CN114236168A - 电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法 - Google Patents

电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞行器地面气动热试验研究技术领域,尤其是涉及一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法。电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置的电弧等离子体发生器通过电极之间击穿放电,产生电弧通道,电弧弧根通过线圈产生的磁场驱动,在电弧等离子体发生器电极内壁面周期旋转。电弧弧根位置的固体辐射通过光学窗口,被镜头收集,并传输至探测器,上述固体辐射经探测器光电转换,被数据采集模块采集获得。上述测量装置,可以实现对大功率电弧加热器弧根旋转速度的在线测量。对等离子体发生器长时间工作过程中电弧弧根旋转特性进行实时的监测。设备要求非常简单,适用于各种类型的电弧等离子体发生器弧根旋转特性测量。

Description

电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及飞行器地面气动热试验研究技术领域,尤其是涉及一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法。
背景技术
大功率电弧等离子体发生器广泛应用于飞行器热防护地面试验研究,其模拟飞行器再入过程中的高温、高压环境,一般采用电极放电击穿产生热电弧等离子体,来模拟这一热环境。此过程中电弧弧根在电极内壁面发生周期性旋转,由于弧根位置气流温度可达上万K,对电极表面产生剧烈加热,电弧弧根旋转过慢,会引起电极局部受热严重,电极被烧坏,导致电弧等离子体发生器无法正常工作,因此,目前大功率的电弧等离子体发生器一般在发生器电极外壁面缠绕线圈,通过线圈产生外部磁场,驱动电弧弧根旋转运动,从而实现对于电极壁面的均匀加热,且不至于引起电极局部受热严重破坏,从而提高电极寿命。电弧等离子体弧根旋转速度对于电极寿命和电弧等离子体发生器有非常重要的影响,有必要建立关于大功率电弧等离子体发生器弧根旋转速度的测量装置及测量方法,实现对于电弧等离子体发生器不同参数下弧根旋转特性的在线、定量诊断。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,该装置能够有效实现对于电弧等离子体发生器后电极弧根旋转速度的实时定量测量;
本发明的第二目的在于提供一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法,该方法采用如以上所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置进行电极弧根旋转速度的测量。
本发明提供一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其包括电弧等离子体发生器、线圈、旋气发生装置、光学窗口、镜头、探测器(6)和数据采集模块,其中:
所述线圈设置在电弧等离子体发生器外侧,旋气发生装置和光学窗口依次设置在电弧等离子体发生器一端;
所述镜头和探测器电连接,探测器和数据采集模块电连接,镜头聚焦位置对应电弧弧根位置设置所在横截面。
优选的,所述电弧等离子体发生器为300kW管式电弧加热器。
优选的,所述线圈为水冷铜制线圈,内部通有冷却水循环。
优选的,所述线圈直径为3-5mm,线圈匝数为60-100匝,层数为2-4层。
优选的,所述光学窗口为石英平片或者蓝宝石平片。
优选的,所述旋气发生装置采用切向进气,进气数量N=4-8,切向进气角度α=45°-90°。
优选的,所述探测器为变增益探测器,其响应范围为380-1000nm,增益为0-40dB,频率响应为MHz。
优选的,所述镜头为可见光变焦镜头,其波长响应范围为380-1000nm,焦距f=0.3-2.5m。
一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法,该电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法采用如以上所述的所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其包括以下步骤:
步骤1、电弧等离子体发生器通过电极之间击穿放电,产生电弧通道,电弧弧根在线圈产生的磁场驱动下,在电弧等离子体发生器电极内壁面周期旋转;
步骤2、电弧弧根位置的固体辐射通过光学窗口,被镜头收集,并传输至探测器,上述固体辐射经探测器光电转换,被数据采集模块采集获得;
步骤3、对数据采集模块采集获得的固体辐射信号信息分析,依据信号的周期变化,进行数据寻峰,蝴蝶周期信号峰值的时间tN,N代表第N个周期;
步骤4、第N个周期峰值时间tN和第N+1个周期峰值时间tN+1,可以获得电弧弧根旋转周期δTN=tN+1-tN,结合电弧等离子体发生器电极内径D,即可以得到第N个周期电弧弧根旋转速度VN
Figure BDA0003440538010000031
有益效果:
(1)、本发明提供电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,可以实现对大功率电弧加热器弧根旋转速度的在线测量。
(2)、本发明提供的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,可以实现对等离子体发生器长时间工作过程中电弧弧根旋转特性进行实时的监测。
(3)、本发明提出的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置及测量方法,设备要求非常简单,适用于各种类型的电弧等离子体发生器弧根旋转特性测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体的实施方式提供的300kW电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置结构布局图;
图2为本发明具体实施方式提供的电弧等离子体发生器弧根固体辐射信号随时间的变化及寻峰结果;
图3为本发明具体实施方式提供的电弧等离子体发生器弧根旋转速度随时间的变化。
附图标记说明:
