CN114397500A - 闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，包括有依次连接的电流检测电路、示波器、控制系统、信号发生器及高压电源；高压电源还连接有高速固态继电器，高速固态继电器还与控制系统连接。该系统可以实时监测等离子体激励器工作时电流变化情况，避免由于激励器老化、温度过高而引发的安全事故，延长等离子体激励器的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于等离子激励器体控制技术领域，具体涉及一种闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统。
背景技术
近年来，主动流动控制技术发展迅猛，等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的新型主动流动控制技术，在改善飞行器/发动机空气动力特性方面具有广阔的应用前景。实现等离子体流动控制主要依托的装置是等离子体激励器，目前常用的是介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD) 等离子体激励器，该激励器由上、下电极和中间的绝缘介质层组成。其具有尺寸小、重量轻、响应时间短、激励频带宽、无机械运动部件，可利用微量的、局部的气流扰动来控制大流量、全局性气流等优势。但不足之处在于等离子体激励器使用寿命有限，无法长时间处于高负载状态。
影响DBD等离子体激励器寿命的关键因素是绝缘介质层的耐高温性。由于DBD长时间放电，绝缘介质层表面会受到剧烈的等离子体刻蚀作用，存在降解现象，造成绝缘层老化，容易被外加电场击穿，严重缩短了激励器的使用寿命。一旦等离子体激励器绝缘介质层被击穿，绝缘介质层等效电阻突然降低，回路系统内电流骤增，产生的传输电荷和放电热量不断增大，引起绝缘层温度不断升高，容易引发火灾等安全隐患。
目前等离子体激励器寿命检测方面的研究比较匮乏，基于上述需求，本发明提出一种闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测装置，该装置能够实时监测等离子体激励器的工作状态并及时根据工作状态做出智能控制，避免等离子体激励器长时间工作在临界状态，降低其引发事故风险的可能性，有效延长等离子体激励器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，通过该装置可以实时监测等离子体激励器工作时电流变化情况，避免由于激励器老化、温度过高而引发的安全事故，延长等离子体激励器的使用寿命。
本发明所采用的技术方案是，闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，包括有依次连接的电流检测电路、示波器、控制系统、信号发生器及高压电源；高压电源还连接有高速固态继电器，高速固态继电器还与控制系统连接。
本发明的特征还在于，
电流检测电路包括有磁芯及运算放大器，磁芯为环状空心磁芯；磁芯的中心处设置有霍尔元件，磁芯的芯体上套有原边线圈PC及副边线圈SC；磁芯的芯体上还连接有电阻R1及电阻R2，电阻R1及电阻R2还分别与运算放大器的两个输入端连接；运算放大器的输出端与副边线圈SC的第一端连接；副边线圈SC的第二端分别与示波器及电阻RM连接，电阻RM接地。
示波器型号为Tektronix DPO2024。
信号发生器型号为Tektronix AFG3021。
控制系统选用Arduino UNO主板。
本发明的有益效果是：
(1)本发明系统填补目前等离子体激励器实验领域的空缺，能够有效检测当前等离子体激励器的工作状态，避免实验过程中由于绝缘层老化、电流变大、温度过高而造成的安全问题。
(2)本发明系统所采用的电流检测电路使用非接触式测量，响应速度快，测量精度高，当原边与副边磁场达到平衡时，利用副边补偿电流来精确反映原边电流值。
(3)本发明系统能够反映出实时监测到的等离子体激励器工作时电流变化情况，使用控制系统进行智能监测与反馈调节，减少等离子体激励器处于临界状态的时间，延缓激励器的老化速度。
(4)本发明系统结构简单，便于控制，响应速度快，有效避免电磁干扰，能够适用于绝大多数等离子体激励器的检测。
附图说明
图1是本发明闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统的结构示意图；
图2是本发明系统中DBD激励器与电源连接的示意图；
图3是本发明系统中电流检测电路原理图；
图4是本发明闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统的工作流程图。
图中，1.磁芯，2.霍尔元件，3.运算放大器，4.DBD激励器，5.激励器上电极，6.激励器下电极，7.激励器绝缘介质层，8.等离子体产生区域，9.等离子体诱导流动的方向，10.电流检测电路，11.信号发生器，12.示波器，13. 高速固态继电器，14.控制系统，15.高压电源，16.原边线圈PC，17.副边线圈 SC。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，如图1-3所示，包括有依次连接的电流检测电路10、示波器12、控制系统14、信号发生器 11及高压电源15；高压电源15与DBD激励器4连接，DBD激励器4与电流检测电路10连接；高压电源15还连接有高速固态继电器13，高速固态继电器13还与控制系统14连接。
电流检测电路10包括有磁芯1及运算放大器，磁芯(1为环状空心磁芯；磁芯1的中心处设置有霍尔元件2，磁芯1的芯体上套有原边线圈PC16及副边线圈SC17，原边线圈PC16的一端与激励器4的上电极5连接，原边线圈 PC16的另一端与激励器4的下电极6相连；磁芯1的芯体上还连接有电阻 R1及电阻R2，电阻R1及电阻R2还分别与运算放大器3的两个输入端连接；运算放大器3的输出端与副边线圈SC17的第一端连接；副边线圈SC17的第二端分别与示波器12及电阻RM连接，电阻RM接地；副边线圈SC17与示波器12连接的端部为M端。
根据霍尔效应原理，由电流检测电路10测量电流值，通过控制系统14 进行智能闭环控制，达到实时监测电流变化的效果。
