Способ измерения температуры плазменного потока и устройство для его реализации

Изобретение относится к области измерения температурных полей газовых потоков, в частности к области измерения температуры плазменного потока. Предложен способ измерения температуры плазменного потока, по которому теплоприемник устанавливают так, что одна из ограничивающих его поверхностей омывается плазмой. Измеряют температуру на противоположной ей поверхности теплоприемника. При этом температуру омываемой поверхности теплоприемника и тепловой поток через нее от плазменного потока находят с использованием решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности, а температуру плазменного потока вычисляют исходя из найденного теплового потока от плазмы с учетом конвективной и лучистой его составляющих. Технический результат - повышение точности измерения температуры плазменного потока. 5 ил.

 

Изобретение относится к области измерения температурных полей газовых потоков, в частности измерения температуры плазменного потока.

Известны спектральные способы определения температуры плазмы, основанные на измерении характеристик излучения (или поглощения) электромагнитной энергии плазмой в линейчатом или непрерывном спектрах (см. В. Лохте-Хольтгревен. Получение и измерение высоких температур // Успехи физических наук. 1960. №Т. LXXII, №3. С. 522-585). Недостатком этих способов является то, что интенсивность излучения плазмы, находящейся в состоянии локального термического равновесия, определяется сравнительно простыми соотношениями, а для ее установления применительно к неравновесному плазменному потоку необходимо привлекать сложные схемы расчета возбуждения и дезактивации в плазме соответствующих квантовых переходов излучающих частиц, что не гарантирует точности полученных результатов. Это связано с многокомпонентностью плазменного потока и высокой степенью концентрации энергии.

Известен способ тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи, в котором измерение температурных полей газовых потоков производят с помощью преобразователя температуры в виде сетки из нитей с термоиндикаторным покрытием, формирующей при нагреве отображение температурного распределения в виде цветового поля, фиксируемого тепловизионной камерой (патент РФ №2255315, МПК⁷ G01K 13/02 / Богатова Т.Ф., и др.; опубл. 27.06.2005, Бюл. №18). Его недостатком является ограничение измеряемых значений температуры в кислородосодержащих газах, связанное с разрушением сетки от воздействий более высоких температур и скоростного напора потока газа, так что измерение температуры плазменного потока этим методом можно производить лишь в относительно холодной его части на удалении от среза сопла плазмотрона.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ измерения температурных полей газовой струи, заключающийся в том, что газовую струю направляют на поверхность теплоприемника - зонда (см. Бошняк Л.Л. Измерение при теплотехнических исследованиях. - М.: Машиностроение, 1974. С. 206-212) или на многопоясную "гребенку" зондов, объединяющую в единую конструкцию несколько теплоприемников (см. Пешехонов Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. - М.: Оборонгиз, 1964. С. 118-127). При этом измеряют изменение температуры теплоприемников в газовой струе. Основным недостатком этого способа является прежде всего то, что введение указанных выше зондов в плазменный поток вызовет его локальное торможение и "замораживание" плазмы в месте измерения и, как следствие, приведет к снижению точности измерения. Кроме того, во избежание разрушения зонда из-за высокой температуры плазменного потока придется использовать систему его охлаждения, что увеличит тепловые потери плазменного потока в месте измерения и, соответственно, окажет дополнительное влияние на точность измерений.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения температуры плазменного потока, что дает возможность более полного контроля режимов плазменной обработки и нанесения плазменных покрытий, проведения исследований плазменных потоков.

Технический результат - обеспечение более точного измерения температуры плазменного потока, производимого плазмотроном или другим ее источником.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе измерения температуры плазменного потока теплоприемник устанавливают так, что одна из ограничивающих его поверхностей омывается плазмой, измеряют температуру на противоположной ей поверхности теплоприемника, при этом температуру омываемой поверхности теплоприемника и тепловой поток через нее от плазменного потока находят с использованием решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности, а температуру плазменного потока вычисляют исходя из найденного теплового потока от плазмы с учетом конвективной и лучистой его составляющих.

Использование граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности в предложенном способе позволяет, используя измерения температуры и ее градиента на наружной поверхности теплоприемника, с высокой точностью определить температуру на его внутренней поверхности, контактирующей с плазмой, а также достоверно установить тепловой поток через внутреннюю поверхность теплоприемника, что, в свою очередь, позволяет вычислить температуру плазменного потока, используя формулы для расчета результирующего потока энергии от плазменного потока к внутренней поверхности теплоприемника в зависимости от температуры плазмы.

