[发明专利]一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法

权利要求书

1.一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、电弧加热设备中的铜前电极和铜后电极放电，加热其内部通过的气体，经过加热的气体形成高温流场，此时，高温流场中存在电极灼烧后形成的铜原子或铜离子；

步骤二、激光光束从安装在电弧加热设备上的激光测量通道法兰一端射出，穿过电弧加热设备中的高温流场，并与高温流场中的铜原子发生吸收作用，在测量通道法兰另一端使用光电探测器接收被部分吸收后的激光光束；

步骤三、光电探测器将光信号转换为电信号，电信号经数据采集单元转变为数字信号，数字信号再进入信号处理单元进行数据处理和计算，并将信号反馈到与激光器相连的激光控制单元内，从而控制激光的参数；根据电弧加热设备的状态参数，基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，实时测定激光被吸收的程度，便可得到流场中铜原子和铜离子的组分质量或数密度，并令其表示电极烧蚀量；

步骤四、根据测算出的电极灼烧量，判定电极的使用状态及寿命，反馈控制设备的运行状态；

所述电弧加热设备的内部结构包括：

腔体，其上设置有用于空气进入的进气压缩片；所述腔体一端靠近端部的位置处设置有前电极，另一端的端部设置有后电极；

激光测量通道法兰I，其设置在铜前电极和铜后电极之间靠近前电极的腔体上；

激光测量通道法兰II，其设置在腔体上靠近前电极一端的端部，所述激光测量通道法兰II上连接有将高温流场转换为超高速气流场的喷管；

所述激光测量通道法兰I和激光测量通道法兰II可以设置在电弧加热设备的不同位置，实现对不同电极烧蚀情况的分别测量；

其中，激光测量通道法兰I用于监测后电极烧蚀，激光测量通道法兰II测量铜前电极和铜后电极两个电极的总电极烧蚀量，运用测算出的总电极烧蚀量减去测出的后电极的烧蚀量后即可得到前电极的烧蚀量。

2.如权利要求1所述的非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法，其特征在于，所述可调谐二极管激光吸收光谱技术及对高温流场中铜原子和铜离子的组分质量或数密度的计算可表示为：

利用波长可调谐激光器，根据Beer-Lambert定律，可调谐激光被待测组分吸收后，透射光信号强度为：

I(v)＝I₀(v)exp(-α·φ(v-v₀)·L) (1)

其中：v是激光频率，单位为cm^-1；v₀是待测组分吸收谱线的中心频率，单位为cm^-1；I₀(v)表示没有吸收时的参考光信号强度，单位为Volt；α为积分吸收系数，单位为cm^-2；φ(v-v₀)表示描述谱线展宽效应的线型函数，满足归一化关系∫φ(v-v₀)dv＝1；L是吸收路径长度，单位为cm；积分吸收系数α与发生吸收跃迁的低能级数密度n_i，单位为cm^-3，以及表示跃迁概率的爱因斯坦系数A_ki有关，A_ki单位为s^-1，α为积分吸收系数的计算公式为：

其中λ₀＝1/v₀是谱线中心波长，单位为cm；g_k和g_i分别表示上下能级的简并度；k_B为玻尔兹曼常数，单位为J/K；c为真空中光速，单位为cm/s；h为普朗克常数，单位为J·s；ΔE_ki为上下能级能量差，单位为cm^-1；T是电子激发温度，单位为K；

在热力学平衡条件下，低能级数密度n_i与总原子数密度N_A之间满足玻尔兹曼关系：

其中Z是Cu原子的配分函数，仅与温度相关，在上述参数中，k_B、c和h属于物理学常数，v₀、A_ki、g_k、g_i和ΔE_ki属于Cu原子的光谱参数，可通过光谱数据库获得；因此，在已知I₀(v)和吸收路径长度L情况下，利用线型函数归一化条件，计算吸收曲线面积，即可得到Cu原子态的数密度n_i；需要注意的是，Cu原子的电离能为7.72eV，其在高温环境下的电离度不可忽略；同时考虑原子电离和玻尔兹曼关系式，得到n_i与Cu组分总粒子数密度N₀的关系，Cu组分总粒子包括原子态和离子态；考虑到电极烧蚀产物在高温流场中大部分都以铜原子态或铜离子态形式存在，因此N₀即可表示电极烧蚀量，从而利用激光吸收光谱技术实现电极烧蚀测量。