CN101539443A - 等离子体射流对空气引射量的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体射流对空气引射量的测量系统，包括等离子体发生器、供电系统、冷却系统、供气系统、射流引射保护罩、微压传感器和数据采集系统，所述的供电系统与等离子体发生器的阴极和阳极连接，为等离子体发生器供电；冷却系统与等离子体发生器的冷却水管连接，为等离子体发生器提供冷却；供气系统为等离子体发生器提供工作气体氩气，并为射流引射保护罩提供引射气体氮气或者空气；所述的射流引射保护罩中的引射气体流量是当微压传感器测量引射罩内外压差为零时浮子流量计的显示值，数据采集系统采集微压传感器的电压信号，转换成压差信号显示。
Description
技术领域
本发明涉及热等离子体材料加工领域，具体地说，是指一种等离子体射流对空气引射量的测量系统。
背景技术
在热等离子体材料加工的各种实际应用中，热等离子体通常以射流形式出现，并且等离子体射流对环境气体的引射在其中有重要影响。以等离子体喷涂为例，其过程是将金属或非金属原料颗粒喷射入由等离子体发生器产生的高温部分电离气体射流中，原料颗粒在高温高速射流中加速、加热、熔化、撞击工件并变形铺展，一片接一片、一层覆盖一层地形成涂层。与低气压等离子体喷涂相比，在大气压空气环境中进行的等离子体喷涂具有一个明显的优点，即不需要复杂的真空系统，从而可大大降低生产成本。但是这一技术应用也遇到一个难题，就是等离子体射流会引射入大量冷环境空气，这往往对涂层质量有不利的影响。一方面引射进等离子体射流的大量冷环境空气，导致等离子体温度与速度在射流轴线方向上迅速降低，从而不利于原料颗粒在射流中的加速与加热，不利于颗粒在撞击基板前获得较高的速度和合适的加热状态，影响涂层的质量；另一方面，引射进等离子体射流的环境空气使射流中的氧含量在射流轴向方向上迅速增加，在湍流等离子体射流的下游气体成分已绝大部分由空气组成，这会引起原料颗粒和基板材料氧化，成为涂层质量恶化乃至涂层断裂与剥落失效的重要原因。
为了解决在大气压空气环境中进行等离子体喷涂的上述难题，常采用增添与射流同轴喷射的惰性屏蔽气体(氩)的方法来减轻射流对环境空气的引射，研究表明采用这种方案有一定效果，能使涂层质量有所改善；但根据数值模拟结果，若要使距离等离子体发生器出口10cm界面出湍流射流轴线上的空气含量控制在10％以内则增添的屏蔽氩气流量需高达发生器自身工作气体力量的3.75倍以上，而在距离发生器出口10.5cm处，要是氩等离子体湍流射流中的空气含量从82％降低到46％，屏蔽气体的速度必须高达100m/s；可见惰性屏蔽气保护只能用于对材料氧化要求不高的材料加工场合，而且需付出的代价相当大。
发明内容
本发明的目的在于设计一套可以精确测量等离子体射流对标准大气压下环境空气引射量的测量系统，从而帮助进行对等离子体射流的特性研究及应用。
采用射流引射保护罩的方法测量等离子射流对环境空气的引射量的原理是：用保护罩将等离子体射流与外界环境空气隔离，然后人工引入被引射气到引射罩内，通过多层金属丝网将被引射气速度降低至接近零，以模拟真实大气中静止的环境空气，当金属丝网外被引射气的静压等于外界环境大气的静压时，即表示输入的被引射气流量正好等于等离子体射流引射走的气体流量，这样就可以通过测量被引射气体的流量得到等离子体射流引射的气体流量。
本发明的等离子体射流对空气引射量的测量系统包括等离子体发生器、供电系统、冷却系统、供气系统、射流引射保护罩、微压传感器和数据采集系统，所述的供电系统与等离子体发生器的阴极和阳极连接，为等离子体发生器供电。冷却系统与等离子体发生器的冷却水管连接，为等离子体发生器提供冷却。供气系统为等离子体发生器提供工作气体氩气，并为射流引射保护罩提供引射气体氮气或者空气。所述的射流引射保护罩中的引射气体流量是当微压传感器测量引射罩内外压差为零时浮子流量计的显示值。数据采集系统采集微压传感器的电压信号，转换为压差信号，并进行显示。
所述的等离子体发生器采用中科院力学所研制的等离子体发生器，采用氩气作为工作气体，能够分别产生层流和湍流两种流动状态下的等离子体射流，从而可以进行层流引射和湍流引射的实验。
