CN114295913B

CN114295913B - 一种电弧加热器在线监测方法

Info

Publication number: CN114295913B
Application number: CN202111655703.4A
Authority: CN
Inventors: 伍越; 王辉; 姚峰; 李泽禹; 杨远剑
Original assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Current assignee: Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114295913A

Abstract

本发明公开了一种电弧加热器在线监测方法，包括：步骤一、通过数据处理终端分别采集位于风洞试验段前端的电弧加热器内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流、前后电极的表面温度；步骤二、根据历史试验数据分析，得到预测电压U_pre、预测温度T1_his和T2_his；步骤三、得到本次试验中的电弧电压U、前后电极温度T1和T2；并设定异常状态判断规则；步骤四、在试验过程中，根据判断规则对电弧加热器进行监控关断等处理。本发明中所提供的方法，可实现多参数耦合的电弧加热器在线监测，能够用于电弧加热器运行状态的在线监测与故障诊断，提高了电弧加热器运行稳定性，确保防热试验的安全有序进行。

Description

一种电弧加热器在线监测方法

技术领域

本发明涉及电弧加热器故障诊断技术领域，具体为一种基于多参数耦合的电弧加热器在线监测方法。

背景技术

大功率电弧加热器是是模拟高超声速飞行器长时间所经历气动热环境的重要地面试验设备，已经广泛应用在军事航天领域，电弧加热器的工作状态和其产生的气流品质直接决定试验数据的质量。电弧加热器一般通过高电压击穿加热器前后电极间的空气间隙形成电弧，并利用旋转磁场将电弧束缚在加热器空间内，对流过加热器的高速气体进行持续加热，从而形成试验所需要的高温流场环境。

为满足数百秒甚至上千秒的长时间气动热试验需求，目前普遍采用高压水对加热器电极与压缩片进行强制冷却，但大功率电弧带来的高温环境会对加热器内表面造成烧蚀效应，同时电弧弧根刻蚀也会影响电极的寿命。因此加热器长时间运行存在着烧穿漏水的严重风险，在没有及时关停试验的前提下甚至会造成加热器与试验模型损毁的结果，这不仅会造成巨大的经济损失，还严重影响相关试验的进度。为了解决上述问题，本发明提出了一种电弧加热器在线监测方法，对电弧加热器烧损故障进行诊断、预测及控制。利用对加热器电流电压的在线监测与预测、电极红外图像的测量、电极寿命的预测等方法，实现多参数耦合的电弧加热器在线监测。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种电弧加热器在线监测方法，包括：

步骤一、通过数据处理终端分别采集位于风洞试验段前端的电弧加热器内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流、前后电极的表面温度；

步骤二、在历史试验中，将采集到的内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流作为机器学习的训练数据，采用预测算法，得到随时间变化的预测电压Upre；分别记录下与Upre同时刻相对应的前后电极的表面温度，得到预测温度T1his和T2his；

步骤三、在本次试验中，采集到电弧加热器的电弧电压U、前后电极的表面温度T1、T2；设定规则：在U与Upre、T1与T1his、T2与T2his三组数据中，如果至少有一组数据在同一时刻差异值超过10％，则判定电弧加热器出现异常状态；

步骤四、在试验过程中，当出现设定规则的异常状态后，数据处理终端立即发送指令给电弧加热器的控制系统，切断电弧加热器的供电、供气与供水。

优选的是，其中，步骤一中，通过安装在电弧传感器的后电极后端的弧室压力传感器测量电弧加热器内部弧室的压力；

优选的是，其中，步骤一中，通过安装在电弧传感器的高压电源上的电弧电压霍尔传感器测量电弧电压；

优选的是，其中，步骤一中，通过安装在电弧传感器的电源线上的电弧电流霍尔传感器测量电弧电流；

优选的是，其中，步骤一中，通过安装在电弧加热器前后电极旁边的红外测温相机分别测量前后电极的表面温度。

优选的是，其中，步骤一中，所述电弧加热器可被配置为焓值范围在10～30MJ/kg的片式电弧加热器，或管式电弧加热器；

优选的是，其中，步骤二中，所述预测算法具体为贝叶斯正则化的BP神经网络预测算法，其输入参量为电弧加热器内部弧室的压力、电弧电流，输出变量为电弧电压。

优选的是，其中，还包括一种用于电弧加热器在线监测的装置，其包括：一个两头大中间窄的压缩喷管；所述压缩喷管的出口端与风洞试验段对接；所述压缩喷管入口端上对接设置有电弧加热器的后电极；所述电弧加热器的后电极后端固定设置有弧室压力传感器；所述电弧加热器的高压电源上设置有电弧电压霍尔传感器；所述电弧传感器的电源线上设置有电弧电流霍尔传感器；所述电弧传感器的前后电极旁边分别设置有前红外测温相机和后红外测温相机。

