阅读说明：本技术 等离子体射流速度的监测方法与设备 (Method and device for monitoring plasma jet velocity ) 是由 曹进文 黄河激 孟显 潘文霞 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention relates to a method and equipment for monitoring plasma jet velocity, wherein the method comprises the steps of capturing a plurality of light patterns of laminar plasma, determining the jet boundary of plasma jet by the luminous boundary of the light patterns based on the positive correlation between output power and plasma concentration, determining the jet length of the laminar plasma based on the axial jet boundary of the plasma jet from a jet outlet to a jet tail end, calculating the jet average velocity of the plasma by the jet length of the laminar plasma, and establishing the relationship between the jet length of the laminar plasma and arc current under the condition that preset different arc current jet velocities are kept unchanged. The invention has the effects of simplifying the plasma jet velocity measuring process and reducing the construction cost of the system measuring system equipment.)

等离子体射流速度的监测方法与设备

技术领域

本发明涉及量测等离子体射流的技术领域，尤其是涉及一种等离子体射流速度的监测方法与设备。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明的其中一发明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。

本发明可以进一步设置为：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。

本发明可以进一步设置为：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)。

本发明可以进一步设置为：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。

本发明可以进一步设置为：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)。

本发明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。

本发明可以进一步设置为：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。

本发明的另一发明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，本发明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测装置或/与压力量测装置,可以降低等离子体射流速度量测系统设备的建置成本；

3.充分考虑到环境系数的影响,能够以对应射流当时的输入电功率与由撷取到光图案导出的射流长度值计算转换成等电子体射流平均速度；

4.充分考虑到环境系数的影响,能够以对应射流当时的弧电流值与由撷取到光图案导出的射流长度值计算转换成等电子体射流平均速度；

5.能够更实际地排除射流长度为零时的环境系数的影响，提高出等离子体射流平均速度V(I)的计算准确度；

6.能够更准确地确认等离子体射流在射流末端的轴向射流边界；

7.能够针对不同工况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，供人工智能学习与训练，进而排除受到可能存在的未知参数影响的计算误差。

附图说明

图1绘示本发明一较佳实施例的等离子体射流速度的监测方法的流程示意图。

图2绘示本发明一较佳实施例在步骤S1中撷取层流等离子体的多个光图案示意图。

图3绘示本发明一较佳实施例中的层流等离子体射流的弧电流与(a)射流长度、(b)输出功率、(c)热效率的关系曲线示意图。

图4绘示本发明一较佳实施例在步骤S3中一种层流等离子体的射流长度与弧电流的关系曲线示意图。

图5绘示本发明一较佳实施例的等离子体射流速度的监测的设备方块示意图。

附图标记:10、撷取单元；20、确定单元；30、计算单元；11、光图案；12、射流出口；13、轴向射流边界。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，为本发明一实施例公开的一种等离子体射流速度的监测方法，包括:

步骤S1: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；

步骤S2: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，

步骤S3: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。

本实施例的实施原理为：对于等离子体射流利用摄影撷取多个光图案，推算得到等离子体射流长度，再通过等离子体中电子与离子的复合理论，推导出射流速度与弧电流和射流长度的关系，从而获得等离子体射流平均速度。该测速方法中存在特定环境下学习后的固定系数，在工作气体、工作气压、等离子体发生器不变的情况下，各式系数应保持不变。

此外，本发明另一实施例公开另提出对应上述监测方法的监测设备，用于执行如上所述的等离子体射流速度监测方法。

图2绘示步骤S1中撷取层流等离子体的多个光图案11，光图案11的发光边界作为等离子体射流边界，与等离子体的浓度相关。由等比尺换算下由所述光图案11的发光边界两端(即射流出口12与射流末端的轴向射流边界13)可获得光图案11的实际长度，可作为步骤S2中层流等离子体的射流长度的计算。如图2、图3可知，电弧的电流对层流等离子体射流长度有明显的决定作用。当层流等离子体浓度衰减到一定的阀值后，则复合产生的光太弱、以致拍摄不到。在同一量测设备在同一环境条件下，等离子体的光学阀值应该不随空间变化，故可确认射流长度为0时的等离子体密度阀值n₀，以便于后续的速度计算。

为了更方便理解本发明的技术方案,但不作为本发明的限定，提出以下说明。层流等离子体从射流从出口到末端，经历的是扩散和复合的衰减过程。当起始(射流出口)等离子体浓度越大，则衰减速度越慢、射流越长。在一示例中，根据实验结果，等离子体的浓度与功率几乎成线性正比。图3显示输出功率与弧电流几乎成线性正比。因此，可以确认以下算式关系为合理可行：

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，Δt表示已知弧电流值下射流可见时间；并且，

其中，α表示取决于气体种类和气压的等离子体复合系数，K₀表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，I₀表示射流可见长度降低为0时弧电流值的阀值，I表示对应射流当时的弧电流值。

因此，由已知弧电流值下的射流长度ΔL(I)是能够推算出已知弧电流值下的等离子体射流平均速度V(I)。

由图3已知输出功率与弧电流几乎成线性正比。因此，可以还确认射流可见时间Δt以下算式关系:

