CN114245557B - 等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法，该系统包括：等离子体发生器、外置磁场线圈、旋气室、高速采集装置和电参数测量装置，等离子体发生器包括阳极和阴极，通过击穿放电产生电弧；外置磁场线圈在阴极外侧，电弧弧根在磁场作用下周期性旋转，旋气室设于阴极上游，其一侧设有观察窗，高速采集装置通过观察窗采集弧根旋转图像，传到数据采集和分析终端，电参数测量装置采集电流并传至终端，终端通过数据算法和旋转图像灰度值等方法对弧根旋转圆上像素点进行灰度值转换后，进行高斯函数拟合，最后得到电弧弧根直径D、电流IA和电流密度J。本发明对上述弧根参数实时测量，为等离子体发生器参数测量和优化提供数据支持。
Description
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，尤其是涉及等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法。
背景技术
等离子体发生器是通过在阴极和阳极之间加载大电流，通过击穿气体介质的方式，产生热电弧。由于热电弧的高温(3000K-20000K)特性，其广泛应用于化工、冶金、切割、焊接以及材料制备领域，等离子体发生器(电弧加热器)产生的大功率的电弧可以模拟高速飞行器再入过程的热环境，目前已经是航空航空各类飞行器开展气动热防护地面试验的主要设备。
目前，等离子体发生器在各个行业应用过程中的关键问题是如何解决起电极运行寿命短和提升发生器运行范围(压力、温度)的问题，其中的核心都与电弧弧根与电极的相互作用有关，而其中电弧弧根电流密度是研究等离子体发生器电极运行寿命和运行能力的一个关键参数，但由于电弧弧根处的严苛高温环境，目前欠缺有效实验手段开展对电弧弧根直径和电流密度进行测量。现有的比较有效的方法是通过测量电弧弧根等效电压U，并基于CFD数值计算，间接评估电弧弧根有效电流密度J，该方法不能对电弧弧根电流密度J进行实时在线测量，计算得出的数据具有滞后性，不能实时快速反映等离子体发生器的运行参数。
鉴于上述原因，本申请提出一种等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法，能够实现对等离子体发生器电弧弧根电流密度的实时、在线测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法，该测量系统克服了目前所欠缺实验手段测量等离子体发生器电弧弧根电流密度手段，能够实时采集、测量等离子体发生器产生的电弧弧根的连续旋转图像数据和实时电流IA，通过该测量方法能够对弧根图像进行处理，得到离子体发生器工作过程中阴极弧根直径、电流、电流密度的实时测量数据。
本发明提供一种等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，包括：等离子体发生器、外置磁场线圈、旋气室、高速采集装置和电参数测量装置，所述等离子体发生器包括阳极和阴极，通过阳极和阴极之间击穿放电，产生电弧；所述外置磁场线圈围绕在阴极的外侧，阴极处的电弧弧根可在所述外置磁场线圈的磁场作用下进行周期性旋转，所述旋气室设置于阴极的上游一端，所述旋气室的一侧设有观察窗，所述高速采集装置正对所述观察窗设置，通过阴极上游的所述观察窗可实时获得电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端；所述电参数测量装置接于阳极和阴极之间，用于实时测量等离子体发生器的阳极和阴极之间的电流IA，并将电流IA数据传送至数据采集和分析终端，数据采集和分析终端用于对图像数据和电流IA数据进行分析，获得电弧等离子体发生器电弧弧根的电流密度J。
优选地，所述外置磁场线圈为采用紫铜管缠绕而成的线圈，紫铜管的直径3～5mm，线圈的匝数60～100，线圈层数2～5层，所述外置磁场线圈的轴向磁场强度可在0～0.8T间连续变化调节。
优选地，所述旋气室内通入有冷态试验介质，使所述观察窗与所述等离子体发生器内的高温气体相隔绝。
优选地，所述旋气室侧壁沿其旋转的切向方向开设有进气孔，进气孔的数量为4～8个，冷态试验介质的进气方向与所述旋气室的半径所成角度为45°～90°。
优选地，所述观察窗为耐高温光学窗口，其可在1000℃以上高温环境使用10s～3000s，其可见近红外波段的光学透过率大于90％。
优选地，所述高速采集装置的采集帧率f为80KHz～1MHz，用于实时采集电弧弧根的连续变化图像。
优选地，所述高速采集装置为高速相机。
优选地，所述电参数测量装置为电压电流表。
优选地，所述数据采集和分析终端为电脑、采集板卡和处理程序的组合，所述处理程序为基于matlab软件开发。
本发明还提供了一种采用上述电弧等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统的测量方法，包括以下步骤：