Решение обратной задачи нестационарной теплопроводности (ОЗТ) можно получить различными способами. Во-первых, для этого используются численные методы (Алифанов О.М., Артюхин Е.А., Румянцев С. В. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. - М.: Наука, 1988. С. 150-168). При этом необходимо производить вычисления на ЭВМ, начиная от начала нагревания или охлаждения твердого тела, и в этот момент времени должно быть известно распределение температуры в нем. Во вторых, можно использовать аналитическое решение (Цирельман Н.М. Прямые и обратные задачи тепломассопереноса. - М.: Энергоиздат, 2005. С. 46-62). Необходимо обратить внимание на то, что при аналитическом решении граничной ОЗТ не нужно знать начального распределения температуры в теле, и это является несомненным достоинством метода.

Аналитическое решение одномерной граничной ОЗТ, когда теплота распространяется в теплоприемнике по направлению нормали 0x от омываемой плазмой внутренней поверхности теплоприемника к внешней при аппроксимации измеренной температуры T_НАР внешней поверхности теплоприемника ƒ(t) и модуля ее градиента φ(t) на этой поверхности по приведенному времени полиномиальными рядами

для искомых температуры T(x,t) и модуля ее градиента на любой другой поверхности имеет вид:

где t=aτ - приведенное время, в котором τ - время, отсчитанное от начала нагревания, а=λ/(сρ), λ, с и ρ - коэффициенты температуропроводности, теплопроводность, удельная теплоемкость и плотность материала теплоприемника соответственно; x - координата точки в теплоприемнике, отсчитанная от места измерения на его наружной поверхности.

Расчетные зависимости для T(x,t) и существенно упрощаются в том случае, если наружная поверхность теплоприемника теплоизолирована. Для этого частного случая вместо формул (2) и (3) имеем соответственно:

В этом случае температура T_W омываемой плазмой внутренней поверхности теплоприемника определяется при подстановке в формулу (4) вместо координаты x значения толщины стенки теплоприемника δ:

а плотность теплового потока q_W в омываемую плазмой внутреннюю поверхность теплоприемника с привлечением формулы (5) и гипотезы Фурье рассчитывается как

Идентификация температуры плазменного потока Т_Г на выходе из сопла плазмотрона производится исходя из того, что плотность теплового потока от плазмы q_W через внутреннюю поверхность теплоприемника состоит из конвективной q_К и лучистой q_Л его составляющих

Конвективная составляющая потока энергии от плазмы к омываемой ею внутренней поверхности теплоприемника определяется известной формулой

где α - коэффициент конвективной теплоотдачи, который рассчитывается с привлечением уравнений теории подобия для конкретного случая теплообмена и зависит от температуры плазменного потока из-за ее влияния на теплофизические свойства плазмы.

Идентификация лучистой составляющей потока энергии от плазмы к омываемой ею внутренней поверхности теплоприемника производится с привлечением известной формулы [см., например, Цирельман Н.М. Теория и прикладные задачи тепломассопереноса. - М.: Машиностроение, 2011. с. 141]

где кроме обозначенного ранее ε_W - степень черноты поверхности теплоприемника, C₀ - постоянная Больцмана, равная C₀=5,67 Вт/(м²·K⁴), ε_Г - суммарная степень черноты плазменного потока при фиксированном давлении и длине пути излучения, которая также зависит от температуры плазменного потока.

С учетом (9) и (10) выражение (8) принимает вид:

В итоге искомое значение T_Г устанавливается в итерационном процессе до совпадения с наперед заданной точностью левой и правой частей (11) при установленных из решения ОЗТ q_W и T_W.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки.

На фиг. 2 показана вставка с теплоприемником, устанавливаемая на выходе из плазмотрона.

На фиг. 3 приведены данные измерения температуры на наружной поверхности теплоприемника, полученные экспериментально для одной из серии экспериментов.

На фиг. 4 приведен фрагмент данных измерения температуры на наружной поверхности теплоприемника (нижняя кривая 2) и идентифицированные из ОЗТ температуры T_W на омываемой плазмой внутренней поверхности (верхняя кривая 1), полученные для одного из экспериментов.

На фиг. 5 представлена временная зависимость для плотности теплового потока q_W через внутреннюю поверхность, омываемую плазмой, в одном из экспериментов.

