CN110207906A - 一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统 - Google Patents

一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，包括测量片、光谱收集模块、压力传感器、光谱采集模块、压力采集模块、数据分析终端、控制模块，测量片为设有通孔的环形结构，位于电弧加热器与真空试验舱之间的连接通道上；光谱收集模块和光谱采集模块收集测量片内等离子体气流的辐射发光，并转换为光谱数据；压力传感器和压力采集模块测量片内等离子体气流的压力并转换成压力数据；数据分析终端，根据光谱数据确定电弧加热器漏水判定监测值，根据压力数据获得漏水判定阈值，比对漏水判定监测值和漏水判定阈值，实时判定外部电弧加热器漏水或者正常运行。该发明适用于对飞行器电弧加热器轨道模拟试验的试验状态监测，保障设备安全运行。

Description

一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统
技术领域
本发明涉及一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，属于飞行器地面气动热试验研究领域。
背景技术
电弧风洞是进行高超声速飞行器再入和热防护研究的重要地面试验设备，是进行空间探索的关键地面试验技术。随着各个航天军事大国对于高超声速飞行器更高速度的追求，高超声速飞行器再入大气面临的高焓、高压热环境，飞行器热防护系统考核要求在地面试验中复现这一过程，这对于电弧风洞地面试验能力提出了越来越高的要求。目前的电弧加热器包括管式、分段、叠片等多种形式，覆盖低焓、中焓至高焓的模拟范围，由于目前高超声速飞行器的发展，具备模拟高焓、高压气动热环境的叠片电弧加热器是目前国际上电弧加热器气动热地面试验技术的发展方向。
高焓、高压叠片加热器模拟能力提升的同时，要求电弧加热器内部长期承受高温(6000K-12000K)、高压(0.1-20Mpa)的热环境，为满足如此严苛环境的长时间地面试验，叠片电弧加热器一般采用叠片内流道通高压水，通过高压水循环冷却保持电弧加热器的安全运行，但是，叠片电弧加热器长时间的地面试验，叠片加热器片间内壁面发生烧蚀，若发生叠片内壁面烧穿现象，内流道内的冷却水会进入加热器内部，破坏电弧加热器的绝缘并发生短路，在短时间内将整套电弧加热器完全烧损，因此发展具有漏水判定和预警停车功能的诊断系统十分必要。
目前国际上相关气动热研究机构采用电流电压波动监测、壁面压力监测、流场录像等手段进行对电弧加热器状态运行的监测，这几种传统手段灵敏度低、反应慢，已严重滞后于电弧加热器的发展水平。本研究室提出了采用光学非接触式测量的方法实现对于电弧加热器运行状态的监测和漏水判定，其原理是利用发射光谱实时监测冷却水高温离解生产的氢原子，通过氢原子的产生判定电弧加热器是否漏水，专利ZL 201510535517.5和专利ZL201610490950.6对该种方法进行了阐述。这种方法大大提升了电弧加热器漏水判定的准确性和有效性，可以在数十ms范围内实现电弧加热器的漏水判定，并实现快速关停。但该方法是依据的一种恒定参数的漏水判定诊断系统，其对一个试验状态的电弧加热器漏水诊断十分有效。对于电弧加热器轨道模拟试验，轨道模拟要求实现一次试验实现对不同焓值、压力的模拟，而不同试验状态下电弧加热器的漏水判定阈值不同，上述发展的诊断系统只能依据不同试验状态的最高漏水判定阈值，实现对于电弧加热器的状态监测，无法在最快的响应时间内实现对于电弧加热器不同试验状态的漏水判定，同时不触发对于电弧加热器的误停车。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服发展电弧加热器漏水光谱诊断技术的上述不足，提供一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，提出了一种基于原子发射光谱测量技术结合压力测量的方法，基于实时变化的漏水判定阈值，实现对于电弧加热器不同试验状态的监测、漏水判定和设备关停。
