端盖板上设置进气孔、排气孔、气密插座；所述设备托架底部安装压力传感器、温度传感器、湿度传感器；所述设备托架上安装测量设备；所述承压壳体内部设置直吹式散热进气通道、直吹式散热排气通道，所述直吹式散热进气通道的一端与进气孔连接，所述直吹式散热排气通道一端与排气孔连接，所述直吹式散热进气通道通过进气孔与散热温控系统中的气源连接。本发明有效解决了测量设备和仪器在大型高气压工业试验设备上近距测量的设备散热问题。

权利要求

1.一种高压差承压环境控制仪器舱，其特征在于，所述仪器舱包括承压壳体，所述承压壳体包括柱形金属壳体(1)、以及设置在承压壳体内部的设备托架(10)，所述柱形金属壳体(1)两端设置前端盖板(2)与后端盖板(3)；

所述前端盖板(2)上设置进气孔(5)、排气孔(6)、气密插座；

所述设备托架(10)底部安装压力传感器(15)、温度传感器(16)、湿度传感器(17)；所述设备托架(10)上部安装测量设备(14)；

所述承压壳体内部设置直吹式散热进气通道(18)、直吹式散热排气通道(19)，所述直吹式散热进气通道(18)的一端与进气孔(5)连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热排气通道(19)一端与排气孔(6)连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热进气通道(18)通过进气孔(5)与散热温控系统中的气源连接；所述气源与仪器舱之间的管道上设置流量调节阀，所述流量调节阀两侧的管道上设置压力变送器；

所述柱形金属壳体(1)内壁对称设置滑轨，所述设备托架(10)推拉式安装在滑轨上；所述散热温控系统的气源通过管道与直吹式散热进气通道(18)连接，该气源与直吹式散热进气通道(18)之间的管道上设置温度‑流量闭环控制阀门，所述温度‑流量闭环控制阀门的开度由控制器控制；

所述前端盖板(2)、后端盖板(3)与柱形金属壳体(1)的连接处均设置凹槽，所述凹槽内部设置铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条(12)。

2.根据权利要求1所述的高压差承压环境控制仪器舱，其特征在于，所述气密插座包括多个多芯气密插座(4)，1个百兆以太网气密插座(9)，1个3芯电源气密插座(7)，1个光纤气密插座(8)。

3.根据权利要求1所述的高压差承压环境控制仪器舱，其特征在于，所述直吹式散热进气通道(18)伸入所述承压壳体的部分的长度大于直吹式散热排气通道(19)伸入所述承压壳体的部分的长度。

4.根据权利要求3所述的高压差承压环境控制仪器舱，其特征在于，所述直吹式散热排气通道(19)的直径大于所述直吹式散热进气通道(18)的直径。

5.根据权利要求4所述的高压差承压环境控制仪器舱，其特征在于，所述直吹式散热进气通道(18)的末端向设备托架(10)方向弯折。

6.一种高压差承压环境控制方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1‑5任一项所述的高压差承压环境控制仪器舱实现，所述方法包括以下步骤：(1)高压差承压环境控制仪器舱内的温度传感器感应仪器舱内的温度，试验中将实时测量的最高温度作为散热系统温度‑流量闭环控制的反馈信号传递给散热温控系统；

(2)散热温控系统接受温度信号后，结合流量调节阀前后压力变送器的压差，给出流量调节阀的开度信号，进而控制气源的流量；

(3)压力传感器实时监测内部的压力，仪器舱内部压力稳定在1bar±0.2bar，湿度传感器实时监测仪器舱内部的湿度；

(4)当仪器舱的压力、湿度、温度均符合要求时，所述仪器舱内的精密测量设备正常工作。

说明书

一种高压差承压环境控制仪器舱及方法

技术领域

[0001] 本发明属于风洞测试领域，更具体地涉及一种高压差承压环境控制仪器舱及方法。

背景技术

[0002] 现有高气压大型工业试验设备中进行试验常需要内部进行气压、温度、角度、应变等多种传感器信号的采集，多种信号类型测量需求比较大，需要相应的测量系统。高气压大型工业试验设备由于其电磁环境复杂，对测量系统精度影响大，且其活动部件多、结构复杂，必须一定长度的线缆，因此配套测量设备和仪器不能放置过远。常见高气压大型工业试验设备特殊压力环境一般会达到数个大气压，且在这样的压力环境中不断变化压力。