优选的是，其中，还包括步骤五，电极寿命的管理方法，其过程为，采用电流时间积分法计算电弧加热器前后电极寿命，通过计算电流对燃弧时间的积分，从而确定电弧加热器前后电极电磨损的极限值，根据不同电流下的运行试验，分别计算出电弧加热器的电弧电流累计积分，当前后电极电磨损的积分值超过了电极的设计值，数据处理终端将在试验过程中提醒控制系统电弧加热器寿命已达到极限，需要更换。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明通过多参数耦合的方法对加热器状态进行在线监测，避免了大量监测设备的投入，只需要采集较少的物理参量，通过电弧电压、电极温度、电极寿命预测算法就可实现电弧加热器整个试验过程中状态变化的在线监测。

(2)本发明具有非常高的时间相应特性，可实现电弧加热器异常的实时反馈，异常情况下关停电弧加热器只需要百ms量级的时间，该方法可实现模型正式试验时的长时间监测反映电弧加热器的运行稳定性。

(3)本发明具有非常高的适用性，可应用于各种功率电弧加热设备的在线监测，可集成到电弧加热设备健康管理系统与安全联锁系统中发挥作用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于多参数耦合的电弧加热器在线监测方法的设备结构图；

图2为本发明某次试验的电弧电压与电弧电压预测值随时间的变化；

图3为本发明某次故障试验中在线监测方法的处置策略。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。需要说明的是，在本发明的描述中，术语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，并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。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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。此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

实施例1：

一种电弧加热器在线监测方法，其过程包括：

步骤一、通过数据处理终端7分别采集位于风洞试验段10前端的电弧加热器9内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流、前后电极的表面温度；通过安装在电弧加热器9的后电极8后端的弧室压力传感器1测量电弧加热器内部弧室的压力；通过安装在电弧加热器9的高压电源11上的电弧电压霍尔传感器3测量电弧电压；通过安装在电弧加热器9的电源线上的电弧电流霍尔传感器4测量电弧电流；通过安装在电弧加热器9前后电极(10和8)旁边的红外测温相机(5和2)分别测量前后电极的表面温度。所述电弧加热器9可被配置为焓值范围在10～30MJ/kg的片式电弧加热器，或管式电弧加热器；

步骤二、在历史试验中，将采集到的内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流作为机器学习的训练数据，采用预测算法，得到随时间变化的预测电压U_pre；分别记录下与U_pre同时刻相对应的前后电极的表面温度，得到预测温度T1_his和T2_his；所述预测算法具体为贝叶斯正则化的BP神经网络预测算法，其输入参量为电弧加热器9内部弧室的压力、电弧电流，输出变量为电弧电压；(如图2，根据实际电弧电压和预测电压的对比曲线，可见该算法对电弧电压的预测准确率达到了98％以上。)

步骤三、在本次试验中，采集到电弧加热器9的电弧电压U、前后电极(10和8)的表面温度T1、T2；设定规则：在U与U_pre、T1与T1_his、T2与T2_his三组数据中，如果至少有一组数据在同一时刻差异值超过10％，则判定电弧加热器出现异常状态；

步骤四、在试验过程中，当出现设定规则的异常状态后，数据处理终端7立即发送指令给电弧加热器9的控制系统12，切断电弧加热器9的供电、供气与供水。(如图3，在本次实验中，电弧电压和预测电压差异值已超过10％，出现了异常状态，此时电弧加热器9的控制系统12发出警报，且自动切断了电弧加热器9的供电、供气与供水，实现了及时的监控保护。)