所述的供电系统能够为等离子体发生器1提供0～100V、0～250A的直流电，并且能产生1MHz的高频电流为等离子体发生器1提供引弧电流。
所述的冷却系统采用LX-13000冷却循环水机，能够为等离子体发生器提供最大2000L/h的冷却水。
所述的供气系统包括为等离子体发生器1提供氩气和为射流引射保护罩提供引射气氮气或空气。采用北京七星华创D08-2C/ZM型流量显示仪控制D07型质量流量计对等离子体发生器提供工作气体氩气，采用浮子流量计控制对射流引射保护罩提供被引射气体氮气或空气。
所述的射流引射保护罩为圆柱形引射保护罩，引射气通过入口导管引入作轴向流动进入引射腔内，受到内挡板阻挡转为径向流动，再经过圆筒形多层金属丝网组成的多孔壁结构减速接近为零，当等离子体射流对其周围气体卷吸产生气压降低后，人工引入的引射气在压力梯度的作用下进入等离子体射流周围补充被引射走的气体。通过塑料软管连接到微压传感器一端的压力探针深入到引射保护罩内，测量等离子体射流附近的静压，微压传感器的另一端与外界大气相通，当微压计的电压输出为2.5伏(即零压差输出值)时，表明人工提供的引射气流量正好等于等离子体射流对环境气体的引射量。将射流引射保护罩入口与等离子体发生器出口对接，两者之间有塑料隔离环作电气隔离，然后通过射流引射保护罩的固定夹具与等离子体发生器一起固定在同一台架上，同时要保证发生器和引射罩在轴线上重合，之后将引射气路与引射罩上四个进气嘴相连，最后连接压力探针引出的塑料软管到微压传感器上。
所述的微压传感器采用量程为-10～10Pa d的GE Druck LPM9481微压传感器，输入电压为10～30V，输出电压为0～5伏，零压差输出为2.5V。
所述的数据采集系统使用北京阿尔泰16位数据采集卡PCI8622实时采集微压传感器输出的电压信号，当电压信号为2.5伏时，表示引射罩内等离子体射流周围的气压与引射罩外大气环境压力相等，说明人工输入的被引射气流量等于在静止大气环境下等离子体射流对环境空气的引射量。
本发明的优点在于：
(1)使用自行设计的引射保护罩测量引射气流量，该引射保护罩特殊的结构保证了能对层流状态的等离子体射流对环境空气微小的引射量的测量；
(2)使用能够产生层流和湍流两种状态的等离子体发生器；
(3)使用了高精度的微压传感器和数据采集卡保证了测量的实时性和精确性。
附图说明
图1测量等离子体射流对环境空气引射量的测量系统示意图。
具体实施方式
本发明的等离子体射流对空气引射量的测量系统包括等离子体发生器1、供电系统2、冷却系统3、供气系统4、射流引射保护罩5、微压传感器6和数据采集系统7，如图1所示，所述的供电系统2与等离子体发生器1的阴极和阳极连接，为等离子体发生器1供电。冷却系统3与等离子体发生器1的冷却水管连接，为等离子体发生器1提供冷却。供气系统4为等离子体发生器1提供工作气体氩气，并为射流引射保护罩5提供引射气体氮气或者空气。所述的射流引射保护罩5中的引射气体流量是当微压传感器6测量引射罩内外压差为零时浮子流量计的显示值，数据采集系统7采集微压传感器6的电压信号，转换成压差信号显示。
将等离子体发生器1出口与射流引射保护罩5入口对接，然后分别将供电系统2、供气系统4、冷却系统3与等离子体发生器1连接，将供气系统4与射流引射保护罩5连接。
本发明还提供一种应用上述测量系统的测量方法，具体步骤如下：
第一步，供气系统为等离子体发生器供气。先将等离子体发生器供气管路上的流量计打开，再将等离子体发生器供气瓶阀门打开，将一次减压阀调整到2MPa，调节流量计控制阀到等离子体发生器工作所需气流量。
第二步，冷却系统为等离子体发生器提供正常的供水压力，对其进行冷却。
第三步，供电系统为等离子体发生器供电。打开电源开关，启动高频供电，使等离子体发生器实现引弧后，切断高频改为直流供电，调节供电电流至170A。
第四步，不断细微调整等离子体发生器主气、辅气和切向进气的流量使发生器产生的射流逐渐达到层流状态，记录下主气、辅气和切向进气的流量，并通过微压传感器测得电压。