1)等离子体发生器通过阳极和阴极之间击穿放电，产生热电弧，阴极处的电弧弧根在外置磁场线圈的磁场作用下周期性旋转，高速采集装置通过阴极上游的观察窗实时采集电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端；
2)电参数测量装置实时测量等离子体发生器阳极和阴极之间的电流IA，并传送至数据采集和分析终端；
3)数据采集和分析终端基于数据算法和旋转图像灰度值变化，获得弧根旋转截面的弧根位置和旋转圆参数，旋转圆参数包括圆心(x0，y0)和半径R；
4)将旋转图像上弧根所在旋转圆2π弧度上的像素点灰度值I(x，y)转换为I(θ)，其转换公式如下：
x＝x0+R·cos(θ)，y＝y0+R·sin(θ)
θ＝0:2π(即0:360°)
其中，x，y分别为像素点的横坐标和纵坐标，θ为圆心(x0，y0)到旋转圆任意位置(x，y)的弧度；
5)对I(θ)进行高斯函数拟合，得到I(θ)灰度值强度分布的半高全宽WFWHM；
6)基于上述半高全宽WFWHM和半径R，根据下述公式得到等离子体发生器的电弧弧根直径D：
D＝R·WFWHM；
7)等离子体发生器的电弧弧根电流密度J可以通过上述电弧弧根直径D和电流IA根据下述公式计算获得：
本发明的技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明提供了等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统及测量方法，等离子体发生器通过阳极和阴极之间击穿放电，产生热电弧，阴极处的热电弧弧根在外置磁场线圈的磁场作用下周期性旋转，在阴极上游设置耐高温的观察窗，通过高速采集装置实时获得热电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端，通过电参数测量装置实时测量等离子体发生器阳极和阴极之间的电流IA，并传送至数据采集和分析终端，数据采集和分析终端基于数据算法和旋转图像灰度值变化，可获得弧根旋转截面的弧根位置和旋转圆参数，对弧根所在旋转圆2π弧度上的像素点灰度值进行转换，通过对I(θ)进行高斯函数拟合，得到其灰度值强度分布的半高全宽，进而通过计算依次得到电弧弧根直径D和电弧弧根电流密度J，有效解决了目前关于电弧等离子体发生器内电弧参数测量的难题；
(2)本发明测量系统可以实现高时间分辨率的阴极弧根直径、电流、电流密度等参数进行实时、在线测量，有效评估电弧弧根直径和电流密度的波动和变化，从而提供了评估等离子体发生器电弧状态、阴极烧蚀和设备安全运行的定量数据，为等离子体发生器参数测量和优化提供了可行的测量装置及方法；
(3)本发明测量系统具有极大的工程实用性，其结构简单，便于实施，可以快速方便实现电弧弧根参数有效测量。
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为本发明等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统结构布局图；
图2为本发明采集的等离子体发生器电弧弧根的旋转图像；
图3为本发明得到的等离子体发生器电弧弧根所在圆360°像素点灰度值的变化曲线图；
图4为本发明中等离子发生器电弧弧根所在圆灰度值I(θ)的高斯函数拟合过程示意图；
图5为本发明中等离子发生器电弧弧根旋转过程中弧根直径、电流、电流密度随时间变化曲线图。
附图标记说明：
1：等离子体发生器:1-1：阳极；1-2：阴极；2：外置磁场线圈；3：旋气室；4：观察窗；5：高速采集装置；6：电参数测量装置；7：数据采集和分析终端。
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所示，本发明提出一种等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，包括：等离子体发生器1、外置磁场线圈2、旋气室3、高速采集装置5和电参数测量装置6，等离子体发生器1包括阳极1-1和阴极1-2，阳极1-1和阴极1-2均呈管状，二者相连通形成气体通道，气体通道内填充有工作气体，工作气体可在阳极1-1和阴极1-2之间击穿放电，产生热电弧。
外置磁场线圈2围绕在阴极1-2的外侧，阴极1-2处的热电弧弧根可在外置磁场线圈2产生的高速磁场作用下进行周期性旋转。在本实施例中，外置磁场线圈2为采用紫铜管缠绕而成的线圈，紫铜管的直径3～5mm，紫铜管线圈的匝数60～100，线圈层数2～5层，其均匀缠绕在阴极1-2的外围，外置磁场线圈2的轴向磁场强度可在0～0.8T间连续变化调节。
