CN108254360A - 电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统 - Google Patents

电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统 Download PDF

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Abstract

电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统，电弧加热器(1)通过前电极和后电极放电击穿产生电弧，对进入的空气进行加热，形成高温气流，辐射收集单元(2)收集经过的高温气流的辐射发光，高温气流经喷管(3)膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；辐射收集单元(2)收集的辐射发光进入多模光纤(4)，光纤光谱仪(5)将进入多模光纤(4)内的辐射发光采集，利用光栅将辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并输出至数据分析单元(6)；数据分析单元(6)选择目标组分铜粒子的谱线，获得目标组分铜粒子的发射光谱强度，选择氧原子作为参考组分，获得氧原子的谱线发射光谱强度，将铜粒子的发射光谱强度与氧原子的发射光谱强度相比，获得对应铜粒子的摩尔浓度。

Description

电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统
技术领域
本发明涉及电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统，用于电弧加热器地面模拟试验中，利用发射光谱诊断技术获得电弧加热器铜电极下游的高温气流辐射光谱，通过监测铜粒子(510nm、515nm、521nm和578nm)谱线和氧原子(845nm)谱线的发射光谱强度之比，获得试验过程中铜电极烧蚀的摩尔分数。属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
随着飞行器飞行速度越来越快，从跨越超声速到高超声速，飞行器热防护问题成为高超声速飞行器设计的重中之重，而电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的主要地面试验平台。电弧加热器通过前后电极击穿气体，产生高压热电弧，试验气体通过电弧加热和喷管膨胀加速模拟飞行器再入热环境，从而进行防热材料地面考核试验。由于电弧加热器前后电极采用紫铜材料，击穿放电过程中紫铜电极发生烧蚀，电极长时间工作后铜电极烧蚀不利于电弧加热器的正常运行。同时电极烧蚀产生的铜粒子进行高温试验气流中，引入污染组分，不利于飞行器热防护地面模拟试验，铜粒子污染效应对防热材料地面考核的影响需要进行评估，这些都要求采用有效手段对铜电极烧蚀进行有效诊断。
由于电弧加热器内的高温恶劣环境，传统测量手段由于其接触式测量的特点，无法有效的实时测量电弧加热器工作过程中铜电极烧蚀，长期以来关于电极烧蚀的定量研究一直是空白。
发明内容
本发明的技术解决问题：通过发射光谱诊断技术监测铜粒子四个波段的谱线强度和氧原子谱线强度，定量获得电弧加热器工作过程中铜电极的烧蚀量，可以实现铜粒子ppm量级的准确测量。
本发明的技术方案：电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统，包括电弧加热器、辐射收集单元、喷管、多模光纤、光纤光谱仪、数据分析单元；辐射收集单元安装在电弧加热器的前电级和喷管之间；
电弧加热器通过前电极和后电极放电击穿产生电弧，对进入的空气进行加热，形成高温气流，辐射收集单元收集经过的高温气流的辐射发光，高温气流经喷管膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；辐射收集单元收集的辐射发光进入多模光纤，光纤光谱仪将进入多模光纤内的辐射发光采集，利用光栅将辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并输出至数据分析单元；
