CN105136689A - 电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，包括以下步骤：电弧加热器放电，对进入其内部的工作气体进行加热，加热后的高温气体经过超声速喷管后形成高温高速的气体流场；所述高温气体的光谱信息经过安装在所述电弧加热器和所述超声速喷管之间的光谱测量叠片后，然后依次经过设置在所述光谱测量叠片下端的窗口和与所述窗口连接的Y型光纤被分成两路信号，两路信号分别经过两个不同中心波长的窄带滤光片后再送入两个光电倍增管，得到两个光电倍增管输出的实时电压相对值，由该实时电压相对值判断所述电弧加热器的电极烧蚀状况。本发明提供了一种简单、直接、快速、价廉、易于实现的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，系统可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极烧蚀的监测方法。更具体地说，本发明涉及一种电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法。
背景技术
电弧加热器因其可提供较为真实的气动加热环境，自上世纪五十年代以来，一直是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。伴随着未来新型飞行器的发展，电弧加热器的功率和被加热气体的焓值也不断被提高，如国外电弧加热器最大功率可达70MW，气流焓值可达35MJ/kg，这在大多数情况下不可避免地要和增加电弧电流联系起来，电流的增长导致电极烧损加剧及烧蚀产物在通道内的粘附，其后果将导致电极寿命减少，工作气体中金属蒸气含量加大，甚至烧损电弧加热器，造成巨大的经济损失。现在没有任何一种电弧加热器可以避免电极的烧损，这是由单位表面积上的巨大热流所引起的。据文献报道，通过弧根传给铜电极的热流约为(0.6～2.5)×109W/m2，而与此同时，在铜制平板实际上可能带走的最大热流为5×107W/m2。这就意味着，空气介质中(其他介质中也是如此)铜电极静止弧根的情况下，要避免电极材料强烈熔化实际上是办不到的。现在主要有两种办法来解决提高电弧加热器寿命的办法，一是使弧根沿电极表面连续移动，从而使弧根热流分散到大面积上，大大降低有效的热流；二是把近电极区的电弧分开使电流分配到几个单独的电极上去，减低各个电极上的电流密度。
对电弧加热器工作状态的监测，由于涉及核心技术，公开报道资料极少。从有限的文献来看，目前主要有两种途径。一是当电弧加热器出现旁路击穿或其他不正常运行时，电弧电压会出现增加，但由此设计的故障判定总会出现系统关闭延迟，JosephSheeley根据2003～2004年度AEDCH3叠片加热器试验数据，利用人工神经网络进行训练，结果显示，经过训练的模型可以预测电弧加热器各种条件下的正常启动及运行的电弧电压，通过比较预测值和测量值，有可能发现电弧加热器损坏前的一些非正常现象。二是当电弧加热器电极出现熔化有可能被烧穿时，高温流场中铜粒子浓度会出现明显增加，早期的铜粒子浓度主要依靠称重法，插入式探针直接测量，称重法和插入式探针明显是不适应高温流场实时监测的，NASA-Ames中心Ronald等人与Stanford大学合作，研究了基于可调谐二极管激光吸收光谱技术的电弧流场参数测试传感器，其中利用中心波长为793.3nm激光测量了流场中铜粒子的浓度及气流温度，结果显示，在总电弧功率6.8MW条件下，流场中铜粒子含量平均为2ppm，而在20MW条件下，铜粒子含量高达13ppm，吸收光谱技术可以测量铜粒子浓度，但其采用的吸收光谱系统包含激光器、控制器、探测器等很多附件，系统复杂，可靠性差，且由探测器采集的数据均需要后期进行处理，难以实时反映铜粒子浓度的相对变化，也就不能实时监测电弧加热器电极烧蚀状况。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种简单、直接、快速、价廉、易于实现的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，系统可靠性更高，以实时评估电弧加热器的健康状态，提示运行人员进行保养和维护，避免电弧加热器出现电极烧穿等毁灭性事故，以最大限度地保证电弧加热器的运行安全。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，所述电极为紫铜材质，包括以下步骤：
步骤一、电弧加热器放电，对进入其内部的工作气体进行加热，加热后的高温气体经过超声速喷管后形成高温高速的气体流场；
步骤二、所述高温气体的光谱信息经过安装在所述电弧加热器和所述超声速喷管之间的光谱测量叠片后，然后依次经过设置在所述光谱测量叠片下端的窗口和与所述窗口连接的Y型光纤被分成两路信号，两路信号分别经过两个不同中心波长的窄带滤光片后再送入两个光电倍增管，得到两个光电倍增管输出的实时电压相对值，由该实时电压相对值判断所述电弧加热器的电极烧蚀状况。
当电弧加热器出现电极烧蚀时，其高温流场的铜粒子含量会增加，利用两个光电倍增管监测铜粒子特征光谱及相邻背景光谱相对强度的变化，可以监测高温流场中铜粒子含量的变化趋势，以实时监测电弧加热器电极烧蚀情况，方法简单、直接、快速、价廉。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，两个窄带滤光片的中心波长分别为510nm和500nm，半宽均为8nm，直径均为12.5mm。两个窄带滤光片用于有针对性的选择铜粒子和其背景的光谱信息，同时滤除其他杂质粒子的光谱信息。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光电倍增管输出的电压信号由示波器或电脑进行采集和分析，采集实时、分析准确。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光电倍增管为高灵敏度光谱探测器，光谱范围为400～600nm，灵敏度高，用于将光信号转换为电信号。