1:电弧等离子体发生器、2:线圈、3:旋气发生装置、4:光学窗口、5:镜头、6:探测器、7数据采集模块。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语"第一"、"第二"仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,"多个"的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。此外,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示,本实施方式提供了一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其包括电弧等离子体发生器1、线圈2、旋气发生装置3、光学窗口4、镜头5、探测器6和数据采集模块7,其中:
线圈2设置在电弧等离子体发生器1外侧,旋气发生装置3和光学窗口4依次设置在电弧等离子体发生器1一端。
镜头5和探测器6电连接,探测器6和数据采集模块7电连接,镜头5对应电弧弧根位置设置。
本实施方式提供的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置可以实现实现对大功率电弧加热器弧根旋转速度的在线测量;对等离子体发生器长时间工作过程中电弧弧根旋转特性进行实时的监测;设备要求非常简单,适用于各种类型的电弧等离子体发生器弧根旋转特性测量。
具体的,电弧等离子体发生器1为300kW管式电弧加热器。上述300kW的管式电弧加热器仅是本实施方式的一种结构形式,当然也不排除采用其它结构的电弧等离子体发生器。
线圈2为水冷铜制线圈,内部通有冷却水循环。线圈2直径为3-5mm,线圈匝数为60-100匝,层数为2-4层。线圈能够产生磁场,该磁场用于驱动电弧沿电极内壁面周期旋转。电极为图1中所示的筒状结构。
光学窗口4为石英平片或者蓝宝石平片。因为电弧等离子体发生器1用来模拟高温、高压环境,故此,光学窗口4应当选取耐高温、热稳定性好的材料。另外,电弧弧根位置的固体辐射需要通过光学窗口4,被镜头5收集。故此,光学窗口4还需要具有良好的透光性。
旋气发生装置3采用切向进气,进气数量N=4-8,切向进气角度α=45°-90°。旋气发生装置3采用切向进气方式可以有效实现对光学窗口4的冷却保护。
探测器6为变增益探测器,其响应范围为380-1000nm,增益为0-40dB,频率响应为100-500MHz。
镜头为可见光变焦镜头,其波长响应范围为380-1000nm,焦距f=0.3-2.5m。
在本实施方式中,还提供了一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法,该电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法采用如以上所述的所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其包括以下步骤:
步骤1、电弧等离子体发生器1通过电极之间击穿放电,产生电弧通道,电弧弧根在线圈2产生的磁场驱动下,在电弧等离子体发生器1电极内壁面周期旋转;
步骤2、电弧弧根位置的固体辐射通过光学窗口4,被镜头5收集,并传输至探测器6,上述固体辐射经探测器6光电转换,被数据采集模块7采集获得;
步骤3、对数据采集模块7采集获得的固体辐射信号信息分析,依据信号的周期变化,进行数据寻峰,蝴蝶周期信号峰值的时间tN,N代表第N个周期;
步骤4、第N个周期峰值时间tN和第N+1个周期峰值时间tN+1,可以获得电弧弧根旋转周期δTN=tN+1-tN,结合电弧等离子体发生器电极内径D,即可以得到第N个周期电弧弧根旋转速度VN
Figure BDA0003440538010000061
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,包括电弧等离子体发生器(1)、线圈(2)、旋气发生装置(3)、光学窗口(4)、镜头(5)、探测器(6)和数据采集模块(7),其中:
所述线圈(2)设置在电弧等离子体发生器(1)外侧,旋气发生装置(3)和光学窗口(4)依次设置在电弧等离子体发生器(1)一端;
所述镜头(5)和探测器(6)电连接,探测器(6)和数据采集模块(7)电连接,镜头(5)聚焦位置对应电弧弧根位置所在横截面。
2.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述电弧等离子体发生器(1)为300kW管式电弧加热器。
3.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述线圈(2)为水冷铜制线圈,内部通有冷却水循环。
4.根据权利要求1或3所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述线圈(2)直径为3-5mm,线圈匝数为60-100匝,层数为2-4层。
5.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述光学窗口(4)为石英平片或者蓝宝石平片。
6.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述旋气发生装置(3)采用切向进气,进气数量N=4-8,切向进气角度α=45°-90°。
7.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述探测器为变增益探测器(6),其响应范围为380-1000nm,增益为0-40dB,频率响应为100-500MHz。
8.根据权利要求1所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,其特征在于,所述镜头为可见光变焦镜头,其波长响应范围为380-1000nm,焦距f=0.3-2.5m。
9.一种电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法,其特征在于,电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量方法采用如权利要求1-8任意一项所述的所述的电弧等离子体发生器弧根旋转速度测量装置,该方法包括以下步骤:
步骤1、电弧等离子体发生器(1)通过电极之间击穿放电,产生电弧通道,电弧弧根在线圈(2)产生的磁场驱动下,在电弧等离子体发生器(1)电极内壁面周期旋转;
步骤2、电弧弧根位置的固体辐射通过光学窗口(4),被镜头(5)收集,并传输至探测器(6),上述固体辐射经探测器(6)光电转换,被数据采集模块(7)采集获得;
步骤3、对数据采集模块(7)采集获得的固体辐射信号信息分析,依据信号的周期变化,进行数据寻峰,蝴蝶周期信号峰值的时间tN,N代表第N个周期;
步骤4、第N个周期峰值时间tN和第N+1个周期峰值时间tN+1,可以获得电弧弧根旋转周期δTN=tN+1-tN,结合电弧等离子体发生器电极内径D,即可以得到第N个周期电弧弧根旋转速度VN
Figure FDA0003440537000000021
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