一种电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统及方法与流程

1.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电弧辐射特性测量系统及方法。


背景技术：

2.电弧等离子体发生器通过击穿放电产生热电弧，可以模拟数万k的高温环境，在等离子体废品处理、等离子体热处理方面有重要应用。大功率的电弧加热器因其可以产生高温、高压的热环境，目前广泛应用于高速飞行器和航天器再入的热防护地面试验研究。
3.随着航天器对于飞行速度越来越高的追求，电弧加热器要求模拟的热环境(焓值、热流、压力)等也越来越高，对于电弧加热器设备能力的要求也越来越高。以往对于大功率电弧加热器的实验研究主要以对其宏观运行参数(电压、电流、压力)为目标，采用常规的压力、电压、电流传感器开展研究，缺乏对于电弧加热器内部气流特性的研究。同时，对于应用于工程研究的大功率(百千瓦到兆瓦量级)电弧加热器内部高温气流辐射特性，由于受限于其严酷的热环境，往往无法有效地获得电弧加热器内部电弧等离子体特性的结果，进而为气流参数和电弧加热器优化提供依据。
4.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统及方法，其能够有效地对电弧等离子体发生器内部的电弧等离子体辐射特性进行在线实时测量。
6.本发明提供一种电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统，包括前电极、后电极、旋气装置、光学测量片、辐射收集镜头、光谱仪和数据采集终端，旋气装置用于在前电极与后电极之间通入冷态试验介质，前电极和后电极击穿放电产生热电弧以对冷态试验介质进行加热并产生电弧等离子体，光学测量片和辐射收集镜头分别用于收集前电极位置处和后电极位置处的电弧等离子体辐射发光并经多模光纤传输至光谱仪，数据采集终端与光谱仪连接并输出波长分立的电弧辐射光谱信息。
7.本发明的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统及方法，通过改变光学系统的聚焦位置，从而能够采集电弧加热器从后电极到前电极轴向不同位置的辐射特性，进而获得空间分布的气体辐射特性。
8.进一步地，后电极绝缘且同轴设置在前电极的后端，在后电极的后端设有光学窗口，旋气装置以紧邻光学窗口的方式设置在后电极上。
9.进一步地，旋气装置的进气方向为切向；旋气装置的进气数量为4-8个；旋气装置的切向进气角度为45
°‑
90
°
。该旋气装置通过切向进气，保证气流尽可能完全且均匀地覆盖光学窗口，采用旋气冷却的方式保护光学窗口在电弧工作时稳定、有效、长时间工作。
10.进一步地，光学测量片设置在前电极的前端；辐射收集镜头设置在后电极的后端外部。
11.进一步地，辐射收集镜头由透镜、滤光片和狭缝组合形成；其中，透镜的焦距为0.3-2m；滤光片的透过波长为200-1000nm，透过率为0.1-0.9；狭缝的直径为0.3-10mm。通过选用不同焦距的透镜和不同孔径的狭缝组合，可以实现对不同位置、不同收集区域大小的辐射收集。
12.进一步地，光学测量片由紫铜片、透镜和光学平片组合而成；其中，光学平片的镜片采用石英、caf2或蓝宝石镜片；透镜的焦距为20-40mm。
13.具体地，光学测量片中间布置光学测量通道；两侧布置独立冷却循环水道，由一路进水孔、一路冷却水道和一路出水孔构成，保证强水冷效果，保证光学测量片长时间稳定工作。
14.进一步地，光学窗口采用石英平片或蓝宝石平片。
15.进一步地，光谱仪为中阶梯光谱仪；光谱仪的工作波段为200-1000nm，光谱分辨率为20-50pm。
16.进一步地，多模光纤为紫外增强光纤；多模光纤的芯径为0.4-1mm。
17.本发明还提供一种电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量方法，采用上述电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统对电弧辐射特性进行测量。
18.本发明的实施，至少具有以下优势：
19.1、本发明的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统和方法可以实现对于百千瓦到兆瓦量级大功率电弧加热器内部等离子体辐射特性的在线实时测量；
20.2、本发明的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统和方法可以实现对于电弧等离子体发生器前电极和后电极不同位置处气体辐射特性的空间分辨测量；
21.3、本发明的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统和方法可以实现长时间的在线测量，测量时间可达千秒量级。
附图说明
22.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。
23.图1为本发明一实施方式的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统的结构示意图；
24.图2为本发明一实施方式的旋气装置的结构示意图；
25.图3为本发明一实施方式的光学测量片的结构示意图；
26.图4为本发明实施例2中300kw管式电弧加热器后电极的co2介质电弧等离子体辐射光谱特性；
27.图5为本发明实施例2中300kw管式电弧加热器前电极弧室的co2介质电弧等离子体辐射光谱特性；