本发明的技术解决方案是：一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，所述电弧加热器通过外部电源供电，该系统包括测量片、光谱收集模块、压力传感器、光谱采集模块、压力采集模块、数据分析终端、控制模块，其中：
测量片为中心设有通孔的环形结构，位于电弧加热器与轨道实验用真空试验舱之间的连接通道上，电弧加热器内部等离子体气流经测量片中心通孔到达真空试验舱，
光谱收集模块，用于收集测量片内等离子体气流的辐射发光，并传递至光谱采集模块；
光谱采集模块，用于将所述等离子体气流的辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并传递给数据分析终端；
压力传感器，用于对测量片内等离子体气流的压力进行测量，得到压力电信号并传递给压力采集模块。
压力采集模块，用于将等离子体气流的压力电信号转换成压力数据传递给数据分析终端。
数据分析终端，根据获得的光谱数据确定电弧加热器当前试验状态的漏水判定监测值，对压力数据进行分析处理，获得当前试验状态的漏水判定阈值，比对漏水判定监测值和漏水判定阈值，实时判定外部电弧加热器漏水或者正常运行，如果判定电弧加热器正常运行，则不发送断电指令给控制模块，保持外部电弧加热器运行；如果判定外部电弧加热器漏水，则发送断电指令给控制模块，控制模块收到断电指令后，切断外部电源系统的供电，迅速停止外部电弧加热器的运行。
所述漏水判定监测值通过如下方法确定：
(1-1)、对氢原子特征谱段[λ0-Δλ,λ0+Δλ]内的光谱数据进行积分，获得氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH；所述氢原子特征谱段的中心波长为氢原子波长，带宽Δλ表示为：Δλ＝N×Δv，其中Δv为仪器的半宽，N为正整数。
(1-2)、对背景光谱波段中的光谱数据进行积分，获得背景光谱的绝对强度值Iref；背景光谱波段选用所述光谱数据波长范围内任意没有原子分立谱线的分子光谱波段；
(1-3)、将氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH与背景光谱的绝对强度值Iref相除，获得外部电弧加热器当前试验状态的漏水判定监测值。
所述数据分析终端获得的当前试验状态下的压力数据与判定外部电弧加热器当前试验状态下的漏水判定阈值I阈值之间满足如下定量关系：
I阈值＝A·P+B
其中A和B分别为漏水判定阈值I阈值与压力数据P之间的斜率和截距，A,B为一个确定的常数。
所述数据分析终端获得的当前试验状态下的压力数据P与判定外部电弧加热器当前试验状态的漏水判定阈值I阈值之间的定量关系通过以下方式获得：
(2-1)、通过线性拟合获得外部电弧加热器在预设压力范围内正常运行时的监测值I正常与其对应的压力数据P之间的定量关系：
I正常＝A1·P+B1
(2-2)、外部电弧加热器在预设压力范围内正常运行时的实时监测值I正常乘以固定的灵敏度系数N2，得到外部电弧加热器不同试验状态的漏水判定阈值I阈值的表达式：
I阈值＝N2·I正常。
所述灵敏度系数N2，取值在1.02-1.1之间。
判定外部电弧加热器漏水或者正常运行的具体方法为：如果漏水判定监测值I监测小于漏水判定阈值I阈值，则判定外部电弧加热器运行正常；如果漏水判定监测值I监测大于或等于漏水判定阈值I阈值,则判定外部电弧加热器漏水。
所述光谱收集模块为光学透镜，光学镜片采用石英、CaF2、或者蓝宝石材料制成，光学透镜的焦距f＝10-25mm。
所述光谱采集模块为便携式光纤光谱仪，采集范围200-1000nm，光谱分辨率1nm；
所述数据分析终端基于C/C++、Labview或者matlab软件开发环境进行开发。
所述测量片的材料为紫铜。
所述压力传感器和光谱收集模块均沿测量片的径向方向安装在测量片上的通孔中，且两安装通孔相互垂直。
用于安装压力传感器的通孔直径为1～2mm。
所述两安装通孔采用打孔冷却结构，满足强度和防热的需要。
所述外部电弧加热器为高焓高压叠片式电弧加热器，运行范围：焓值:8-25MJ/kg，压力0.1-3Mpa。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明提供一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，提出了一种基于原子发射光谱测量技术结合压力测量的方法，基于实时变化的漏水判定阈值，实现对于电弧加热器不同试验状态的监测、漏水判定和设备关停。