旋气室3设置于阴极1-2的上游右端，旋气室3的一侧设有观察窗4。旋气室3侧壁沿其内气流旋转的切向方向开设有进气孔，进气孔的数量为4～8个，冷态试验介质的进气方向与旋气室3的半径所成角度为45°～90°，冷态试验介质沿上述进气方向通入旋气室3内，可迅速在旋气室3内旋流，对等离子体发生器1内因击穿放电迅速升温的高温气体产生隔离作用，防止等离子体发生器1内的高温气体直接接触观察窗4，避免造成观察窗4损坏，排除高温气体泄漏的安全隐患。
在本实施例中，观察窗4为耐高温光学窗口，其采用耐高温透明材料，比如熔融石英，观察窗4可在1000℃以上高温环境使用10s～3000s，可见近红外波段的光学透过率大于90％，方便透过观察窗4对阴极1-2附近电弧弧根的旋转图像进行采集。
高速采集装置5正对观察窗4设置，其可透过观察窗4实时获得阴极1-2附近电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端7。在本实施例中，高速采集装置5采用高速相机，其采集帧率f为80KHz～1MHz，能够实时采集电弧弧根的连续变化图像。
电参数测量装置6接在阳极1-1和阴极1-2之间，用于实时测量等离子体发生器1的阳极1-1和阴极1-2之间的电流IA，并将电流IA数据传送至数据采集和分析终端7。在本实施例中，电参数测量装置6为电压电流表，其接在阳极1-1左端外壁和阴极1-2右端外壁间，并与数据采集和分析终端7电性连接，可将电流IA数据传送至数据采集和分析终端7。
数据采集和分析终端7为电脑、采集板卡和处理程序的组合，其中，采集板卡集成在电脑里，采用软件终端对图像数据和电流IA数据进行实时采集，处理程序为基于matlab软件开发，用于对所采集的图像数据和电流IA数据进行处理分析，最终获得等离子体发生器1电弧弧根的电流密度J。
本发明还提供了采用上述电弧等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统的测量方法，其具体包括以下步骤：
1)等离子体发生器1通过阳极1-1和阴极1-2之间击穿放电，产生热电弧，阴极1-2处的热电弧弧根在外置磁场线圈2的高速磁场作用下做周期性旋转，高速采集装置5通过阴极1-2上游的观察窗4可实时采集热电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端7，高速采集装置5采集的等离子体发生器电弧弧根的旋转图像，可在数据采集和分析终端7的电脑显示，电弧弧根的旋转图像如图2所示；
2)电参数测量装置6实时测量等离子体发生器1的阳极1-1和阴极1-2之间的电流IA，并传送至数据采集和分析终端7；
3)数据采集和分析终端7基于数据算法和旋转图像灰度值变化，获得弧根旋转截面的弧根位置和旋转圆参数，其中，旋转圆参数包括圆心(x0，y0)和半径R；
4)将旋转图像上弧根所在旋转圆2π弧度上的像素点灰度值I(x，y)转换为I(θ)，其转换公式如下：
x＝x0+R·cos(θ)，y＝y0+R·sin(θ)
θ＝0:2π(即0:360°)
其中，x，y分别为像素点的横坐标和纵坐标，θ为圆心(x0，y0)到旋转圆任意位置(x，y)的弧度，如图3所示，通过转换可得到灰度值与旋转圆上点相对圆心(x0，y0)的弧度θ的曲线图，图3中电弧弧根所在位置区域内，灰度值明显高于临近的像素点；
5)图3中，基线代表所在圆上像素点的背景值，将其扣除后得到原始灰度值曲线，然后对扣除背景后的I(θ)灰度曲线进行高斯函数拟合，得到I(θ)灰度值强度分布的半高全宽WFWHM，对等离子体发生器电弧弧根所在圆灰度值I(θ)的高斯函数拟合过程如图4所示。
6)基于上述半高全宽WFWHM和半径R，根据下述公式可得到等离子体发生器1的电弧弧根直径D：
D＝R·WFWHM；
7)等离子体发生器的电弧弧根电流密度J可以通过上述电弧弧根直径D和电流IA根据下述公式计算获得：
如图5所示，通过上述测量方法最终可得到的等离子体发生器电弧弧根旋转过程中弧根直径D、电流IA、电流密度J随时间的变化曲线图，图5中曲线代表单次试验中弧根直径D、电流IA、电流密度J的实时变化曲线。上述曲线中数据可以用来评估等离子体发生器1产生的电弧状态、阴极烧蚀状态和设备安全运行状态，为等离子体发生器1参数测量和优化提供了可行的测量装置及测量方法。
最后应说明的是：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，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 (10)