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光谱测量叠片为紫铜材质，所述光谱测量叠片的侧壁开设有直径为3.2mm的通孔，所述窗口安装在所述通孔中。紫铜叠片满足强度和防热的需要，通孔的开设便于窗口的安装固定，且能匹配现有标准SMA905光纤接头，通用性好。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述窗口由K9石英玻璃和一对O型密封圈组合而成。密封的窗口可以防止高温气体外泄以保护外部光纤接头的安全。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述Y型光纤为芯径1.0mm的VIS/NIR多模阶跃型石英光纤。Y型光纤用于收集和传输高温气体光谱信息到光电倍增管。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述电弧加热器为管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器中的任一种。电弧加热器用于加热工作气体为高温气体。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述超声速喷管为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。超声速喷管用于加热高温气体以形成高温高速流场。
优选的是，所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述步骤一中的高温高速的气体流场在流经试验模型后，再经减速增压和冷却排入真空系统。
本发明至少包括以下有益效果：本发明高温气体的光谱信息依次通过光谱测量叠片、窗口、Y型光纤、两个不同中心波长的窄带滤光片和两个光电倍增管后，可实现电弧加热器高温流场中铜粒子(λ1＝510nm)和其背景(λ2＝500nm)的相对光谱强度的直接测量，比现有称重法、插入式探针和吸收光谱法测量铜粒子浓度更直接和快速。且本发明所述的窄带滤光片和光电倍增管工业产品成熟，较吸收光谱法系统简单、成本低廉、对环境依赖程度小，便于在电弧加热器和电弧风洞中实现，其系统可靠性更高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的电弧加热器加热气体的试验布局示意图；
图2为本发明的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法的示意图；
图3为本发明的电弧加热器试验中的铜粒子光谱数据；
图4为本发明的电弧加热器试验中铜粒子及其背景的光谱绝对强度变化曲线；
图5为本发明的电弧加热器试验中铜粒子及其背景的光谱相对强度变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供一种电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，所述电极为紫铜材质，如图1所示，电弧加热器1的出口连接超声速喷管2的进口，超声速喷管的出口处连接试验段3，试验模型4置于试验段中，试验段的出口处连接扩压段5，扩压段与真空系统6相连。试验时，工作气体经过供气系统进入电弧加热器，并利用其放电电弧加热，加热后的高温气体经超声速喷管膨胀加速后在试验段形成高温高速流场，对放置在超声速喷管出口的试验模型进行防热性能考核，流经试验模型的高温高速气流在扩压段减速增压并经冷却后排入之后的真空系统。具体监测方法包括以下步骤：
步骤一、根据试验模型及所提气动热参数(气流总焓、表面冷壁热流等)选择合适的电弧加热器和超声速喷管，电弧加热器放电，对进入其内部的工作气体进行加热，加热后的高温气体经过超声速喷管后形成高温高速的气体流场，高温高速的气体流场在流经试验模型后，再经减速增压和冷却排入真空系统。高温高速的气体流场提供试验模型所需的较为真实的气动加热环境，从而进行防热性能考核试验。
步骤二、如图2所示，所述高温气体的光谱信息经过安装在所述电弧加热器和所述超声速喷管之间的光谱测量叠片7后，然后依次经过设置在所述光谱测量叠片下端的窗口8和与所述窗口连接的Y型光纤9被分成两路信号，两路信号分别经过两个不同中心波长的窄带滤光片10后再送入两个光电倍增管11，得到两个光电倍增管输出的实时电压相对值，由该实时电压相对值判断所述电弧加热器的电极烧蚀状况。光谱测量叠片设置在电弧加热器和超声速喷管之间是因为此处铜粒子的浓度高，气流速度低，易探测。若光谱测量叠片设置在超声速喷管之后，则由于本试验中的超声速喷管也为铜质，在高温环境中烧蚀后，也会产生铜粒子，这样电弧加热器和超声速喷管烧蚀产生的铜粒子在此发生混合，当监测到铜粒子时，并不能直接判断出该铜粒子的来源，且相对于超声速喷管，电弧加热器的成本更高，因此对其烧蚀状况的监测尤为重要。当电弧加热器在高温高压条件下铜制电极出现熔化烧蚀现象时，其高温流场中的铜粒子含量将增加，反映到对应铜粒子光谱λ1＝510nm的光电倍增管电压值将出现增加，而背景光谱λ2＝500nm的光电倍增管电压值变化较小，两个光电倍增管的电压相对值实时、直观、快捷地反映了电弧加热器铜制电极的烧蚀状况。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，两个窄带滤光片的中心波长分别为510nm和500nm，半宽均为8nm，直径均为12.5mm。为了便于使用，将窄带滤光片分别固定在两端均为SMA905接头的在线可调滤光片支架内。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光电倍增管输出的电压信号由示波器或电脑进行采集和分析，用于实时反映电弧加热器电极烧蚀状况。光电倍增管将光信号转化为电信号，其输出电压值反映了光谱强度的大小。