其中α表示等离子体的复合系数，取决于气体种类和气压，可以查询公开发表的数据获得；K₀表示射流中心的电子密度与输入电功率的线性系数，射流中电子密度与输入功率的线性关系可从实验上测量得到；P₀表示射流可见长度降低为0时输入功率的阀值，当输入电功率P下降到该阀值后，射流的可见长度降低为0；P表示等离子体炬的输入电功率，可从电源设备读取，应该注意的是，在此所指的输入电功率指有效的放电功率，例如，对于直流电弧等离子体炬，P等于电源输出的电流乘以电压；对于射频等离子体炬，P等于实际馈入功率。

另外，关于线性系数K₀的确定方法有以下两种：

(1)在实际工况下通过等离子体密度测量设备(如静电探针)获得两个输入电功率P₁和P₂下的等离子体密度n₁和n₂下,由此可计算出线性系数K₀：

(2)在实际工况下借助其他射流速度测量功率(例如皮托管)，获得在某个输入电功率P₃下射流速度V₃，同时记录射流长度L₃，由此，结合前述计算射流平均速度的公式可计算出线性系数K₀：

另外，可见时间Δt与输入电功率P的算式进行推导及进一步说明如下：

等离子体中，电子和离子复合随时间的关系在文献【F.F.Chen的An Introduction toPlasma Physics and Controlled Fusion，Vol.1，中译版名为：等离子体物理学导论，5.4节，pp97】中已有描述如下：

其中表示t时刻径向位置为r的电子密度，表示t＝0时刻径向位置为r的电子密度。

射流中心的每一个等离子体单元，在出口处的等离子体密度等于

n(r＝0,0)＝K₀P

(2)

随着等离子体单元向前运动，等离子体单元内不断发生离子和电子的复合，导致电子密度逐渐下降。当电子密度下降到某个临界值n₀后，等离子体单元的发光太弱、不可见，此处即射流的最前端边界。该临界值n₀与输入功率的阀值P₀的关系为：

n(r＝0,t＝Δt)＝K₀P₀

(3)

表示的含义是：当输入功率逐渐降低到P₀时，射流可见的边界逐渐退缩到出口处，即射流不可见。

将公式(2)和公式(3)代入到公式(1)可得：

由公式(4)可得到射流内等离子体单元的传输时间：

因此，可见时间Δt与输入电功率P的算式关系可以被确定。

特别注意的是，线性系数K₀的确定过程明显可以在等离子体射流速度的监测时间之外执行，不会影响或拖慢等离子体射流速度的监测效率。或者，可以在等离子体射流速度的监测过程中进行线性系数K₀的随机验证或调整。

参照图4，绘示在步骤S3中的示例试验中层流等离子体的射流长度与弧电流的关系曲线示意图。从曲线可看出，等离子体射流长度的变化趋势与实验数据基于不同工况并不是完全的线性正比关联。实验数据的趋势表现为随着中间区段的电流的增加，射流长度增长更大更快。其原因可以假定射流速度是随电流变化的非完全线性正关联。从数据与分析的偏差可定性看出，随着弧电流的增加，等离子体射流的速度明显增大，写作V(I)。故在另一示例中，基于已确认实验能够建立一计算模型，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:

其中如上所述，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，Δt(I)表示射流可见时间，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，I表示对应射流当时的弧电流值。在上式中，α和n₀只取决于气体种类和气压，K₀取决于气体种类、气压和等离子体炬。当以上三个主要影响因素不变的条件下，可以获得由层流等离子体射流长度来推测射流速度的方法。

关于射流可见时间Δt(I)的计算式可推演如下:

首先，根据等离子体的质量守恒方程式：

右边第一项是扩散项，应为负值，第二项为电子与离子的复合项，也为负值。写成随体坐标(Lagrange形式)下的守恒方程：

当射流的速度主要为轴向，径向与角向可忽略，则解得：

对于射流最远端边界处的等离子体，则有：

其中，n(z＝0)表示z轴向取决于气压的等离子体密度。

由前面所述，出口处等离子体浓度与功率(也即弧电流)成线性正比，令线性常数为K₀，则有：

由此可获得射流可见的时间为：

对于不同的弧电流射流速度保持不变，则射流长度与电流的关系类似于：

当由图3的两组数据计算得a＝49.5，b＝3412.5，一种关系曲线即如图4所示。

本发明一较佳实施例可以进一步设置如下：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S3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，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。

关于一种未知参数的确定方式举例说明如下：

当等离子体使用气体为Ar(氩)，等离子体复合系数α≈2×10^-10cm³/s，等离子体密度阀值n0和线性系数K0可由实验数据获得。而确定参数还可用标定的方法，即通过降低电流至ΔL(I₀)＝0，即符合上述算式n₀＝K₀I₀，并基于

再通过实验测速数据I₁,ΔL(I₁),V(I₁)确定前面的系数。

参照图5，本发明还公开一种等离子体射流速度的监测设备，包括撷取单元10、确定单元20及计算单元30。所述撷取单元10被配置为撷取层流等离子体的多个光图案11(配合参照图2)，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。所述确定单元20被配置为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(配合参照图2)，确定层流等离子体的射流长度。所述计算单元30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。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。

本具体实施方式的实施例均作为方便理解或实施本发明技术方案的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应被涵盖于本发明的请求保护范围内。