CN101975590B

CN101975590B - 用于热等离子体诊断的焓探针探头

Info

Publication number: CN101975590B
Application number: CN2010105085366A
Authority: CN
Inventors: 赵鹏; 孟月东; 匡靖安; 刘卫; 倪国华
Original assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Current assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: CN101975590A

Abstract

本发明公开了一种用于热等离子体诊断的焓探针探头，包括有外管、进出水分离管、内管以及第一、二、三基座，第一、二、三基座均为筒体，且首尾密封焊接在一起，进出水分离管位于内、外管之间，且与内、外管之间分别具有间隙并分别形成进、出水通道；外管、进出水分离管以及内管的末端分别密封焊接在第一、二、三基座的内壁上，内管与第三基座相联通并形成抽气取样通道；第一、二基座的侧壁上分别设有进、出水口，进、出水通道中分别设有进、出水测温铂电阻；第三基座中设有抽气取样测温铂电阻。外管外安装有刚玉外罩，端部半球形。本发明操作简便，拆卸方便，选材和设计均考虑了耐高温和恶劣的工作条件，可在测量同时减小对等离子体的干扰。

Description

用于热等离子体诊断的焓探针探头

技术领域

本发明涉及用于热等离子体诊断的焓探针关键部件，是可以诊断热等离子体的焓值、温度、速度、气体组分的接触式测量设备，具体涉及一种耐高温、抗干扰的焓探针探头。

背景技术

随着热等离子体在危废处理和化工等领域应用的不断发展，热等离子体的工作特性备受人们关注。由于热等离子体诊断技术的限制，在基础性研究方面的工作相对滞后。

热等离子体的温度在2,000-20,000K之间，远高于传统的热电偶与热电阻的测量范围。也因为如此，传统的测速仪(比如非水冷的Pitot管)也无法在热等离子中使用。现有的热等离子体诊断仪器主要分为接触式测量仪器和非接触式测量仪器。在非接触式测量中大量应用各种光学测量方法。光学方法测量等离子体的温度与速度，具有不干扰被测对象，空间分辨率好的优点，响应时间快，并且测量精度也比较高。但是光学仪器的价格昂贵，对工作环境要求苛刻，而且在热等离子体中存在着温度小于4,000K的区域，在该区域中原子与离子的谱线强度太弱，光学仪器测量很难得到准确的结果；再者，热等离子体应用中，处理物颗粒污染光学窗口将会严重阻碍光学信号的采集，也会极大地影响测量的精度。焓探针在这种情况下可以成为热等离子体诊断的理想工具。

焓探针测量是一种简便的测量热等离子体温度和速度的方法，具有设备简单，测量方便，并能准确给出被测气体的温度和速度等特点，它已成为测量在这一温度区域内高温气体属性的最有效的测量方式。1992年Fincke在高温等离子体射流中对激光散射技术与焓探针测量技术进行比较，得到两者符合较好的结果。

但是普通的焓探针，仅仅适合于诊断单纯的等离子体，不能在恶劣的工作环境下进行诊断。W.D.Swank等人用焓探针测量了氩-氢等离子炬的温度与速度分布，其测量的温度最高值可达到13,434K，速度为1,295m/s，但是仅限于单纯的等离子体诊断；Keun Su Kim等人将焓探针的测量结果和三维数值模拟做了很好的对比试验，但是该焓探针限用于实验室里开放性小型等离子体炬；GervaisSoucy等人虽然实现了焓探针插入到反应腔内测量，但是在没有MoSi2粉末注入的情况下测量的，而且等离子体温度不高，最高只有7,100K。焓探针技术的难点有二：(1)、探头尺寸较小，水冷效果有限，头部容易烧损；(2)、测量时，焓探针需接触等离子体，不可避免地对等离子体的流动产生扰动。而两者又是矛盾的，减小探头尺寸可以降低扰动，但是不利于水冷，而且使加工成本猛增。

