CN110207899A - 一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，信号发生器产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器，两个激光器输出的两束激光信号经单模光纤耦合器耦合并合成一束激光信号，再经过光学调整单元发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过外部喷管出口的超声速气流，透过超声速气流的激光信号经另一侧的光学调整单元接收端聚焦后，被多模光纤传递给探测器进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据采集和分析终端；数据采集和分析终端直接对电信号进行采集和实时分析，获得其光谱吸收信号，数据采集和分析终端对光谱吸收信号进行处理获上述超声速气流中的H2O含量，基于H2O含量的具体值对外部电弧加热器进行漏水判定。
Description
技术领域
本发明涉及基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，用于电弧加热器地面模拟试验中，利用H2O双线激光吸收光谱测量电弧加热器喷管出口气流含水量，判定电弧加热器漏水，并及时停车，为电弧加热器安全运行提供保障。属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其通过电弧加热的方式产生高温气流，模拟飞行器再入过程中的焓值和热流参数，开展热防护系统的地面试验研究。电弧加热器长期面临的高焓、高热流、高压环境使得其长期处于高温状态，其主要依赖内流道的循环冷却水保持稳定运行，一旦电弧加热器内部发生烧蚀，冷却水进入电弧加热器，会引起加热器绝缘破坏，将整体加热器烧损，因此对于电弧加热器的漏水诊断是电弧风洞气动热地面试验的关键难题之一。
长期以来，电弧加热器的故障诊断，公开报道很少，国外采用人工神经网络训练，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。这种方法无法直接反应电弧加热器的所有漏水情况，存在误触发或漏过的情况。由于电弧加热器漏水后，水会蒸发变成水蒸气，通过实施测量喷管出口气流中H2O含量可以用于判断电弧加热器漏水情况。
发明内容
本发明的技术解决问题：通过激光吸收光谱直接测量电弧加热器喷管出口气流含水量，并实时判定电弧加热器漏水情况，为电弧加热器安全运行提供监测手段。
本发明的技术方案：一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，包括：信号发生器、激光控制器、激光器、单模光纤耦合器、光学调整单元、多模光纤、探测器和数据采集和分析终端；所述光学调整单元包括发射端和接收端；信号发生器产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器，每个激光控制器调节对应的激光器的波长，两个激光器输出的两束激光信号经单模光纤耦合器耦合并合成一束激光信号，再经过光学调整单元发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过外部喷管出口的超声速气流，透过超声速气流的激光信号经另一侧的光学调整单元接收端聚焦后，被多模光纤传递给探测器进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据采集和分析终端；数据采集和分析终端直接对电信号进行采集和实时分析，获得其光谱吸收信号，数据采集和分析终端对光谱吸收信号进行处理，获得上述超声速气流中的H2O含量，基于H2O含量的具体值对外部电弧加热器进行漏水判定；所述超声速气流由外部电弧加热器对进入的试验介质进行加热，再经外部喷管膨胀加速后在外部喷管的出口形成；所述光学调整单元安装在喷管出口两侧，且光学调整单元分别与喷管出口的两侧平齐。
所述数据采集和分析终端光谱吸收信号进行分析的具体过程为：
1)基于上述的光谱吸收信号，分别选择对应激光器输出的两组激光信号，两组激光信号互相独立；各自选择两组激光信号中一个周期的数据，分别基于一个周期内没有谱线吸收的数据，进行多项式拟合，获得两组背景信号；
2)两组激光信号的单周期信号分别与对应的两组背景信号相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
3)对上述两组光谱吸收曲线分别进行Voigt曲线拟合，对拟合曲线进行积分，各自获得光谱信号的积分吸收面积A1和A2；获得上述超声速气流的温度T:
其中C1和C2与激光器输出的两组激光信号的光谱参数相关，通过HITRAN、HITEMP光谱数据库获得；
4)计算得到所述超声速气流中H2O的含量
其中S1(T)上述光谱信号的线强度，仅与温度相关，P为所述超声速气流的压力，L为所述外部喷管出口的长度L；
5)当H2O含量在一个低值X1并保持基本稳定，判定电弧加热器正常运行，当H2O含量上升且超过阈值X2，判定电弧加热器漏水，并关停设备。
所述低值X1的具体值参考外部电弧加热器不工作时室温冷态试验介质中水蒸气含量X0，X0＝1-100ppm，X1＝N1×X0,N1＝0.5-5。
所述阈值X2＝N2×X1，N2≥10。
所述光学调整单元包括调整结构发射端、调整结构接收端和三维位移台；调整结构发射端整体安装在一台三维位移台，内置光路发射端和准直透镜；调整结构接收端安装在另一台三维位移台，内置光路接收端、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射端和光路接收端通过三维位移台，实现三维方向激光信号的调整.