数据分析单元对上述波长分辨的光谱数据进行分析，选择目标组分铜粒子的谱线，获得目标组分铜粒子的发射光谱强度，选择氧原子作为参考组分，获得氧原子的谱线发射光谱强度，将铜粒子的发射光谱强度与氧原子的发射光谱强度相比，获得对应铜粒子的摩尔浓度，即获得上述高温气流内铜电极的烧蚀量。
进一步的，数据分析单元选择目标组分铜粒子的谱线，获得至少两组目标组分铜粒子的发射光谱强度，将每组铜粒子的发射光谱强度与氧原子的发射光谱强度相比，获得对应铜粒子的摩尔浓度，任意选择其中一组或者取平均值作为高温气流内铜电极的烧蚀量。
进一步的，在四个波段510nm,515nm,521nm,578nm获得四组目标组分铜粒子的发射光谱强度，通过四组铜粒子的发射光谱强度分别与目标组分氧原子在845nm或者777nm波段下的发射光谱强度相比，获得四组铜粒子的摩尔浓度，进而得到诊断系统的测量偏差。
进一步的，数据分析单元通过下述方式实现：
根据原子发射光谱的辐射强度的关系式，辐射强度与高能级粒子的数密度成正比；以及高能级粒子数密度与总粒子数密度之间满足Maxwell-Boltzmann分布；得到目标组分铜粒子发射光谱强度与参考组分氧原子发射光谱强度之比；根据上述比值得到铜粒子的摩尔浓度。
进一步的，铜粒子的摩尔浓度计算公式：
XO(T)为参考组分氧原子在温度T下的摩尔浓度；Eu为高能级能量，A为谱线的爱因斯坦发射系数，v0为谱线中心波长，gu为高能级权重。
进一步的，温度T通过Mollier图高温平衡空气表结合电弧加热器实际模拟的焓值和压力获得。
进一步的，所述光纤光谱仪是固定光栅光谱仪，光谱分辨率小于1.7nm，波长分辨范围：200-1000nm。
进一步的，所述电弧加热器为高焓(12-25MJ/kg)运行叠片式电弧加热器或中焓(8-12MJ/kg)运行分段电弧加热器，或低焓(2-8MJ/kg)运行交流、管式电弧加热器。
进一步的，所述光纤光谱仪的时间分辨率控制在毫秒量级。
进一步的，所述数据分析单元是兼容光纤光谱仪开发环境的分析程序，可基于C、C++或LabVIEW开发环境进行编写，可作为测量电弧加热器运行过程铜电极烧蚀的常规测量手段。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明利用发射光谱铜粒子和氧原子谱线强度比可直接定量电弧加热器铜电极烧蚀量，解决了传统方法无法直接定量评估电极烧蚀量的难题，光谱定量诊断可用于定量评估电极优化设计和后续维护，并作为评估热防护地面模拟试验高温气流铜污染效应的依据。基于本发明可以实现高温气流中铜粒子ppm量级的定量测量，可以作为优化电弧加热器电极设计和后期维护的定量评估依据，同时基于对铜烧蚀量的定量测量，可以用于定量研究飞行器热防护地面模拟试验的铜污染组分效应。
(2)本发明的诊断方法通过基于铜粒子四个波长的谱线测量铜粒子摩尔分数，获得的四组铜粒子浓度具有非常好的一致性，说明本发明具有很高的有效性，可评估测量结果的上下偏差。
(3)本发明通过选用不同时间分辨率的光纤光谱仪能够使得系统具有不同的时间分辨率，目前可实现8ms的铜粒子摩尔分数分辨。
(4)本发明对于铜粒子定量测量具有非常高的探测极限，可实现1ppm量级的铜粒子摩尔分数准确定量。
(5)本发明方法进行工程应用的门槛很低，对于硬件要求很少，仅需一台商用光纤光谱仪即可。
附图说明
图1为本发明的原理布局示意图；
图2为某一试验光纤光谱仪采集的铜粒子和氧原子光谱图；
图3为某一试验基于四条铜粒子谱线获得电弧加热器铜电极烧蚀摩尔分数曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
以10MW高压叠片电弧加热器为例，图1为本发明实施例中的电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统及方法的布局示意图。包括：包括电弧加热器1、辐射收集单元2、喷管3、多模光纤4、光纤光谱仪5、数据分析单元6。
