等离子体射流速度的监测方法与设备技术

本发明专利技术涉及一种等离子体射流速度的监测方法与设备，其方法包括:撷取层流等离子体的多个光图案，基于输出功率与等离子体的浓度正相关由所述光图案的发光边界确定等离子体射流的射流边界;基于所述等离子体射流由射流出口到射流末端的轴向射流边界，确定层流等离子体的射流长度;由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度，在预定不同的弧电流射流速度保持不变下，建立层流等离子体的射流长度与弧电流的关系。本发明专利技术具有等离子体射流速度测量过程简化与降低系测量统设备建置成本的效果。

【技术实现步骤摘要】
等离子体射流速度的监测方法与设备
本专利技术涉及量测等离子体射流的
，尤其是涉及一种等离子体射流速度的监测方法与设备。
技术介绍
目前在航天、航海、机械制造、电子零件制造等工业领域广泛应用了等离子体喷涂供镀层形成，用于生产耐热、耐磨、耐腐等所需要的各种功能材料，采用例如直流电弧等离子体喷涂等等离子体喷涂方法已经是材料喷涂镀层的关键技术。在直流电弧等离子体应用中，工艺材料以微粒粉末形式或是气体形式注入到等离子体层流射流被加热加速。因此，等离子体射流的速度实时监测是工艺过程控制的不可或缺的部分。常规的等离子体射流速度测量过程复杂、系统设备建置成本高。2004年5月工程热物理学报第25卷第3期公开了层流等离子体射流温度与速度测量，其测量方法是利用了测量温度的光谱系统的以及测量压力的滞止压力测量系统，滞止压力测量系统主要由水冷皮托管与U形管压力计构成。根据伯努利方程式，在已知对应点温度下，才可以得到测量点的气流速度。
技术实现思路
本专利技术的其中一目的是提供一种等离子体射流速度的监测方法，用以解决等离子体射流速度测量过程复杂、系统设备建置成本高。本专利技术的另一目的是提供一种等离子体射流速度的监测设备，用以实现等离子体射流速度测量过程简化与降低系统设备的建置成本。本专利技术的其中一专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：提出一种等离子体射流速度的监测方法，包括：撷取层流等离子体的多个光图案，基于输出功率与等离子体的浓度正相关由所述光图案的发光边界确定等离子体射流的射流边界；基于所述等离子体射流由射流出口到射流末端的轴向射流边界，确定层流等离子体的射流长度；及，由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度，包括：在预定不同的弧电流射流速度保持不变下，建立层流等离子体的射流长度与弧电流的关系。另提出对应上述监测方法的监测设备。通过采用上述技术方案，利用撷取等离子体射流的图形辅以相匹配的计算得到等离子体射流速度，基于可量测的等离子体射流长度、接受到的弧电流值、电压与外部/实际环境条件可获得射流平均速度值，其过程中不需要额外量测等离子体射流的温度或压力,可以更快速地检测到等离子体射流速度。本专利技术可以进一步设置为：所述层流等离子体的射流长度与等离子体射流速度的关系符合以下公式:ΔL＝V·Δt，其中ΔL表示射流长度，V表示等离子体射流速度，Δt表示射流可见时间(即等离子体射流从出口到发光边界所需的时间)并且，射流可见时间符合以下公式:其中α表示等离子体的复合系数，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，P0表示射流可见长度降低为0时输入功率的阀值，P表示等离子体炬的输入电功率。通过采用上述技术方案，射流长度ΔL与射流可见时间Δt等数值可以有效率获得，有利于由射流长度值计算转换成等电子体射流平均速度，可不需要额外量测等离子体的温度与压力。本专利技术可以进一步设置为：所述层流等离子体的射流长度与弧电流的关系符合以下公式:其中ΔL(I)表示已知弧电流值下的射流长度，V(I)表示已知弧电流值下的等离子体射流平均速度，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数(同时取决于气体种类、气压和等离子体炬的系数)，Δt(I)表示射流可见时间，I表示对应射流当时的弧电流值。通过采用上述技术方案，可以确认射流可见时间Δt(I)相应于射流长度为零时的α、n0、K0等环境系数之间的关系，在量测到射流长度ΔL(I)后，结合已获知的弧电流值I与由对应于射流长度为零时的α、n0、K0等环境系数等得知的射流可见时间Δt(I)，可推算出等电子体射流平均速度V(I)。本专利技术可以进一步设置为：由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度的步骤，还包括：确定未知参数，通过降低弧电流值至射流长度为零的情况，符合，其中n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，I0表示射流长度为零时的弧电流值；并且所述层流等离子体的射流长度与弧电流的关系符合以下公式:其中ΔL(I)表示已知弧电流值下的射流长度，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，V(I)表示已知弧电流值下的等离子体射流平均速度，I表示量测时弧电流值。通过采用上述技术方案，可以更实际地排除射流长度为零时的α、n0、K0等环境系数的影响，提高计算出的等离子体射流平均速度V(I)的准确度。本专利技术可以进一步设置为：所述撷取层流等离子体的多个光图案是在不同输出功率下执行。通过采用上述技术方案，有利于针对不同的实际工况，建立更多适应性分析数据，供计算出的等离子体射流平均速度V(I)。本专利技术还可以进一步设置为：所述等离子体射流在射流末端的轴向射流边界符合以下公式:其中n(z＝0)表示z轴向取决于气压的系数，n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，Δt(I)表示在个别弧电流下的射流可见时间。通过采用上述技术方案，能够有效确认等离子体射流在射流末端的轴向射流边界，并考虑了射流长度为零时的干扰因素。本专利技术可以进一步设置为：所述等离子体射流在出口处的等离子体浓度与输出功率成线性正比关系，并符合以下公式:其中n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，Δt表示射流可见时间。通过采用上述技术方案，增加了浓度与功率的线性正比关系以及射流长度为零时气压系数与气体种类、气压和等离子体炬的线性常数等环境条件的计算考虑，特别有利于建立对于计算等离子体射流平均速度的人工智能计算模型。本专利技术的另一专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：提出一种等离子体射流速度的监测设备，包括撷取单元、确定单元及计算单元。所述撷取单元被配置为撷取层流等离子体的多个光图案，基于输出功率与等离子体的浓度正相关由所述光图案的发光边界确定等离子体射流的射流边界。所述确定单元被配置为基于所述等离子体射流由射流出口到射流末端的轴向射流边界，确定层流等离子体的射流长度。所述计算单元被配置为由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度，其中在预定不同的弧电流射流速度保持不变下，已建立层流等离子体的射流长度与弧电流的关系。通过采用上述技术方案，在撷取单元、确定单元及计算单元的运作下，由光图案推算出射流平均速度值，其量测设备中可以不需要额外建置等离子体射流的温度量测装置或/与压力量测装置,以更简化测量过程快速地检测到等离子体射流速度。综上所述，本专利技术包括以下至少一个有益技术效果：1.在量测等离子体射流速度的过程中能够不需要额外量测等离子体射流的温度或/与压力,可以更快速地检测到等离子体射流速度；2.在量测等离子体射流速度的设备内能够不需要建置量测等离子体射流的温度量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体射流速度的监测方法，其特征在于，包括：/n撷取层流等离子体的多个光图案(11)，基于输出功率与等离子体的浓度正相关由所述光图案(11)的发光边界确定等离子体射流的射流边界(13)；/n基于所述等离子体射流由射流出口(12)到射流末端的轴向射流边界(13)，确定层流等离子体的射流长度；及/n由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度，包括：在预定不同的弧电流射流速度保持不变下，建立层流等离子体的射流长度与弧电流的关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种等离子体射流速度的监测方法，其特征在于，包括：
撷取层流等离子体的多个光图案(11)，基于输出功率与等离子体的浓度正相关由所述光图案(11)的发光边界确定等离子体射流的射流边界(13)；
基于所述等离子体射流由射流出口(12)到射流末端的轴向射流边界(13)，确定层流等离子体的射流长度；及
由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度，包括：在预定不同的弧电流射流速度保持不变下，建立层流等离子体的射流长度与弧电流的关系。