所述光学调整单元采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。
所述激光器在一个周期t内先后输出6807±1cm-1波长范围和7185±1cm-1波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。
所述外部电弧加热器为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。
所述外部喷管为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。
所述周期t＝0.1ms-100ms。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)本发明利用H2O激光吸收光谱诊断技术，实时在线测量电弧加热器喷管出口自由流含水量，可直接反映电弧加热器的漏水情况，及时判定并关停设备。
(2)本发明的诊断方法采用H2O的两条窄带谱线获得气流含水量，漏水和不漏水状态下H2O含量的显著变化能迅速判定漏水情况，具有非常高的灵敏度和抗干扰能力。
(3)本发明的采用H2O双线获得气流含水量，不受电弧加热器气流焓值、压力状态影响，适用于低焓、中焓、高焓等多种类型加热器的漏水判定。
(4)本发明的采用H2O的两条窄带谱线为高温谱线，可以排除室温水蒸气对诊断系统的干扰。
(5)本发明具有非常高的时间分辨率，可实现数10kHz量级的流场分辨，可实现低于ms时间量级的漏水判定。
附图说明
图1为本发明的基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统的布局示意图。
图2为H2O双谱线6807.8cm-1和7185.6cm-1的光谱吸收信号。
图3为基于吸收光谱测量技术获得的H2O含量的变化曲线。
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。
如图1为本发明基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统的结构图，由图可知本发明基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统包括信号发生器3、激光控制器4、激光器5、单模光纤耦合器6、光学调整单元7、多模光纤8、探测器9和数据采集和分析终端10，所述光学调整单元7包括发射端和接收端。
信号发生器3产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器4，每个激光控制器4调节对应的激光器5的波长，两个激光器5输出的两束激光信号经单模光纤耦合器6耦合并合成一束激光信号，再经过光学调整单元7发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过外部喷管2出口的超声速气流，透过超声速气流的激光信号经另一侧的光学调整单元7接收端聚焦后，被多模光纤8传递给探测器9进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据采集和分析终端10；
数据采集和分析终端10直接对电信号进行采集和实时分析，获得其光谱吸收信号，数据采集和分析终端10对光谱吸收信号进行处理，获得上述超声速气流中的H2O含量，基于H2O含量的具体值对外部电弧加热器1进行漏水判定。
超声速气流由外部电弧加热器1对进入的试验介质进行加热，再经外部喷管2膨胀加速后在外部喷管2的出口形成。
两个光学调整单元7安装在喷管2出口，且两个光学调整单元7分别与喷管2出口的两侧平齐。
具体地，数据采集和分析终端10光谱吸收信号进行分析的具体过程为：
(1)、基于上述的光谱吸收信号，分别选择对应激光器5输出的两组激光信号，两组激光信号互相独立。各自选择两组激光信号中一个周期的数据，分别基于一个周期内没有谱线吸收的数据，进行多项式拟合，获得两组背景信号；
(2)、两组激光信号的单周期信号分别与对应的两组背景信号相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
(3)、对上述两组光谱吸收曲线分别进行Voigt曲线拟合，对拟合曲线进行积分，各自获得光谱信号的积分吸收面积A1和A2；获得上述超声速气流的温度T:
其中C1、C2与激光器5输出的两组激光信号的光谱参数有关，相应光谱参数可以通过HITRAN、HITEMP光谱数据库获得；
(4)、计算得到所述超声速气流中H2O的含量
其中S1(T)上述光谱信号的线强度，仅与温度相关，P为所述超声速气流的压力，L为所述外部喷管2出口的长度L
(5)、当H2O含量在一个低值X1并保持基本稳定，判定电弧加热器1正常运行，当H2O含量上升且超过阈值X2，判定电弧加热器1漏水，并关停设备。
具体地，低值X1的具体值可以参考外部电弧加热器(1)不工作时室温冷态试验介质中水蒸气含量X0，X0＝1-100ppm，X1＝N1×X0,N1＝0.5-2；
具体地，阈值X2＝N2×X1，N2≥10。
具体地，光学调整单元7包括调整结构发射端、调整结构接收端和三维位移台；调整结构发射端整体安装在一台三维位移台，内置光路发射端和准直透镜；调整结构接收端安装在另一台三维位移台，内置光路接收端、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射端和光路接收端通过三维位移台，实现三维方向激光信号的调整；
具体地，光学调整单元7采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。
具体地，激光器5在一个周期t0.1ms-100ms内先后输出6807±1cm-1波长范围和7185±1cm-1波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。
具体地，外部电弧加热器1为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。