[0003] 现有常用测量设备内部的工业级器件，尤其是采用内部为液体的电解电容，在如此大范围的气压变化环境下使用会有较大的损坏，当器件内外部的压差较大时会导致器件变形乃至爆裂，从而使得整个测量系统失效，甚至造成更严重的危害。如果测量设备置于高气压大型工业试验设备外，又会造成测量设备和前端传感器距离过远，测量线缆过长，在高电磁干扰环境下大大影响测量数据质量。工业级测量设备功耗较大，在工作过程产生大量热量，造成周围温度持续升高，超过设备使用温度范围就不能正常工作。因此在这样的条件下，无法兼顾实现高精度和安全测量。

发明内容

[0004] 为解决现有技术在风洞测试中，测量设备和仪器在大型高气压工业试验设备上近距测量、高压力环境内测量带来的设备散热问题，并由此导致器件变形乃至爆裂，使得整个测量系统失效的问题，本发明提供一种高压差承压环境控制仪器舱及方法。

[0005] 本发明采用的具体方案为：一种高压差承压环境控制仪器舱，所述仪器舱包括承压壳体，所述承压壳体包括柱形金属壳体、以及设置在承压壳体内部的设备托架，所述柱形金属壳体两端设置前端盖板与后端盖板；

[0006] 所述前端盖板上设置进气孔、排气孔、气密插座；

[0007] 所述设备托架底部安装压力传感器、温度传感器、湿度传感器；所述设备托架上部安装测量设备；

[0008] 所述承压壳体内部设置直吹式散热进气通道、直吹式散热排气通道，所述直吹式散热进气通道的一端与进气孔连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热排气通道一端与排气孔连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热进气通道通过进气孔与散热温控系统中的气源连接；所述气源与仪器舱之间的管道上设置流量调节阀，所述流量调节阀两侧的管道上设置压力变送器。

[0009] 所述柱形金属壳体内壁对称设置滑轨，所述设备托架推拉式安装在滑轨上。

[0010] 所述气密插座包括多个多芯气密插座，1个百兆以太网气密插座，1个3芯电源气密插座，1个光纤气密插座。

[0011] 所述散热温控系统的气源通过管道与直吹式散热进气通道连接，该气源与直吹式散热进气通道之间的管道上设置温度‑流量闭环控制阀门，所述温度‑流量闭环控制阀门的开度由控制器控制。

[0012] 所述前端盖板、后端盖板与柱形金属壳体的连接处均设置凹槽，所述凹槽内部设置铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条。

[0013] 所述直吹式散热进气通道伸入所述承压壳体的部分的长度大于直吹式散热排气通道伸入所述承压壳体的部分的长度。

[0014] 所述直吹式散热排气通道的直径大于所述直吹式散热进气通道的直径。

[0015] 所述直吹式散热进气通道的末端向设备托架方向弯折。

[0016] 另一方面，本发明提供一种高压差承压环境控制方法，所述方法包括以下步骤：

[0017] （1）高压差承压环境控制仪器舱内的温度传感器感应仪器舱内的温度，试验中将实时测量的最高温度作为散热系统温度‑流量闭环控制的反馈信号传递给散热温控系统；

[0018] （2）散热温控系统接受温度信号后，结合流量调节阀前后压力变送器的压差，给出流量调节阀的开度信号，进而控制气源的流量；

[0019] （3）压力传感器实时监测内部的压力，仪器舱内部压力稳定在1bar±0.2bar，湿度传感器实时监测仪器舱内部的湿度；

[0020] （4）当仪器舱的压力、湿度、温度均符合要求时，所述仪器舱内的精密测量设备正常工作。

[0021] 本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

[0022] 本发明通过仪器舱内的承压壳体内的设备托架底部安装压力传感器、温度传感器、湿度传感器；设备托架上安装测量设备；承压壳体内部设置直吹式散热进气通道、直吹式散热排气通道，直吹式散热进气通道的一端与进气孔连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，直吹式散热排气通道一端与排气孔连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，直吹式散热进气通道通过进气孔与气源连接，解决了测量设备和仪器在大型高气压工业试验设备上近距测量、高压力环境内测量及其带来的设备散热问题。本发明能够在高气压差试验环境下实现稳定压力和适宜温度的设备仪器保护舱，从而大大减少了测量的误差，同时能保证安全，具有很大的实用价值。