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光电倍增管为高灵敏度光谱探测器，光谱范围为400～600nm，正好将铜粒子的光谱包含在内。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述光谱测量叠片为紫铜材质，采用打孔冷却结构，且设置有接头，以连接窗口和光纤。所述光谱测量叠片的侧壁开设有直径为3.2mm的通孔，所述窗口安装在所述通孔中，用于收集高温气体的光谱信息。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述窗口由K9石英玻璃和一对O型密封圈组合而成。一对O型密封圈设置在窗口的内外两侧，以阻隔内部高温气体和外部常温气体的交换。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述Y型光纤为芯径1.0mm的VIS/NIR多模阶跃型石英光纤。高温气体经光谱测量叠片、窗口和Y型光纤收集，当从Y型光纤输出时，由于光纤形状的设计被分为两路输出。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述电弧加热器为管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器中的任一种。如图1所示，本实施例中为叠片式电弧加热器，包括前电极11、后电极12、压缩叠片13和置于中央空腔的电弧14，且该叠片式电弧加热器还连接有供气装置15、供水装置16和电源系统17。叠片式电弧加热器接通电源系统后，电弧放电对进入的气体进行加热。
所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法中，所述超声速喷管为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。
如图3所示，横坐标为波长(nm)，纵坐标为光谱强度(A.U.)。当电弧加热器电极出现熔化烧蚀时，其高温气流中会出现铜粒子光谱，并伴随着试验的进行，铜粒子浓度会呈现一定的变化趋势，本实施例中分别选取了261、275、285、300和310帧的光谱曲线，图中清晰可见氢原子(656nm)、氧原子(777nm)和铜粒子(510nm)特征光谱及其随时间的变化。
如图4和图5所示，图4中横坐标为时间，纵坐标为光谱绝对强度，上线为背景绝对光谱强度，下线为铜粒子绝对光谱强度，图5中横坐标为时间，纵坐标为光谱相对强度，即铜粒子与背景绝对光谱强度的比值。当电弧加热器电极出现熔化烧蚀时，铜粒子(510nm)及其背景(500nm)绝对光谱强度均出现增加，铜粒子(510nm)比其背景(500nm)绝对光谱强度增加幅度更大，其相对强度的变化趋势也完全一致，且相对强度更直观地反映电弧加热器电极烧蚀状况。由图5中可见，在30s～50s铜粒子相对强度较大且变化剧烈，表明该时间段内电弧加热器烧蚀量较大；50s～120s铜粒子相对强度减小且趋于平稳，表明该时间段内电弧加热器烧蚀量减少，且电弧加热器工作稳定；130s后铜粒子相对强度基本等于1，表明该时间段内电弧加热器基本没有烧蚀，电弧加热器健康状况良好。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，所述电极为紫铜材质，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电弧加热器放电，对进入其内部的工作气体进行加热，加热后的高温气体经过超声速喷管后形成高温高速的气体流场；
步骤二、所述高温气体的光谱信息经过安装在所述电弧加热器和所述超声速喷管之间的光谱测量叠片后，然后依次经过设置在所述光谱测量叠片下端的窗口和与所述窗口连接的Y型光纤被分成两路信号，两路信号分别经过两个不同中心波长的窄带滤光片后再送入两个光电倍增管，得到两个光电倍增管输出的实时电压相对值，由该实时电压相对值判断所述电弧加热器的电极烧蚀状况。
2.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，两个窄带滤光片的中心波长分别为510nm和500nm，半宽均为8nm，直径均为12.5mm。
3.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述光电倍增管输出的电压信号由示波器或电脑进行采集和分析。
4.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述光电倍增管为高灵敏度光谱探测器，光谱范围为400～600nm。
5.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述光谱测量叠片为紫铜材质，所述光谱测量叠片的侧壁开设有直径为3.2mm的通孔，所述窗口安装在所述通孔中。
6.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述窗口由K9石英玻璃和一对O型密封圈组合而成。
7.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述Y型光纤为芯径1.0mm的VIS/NIR多模阶跃型石英光纤。
8.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述电弧加热器为管状电弧加热器、分段式电弧加热器或叠片式电弧加热器中的任一种。
9.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述超声速喷管为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。
10.如权利要求1所述的电弧加热器电极烧蚀的实时监测方法，其特征在于，所述步骤一中的高温高速的气体流场在流经试验模型后，再经减速增压和冷却排入真空系统。
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