(2)、本发明提供的电弧加热器漏水诊断系统，区别于现有的恒定参数漏水诊断系统，提供了一种依据试验状态压力值变参数的漏水诊断系统，可以实现对于电弧加热器不同试验状态的漏水判定。
(3)、本发明提出了一种变参数的电弧加热器漏水诊断系统，即可以保证对于电弧加热器不同试验状态的漏水判定和关停，并可以进一步减少诊断系统误判的几率，保证电弧加热器的设备安全运行。
附图说明
图1为本发明一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统结构布局图；
图2为本发明实施例1中50MW叠片式电弧加热器正常运行值、漏水判断阈值与压力的定量关系，依据该关系可以依据实时测量的压力值给定判定漏水的阈值。
图3为本发明实施例1中50MW叠片式电弧加热器2500s轨道试验实时监测图。给出了2500s内每一个时刻电弧加热器运行的测量值和实时对应的漏水判定阈值。
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的描述：
如图1所示，一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，本实施例轨道试验所用的外部电弧加热器为高焓高压叠片式电弧加热器，运行范围：焓值:8-25MJ/kg，压力0.1-3Mpa。该电弧加热器的前电极的后电极通过外部电源8供电，对外部电弧加热器9内试验介质进行加热升温后离解、电离形成。
本实施例的变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统包括测量片1、光谱收集模块2、压力传感器3、光谱采集模块4、压力采集模块5、数据分析终端6、控制模块7，其中：
测量片1为中心设有通孔的环形结构，位于电弧加热器9与轨道实验用真空试验舱之间的连接通道上，电弧加热器9内部等离子体气流经测量片1中心通孔到达真空试验舱。所述测量片1的材料可以为紫铜。
光谱收集模块2，用于收集测量片1内等离子体气流的辐射发光，并传递至光谱采集模块4。该光谱收集模块2为光学透镜，光学镜片可以采用石英、CaF2、或者蓝宝石材料，光学透镜的焦距f＝10-25mm；
光谱采集模块4，用于将所述等离子体气流的辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并传递给数据分析终端6。该光谱采集模块4最好选用便携式光纤光谱仪，采集范围200-1000nm，光谱分辨率1nm。
压力传感器3，用于对测量片1内等离子体气流的压力进行测量，得到压力电信号并传递给压力采集模块5。
压力采集模块5，用于将等离子体气流的压力电信号转换成压力数据P传递给数据分析终端6。
数据分析终端6，根据获得的光谱数据确定电弧加热器9当前试验状态的漏水判定监测值，对压力数据P进行分析处理，获得当前试验状态的漏水判定阈值，比对漏水判定监测值和漏水判定阈值，实时判定外部电弧加热器9漏水或者正常运行。判定外部电弧加热器9漏水或者正常运行的具体方法为：如果漏水判定监测值I监测小于漏水判定阈值I阈值，则判定外部电弧加热器9运行正常；如果漏水判定监测值I监测大于或等于漏水判定阈值I阈值,则判定外部电弧加热器9漏水。如果判定电弧加热器9正常运行，则不发送断电指令给控制模块7，保持外部电弧加热器9运行；如果判定外部电弧加热器9漏水，则发送断电指令给控制模块7，控制模块7收到断电指令后，切断外部电源系统8的供电，迅速停止外部电弧加热器9的运行。该据分析终端6可以基于C/C++环境进行软件开发，也可以基于Labview、matlab等软件开发环境进行。所述控制模块7可以选择继电器，通过TTL高、低电平控制通、断。
所述漏水判定监测值通过如下方法确定：
1-1、对氢原子特征谱段[λ0-Δλ,λ0+Δλ]内的光谱数据进行积分，获得氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH；所述氢原子特征谱段的中心波长为氢原子波长，带宽Δλ表示为：Δλ＝N×Δv，其中Δv为仪器的半宽，一般为0.1-2nm，N为正整数，最好是N＝2-5，所述氢原子中心波长λ0为656.28nm。
