一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统的制作方法

本发明涉及加热器故障诊断技术，尤其涉及一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统。

背景技术：

电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其工作状态和气流品质直接决定了试验的可靠性。由于电弧加热器是通过加载在电极两端的高电压产生电弧并加热试验气体，高电压带来的高温环境时刻对电极外表面造成一定的烧蚀。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电极进行强制冷却来克服电极烧蚀问题，即便如此，电极的烧蚀还是难以避免，存在着电极烧穿漏水加热器严重烧损的风险。若电极烧蚀量过大导致电极烧穿，高压冷却水会迅速进入电弧加热器，造成加热器内部短路进而导致其烧蚀急速扩大，在没有及时停车的前提下甚至会造成加热器烧毁，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。除此之外，加热器本身密封失效或者冷却水管堵塞等问题也极易导致加热器局部热烧蚀严重，进而导致电弧加热器出现漏水故障。对电弧加热器漏水故障的诊断和控制，传统的电流电压波动监测、壁面压力监测、流场录像等手段灵敏度低、反应慢，已严重滞后于电弧加热器的发展水平，甚至在某种程度上说，制约了电弧加热器的应用和发展。

光谱学手段作为一种非接触的测量方法，由于其利用原子(或分子)能级的变化来诊断流场，因此具有极高的灵敏度和极高的时间响应。近年来，随着原子(或分子)光谱理论的完善以及高分辨率、高性能光谱测试仪器的出现，光谱法已成为高温流场参数诊断最直接有效、最有潜力的测量方式。鉴于光谱法的上述优点，国内外科研人员已开展光谱法应用于电弧加热器漏水故障诊断的探索工作，主要包括激光吸收光谱技术、发射光谱技术等，并取得一定的成果，验证了光谱法应用于电弧加热器漏水故障诊断的可行性。2005年，stanford大学的r.k.hanson等利用激光吸收光谱技术，对nasaames研究中心的60mw高焓叠片式电弧加热器(ihf)高温流场中铜粒子的浓度进行诊断，研究结果显示，激光吸收光谱技术可实现电弧加热器高温流场中铜粒子的在线诊断，测量灵敏度在1ppm量级，但是对于漏水故障前后高温流场中铜粒子含量的变化规律还需进一步的探索，目前仅可对电弧加热器的维修保养提供参考，不能直接用于电弧加热器漏水故障判定。2016年，中国航天空气动力技术研究院的林鑫等人提出一种基于h原子辐射的中高焓电弧加热器(焓值高于12mj/kg，总温高于5000k)漏水故障诊断方法，该方法通过捕捉流场中是否出现h原子656.28nm的特征谱线判定是否出现漏水故障，并基于热力学平衡假设，结合试验状态(总焓、进气量等)，实现了漏水初始时刻漏水量的定量测量，但该方法对于焓值范围在2-12mj/kg的低中焓电弧加热器无能为力，原因在于：该方法是基于漏水初始时刻、微量水的进入没有影响到电弧加热器的正常运行，水瞬间分解生成的h原子具有足够的辐射强度而实现的，对于焓值范围在2-12mj/kg的低中焓电弧加热器，水的不完全分解以及加热器内相对较低的气流温度，导致h原子656.28nm的特征谱线辐射强度较弱，基本完全湮没在加热器内壁面固体辐射以及高温气体辐射之中，从而大大降低了该方法应用于低中焓电弧加热器的灵敏度。图2给出了在假定漏水试验条件下(空气流量：100g/s，漏水流量：1g/s)、在低中焓电弧加热器运行气流温度范围内(约为：2200-5000k)，h原子656.28nm特征谱线与o原子777.19nm特征谱线的强度比。由图2知，相比于o原子777.19nm特征谱线，h原子656.28nm特征谱线光谱强度极弱，特别是在低焓工作范围内，该方法极有可能由于h原子辐射强度太低导致无法及时、准确判定漏水故障。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：解决现有基于激光吸收光谱法铜粒子浓度测量和发射光谱法h原子656.28nm特征谱线测量来诊断电弧加热器、特别是中低焓电弧加热器漏水故障的不足，提出了一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统，该系统一方面可实现低中焓电弧加热器漏水故障的快速诊断，保证加热器安全运行；另一方面也可对加热器运行状态实时监测，为其长时间运行稳定性分析提供参考。