28.图6为本发明实施例2中300kw管式电弧加热器co2电弧等离子cu辐射光谱强度随时间的变化；
29.图7为本发明实施例2中300kw管式电弧加热器co2电弧等离子o辐射光谱强度随时
间的变化。
30.附图标记说明：
31.1：前电极；2：后电极；3：旋气装置；4：光学窗口；5：辐射收集镜头；6：多模光纤；7：光谱仪；8：数据采集终端；9：光学测量片。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.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。
35.实施例1
36.如图1所示，本实施例的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统，包括前电极1、后电极2、旋气装置3、光学测量片9、辐射收集镜头5、光谱仪7和数据采集终端8，旋气装置3用于在前电极1与后电极2之间通入冷态试验介质，前电极1和后电极2击穿放电产生热电弧以对冷态试验介质进行加热并产生电弧等离子体，光学测量片9和辐射收集镜头5分别用于收集前电极1位置处和后电极2位置处的电弧等离子体辐射发光并经多模光纤6传输至光谱仪7，数据采集终端8与光谱仪7连接并输出波长分立的电弧辐射光谱信息。
37.在本实施例中，前电极1为阳极，后电极2为阴极，前电极1和后电极2能够击穿放电产生热电弧；对前电极1和后电极2的具体结构不作严格限制，可以采用常规的管式电极。
38.具体地，后电极2可以绝缘且同轴设置在前电极1的后端，在后电极2的后端设有光学窗口4，光学窗口4可以采用石英平片或蓝宝石平片；旋气装置3以紧邻光学窗口4的方式设置在后电极2上。
39.如图2所示，在本实施例中，旋气装置3的进气方向可以设置为切向；旋气装置3的进气数量可以为4-8个，多个进气可以均布在后电极2的周向上；在将后电极2的径向方向设为0
°
时，旋气装置3的切向进气角度可以设置为45
°‑
90
°
。该旋气装置3通过切向进气，保证气流尽可能完全且均匀地覆盖光学窗口，采用旋气冷却的方式保护光学窗口4在电弧工作时稳定、有效、长时间工作。
40.光学测量片9和辐射收集镜头5分别用于收集前电极1位置处和后电极2位置处的电弧等离子体辐射发光，对其结构和设置方式不作严格限制，可以根据实际的检测需求进行合理设置。具体地，光学测量片9可以设置在前电极1的前端；辐射收集镜头5可以设置在后电极2的后端外部，即设置在光学窗口4的外部。
41.在本实施例中，辐射收集镜头5可以由透镜、滤光片和狭缝组合形成；其中，透镜的
焦距为0.3-2m；滤光片的透过波长为200-1000nm，透过率为0.1-0.9；狭缝的直径为0.3-10mm。通过选用不同焦距的透镜和不同孔径的狭缝组合，可以实现对不同位置、不同收集区域大小的辐射收集。
42.光学测量片9可以由紫铜片、透镜和光学平片组合而成；其中，光学平片的镜片采用石英、caf2或蓝宝石镜片；透镜的焦距为20-40mm。
43.具体地，如图3所示，光学测量片9中间布置光学测量通道；两侧布置独立冷却循环水道，由一路进水孔、一路冷却水道和一路出水孔构成，保证强水冷效果，保证光学测量片9长时间稳定工作。
44.在本实施例中，光谱仪7可以为中阶梯光谱仪；光谱仪7的工作波段可以为200-1000nm，光谱分辨率可以为20-50pm。
45.此外，多模光纤6可以为紫外增强光纤；多模光纤6的芯径可以为0.4-1mm。
46.本实施例的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统利用旋气装置3在前电极1和后电极2之间通入冷态试验介质，同时前电极1和后电极2击穿放电产生热电弧以便对上述冷态试验介质进行加热并产生电弧等离子体。前电极1位置处及后电极2位置处的电弧等离子体辐射发光分别被光学测量片9和辐射收集镜头5收集，经多模光纤6传输至光谱仪7，经分光处理，在数据采集终端8可以获得波长分立的辐射光谱信息。上述电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统能够有效地获得大功率电弧加热器内部电弧等离子体特性的结果，进而为气流参数和电弧加热器优化提供依据。
47.实施例2
48.本实施例的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量方法，采用实施例1的电弧等离子体发生器电弧辐射特性测量系统进行，测量系统采用300kw管式电弧加热器。具体的测量方法如下：
49.旋气装置3在前电极1和后电极2之间通入冷态试验介质，前电极1和后电极2击穿放电产生热电弧，热电弧对上述冷态试验介质加热，产生电弧等离子体。后电极2位置处的电弧等离子体辐射发光通过光学窗口4被辐射收集镜头5收集，经多模光纤6传输至光谱仪7，经分光处理，在数据采集终端8可以获得波长分立的辐射光谱信息。前电极1位置处的电弧等离子体辐射发光，在光学测量片9处被收集，经多模光纤6传输至光谱仪7，经分光处理，在数据采集终端8可以获得波长分立的辐射光谱信息。
50.图4、图5分别示出300kw管式电弧加热器后电极2及前电极1弧室的co2介质电弧等离子体辐射光谱特性；图6、图7示出300kw管式电弧加热器co2电弧等离子体典型组分辐射光谱强度随时间的变化。
51.结果表明：本发明的测量系统和方法能够实现大功率电弧加热器内部等离子体辐射特性的在线实时测量，且可以实现对电弧等离子体发生器前电极1和后电极2不同位置处气体辐射特性的空间分辨测量，在线测量时间长，测量时间可达千秒量级。
52.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。