1-2、对背景光谱波段中的光谱数据进行积分，获得背景光谱的绝对强度值Iref；背景光谱波段选用所述光谱数据波长范围内任意没有原子分立谱线的分子光谱波段；假设δ为所述背景光谱的中心波长，那么，δ±M波段可以作为背景光谱；M＝2-10nm。
1-3、将氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH与背景光谱的绝对强度值Iref相除，获得外部电弧加热器9当前试验状态的漏水判定监测值。
所述数据分析终端6获得的当前试验状态下的压力数据P与判定外部电弧加热器9当前试验状态下的漏水判定阈值I阈值之间满足如下定量关系：
I阈值＝A·P+B
其中A和B分别为漏水判定阈值I阈值与压力数据P之间的斜率和截距，A,B为一个确定的常数。
所述数据分析终端6获得的当前试验状态下的压力数据P与判定外部电弧加热器9当前试验状态的漏水判定阈值I阈值之间的定量关系通过以下方式获得：
2-1、通过线性拟合获得外部电弧加热器9在预设压力范围内正常运行时的监测值I正常与其对应的压力数据P之间的定量关系：
I正常＝A1·P+B1
2-2、外部电弧加热器9在预设压力范围内正常运行时的实时监测值I正常乘以固定的灵敏度系数N2，得到外部电弧加热器9不同试验状态的漏水判定阈值I阈值的表达式：
I阈值＝N2·I正常
因此，A＝N2·A1,B＝N2·B1。
所述灵敏度系数，取值在1.02-1.1之间。
图2为本发明实施例1中50MW叠片式电弧加热器正常运行值、漏水判断阈值与压力的定量关系，依据该关系可以依据实时测量的压力值给定判定漏水的阈值。
I正常＝0.232·P+0.987
图3为本发明实施例1中50MW叠片式电弧加热器2500s轨道试验实时监测图。给出了2500s内每一个时刻电弧加热器运行的测量值和实时对应的漏水判定阈值。
所述压力传感器3和光谱收集模块2均沿测量片3的径向方向安装在测量片上的通孔中，且两安装通孔相互垂直。
具体为：测量片3侧壁0°方向开孔，与光谱收集模块2通过螺栓安装，侧壁90°方向开小孔，直径1-2mm，通过螺纹与压力传感器3连接。其中用于安装压力传感器3的通孔直径为1～2mm。
所述两安装通孔采用打孔冷却结构，满足强度和防热的需要。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (14)

1.一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，所述电弧加热器通过外部电源(8)供电，其特征在于包括测量片(1)、光谱收集模块(2)、压力传感器(3)、光谱采集模块(4)、压力采集模块(5)、数据分析终端(6)、控制模块(7)，其中：
测量片(1)为中心设有通孔的环形结构，位于电弧加热器(9)与轨道实验用真空试验舱之间的连接通道上，电弧加热器(9)内部等离子体气流经测量片(1)中心通孔到达真空试验舱，
光谱收集模块(2)，用于收集测量片(1)内等离子体气流的辐射发光，并传递至光谱采集模块(4)；
光谱采集模块(4)，用于将所述等离子体气流的辐射发光转换为波长分辨的光谱数据，并传递给数据分析终端(6)；
压力传感器(3)，用于对测量片(1)内等离子体气流的压力进行测量，得到压力电信号并传递给压力采集模块(5)；
压力采集模块(5)，用于将等离子体气流的压力电信号转换成压力数据P传递给数据分析终端(6)；
数据分析终端(6)，根据获得的光谱数据确定电弧加热器(9)当前试验状态的漏水判定监测值，对压力数据P进行分析处理，获得当前试验状态的漏水判定阈值，比对漏水判定监测值和漏水判定阈值，实时判定外部电弧加热器(9)漏水或者正常运行，如果判定电弧加热器(9)正常运行，则不发送断电指令给控制模块(7)，保持外部电弧加热器(9)运行；如果判定外部电弧加热器(9)漏水，则发送断电指令给控制模块(7)，控制模块(7)收到断电指令后，切断外部电源系统(8)的供电，迅速停止外部电弧加热器(9)的运行。
2.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于所述漏水判定监测值通过如下方法确定：