1.一种等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，包括：等离子体发生器(1)、外置磁场线圈(2)、旋气室(3)、高速采集装置(5)和电参数测量装置(6)，所述等离子体发生器(1)包括阳极(1-1)和阴极(1-2)，通过阳极(1-1)和阴极(1-2)之间击穿放电，产生电弧；所述外置磁场线圈(2)围绕在阴极(1-2)的外侧，阴极(1-2)处的电弧弧根可在所述外置磁场线圈(2)的磁场作用下进行周期性旋转，所述旋气室(3)设置于阴极(1-2)的上游一端，所述旋气室(3)的一侧设有观察窗(4)，所述高速采集装置(5)正对所述观察窗(4)设置，通过阴极(1-2)上游的所述观察窗(4)可实时获得电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端(7)；所述电参数测量装置(6)接于阳极(1-1)和阴极(1-2)之间，用于实时测量等离子体发生器(1)的阳极(1-1)和阴极(1-2)之间的电流IA，并将电流IA数据传送至数据采集和分析终端(7)，数据采集和分析终端(7)用于对图像数据和电流IA数据进行分析，其基于数据算法和旋转图像灰度值变化，获得弧根旋转截面的弧根位置和旋转圆参数，将弧根所在旋转圆2π弧度上的像素点灰度值转换为弧度函数，对弧度函数进行高斯函数拟合，得到电弧弧根直径D，通过电弧弧根直径D和电流IA计算获得等离子体发生器(1)电弧弧根的电流密度J。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述外置磁场线圈(2)为采用紫铜管缠绕而成的线圈，紫铜管的直径3～5mm，线圈的匝数60～100，线圈层数2～5层，所述外置磁场线圈(2)的轴向磁场强度可在0～0.8T间连续变化调节。
3.根据权利要求1所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述旋气室(3)内通入有冷态试验介质，使所述观察窗(4)与所述等离子体发生器(1)内的高温气体相隔绝。
4.根据权利要求3所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述旋气室(3)侧壁沿其旋转的切向方向开设有进气孔，进气孔的数量为4～8个，冷态试验介质的进气方向与所述旋气室(3)的半径所成角度为45°～90°。
5.根据权利要求3所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述观察窗(4)为耐高温光学窗口，其可在1000℃以上高温环境使用10s～3000s，其可见近红外波段的光学透过率大于90％。
6.根据权利要求1所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述高速采集装置(5)的采集帧率f为80KHz～1MHz，用于实时采集电弧弧根的连续变化图像。
7.根据权利要求6所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述高速采集装置(5)为高速相机。
8.根据权利要求1所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述电参数测量装置(6)为电压电流表。
9.根据权利要求1所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统，其特征在于，所述数据采集和分析终端(7)为电脑、采集板卡和处理程序的组合，所述处理程序为基于matlab软件开发。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的等离子体发生器电弧弧根电流密度测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)等离子体发生器(1)通过阳极(1-1)和阴极(1-2)之间击穿放电，产生电弧，阴极(1-2)处的热电弧弧根在外置磁场线圈(2)的磁场作用下周期性旋转，高速采集装置(5)通过阴极(1-2)上游的观察窗(4)实时采集电弧弧根的旋转图像，并将图像数据实时传送给数据采集和分析终端(7)；
2)电参数测量装置(6)实时测量等离子体发生器(1)阳极(1-1)和阴极(1-2)之间的电流IA，并传送至数据采集和分析终端(7)；
3)数据采集和分析终端(7)基于数据算法和旋转图像灰度值变化，获得弧根旋转截面的弧根位置和旋转圆参数，旋转圆参数包括圆心(x0，y0)和半径R；
4)将旋转图像上弧根所在旋转圆2π弧度上的像素点灰度值I(x，y)转换为I(θ)，其转换公式如下：
x＝x0+R·cos(θ)，y＝y0+R·sin(θ)
θ＝0:2π(即0:360°)
其中，x，y分别为像素点的横坐标和纵坐标，θ为圆心(x0，y0)到旋转圆任意位置(x，y)的弧度；
5)对I(θ)进行高斯函数拟合，得到I(θ)灰度值强度分布的半高全宽WFWHM；
6)基于上述半高全宽WFWHM和半径R，根据下述公式得到等离子体发生器(1)的电弧弧根直径D：
D＝R·WFWHM；
7)等离子体发生器(1)的电弧弧根电流密度J可以通过上述电弧弧根直径D和电流IA根据下述公式计算获得：
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