附图说明

[0023] 图1为本发明承压壳体示意图；

[0024] 图2为高压差承压环境控制仪器舱内部结构示意图；

[0025] 图3为承压壳体前端盖板示意图；

[0026] 图4为承压壳体后端盖板示意图；

[0027] 图5为承压壳体俯视图；

[0028] 图6为散热温控系统原理图；

[0029] 图7为散热温控系统控制流程框图；

[0030] 图8为高压差承压环境控制仪器舱控制系统框图。

[0031] 符号说明

[0032] 1：柱形金属壳体；2：前端盖板；3：后端盖板；4：多芯气密插座；5：进气孔；6. 排气孔；7. 3芯电源气密插座；8. 光纤气密插座；9. 以太网气密插座；10.设备托架；11. 支撑块；12.铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条；13. 稳压直流电源；14. 测量设备；15. 压力传感器；16. 温度传感器；17. 湿度传感器；18. 直吹式散热进气通道；19. 直吹式散热排气通道；
20.凹槽。

具体实施方式

[0033] 在下文将结合附图对本发明做进一步详细地说明，显然此处应该理解的是，所描述的实施方案不是全部的实施方案，仅用于解释说明本发明，而不限制本发明。

[0034] 参照附图1‑8，本发明提供一种高压差承压环境控制仪器舱，所述仪器舱包括承压壳体，所述承压壳体包括柱形金属壳体1、设备托架10，所述柱形金属壳体1两端设置前端盖板2与后端盖板3；所述前端盖板2上设置进气孔5、排气孔6、气密插座；所述设备托架10底部安装压力传感器15、温度传感器16、湿度传感器17；所述设备托架10上安装测量设备14；所述承压壳体内部设置直吹式散热进气通道18、直吹式散热排气通道19，所述直吹式散热进气通道18的一端与进气孔5连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热排气通道19一端与排气孔6连接，另一端伸入到所述承压壳体内部，所述直吹式散热进气通道18通过进气孔5与散热温控系统中的气源连接。所述气源与仪器舱之间的管道上设置流量调节阀，所述流量调节阀两侧的管道上设置压力变送器。

[0035] 所述柱形金属壳体1内壁对称设置滑轨，所述设备托架10设置在滑轨的轨道内。将设备托架10安装在滑轨的轨道内，方便安装、拆卸，节约空间。所述滑轨的轨道两端设置支撑块11，所述支撑块11上下两端卡固在所述滑轨的轨道内。

[0036] 所述气密插座包括6个64芯气密插座，2个40芯气密插座，1个百兆以太网气密插座9，1个3芯电源气密插座7，1个光纤气密插座8。

[0037] 所述散热温控系统包括气源，所述气源通过管道与直吹式散热进气通道18连接，该气源与直吹式散热进气通道18之间的管道上设置温度‑流量闭环控制阀门，所述温度‑流量闭环控制阀门的开度由试验现场第三方系统（驻室抽气系统）的PLC控制器控制。

[0038] 所述前端盖板2与柱形金属壳体1的连接处设置凹槽20，所述凹槽20内部设置铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条12。所述直吹式散热进气通道18伸入所述承压壳体的部分的长度大于直吹式散热排气通道19伸入所述承压壳体的部分的长度。保证试验过程中，直吹式散热进气通道18导入承压壳体的冷空气，从承压壳体后端向前流动，能够充分将承压壳体前端的热空气通过靠近前端的直吹式散热排气通道19排出到承压壳体外部。

[0039] 所述直吹式散热排气通道19的直径大于所述直吹式散热进气通道18的直径，便于承压壳体前端的热空气有效排出。

[0040] 所述直吹式散热进气通道18的末端向设备托架10方向弯折，有利于直吹式散热进气通道18内一定流速的冷空气能够在承压壳体后端有效循环，达到最佳散热效果。

[0041] 本发明另一方面提供一种高压差承压环境控制方法，所述方法包括以下步骤：

[0042] （1）高压差承压环境控制仪器舱内的温度传感器16感应仪器舱内的温度，试验中将实时测量的最高温度作为散热系统温度‑流量闭环控制的反馈信号传递给散热温控系统；（2）散热温控系统接受温度信号后，结合流量调节阀前后压力变送器的压差，通过常规PID控制算法，给出流量调节阀的开度信号，进而控制气源的流量，气源将气体经直吹式散热进气通道18送入所述承压壳体内部，所述直吹式散热排气通道19将气体排出，仪器舱内形成流动气体；（3）仪器舱内压力传感器15实时监测内部的压力，仪器舱内部压力稳定在1bar±0.2bar，湿度传感器17实时监测仪器舱内部的湿度；（4）当仪器舱的压力、湿度、温度均符合要求时，所述仪器舱内的精密的测量设备14正常工作。