(1-1)、对氢原子特征谱段[λ0-Δλ,λ0+Δλ]内的光谱数据进行积分，获得氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH；所述氢原子特征谱段的中心波长为氢原子波长，带宽Δλ表示为：Δλ＝N×Δv，其中Δv为仪器的半宽，N为正整数；
(1-2)、对背景光谱波段中的光谱数据进行积分，获得背景光谱的绝对强度值Iref；背景光谱波段选用所述光谱数据波长范围内任意没有原子分立谱线的分子光谱波段；
(1-3)、将氢原子特征谱段的光谱绝对强度值IH与背景光谱的绝对强度值Iref相除，获得外部电弧加热器(9)当前试验状态的漏水判定监测值。
3.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于所述数据分析终端(6)获得的当前试验状态下的压力数据P与判定外部电弧加热器(9)当前试验状态下的漏水判定阈值I阈值之间满足如下定量关系：
I阈值＝A·P+B
其中A和B分别为漏水判定阈值I阈值与压力数据P之间的斜率和截距，A,B为一个确定的常数。
4.根据权利要求3所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于所述数据分析终端(6)获得的当前试验状态下的压力数据P与判定外部电弧加热器(9)当前试验状态的漏水判定阈值I阈值之间的定量关系通过以下方式获得：
(2-1)、通过线性拟合获得外部电弧加热器(9)在预设压力范围内正常运行时的监测值I正常与其对应的压力数据P之间的定量关系：
I正常＝A1·P+B1
(2-2)、外部电弧加热器(9)在预设压力范围内正常运行时的实时监测值I正常乘以固定的灵敏度系数N2，得到外部电弧加热器(9)不同试验状态的漏水判定阈值I阈值的表达式：
I阈值＝N2·I正常。
5.根据权利要求4所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于所述灵敏度系数N2取值在1.02-1.1之间。
6.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于判定外部电弧加热器(9)漏水或者正常运行的具体方法为：如果漏水判定监测值I监测小于漏水判定阈值I阈值，则判定外部电弧加热器(9)运行正常；如果漏水判定监测值I监测大于或等于漏水判定阈值I 阈值,则判定外部电弧加热器(9)漏水。
7.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述光谱收集模块(2)为光学透镜，光学镜片采用石英、CaF2、或者蓝宝石材料制成，光学透镜的焦距f＝10-25mm。
8.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述光谱采集模块(4)为便携式光纤光谱仪，采集范围200-1000nm，光谱分辨率1nm。
9.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述数据分析终端(6)基于C/C++、Labview或者matlab软件开发环境进行开发。
10.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述测量片(1)的材料为紫铜。
11.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述压力传感器(3)和光谱收集模块(2)均沿测量片(3)的径向方向安装在测量片上的通孔中，且两安装通孔相互垂直。
12.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：用于安装压力传感器(3)的通孔直径为1～2mm。
13.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述两安装通孔采用打孔冷却结构，满足强度和防热的需要。
14.根据权利要求1所述的一种变参数的电弧加热器轨道试验漏水诊断系统，其特征在于：所述外部电弧加热器(9)为高焓高压叠片式电弧加热器，运行范围：焓值:8-25MJ/kg，压力0.1-3Mpa。
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