本发明的技术方案：

本发明提供了一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统，包括：电弧加热器、喷管、光谱测量压缩片、光纤、光谱测量模块、数据处理终端；

空气经过供气系统进入所述电弧加热器被电弧加热器的电弧加热，经喷管膨胀加速后在试验段形成高温气流，对放置在喷管出口的试验模型进行防热性能考核，流经试验模型后的气流被真空系统收集；

利用安装在所述电弧加热器与所述喷管之间的光谱测量压缩片，对电弧加热器形成的流场光谱进行聚焦处理；聚焦后的流场光谱经所述光纤传输至光谱测量模块，所述聚焦后的流场光谱包含波长为777.19nm的氧原子特征光谱和波长为770nm的背景光谱；

利用光谱测量模块，分别测量出所述氧原子特征光谱的光谱强度io和所述背景光谱的光谱强度ibackground，然后计算出相对强度i，所述相对强度i＝io/ibackground；

数据处理终端采集到所述相对强度i后，将所述相对强度i与预存的相对强度阈值imax进行比较，根据所述比较结果，判定所述电弧加热器是否出现了漏水故障；

当判定出所述电弧加热器出现了漏水故障时，所述数据处理终端发送指令给所述电弧加热器的控制模块，以切断对电弧加热器的供电。

进一步地，所述电弧加热器为焓值范围在2-12mj/kg的低中焓管状电弧加热器。

进一步地，当所述电弧加热器的焓值范围在8-12mj/kg时，所述相对强度阈值imax＝0.4。

进一步地，根据所述比较结果，判定所述电弧加热器是否出现了漏水故障，包括：

当所述相对强度i大于所述相对强度阈值imax时，判定所述电弧加热器出现了漏水故障。

进一步地，所述喷管为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。

进一步地，所述光谱测量压缩片的材料为紫铜。

进一步地，所述光纤为vis/nir多模阶跃型石英光纤。

进一步地，所述光谱测量模块由光谱仪和ccd构成。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明提出一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统，利用氧原子特征光谱(λo＝777.19nm)与其背景光谱(λbg.＝770nm)相对强度是否高于预设阈值来实现低中焓电弧加热器的漏水故障判定，比现有激光吸收光谱技术对铜粒子浓度的测量判定加热器漏水故障更加直观快速，以及克服了基于h原子特征谱线测量来判定低中焓电弧加热器灵敏度较低、甚至失效的不足。

(2)本发明采用比值的处理方式，不仅可以排除电弧加热器启动阶段及状态切换带来的影响，也可以消除由于加热器电极烧损产物带来的光强变化的干扰。

(3)本发明在试验前对不同焓值条件下的报警阈值进行标定，细化阈值报警线，可实现低中焓电弧加热器在多焓值、多状态轨道模拟气动热试验中，该方法在每个焓值状态下均有合适的灵敏度，避免出现多个试验状态差别过大，阈值设置不合适，即漏水灵敏度过高或者过低的问题。

(4)本发明采用的o原子777.19nm特征谱线周边没有其他原子、分子发光的干扰，且具有较强的辐射特性，因此对于光谱仪分辨率要求极低(光谱展宽≤1.5nm即可)，一般的工业级光谱仪即可满足需求。

(5)本发明采用的光谱仪为微型光纤光谱仪，较传统的转光栅式光谱仪来说，体积小、重量轻、价格低，更加适合发射光谱测量平台的建设。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统的结构图；

图2为低中焓电弧加热器给定漏水条件下氢氧原子强度比的热平衡计算结果；

图3为某漏水试验中氧原子光谱相对强度的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例中的一种基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统的结构图。参考图1，本实施例提供的基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统，具体可以包括：电弧加热器1、喷管2、光谱测量压缩片3、光纤4、光谱测量模块5、数据处理终端6；