[0043] 本发明所述高压差承压环境控制仪器舱用于高气压大型工业试验设备上测量设备14的周边环境控制和设备保护。所述测量设备14安置在大型试验设备风洞驻室内，试验时驻室内充满高压空气，随试验条件变化，压力范围在20kPa～400kPa间变化，驻室内温度环境在10℃～50℃间变化，驻室空间尺寸大，考虑布线路径，如果测量设备14在驻室外部，需要走线约80米，测量信号线缆过长。从试验的实际需求考虑测量设备14需要放置在驻室内部接近被测设备，需要在这样的现场环境下既保证测量精度，又保证设备安全。

[0044] 所述承压壳体需承担至少4个大气压的压差，实现内部的常压常温环境保护，同时实现内部设备的安装承托和供电。承压壳体包括柱形金属壳体1、前端盖板2、后端盖板3、设备托架10、支撑块11、铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条12和稳压直流电源13组成。柱形金属壳体选材选用耐腐蚀、高强度、散热快的金属材料，综合考虑，铝材料的导热比可达200，在常温试验下，可以帮助内部设备快速散热，为了保证外部所受压力均匀，因此选用标准的实心铝机械掏空，采用柱形金属壳体1，保证承压壳体的抗压性和密封性。所述承压壳体内部有4个支撑块11，所述设备托架10插入到滑轨内，将支撑块11安装在滑轨的轨道内靠近后端盖板3处的滑轨的端部，之后在轨道内插入设备托架10，将另一支撑块11安装在靠近前端盖板2处的滑轨的端部，一方面支撑块11卡固在滑轨内，起到固定设备托架10的作用，另一方面可以起到减震的作用，方便拆卸。

[0045] 设备托架10下端安装稳压直流电源13，为测量设备14提供高精度电源输入。设备托架10上端可安装测量设备14，直径600mm、深度760mm的承压壳体足够满足宽×高×深约为470mm×190mm×610mm的标准设备机箱的安装空间要求，承压壳体内部的弧型空间内设置直吹式散热进气通道18、直吹式散热排气通道19。前端盖板2、后端盖板3与柱形金属壳体1共同形成密封仪器舱承压壳体。柱形金属壳体1与前端盖板2、后端盖板3连接的接缝处均采用凹槽设计，在凹槽20内部安装铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条12，保证外壳整体安装完成后的密封性能；通过紧固螺丝保证前端盖板2、后端盖板3与柱形金属壳体1的紧密结合；连续完整的铝镀银导电橡胶屏蔽橡胶条12保证了机箱的整体屏蔽效能，与仪器舱铝制壳体结合形成良好的电磁屏蔽。

[0046] 气密式快速接入面板由前端盖板2、多类型气密接插件、密封胶组成。前端盖板2保证密封舱内部设备使用接线。所述前端盖板2外径为674mm，内径600mm，考虑到柱形金属壳体1的压力分布是均匀的，而前端盖板2、后端盖板3压力分布是不均匀的，且前端盖板2的接插孔设计会降低承压能力，因此前端盖板2、后端盖板3的厚度要大于柱形金属壳体1的主体部分，前端盖板2、后端盖板3的厚度均为25mm大于柱形金属壳体1的15mm的厚度，并且气密接插件、设备开关呈几何对称形式均匀分布在前端盖板2上，前端盖板2的面板上布置两个‑7 ‑1气流孔，一个进气孔5，一个排气孔6。设备开关与电气接插件均采用泄漏率<10 mbar.l.s超高密封等级真空气密插座，同时电气接插件、进排气接插件与前端盖板2面板的安装面之间采用灌胶密封工艺密封处理，保证前端盖板2面板的密封性能。前端盖板2的面板上有8个多芯气密插座4（6个64芯气密插座，2个40芯气密插座），1个百兆以太网气密插座9，1个3芯电源气密插座7，1个光纤气密插座8，1个气密进气孔5，1个气密排气孔6，能满足48通道应变信号、32通道压力、温度、湿度等模拟量电压信号、32通道角度信号等模拟量电流信号、40通道热电偶温度信号、8通道加速度振动信号、4通道并行独立以太网数据、1路光纤信号等数据测量快速接入要求。