具体地，外部喷管2为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。
本发明以25MW管式电弧加热器为例，信号发生器3产生两束锯齿波信号，分别传输给激光控制器4，传输给激光控制器4输出控制温度调谐和电流调谐信号给激光器5，激光器5输出的两束激光信号经单模光纤耦合器6将信号耦合成一束激光信号，经过光学调整单元7发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管2出口超声速气流，透过的激光信号经另一侧光学调整单元7接收端聚焦，被多模光纤8传递给探测器9，并进行光电转换，将激光信号转换为电信号。图2为H2O双谱线6807.8cm-1和7185.6cm-1的光谱吸收信号，图2为经过上述数据处理过程后得到的吸收光谱信号，在获得两组吸收光谱信号后，进一步数据处理，获得了喷管出口超声速气流中H2O的含量，图3为基于吸收光谱测量技术获得的H2O含量的变化曲线。当H2O含量维持在一个低值(＜0.001)时，电弧加热器运行正常；当H2O含量急剧上升，高于设定阈值(0.009)时，判定电弧加热器漏水，并停止设备运行。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：包括：信号发生器(3)、激光控制器(4)、激光器(5)、单模光纤耦合器(6)、光学调整单元(7)、多模光纤(8)、探测器(9)和数据采集和分析终端(10)；所述光学调整单元(7)包括发射端和接收端；信号发生器(3)产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器(4)，每个激光控制器(4)调节对应的激光器(5)的波长，两个激光器(5)输出的两束激光信号经单模光纤耦合器(6)耦合并合成一束激光信号，再经过光学调整单元(7)发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过外部喷管(2)出口的超声速气流，透过超声速气流的激光信号经另一侧的光学调整单元(7)接收端聚焦后，被多模光纤(8)传递给探测器(9)进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至数据采集和分析终端(10)；数据采集和分析终端(10)直接对电信号进行采集和实时分析，获得其光谱吸收信号，数据采集和分析终端(10)对光谱吸收信号进行处理，获得上述超声速气流中的H2O含量，基于H2O含量的具体值对外部电弧加热器(1)进行漏水判定；所述超声速气流由外部电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，再经外部喷管(2)膨胀加速后在外部喷管(2)的出口形成；所述光学调整单元(7)安装在喷管(2)出口两侧，且光学调整单元(7)分别与喷管(2)出口的两侧平齐。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述数据采集和分析终端(10)光谱吸收信号进行分析的具体过程为：
1)基于上述的光谱吸收信号，分别选择对应激光器(5)输出的两组激光信号，两组激光信号互相独立；各自选择两组激光信号中一个周期的数据，分别基于一个周期内没有谱线吸收的数据，进行多项式拟合，获得两组背景信号；
2)两组激光信号的单周期信号分别与对应的两组背景信号相除后取对数，获得两组光谱吸收曲线；
3)对上述两组光谱吸收曲线分别进行Voigt曲线拟合，对拟合曲线进行积分，各自获得光谱信号的积分吸收面积A1和A2；获得上述超声速气流的温度T:
其中C1和C2与激光器(5)输出的两组激光信号的光谱参数相关，通过HITRAN、HITEMP光谱数据库获得；
4)计算得到所述超声速气流中H2O的含量
其中S1(T)上述光谱信号的线强度，仅与温度相关，P为所述超声速气流的压力，L为所述外部喷管(2)出口的长度L；
5)当H2O含量在一个低值X1并保持基本稳定，判定电弧加热器(1)正常运行，当H2O含量上升且超过阈值X2，判定电弧加热器(1)漏水，并关停设备。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述低值X1的具体值参考外部电弧加热器(1)不工作时室温冷态试验介质中水蒸气含量X0，X0＝1-100ppm，X1＝N1×X0,N1＝0.5-5。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述阈值X2＝N2×X1，N2≥10。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述光学调整单元(7)包括调整结构发射端、调整结构接收端和三维位移台；调整结构发射端整体安装在一台三维位移台，内置光路发射端和准直透镜；调整结构接收端安装在另一台三维位移台，内置光路接收端、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射端和光路接收端通过三维位移台，实现三维方向激光信号的调整。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述光学调整单元(7)采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述激光器(5)在一个周期t内先后输出6807±1cm-1波长范围和7185±1cm-1波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述外部电弧加热器(1)为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述外部喷管(2)为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。
10.根据权利要求7所述的一种基于激光吸收光谱的电弧加热器漏水诊断系统，其特征在于：所述周期t＝0.1ms-100ms。
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