空气经过供气系统进入所述电弧加热器1被电弧加热器1的电弧加热，经喷管2膨胀加速后在试验段形成高温气流，对放置在喷管2出口的试验模型进行防热性能考核，流经试验模型后的气流被真空系统收集；

利用安装在所述电弧加热器1与所述喷管2之间的光谱测量压缩片3，对电弧加热器1形成的流场光谱进行聚焦处理；聚焦后的流场光谱经所述光纤4传输至光谱测量模块5，所述聚焦后的流场光谱包含波长为777.19nm的氧原子特征光谱和波长为770nm的背景光谱；

利用光谱测量模块5，分别测量出所述氧原子特征光谱的光谱强度io和所述背景光谱的光谱强度ibackground，然后计算出相对强度i，所述相对强度i＝io/ibackground；

数据处理终端6采集到所述相对强度i后，将所述相对强度i与预存的相对强度阈值imax进行比较，根据所述比较结果，判定所述电弧加热器1是否出现了漏水故障；

当判定出所述电弧加热器1出现了漏水故障时，所述数据处理终端6发送指令给所述电弧加热器1的控制模块，以切断对电弧加热器1的供电。

具体的，所述电弧加热器1可以为焓值范围在2-12mj/kg的低中焓管状电弧加热器。所述电弧加热器1还可以为目前常用的分段或高压叠片电弧加热器。可选的，当所述电弧加热器1的焓值范围在8-12mj/kg时，所述相对强度阈值imax＝0.4。

可选的，根据所述比较结果，判定所述电弧加热器1是否出现了漏水故障，包括：

当所述相对强度i大于所述相对强度阈值imax时，判定所述电弧加热器1出现了漏水故障。

具体的，所述喷管2为轴对称拉瓦尔喷管或矩形拉瓦尔喷管。所述轴对称拉瓦尔喷管既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。所述矩形拉瓦尔喷管既可以是超声速喷管，也可以是亚声速喷管。

具体的，所述光谱测量压缩片3的材料为紫铜。采用上下双层打孔冷却、中间层布置发射光谱测量通道的多层结构，既满足防热及强度的需要，又避免了冷却水道与光谱测量通道的相互干扰。

具体的，所述光纤4为vis/nir多模阶跃型石英光纤。所述光谱测量模块5由光谱仪和ccd构成。所述数据处理终端6为计算机和分析软件的统称。可实现原子氧发射光谱相对强度的在线监测，并根据漏水阈值判定是否出现漏水故障。

本实施例提出的基于原子发射光谱的电弧加热器漏水故障诊断系统的工作原理如下：

空气经过供气系统进入所述电弧加热器1被电弧加热器1的电弧加热，经喷管2膨胀加速后在试验段形成高温气流，对放置在喷管2出口的试验模型进行防热性能考核，流经试验模型后的气流被真空系统收集；

利用安装在所述电弧加热器1与所述喷管2之间的光谱测量压缩片3，对电弧加热器1形成的流场光谱进行聚焦处理；聚焦后的流场光谱经所述光纤4传输至光谱测量模块5，所述聚焦后的流场光谱包含波长为777.19nm的氧原子特征光谱和波长为770nm的背景光谱；

利用光谱测量模块5，分别测量出所述氧原子特征光谱的光谱强度io和所述背景光谱的光谱强度ibackground，然后计算出相对强度i，所述相对强度i＝io/ibackground；

数据处理终端6采集到所述相对强度i后，将所述相对强度i与预存的相对强度阈值imax进行比较，当所述相对强度i大于所述相对强度阈值imax时，判定所述电弧加热器1出现了漏水故障；

当判定出所述电弧加热器1出现了漏水故障时，所述数据处理终端6发送指令给所述电弧加热器1的控制模块，以切断对电弧加热器1的供电。

以10mw高压叠片加热器(其工作焓值范围在8-12mj/kg)为例，图3给出了某次漏水试验中原子氧发射光谱相对强度变化曲线。漏水前，高压叠片加热器正常运行，其比值低于设定阈值，且非常稳定；加热器工作异常漏水，相对值迅速超过阈值，触发停车信号。该系统可以直观、准确的判断漏水，并在ms量级的时间内关停电弧加热器，最小化其烧损。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。