CN111812354B - 一种基于高压放电的流场速度测量系统 - Google Patents

一种基于高压放电的流场速度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高压放电的流场速度测量系统，包括高压电源(1)、两组放电电极(2)、(3)、设置于两组放电电极一侧的摄像头(4)、连接于两组放电电极的共同放电输出端的反馈电路(5)、信息处理模块(6)，通过高压放电击穿流场内空气产生等离子体，记录等离子体随流场移动所诱发放电的时间间隔及等离子体的位移，从而获得速度信息。与现有技术相比，本发明成本低廉，很容易耦合到其他设备当中；解决了速度测量上限的限制，流场速度测量范围广，既能实现传统技术的低速流场测量，也能实现高速、超音速流及超高音速速度测量，无测速上限，具有广泛的应用前景。

Description

一种基于高压放电的流场速度测量系统
技术领域
本发明涉及高压放电技术领域及流场速度测量技术领域，具体涉及一种利用高压放电测量流场速度的装置。
背景技术
精确测量流场速度在航空航天及燃烧等领域具有十分重要的意义。目前比较成熟的商业化的流场测速装置主要包括皮托管测速方法和热线风速仪测速方法。其中，皮托管测速方法是通过压差的方法获得流场速度信息；热线风速仪测速方法是通过热线电阻的变化获得流场速度信息。这两种方法均为侵入式测量方法。如热线风速仪，需将几百微米量级的细丝置于流场当中，因此需要流场速度相对较低，其测速极限在100m/s左右。对于更高流场速度以及超音速速度测量，这些传统技术无能为力。传统流场速度测量技术面临速度测量范围小，仅适用于低速测量；因此，人们开发了许多基于激光技术的测速技术，例如激光多普勒测速技术、粒子成像测速技术及分子示踪测速技术等，并实现了高速流场测量。但这些技术都基于昂贵的激光光源，大大提高了系统复杂性和成本。如何实现一种简单可靠、成本低廉且能测量从低速到高速的测速仪器是本发明亟待解决的技术问题，具有十分重要的意义。为解决上述问题，发明了基于高压放电来实现流场速度测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于高压放电的流场速度测量系统，通过高压放电击穿流场内空气产生等离子体，记录等离子体随流场移动所诱发放电的时间间隔及等离子体的位移，从而获得速度信息。
本发明的由以下技术方案实现：
一种基于高压放电的流场速度测量系统，该系统包括高压电源1、两组放电电极(2)和(3)、设置于两组放电电极一侧的摄像头4、连接于两组放电电极的共同放电输出端的反馈电路5和分别与摄像头4、反馈电路5输出端相连接的信息处理模块6，其中：
电源1包括两部分输出直流稳压电输出和高压电输出这，一部分是直流稳压电输出，为摄像头4以及信息处理模块6提供电力支持；另一部分是高压电输出，分别连接主动电极2和被动电极3，周期性地升高加载在主动电极2和被动电极3两端的电压；
所述两组放电电极包括主动电极2和被动电极3，并且所述主动电极2和所述被动电极3同时置于流场中，其中所述主动电极2置于流场低端，所述被动电极3置于流场顶端且位于主动电极2正上方；所述主动电极2产生的等离子通道随流场经过所述被动电极3，诱导所述被动电极3放电；
所述摄像头4，通过调节摄像头门宽使其满足同时拍摄所述主动电极2放电和所述被动电极3放电，确定两次放电的距离S；
所述反馈电路5，由两组电流探头和数据采集卡组成，两组电流探头分别为主动电流探头7、被动电流探头8，利用主动电流探头7探测主动电极2放电的电流信号，利用被动电流探头8探测被动电极3放电的电流信号，并将探测到的两次放电的电流信号，电流信号输出到数据采集卡9中，通过数据采集卡9获得主动电极2和被动电极3的放电时间t1、t2；
所述数据处理模块6为计算机或者单片机，用于实时记录并分析摄像头4和反馈电路5的信号，进而根据确定的两次放电的时间间隔Δt＝t1-t2和两次放电的距离S，根据公式v＝S/Δt计算流场速度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：
(1)该装置原理简单，成本低廉，其主要部分为高压电源发生电路及信号反馈电路，很容易耦合到其他设备当中；
(2)解决了速度测量上限的限制，流场速度测量范围广，既能实现传统技术的低速流场测量，也能实现高速、超音速流及超高音速速度测量，无测速上限。
附图说明
图1是本发明的一种基于高压放电的流场速度测量系统架构示意图；
图2是反馈电路结构示意图。
附图标记：
1、高压电源，2、主动电极，3、被动电极，4、摄像头，5、反馈电路，6、数据处理模块，7、主动电极探头，8、被动电极探头，9、数据采集卡。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的描述；
如图1所示，本发明的一种基于高压放电的流场速度测量系统架构示意图。该系统包括高压电源1、主动电极2、被动电极3、摄像头4、反馈电路5和信息处理模块6共六部分，各个部分功能具体描述如下：
高压电源1，用于提供可控高压脉冲电输出以及可调直流稳压电输出。
主动电极2，用于主动击穿流场内的空气并形成等离子体通道。
被动电极3，由主动电极放电产生的等离子体诱导其放电。
摄像头4，用于拍摄两次放电形成等离子体通道的初始位置和结束位置。
反馈电路5，用于记录主动电极放电和被动电极放电的时间间隔。
信息处理模块6，用于对反馈电路信号及图像信号进行处理计算。
本发明的具体实施例如下：
电源1包括直流稳压电输出及高压电输出这两部分输出，其中：直流稳压电输出的电压可调，为摄像头4以及信息处理模块6提供电力支持；高压电输出为直流脉冲高压电或者交流高压电，其高压电的输出电压、电流及频率可调。在该高压电输出端分别连接主动电极2和被动电极3，实现了周期性升高加载在主动电极2和被动电极3两端的电压。主动电极2和被动电极3被同时放置于流场中，其中，主动电极2置于流场低端，被动电极3置于流场顶端且位于主动电极2正上方。主动电极2在流场中按照设定的频率自由击穿流场内的空气，产生等离子通道(该等离子通道会随流场移动)。被动电极3两端电压稍低于击穿阈值电压，正常情况下无法击穿空气，而主动电极2产生的等离子通道随流场经过被动电极3时，此时被动电极3的击穿电压阈值降低，从而实现诱导被动电极3放电。摄像头4处于主动电极2和被动电极3一侧，通过调节摄像头门宽同时拍摄主动电极2放电和被动电极3放电，确定两次放电的距离S。如图2所示，是反馈电路结构示意图。反馈电路5由主动电流探头7、主动电流探头8和数据采集卡9组成，利用主动电流探头7探测主动电极2放电的电流信号，利用被动电流探头8探测被动电极3放电的电流信号，并将探测到的两次放电的电流信号，电流信号输出到数据采集卡9中，通过数据采集卡9精确获得主动电极2和被动电极3的放电时间t1、t2。数据处理模块6为计算机或者单片机，实时记录并分析摄像头4和反馈电路5的信号，进而根据确定的两次放电的时间间隔Δt＝t1-t2和两次放电的距离S，根据公式v＝S/Δt计算流场速度。
本发明的测量系统的工作过程按以下的步骤进行：将两对电极垂直放置于被测流场两端(两电极间距离已知)。打开高压电源开关，给两对电极充电，主动电极击穿空气产生等离子体并引导被动电极放电，反馈电路记录自动记录主动电极与被动电极放电时间间隔，获得流场速度信息。
本发明所基于的原理是通过标定流场内气体，并记录气体经过的位移和所用时间，通过位移比时间得到速度信息。具体实施过程如下：
高压电源1提供稳定的直流脉冲高压输出，其输出电压、电流及频率可调。输出端为两对电极，通过高压电源对其供电。将两对电极置于被测流场中，在流场低端的一对电极为主动电极2，在流场中可按一定频率击穿放电。另一对电极置于主动电极正上方，为被动电极3，被动电极与主动电极距离可调，且被动电极两端电压处于击穿阈值以下，不能击穿放电。当主动电极2放电击穿流场并形成一条等离子通道，该等离子体通道会随流场移动，可作为流场速度测量的标记物。当该通道经过被动电极时，由于等离子体通道降低了被动电极的击穿电压阈值，从而诱导被动电极放电。两次放电的位移为两对电极间的距离或通过照相机拍照记录两次放电的实际位置。位移对应的时间为两次放电的时间间隔。其获得放电时间间隔的方法有三种：(1)声学方法，通过麦克风记录两次放电产生的声音时间间隔；(2)光学方法，通过光电二极管记录两次放电的光学信号时间间隔；(3)电学方法，通过电路反馈，记录放电电路中两次电流脉冲的时间间隔。通过以上的位移及时间可实时快速的给出速度信息。

