[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

说明书

本发明公开了一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法，包括：基于可调谐二极管激光吸收光谱技术，采用波长与铜原子吸收光谱谱线相匹配的激光束穿透电弧加热设备内部的高温流场，高温流场中的铜原子与激光发生吸收作用，通过测量激光被吸收的程度，结合加热器状态参数，可以计算得到流场中铜原子和铜离子组分的质量，由于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，铜原子和离子的总质量即可代表电极的烧蚀量，从而实现电极烧蚀量的非接触式实时测量。本发明采用非接触间接测量的方式，不对电弧加热设备流场产生影响，且响应速度快，可以实现电极烧蚀量在电弧加热设备运行全过程中的实时监测。

技术领域

本发明属于激光测量技术和设备安全检测技术领域，具体涉及一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法。

背景技术

电弧加热设备是高超声速飞行器防热材料/系统考核的重要地面设备，其运行电流达到数千安培，产生的电弧等离子体高温流场静温可达上万开尔文，因此尽管有水冷保护措施，电弧加热设备的电极仍然容易被烧蚀。电极一旦烧蚀穿孔将很有可能出现漏水故障，给设备安全造成严重隐患。电弧加热设备的电极通常采用金属铜材料，在大电流和高温环境下，铜电极可以通过表面原子蒸发、剪切力作用、气流引射等多种方式相互作用造成质量损失。但是目前对于铜电极烧蚀的具体机理仍不清晰，主要影响因素仍不明确。现在对电极烧蚀机理的研究主要通过试验后人工观察的方法，缺乏试验过程中对电极烧蚀量的实时监测，无法对加热器起弧、状态突变等极大恶化电极烧蚀的因素开展研究。

当铜电极出现烧蚀后，不论是以缓慢蒸发的方式还是以块体材料快速脱落的方式，在加热器内气体的高温离解作用下，流场中的铜大部分都将以原子或离子形态存在。可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)是一种应用广泛的气体非接触测量技术，其以气体分子的光谱共振吸收为原理，利用窄线宽的波长可调谐激光器对待测气体分子某一根或几根谱线进行扫描，可以实现气体中该分子的数密度或温度测量。本发明利用TDLAS技术对电弧加热设备流场中铜原子进行实时吸收光谱测量，结合铜原子的电离度计算，可获得流场中原子态和离子态的铜组分质量，从而实现电极烧蚀量的非接触实时测量，可有效开展电弧加热设备电极烧蚀过程研究，并对由于电极烧蚀所造成的电弧加热设备安全运行状态进行监测。

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，提供了一种非接触式在线监测电弧加热设备电极烧蚀的方法，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，高温流场经过喷管后形成超高速的气流场；

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。

优选的是，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：