发明内容

本发明的目的在于改进等离子体诊断技术，方便操作，降低成本，克服恶劣的工作环境；提供一种安装简便，拆卸更换方便，用于热等离子体诊断，减少电磁扰动的焓探针。

本发明的技术方案如下：

一种用于热等离子体诊断的焓探针探头，包括有外管、进出水分离管、内管以及第一、二、三基座，所述的第一、二、三基座均为筒体，且首尾密封焊接在一起，其特征在于：所述外管的前端为半球形，且与所述内管的前端密封焊接在一起，所述的进出水分离管位于所述的内、外管之间，所述的进出水分离管与所述的内、外管之间分别具有间隙并分别形成进、出水通道；所述外管、进出水分离管以及内管的末端分别密封焊接在所述第一、二、三基座的内壁上，所述的外管外安装有刚玉外罩，所述的内管与所述的第三基座相联通并形成抽气取样通道；

所述第一、二基座的侧壁上分别设有进、出水口，所述的进、出水通道中分别设有进、出水测温铂电阻；所述第三基座中设有抽气取样测温铂电阻，所述第三基座的尾端设有压力传感器。

所述的用于热等离子体诊断的焓探针探头，其特征在于：所述进出水分离管的前端为细小分叉结构。

所述的用于热等离子体诊断的焓探针探头，其特征在于：所述的进、出水测温铂电阻以及抽气取样测温铂电阻的导线分别从所述的第一、二、三基座中引出。

根据权利要求1所述的用于热等离子体诊断的焓探针探头，其特征在于：所述的外罩管为刚玉材料，端部为半球形，中心开孔。

本发明的有益效果：

(1)、本发明的可拆换的圆头刚玉外罩，可以伸入热等离子体的高温放电区，进行接触测量，另外，刚玉材料绝缘且耐高温，对等离子体放电区干扰较小；且外罩的圆头设计，可避免在高温区，由于热流密度集中，造成的局部温度过高，探头烧毁；同时外罩的圆滑设计可以减少被测流场的扰动，提高测量的准确度。

(2)、本发明可根据不同等离子体反应器的尺寸和测量要求，选择适当的探针长度；不同等离子体放电模式，等离子体温度、速度分布也很大差异，本发明选择探针长度为364mm，可以对大功率长焰的热等离子体电弧，等离子体炬，等离子体射流等进行诊断，也可以根据等离子体发生器的形状设计探针长度。

(3)、本发明为了提高冷却效果，采用两只高压水泵，在进水口和出水口处各安装一部，有效地避免了高温下，冷却水汽化造成的气阻，使得探针可以用于测量温度高达10000度的等离子体电弧而探头不被烧损。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明诊断系统的工作流程图。

具体实施方式

参见图1，一种用于热等离子体诊断的焓探针探头，包括有壁厚为0.5mm的紫铜外管2、壁厚为0.2mm的不锈钢进出水分离管3、壁厚为0.3mm的紫铜内管4以及第一、二、三基座8、9、10，第一、二、三基座8、9、10均为简体，且首尾密封焊接在一起，外管2的前端为半球形，且与内管4的前端密封焊接在一起，进出水分离管3位于内、外管之间，进出水分离管3与外管2之间具有4mm的间隙并形成进水通道，进出水分离管3与内管4之间具有间隙并形成出水通道；外管2、进出水分离管3以及内管4的末端分别密封焊接在第一、二、三基座8、9、10的内壁上，外管2外安装有可拆卸的且端部为半球形的刚玉外罩1，起到保护探针杆的作用，如果高温下出现损坏，更换容易，外罩1的端部开孔，孔径大小为3mm，内管4与第三基座10相联通并形成抽气取样通道5，抽气取样通道5与外罩1端部的开孔相吻合；

第一基座8的侧壁上设有与进水通道相联通的进水口6，第二基座9的侧壁上设有出水通道相联通的出水口7，进、出水通道中分别设有进、出水测温铂电阻11、12；第三基座10中设有抽气取样测温铂电阻13，第三基座10的尾端设有压力传感器14。