第五步，数据采集系统采集微压传感器电压信号，并将电压信号转换成压差信号显示。
第六步，打开引射罩供气管路上浮子流量计到引射罩之间的气阀，再打开引射罩供气气瓶阀门，使一次减压阀压力达到2MPa，慢慢打开浮子流量计前的进气阀门，观察计算机上显示的微压传感器输出的电压信号值，调节进气阀门电压达到2.5V，此时记录下浮子流量计的读数。此步关键在于调节引射气进气量速度要慢，以防对等离子体射流状态造成影响，因为等离子体射流的层流状态很容易受到干扰转为湍流状态。
第七步，在不改变供电电流的情况下改变等离气体发生器各通道的进气流量并保持射流的层流状态，重复第四至第六步。
第八步，改变等离子体发生器供电电流重复第七步。
第九步，使等离子体发生器产生湍流状态的射流，重复第七和第八步。测量完毕。
Claims (5)
1、等离子体射流对空气引射量的测量系统，其特征在于：包括等离子体发生器、供电系统、冷却系统、供气系统、射流引射保护罩、微压传感器和数据采集系统，所述的供电系统与等离子体发生器的阴极和阳极连接，为等离子体发生器供电；冷却系统与等离子体发生器的冷却水管连接，为等离子体发生器提供冷却；供气系统为等离子体发生器提供工作气体氩气，并为射流引射保护罩提供引射气体氮气或者空气；所述的射流引射保护罩中的引射气体流量是当微压传感器测量引射罩内外压差为零时浮子流量计的显示值，数据采集系统采集微压传感器的电压信号，转换成压差信号显示。
2、根据权利要求1所述的等离子体射流对空气引射量的测量系统，其特征在于：所述的等离子体发生器能够分别产生层流和湍流两种流动状态下的等离子体射流。
3、根据权利要求1所述的等离子体射流对空气引射量的测量系统，其特征在于：所述的射流引射保护罩为圆柱形引射保护罩，引射气通过入口导管引入作轴向流动进入引射腔内，受到内挡板阻挡转为径向流动，再经过圆筒形多层金属丝网组成的多孔壁结构减速接近为零，当等离子体射流对其周围气体卷吸产生气压降低后，人工引入的引射气在压力梯度的作用下进入等离子体射流周围补充被引射走的气体；通过塑料软管连接到微压传感器一端的压力探针深入到引射保护罩内，测量等离子体射流附近的静压，微压传感器的另一端与外界大气相通，当微压计的电压输出为零压差输出值时，表明人工提供的引射气流量正好等于等离子体射流对环境气体的引射量；将射流引射保护罩入口与等离子体发生器出口对接，两者之间有塑料隔离环作电气隔离，然后通过射流引射保护罩的固定夹具与等离子体发生器一起固定在同一台架上，同时要保证发生器和引射罩在轴线上重合，之后将引射气路与引射罩上进气嘴相连，最后连接压力探针引出的塑料软管到微压传感器上。
4、一种应用权利要求1所述的测量系统进行等离子体射流对空气引射量测量的方法，其特征在于：
第一步，供气系统为等离子体发生器供气；
第二步，冷却系统为等离子体发生器提供正常的供水压力，对其进行冷却；
第三步，供电系统为等离子体发生器供电；
第四步，不断细微调整等离子体发生器主气、辅气和切向进气的流量使发生器产生的射流逐渐达到层流状态，记录下主气、辅气和切向进气的流量，并通过微压传感器测得电压；
第五步，数据采集系统采集微压传感器电压信号，并将电压信号转换成压差信号显示；
第六步，打开引射罩供气管路上浮子流量计到引射罩之间的气阀，再打开引射罩供气气瓶阀门，使一次减压阀压力达到2MPa，慢慢打开浮子流量计前的进气阀门，观察计算机上显示的微压传感器输出的电压信号值，调节进气阀门电压达到2.5V，此时记录下浮子流量计的读数；
第七步，在不改变供电电流的情况下改变等离气体发生器各通道的进气流量并保持射流的层流状态，重复第四至第六步；
第八步，改变等离子体发生器供电电流重复第七步；
第九步，使等离子体发生器产生湍流状态的射流，重复第七和第八步，测量完毕；
5、根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：第六步中，调节引射气进气量速度要慢，以防对等离子体射流状态造成影响，因为等离子体射流的层流状态很容易受到干扰转为湍流状态。
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