2.根据权利要求1所述的等离子体射流速度的监测方法，其特征在于，所述层流等离子体的射流长度与等离子体射流速度的关系符合以下公式:
ΔL＝V·Δt，其中ΔL表示射流长度，V表示等离子体射流速度，Δt表示射流可见时间；并且，
射流可见时间符合以下公式:

其中α表示等离子体的复合系数，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，P0表示射流可见长度降低为0时输入功率的阀值，P表示等离子体炬的输入电功率。


3.根据权利要求1所述的等离子体射流速度的监测方法，其特征在于，所述层流等离子体的射流长度与弧电流的关系符合以下公式:

其中ΔL(I)表示已知弧电流值下的射流长度，V(I)表示已知弧电流值下的等离子体射流平均速度，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，Δt(I)表示射流可见时间，I表示对应射流当时的弧电流值。


4.根据权利要求1所述的等离子体射流速度的监测方法，其特征在于，由所述层流等离子体的射流长度计算出等离子体的射流平均速度的步骤，还包括：确定未知参数，通过降低弧电流值至射流长度为零的情况，符合n0＝K0I0，其中n0表示射流长度为0时的等离子体密度阀值(通常取决于气压)，K0表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，I0表示射流长度为零时的弧电流值；并且所述层流等离子体的射流长度...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹进文，黄河激，孟显，潘文霞，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11