进出水分离管3的前端为细小分叉结构，以加强湍流度。

进、出水测温铂电阻11、12以及抽气取样测温铂电阻13的导线的分别从第一、二、三基座8、9、10中引出。

本发明的刚玉外罩顶端采用半球设计，可以有效地减少在测量过程中对流动气体的扰动和提高测量结果的准确度，特别是适用于温度分布梯度大，以及气流速度高的等离子体温度场的测量；另外，探针外罩采用刚玉材料，不但能够耐高温、耐腐蚀，耐氧化，而且是很好的绝缘材料，对带电气体等离子体来说，是最好的抗干扰材料，可以非常有效地减少对带电流体的扰动；焓探针外罩可与探针杆分离或组装，还可根据被测量气体的实际情况和测量精度要求选择是否加外罩，例如温度不是很高的等离子体时，可以去掉刚玉外罩，可以提高精度，如果温度很高，需加上刚玉外罩，可以测量更高的温度范围；等离子体温度过高、误操作等情况下造成探针可能严重烧蚀或者烧损时，能够避免探针整体报废，仅更换探针外罩即可。

以下结合具体的实施方式对本发明作进一步的说明：

参见图2，气体温度的测量原理和同类焓探针相同，当等离子体流动方向对着探头抽气孔15，首先通过截止阀22阻断抽气取样通道5与真空取样泵23的通路，同时分别由进水测量铂电阻11和出水测量铂电阻12实时测量冷却水进出管道中的进水及出水的温度，由水流量计19记录水流量，由铂电阻13测量腔内的温度，由压力变送器14测量腔内的驻点压力，并用显示控制器25，数据采集卡26，计算机27对上述测量数据进行显示和信号采集。

根据出水和进水的温差和流量计算机算出冷却水的焓值变化h1，然后打开抽气取样截止阀22，抽气取样，通过测温铂电阻13测得冷却后的气体温度，通过压力传感器14测得抽样气体的压强，通过气体质量流量计28测量抽样气体的流量，结合此时冷却水的焓值变化，计算得到该情况下焓探针的总焓值变化h2，用h2减去h1可以得到取样等离子体的焓值，再计算求出焓探针取样之处的等离子体温度；通过压力传感器14测量不抽气时的探头顶端的驻点压力与大气压之差，可以计算等离子体的流速；在抽气取样通道5和取样泵23通路情况下，可在取样泵23出口连接质谱仪24，对抽样气体进行成分分析。

Claims

1.一种用于热等离子体诊断的焓探针探头，包括有外管、进出水分离管、内管以及第一、二、三基座，所述的第一、二、三基座均为筒体，且首尾密封焊接在一起，其特征在于：所述外管的前端为半球形，且与所述内管的前端密封焊接在一起，所述的进出水分离管位于所述的内、外管之间，所述的进出水分离管与所述的内管之间具有间隙并形成出水通道，所述的进出水分离管与所述的外管之间具有间隙并形成进水通道；所述外管末端密封焊接在第一基座的内壁上，所述进出水分离管密封焊接在第二基座的内壁上，所述内管密封焊接在第三基座的内壁上，所述的外管外安装有外罩，所述的内管与所述的第三基座相联通并形成抽气取样通道；

所述第一、二基座的侧壁上分别设有进、出水口，所述的进、出水通道中分别设有进、出水测温铂电阻；所述第三基座中设有抽气取样测温铂电阻，所述第三基座的尾端设有压力传感器；

所述进出水分离管的前端为细小分叉结构；

所述的外罩为刚玉材料，端部为半球形，中心开孔。

2.根据权利要求1所述的用于热等离子体诊断的焓探针探头，其特征在于：所述的进、出水测温铂电阻以及抽气取样测温铂电阻的导线分别从所述的第一、二、三基座中引出。