[0047] 本发明所述的散热温控系统，将仪器舱内部热量排出，使设备运行期间的温度保持在设备能承受的正常温度范围内。所述散热温控系统由气源、舱外连接管路、温度‑流量闭环控制阀门、控制器及控制软件（所述控制器与控制软件选自现有技术，具体为西门子 SIMATIC S7‑300 PLC控制器，基于STEP7编写的温度‑流量阀门控制软件）、直吹式散热进气通道18、直吹式散热排气通道19组成。直吹式散热进气通道18、直吹式散热排气通道19的舱外连接管路上安装温度‑流量闭环控制阀门（顺序安装通断阀、流量控制阀和安全阀），由控制器及控制软件控制气源排出一定流量的气体。本发明所述的散热温控系统是一个内外循坏的风冷散热系统，利用外部常温空气带走内部热量。外部第三方系统（驻室抽气系统）的供风系统为本发明提供常温空气，散热温控系统根据内部环境智能监测系统提供的内部温度信号实现温度‑流量闭环反馈，判断是否开启和关闭风冷散热及相应的流量调节，如果温度过高，根据温度传感器16实时反馈的温度信号，散热温控系统开启直吹式散热进气通道18的阀门，直吹式散热排气通道19对高气压大型工业试验设备外部敞开，直吹式散热进气通道18的阀门按照设置排出1.1bar～1.5bar可调压力的空气，形成流动气体，在仪器舱风道内循环，并带走热量，帮助产生的热量尽快排出。测量设备14使用过程中舱内温度传感器
16测得的温度可稳定在10℃～55℃范围。测量设备14使用结束时，关闭直吹式散热进气通道18的阀门，从而关闭散热温控系统。结合附图7温度‑流量闭环PID阀门控制器，输入信号为仪器舱温度信号、流量调节阀的前后压力变送器的压力差值信号，输出信号为流量调节阀的开度，通过PID闭环控制算法，在试验过程中实时保证仪器舱内的温度和压力稳定，满足测量仪器的长时间稳定运行条件。

[0048] 压力传感器15、温度传感器16、湿度传感器17用于设备环境控制仪器舱内温湿度、压力环境监控，为散热温控系统和试验设备控制系统提供相应参数作为运行依据，压力传感器15、温度传感器16、湿度传感器17和外部的压力温度测量设备及软件构成内部环境智能监测系统。考虑仪器舱内空间尺寸及测量系统的布线及扩展需求，将压力传感器15、温度传感器16和湿度传感器17并行安装在推拉式的设备托架10下侧，倒置180°安装。温度传感器16在靠近测量设备14的位置多点安装，在试验中实时监测不同位置的温度，取最高温度作为散热系统温度‑流量闭环反馈的信号，当温度传感器16测得的最高温度超过使用要求时，将该温度传感器16的信号发送给散热温控系统的控制器，通知该系统开始工作；系统通过压力传感器15实时监测内部的压力，仪器舱内部压力稳定在1bar±0.2bar，如果检测到舱内压力偏差超过±0.2bar，说明仪器舱有泄漏，对内部测量设备14有风险，需要马上检修。通过湿度传感器17实时监测内部的湿度超过设备正常使用范围，停止使用设备并检修。压力、湿度检测异常时由内部环境智能监测系统通过网络信号通知大型试验设备控制系统。本发明所述控制方法由流量调节阀前压力变送器信号、阀后仪器舱内压力变送器信号、仪器舱内温度传感器16的信号作为输入信号，最终得到流量调节阀开度信号作为输出信号，实现试验过程中仪器舱内环境稳定控制。

[0049] 本发明中的高压差承压环境控制仪器舱，有效解决了测量设备14和仪器在大型高气压工业试验设备上近距测量、压力环境内测量及其带来的设备散热问题，在高气压差试验环境下实现稳定压力和适宜温度的设备仪器保护舱，从而解决了在大型高气压工业试验设备上进行近端安全测量的问题。本发明大大减少了测量的误差，同时能保证安全，具有很大的实用价值。

[0050] 以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。