电弧加热器1通过前电极和后电极放电击穿产生电弧，对进入的空气进行加热，形成高温气流，经喷管3膨胀加速后在喷管出口形成高速气流，形成高温气流的过程中，紫铜材料的前电极和后电极在高温环境下会发生烧蚀，气态的铜粒子进入高温气流，辐射收集单元2安装在电弧加热器1的前电级和喷管3之间，高温气流辐射发光在辐射收集单元2处后被收集，进入多模光纤4，光纤光谱仪5将进入多模光纤4内的辐射发光采集，利用光栅转换波长分辨的光谱数据输出至数据分析单元6；
数据分析单元6对上述波长分辨的光谱数据进行分析，选择目标组分铜粒子的谱线，获得四组(510nm、515nm、521nm和578nm)目标组分铜粒子的发射光谱强度，选择氧原子作为参考组分，获得氧原子在845nm的谱线发射光谱强度。
上述目标组分铜粒子谱线和参考组分氧原子谱线的发射光谱强度比值仅与气流温度和铜粒子、氧原子的摩尔浓度相关，而上述高温气流的温度可以通过电弧Mollier图高温平衡空气表结合电弧加热器实际模拟的焓值和压力获得，针对给定的焓值和压力条件下，高温气流中参考组分氧原子的摩尔组分是一定的，通过热化学平衡计算可以获得，通过数据分析单元6分析目标组分铜粒子和参考组分氧原子谱线的发射光谱强度之比可以获得铜粒子浓度。
发射光谱强度与气流焓值的对应关系通过下述方式实现：
原子发射光谱的辐射强度满足：
A为谱线的爱因斯坦发射系数，h为普朗克常数，v0为谱线中心波长，nu为谱线高能级粒子数密度。上述高温气流为热平衡流，高能级粒子数密度与总粒子数密度之间满足Maxwell-Boltzmann分布：
式中，n0为粒子总粒子数密度，gu为高能级权重，Q(T)为配分函数，k为玻尔兹曼常数，Eu为高能级能量，P为压力，上述目标组分铜粒子发射光谱强度与参考组分氧原子发射光谱强度之比满足：
铜粒子摩尔分数XCu可以表示为:
XO(T),f(T)仅与温度相关，而上述高温气流的温度可以通过电弧Mollier图高温平衡空气表结合电弧加热器实际模拟的焓值和压力获得，C是仅与目标组分铜粒子和参考组分氧原子谱线光谱参数相关的量，而针对给定的焓值和压力条件下，高温气流中参考组分氧原子的摩尔组分是一定的，通过热化学平衡计算可以获得。因此通过数据分析单元分析目标组分铜粒子和参考组分氧原子谱线的发射光谱强度之比可以获得铜粒子浓度。温度T通过Mollier图高温平衡空气表结合电弧加热器实际模拟的焓值和压力获得。上述参数中的下标_Cu、_O分别代表对应的铜粒子和氧原子。
具体而言，所述电弧加热器1为目前常用的叠片、分段、交流或管式电弧加热器：高焓(12-25MJ/kg)运行叠片式电弧加热器或中焓(8-12MJ/kg)运行分段电弧加热器，或低焓(2-8MJ/kg)运行交流、管式电弧加热器。
具体而言，所述喷管3为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管，既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。
具体而言，所述辐射收集单元2整体材料为紫铜，通过密封垫圈和螺栓压紧与电弧加热器1和喷管3密封，压缩片径向一侧开有通孔，安装光学玻璃窗口，高温气流的辐射光谱信息通过该窗口透射。
具体而言，所述多模光纤4为多模阶跃型石英光纤，将辐射收集单元2收集的高温气流辐射光谱信息传递至光纤光谱仪。
具体而言，所述光纤光谱仪5为固定光栅光谱仪，光谱分辨率小于1.7nm，波长分辨范围：200-1000nm，接收多模光纤4传输过来的高温发光，并获得波长分辨的光谱信息。
具体而言，所述数据分析终端6为计算机和数据分析程序的集合，用于在线实时存储、显示和分析光纤光谱仪5采集的光谱信号，具体可基于C、C++或LabVIEW开发环境进行编写，可作为测量电弧加热器运行过程铜电极烧蚀的常规测量手段。
图2为某一试验光纤光谱仪采集的铜粒子和氧原子光谱图。铜粒子谱线的中心波长分别在510nm、515nm、521nm和578nm。图3为某一试验基于四条铜粒子谱线获得电弧加热器铜电极烧蚀摩尔分数。从图中可以看出，基于四个波段获得铜粒子浓度曲线保持非常好的一致性，电弧加热器起弧后铜粒子浓度迅速增加，最大浓度值在18-25ppm，之后迅速下降，在第10s时刻基本平衡，平衡浓度低于2ppm。