示波器12型号为Tektronix DPO2024。
信号发生器11型号为Tektronix AFG3021。
控制系统14选用Arduino UNO主板。
DBD激励器4选用常规DBD，包括由上至下依次设置的上电极5、绝缘介质层7及下电极6，上、下电极间距为0.01mm-0.3mm，绝缘介质层7 的厚度为0.01mm-0.1mm，绝缘介质层7的材质为聚四氟乙烯，介电常数为 2。
将DBD激励器4的上电极5与高压电源15的输出端相连，下电极6与地相连，信号发生器11输出端与高压电源15的信号输入端相连。当供给的电压较低时，电流较小；随着电压的逐渐增大，电流也迅速增加，逐渐产生等离子体，长时间放电会使得绝缘介质层被击穿，图中8为等离子体的形成区域，9是诱导流动的方向。
电流检测电路10如图2所示，IN为原边电流，IM为副边电流，电阻R1、电阻R2、电阻RM分别为阻值10k、10k、100k电阻。电流检测电路10工作原理是原边线圈PC所产生的磁场，通过副边线圈SC的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件2保持在检测零磁通状态，当原、副边补偿电流产生的磁场在磁芯1中达到平衡时，通过公式即可计算出原边电流IN，从而实现DBD等离子体激励器电流的非接触式测量。
N×IN＝n×IM (1)
式中：N为原边线圈匝数，n为副边线圈匝数，IN为原边电流，IM为副边补偿电流。
电流检测电路中，原边线圈PC和副边线圈SC选用耐高压导线缠绕在磁芯1两侧，磁芯1为环状空心磁芯，霍尔元件2可选用圆柱形金属导体，穿过磁芯中间放置。线圈缠绕圈数可根据公式(1)得出，原边线圈PC16两端分别与DBD激励器4上电极5和下电极6相连，副边线圈SC17的M端连接示波器12的输入端，另一端接地。此时激励器上、下电极之间的电流流过导体产生的磁场，由副边电流IM流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，副边电流IM可精确反应原边电流IN(即DBD上、下电极间电流值),电阻R1与电阻R2分别为两个10k电阻与磁芯1相连，电阻另一侧与运算放大器3的两个输入端相连，运算放大器的输出与副边线圈SC17一侧相连，RM为100k电阻并联在副边线圈SC的测量端M。
图4为闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统的工作流程图，由于实验中常用参数为电压值，示波器12采集到电流检测电路10的M端电流值，控制系统14通过I/O口与示波器12进行数据传输，并根据欧姆定律将电流值转化为电压值。研究表明DBD激励器14放电起始电压约为7kV,击穿绝缘介质层7电压约为9kV；正常放电时占空比设置为50％，所以当其电压值小于7kV时，控制系统14控制信号发生器11来改变参数增大DBD激励器14的电压使其进入放电状态；当其电压值在7kV-8kV时，DBD激励器处于稳定放电状态；当其电压值在8kV-9kV时，为延缓DBD激励器的击穿速度，控制系统14控制信号发生器11将占空比降至25％，当电压值大于9kV 时，绝缘介质层7处于临界状态，面临即将被击穿的风险，此时控制系统15 直接控制高压固态继电器13切断高压电源。
本发明系统具有如下优点：一是添补目前等离子体激励器实验领域的空缺，能够有效检测当前等离子体激励器的工作状态，避免实验过程中由于电流过大、温度过高而造成的安全问题；二是本发明使用的电流检测电路响应速度快、测量精度高、使用非接触式测量能够有效避免电磁干扰；三是本发明系统结构灵活简单，方便控制，能够适用于绝大多数等离子体流动控制系统；四是本发明系统采取控制系统最小控制系统智能监测DBD激励器；五是本发明装置成本较低，性能良好，可靠性较高；六是本发明系统可提高实验安全性，同时根据不同工作状态采取不同控制策略，有效节省能量，提升了经济性。
Claims (5)
1.闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，其特征在于，包括有依次连接的电流检测电路(10)、示波器(12)、控制系统(14)、信号发生器(11)及高压电源(15)；高压电源(15)还连接有高速固态继电器(13)，高速固态继电器(13)还与控制系统(14)连接。
2.根据权利要求1所述的闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，其特征在于，所述电流检测电路(10)包括有磁芯(1)及运算放大器(3)，磁芯(1)为环状空心磁芯；磁芯(1)的中心处设置有霍尔元件(2)，磁芯(1)的芯体上套有原边线圈PC(16)及副边线圈SC(17)；磁芯(1)的芯体上还连接有电阻R1及电阻R2，电阻R1及电阻R2还分别与运算放大器(3)的两个输入端连接；运算放大器(3)的输出端与副边线圈SC(17)的第一端连接；副边线圈SC(17)的第二端分别与示波器(12)及电阻RM连接，电阻RM接地。
3.根据权利要求2所述的闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，其特征在于，示波器(12)型号为Tektronix DPO2024。
4.根据权利要求2所述的闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，其特征在于，信号发生器(11)型号为Tektronix AFG3021。
5.根据权利要求2所述的闭环霍尔式等离子体激励器寿命监测系统，其特征在于，控制系统(14)选用Arduino UNO主板。
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| CN116106705A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-05-12 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 无人机飞行验证用的等离子体激励器实时监控装置和方法 |
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