实施例2：

一种用于电弧加热器在线监测方法的装置，其包括：一个两头大中间窄的压缩喷管13；所述压缩喷管13的出口端与风洞试验段10对接；所述压缩喷管13入口端上对接设置有电弧加热器9的后电极8；所述电弧加热器9的后电极8后端固定设置有弧室压力传感器1；所述电弧加热器9的高压电源11上设置有电弧电压霍尔传感器3；所述电弧传感器9的电源线上设置有电弧电流霍尔传感器4；所述电弧传感器9的前后电极(10和8)旁边分别设置有前红外测温相机5和后红外测温相机2。(如图1，空气经过供气系统进入所述电弧加热器9中被电弧加热器的电弧加热，经与后电极8连接的压缩喷管13膨胀加速后在风洞试验段10形成高温气流，对放置在压缩喷管13出口端的试验模型14进行防热性能考核，气流通过试验模型14后被真空系统收集；在试验过程中，产生的内部弧室压力、电弧电压、电弧电流、前后电极的温度等试验数据，分别被弧室压力传感器1、电弧电压霍尔传感器3、电弧电流霍尔传感器4、前红外测温相机5和后红外测温相机2进行采集，然后送至数据处理终端7进行分析处理。)

实施例3：

一种电弧加热器在线监测方法，其过程包括：

步骤五，电极寿命的管理方法，其过程为，采用电流时间积分法计算电弧加热器9前后电极(10和8)寿命，通过计算电流对燃弧时间的积分，从而确定电弧加热器9前后电极(10和8)电磨损的极限值，根据不同电流下的运行试验，分别计算出电弧加热器9的电弧电流累计积分，当前后电极电磨损的积分值超过了电极的设计值，数据处理终端7将在试验过程中提醒控制系统12电弧加热器9寿命已达到极限，需要更换。(通过该处理过程，可对电弧加热器9前后电极(10和8)进行可靠的寿命管理，多维度的提升了本试验装置的安全性和稳定性)

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，包括：

步骤二、在历史试验中，将采集到的内部弧室的压力、电弧电压、电弧电流作为机器学习的训练数据，采用预测算法，得到随时间变化的预测电压U_pre；分别记录下与U_pre同时刻相对应的前后电极的表面温度，得到预测温度T1_his和T2_his；

步骤三、在本次试验中，采集到电弧加热器的电弧电压U、前后电极的表面温度T1、T2；设定规则：在U与U_pre、T1与T1_his、T2与T2_his三组数据中，如果至少有一组数据在同一时刻差异值超过10%，则判定电弧加热器出现异常状态；

2.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤一中，通过安装在电弧加热器的后电极后端的弧室压力传感器测量电弧加热器内部弧室的压力。

3.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤一中，通过安装在电弧加热器的高压电源上的电弧电压霍尔传感器测量电弧电压。

4.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤一中，通过安装在电弧加热器的电源线上的电弧电流霍尔传感器测量电弧电流。

5.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤一中，通过安装在电弧加热器前后电极旁边的红外测温相机分别测量前后电极的表面温度。

6.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤一中，所述电弧加热器可被配置为焓值范围在10～30MJ/kg的片式电弧加

热器，或管式电弧加热器。

7.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，步骤二中，所述预测算法具体为贝叶斯正则化的BP神经网络预测算法，其输入参量为电弧加热器内部弧室的压力、电弧电流，输出变量为电弧电压。

8.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，还包括一种用于电弧加热器在线监测方法的装置，其包括：一个两头大中间窄的压缩喷管；所述压缩喷管的出口端与风洞试验段对接；所述压缩喷管入口端上对接设置有电弧加热器的后电极；所述电弧加热器的后电极后端固定设置有弧室压力传感器；所述电弧加热器的高压电源上设置有电弧电压霍尔传感器；所述电弧加热器的电源线上设置有电弧电流霍尔传感器；所述电弧加热器的前后电极旁边分别设置有前红外测温相机和后红外测温相机。

9.如权利要求1所述的一种电弧加热器在线监测方法，其特征在于，还包括步骤五，电极寿命的管理方法，其过程为，采用电流时间积分法计算电弧加热器前后电极寿命，通过计算电流对燃弧时间的积分，从而确定电弧加热器前后电极电磨损的极限值，根据不同电流下的运行试验，分别计算出电弧加热器的电弧电流累计积分，当前后电极电磨损的积分值超过了电极的设计值，数据处理终端将在试验过程中提醒控制系统电弧加热器寿命已达到极限，需要更换。