本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.电弧加热器铜电极烧蚀定量诊断系统，其特征在于：包括电弧加热器(1)、辐射收集单元(2)、喷管(3)、多模光纤(4)、光纤光谱仪(5)、数据分析单元(6)；辐射收集单元(2)安装在电弧加热器(1)的前电级和喷管(3)之间；
电弧加热器(1)通过前电极和后电极放电击穿产生电弧，对进入的空气进行加热，形成高温气流，辐射收集单元(2)收集经过的高温气流的辐射发光，高温气流经喷管(3)膨胀加速后在喷管出口形成高速气流；辐射收集单元(2)收集的辐射发光进入多模光纤(4)，光纤光谱仪(5)将进入多模光纤(4)内的辐射发光采集，利用光栅将辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并输出至数据分析单元(6)；
数据分析单元(6)对上述波长分辨的光谱数据进行分析，选择目标组分铜粒子的谱线，获得目标组分铜粒子的发射光谱强度，选择氧原子作为参考组分，获得氧原子的谱线发射光谱强度，将铜粒子的发射光谱强度与氧原子的发射光谱强度相比，获得对应铜粒子的摩尔浓度，即获得上述高温气流内铜电极的烧蚀量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：数据分析单元选择目标组分铜粒子的谱线，获得至少两组目标组分铜粒子的发射光谱强度，将每组铜粒子的发射光谱强度与氧原子的发射光谱强度相比，获得对应铜粒子的摩尔浓度，任意选择其中一组或者取平均值作为高温气流内铜电极的烧蚀量。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：在四个波段510nm,515nm,521nm,578nm获得四组目标组分铜粒子的发射光谱强度，通过四组铜粒子的发射光谱强度分别与目标组分氧原子在845nm或者777nm波段下的发射光谱强度相比，获得四组铜粒子的摩尔浓度，进而得到诊断系统的测量偏差。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：数据分析单元(6)通过下述方式实现：
根据原子发射光谱的辐射强度的关系式，辐射强度与高能级粒子的数密度成正比；以及高能级粒子数密度与总粒子数密度之间满足Maxwell-Boltzmann分布；得到目标组分铜粒子发射光谱强度与参考组分氧原子发射光谱强度之比；根据上述比值得到铜粒子的摩尔浓度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：铜粒子的摩尔浓度计算公式：
XO(T)为参考组分氧原子在温度T下的摩尔浓度；Eu为高能级能量，A为谱线的爱因斯坦发射系数，v0为谱线中心波长，gu为高能级权重。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：温度T通过Mollier图高温平衡空气表结合电弧加热器实际模拟的焓值和压力获得。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光纤光谱仪(5)是固定光栅光谱仪，光谱分辨率小于1.7nm，波长分辨范围：200-1000nm。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电弧加热器(1)为高焓(12-25MJ/kg)运行叠片式电弧加热器或中焓(8-12MJ/kg)运行分段电弧加热器，或低焓(2-8MJ/kg)运行交流、管式电弧加热器。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光纤光谱仪(5)的时间分辨率控制在毫秒量级。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据分析单元是兼容光纤光谱仪(5)开发环境的分析程序，可基于C、C++或LabVIEW开发环境进行编写，可作为测量电弧加热器运行过程铜电极烧蚀的常规测量手段。
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