Claims (1)

1.一种基于高压放电的流场速度测量系统，其特征在于，该系统包括高压电源(1)、两组放电电极(2)、(3)、设置于两组放电电极一侧的摄像头(4)、连接于两组放电电极的共同放电输出端的反馈电路(5)和分别与摄像头(4)、反馈电路(5)输出端相连接的信息处理模块(6)，其中：
电源(1)包括两部分输出直流稳压电输出和高压电输出，一部分是直流稳压电输出，为摄像头(4)以及信息处理模块(6)提供电力支持；另一部分是高压电输出，分别连接主动电极(2)和被动电极(3)，周期性地升高加载在主动电极(2)和被动电极(3)两端的电压；
所述两组放电电极包括主动电极(2)和被动电极(3)，并且所述主动电极(2)和所述被动电极(3)同时置于流场中，其中所述主动电极(2)置于流场低端，所述被动电极(3)置于流场顶端且位于主动电极(2)正上方；所述主动电极(2)产生的等离子通道随流场经过所述被动电极(3)，诱导所述被动电极(3)放电；
所述摄像头(4)，通过调节摄像头门宽使其满足同时拍摄所述主动电极(2)放电和所述被动电极(3)放电，确定两次放电的距离S；
所述反馈电路(5)，由两组电流探头和数据采集卡组成，两组电流探头分别为主动电流探头(7)、被动电流探头(8)，利用主动电流探头(7)探测主动电极(2)放电的电流信号，利用被动电流探头(8)探测被动电极(3)放电的电流信号，并将探测到的两次放电的电流信号，电流信号输出到数据采集卡(9)中，通过数据采集卡(9)获得主动电极(2)和被动电极(3)的放电时间t1、t2；
所述数据处理模块(6)为计算机或者单片机，用于实时记录并分析摄像头(4)和反馈电路(5)的信号，进而根据确定的两次放电的时间间隔Δt＝t1-t2和两次放电的距离S，根据公式v＝S/Δt计算流场速度。
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