Устройство для измерения температуры плазменного потока (фиг. 1) работает следующим образом. Одновременно с запуском плазмотрона 1 включается запись данных от термопар 3, расположенных на теплоприемнике 2 (см. также фиг. 2), в компьютере 6. Пример записанных данных для одной из серий проведенных экспериментов графически показан на фиг. 3. Полученные значения температуры используются для расчета температуры омываемой плазменным потоком внутренней поверхности теплоприемника T_W (фиг. 4) и плотности теплового потока q_W через нее (фиг. 5) из решения ОЗТ (6)-(7). Далее эти данные используются для идентификации температуры плазменного потока Т_Г с привлечением (11).

Пример конкретной реализации способа

Устройство для измерения температуры плазменного потока содержит плазмотрон 1, например ПУН-1 (фиг. 1). На наружной поверхности теплоприемника 2 установлены тарированные термопары 3, наружная поверхность теплоприемника теплоизолирована, и на ней закреплены дополнительные термопары для определения потерь теплоты через теплоизоляцию. Термопары 3 через соответствующие модули аналогово-цифрового преобразования 4 и согласования протоколов 5 подключены к компьютеру 6 для осуществления непрерывного ввода данных.

Деталь, формирующая плазменный поток на выходе и обеспечивавшая ввод напыляемого порошкообразного материала, заменена на изготовленную из меди марки M1 вставку (фиг. 2). Прорези во вставке сделаны для ограничения "стока теплоты" от нее к плазмотрону и далее в систему охлаждения. При этом образовывается небольшой полый цилиндр - теплоприемник, соединенный с остальной частью детали перемычками-«ножками» толщиной 4 мм, на внешней поверхности которого размещены термопары. Внутренняя поверхность теплоприемника является продолжением канала вставки, формирующей плазменный поток, и омывается им.

Прежде всего укажем на то, что в процессе экспериментов теплоприемник, изготовленный из меди марки M1, при прохождении через него плазменного потока не расплавлялся: идентифицированная температура T_W омываемой им внутренней поверхности во всех опытах была ниже температуры плавления, равной 1356,15 К.

Для расчета температуры T_W и плотности теплового потока q_W на внутренней поверхности вставки теплоприемника, омываемой плазмой, использовалось решение (6)-(7) граничной ОЗТ при теплоизолированной наружной поверхности теплоприемника. Полученные значения температуры T_W (фиг. 4) и плотности теплового потока q_W (фиг. 5) использовались для идентификации температуры плазменного потока на выходе из сопла плазмотрона.

Далее определялась конвективная составляющая потока энергии от плазмы к омываемой ею внутренней поверхности теплоприемника согласно формуле (9). При этом коэффициент теплоотдачи α рассчитывается с привлечением уравнений теории подобия из числа Нуссельта с учетом зависимости коэффициента теплопроводности воздуха при искомых температурах. Данные для расчета числа Нуссельта и коэффициента теплопроводности (кинематическая вязкость и теплопроводность) рассчитывались для бинарной смеси азота и кислорода с привлечением соответствующих данных по азоту и кислороду (Myronub D. J., Soo S. L. Measurements on ionized nitrogen in jets and estimations of prandtl number // Int. J. Of Heal and Mass Transfer. 1971. №14. C. 1433-1443; Murphy А.В., Arundell C.J. Transport Coefficients of Argon, Nitrogen, Oxygen, Argon-Nitrogen, and Argon-Oxygen Plasmas // Plasma Chemistry and Plasma Processing. 1994. Vol. 14. No. 4. C. 451-490) и методики расчета свойств бинарных смесей (Эккерт Э.Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. Пер. С англ. под ред. А.В. Лыкова. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, сс. 608-609; Crowe С.Т., Elger D.F., Williams B.C., Roberson J.A., Engineering Fluid Mechanics, SI Version, 9th Edition, Wiley, 2010). Также использовались данные (Бороненко М.П., Гуляев И.П., Серегин А.Е. Модель движения и нагрева частиц в плазменной струе // Вестник Югорского государственного университета. 2012. Выпуск 2 (25). С. 7-15) по свойствам воздуха для соответствующих температур.

Затем в итерационном процессе согласно формуле (10) определялась лучистая составляющая потока энергии от плазмы к омываемой ею внутренней поверхности теплоприемника и из формулы (11) при идентифицированных значениях q_Л и T_W и выбранных ε_W (см. например: KLEIBER Infrared, URL: http://www.kleiberinfrared.com/index.php/en/application/emissivity) и ε_Г (см. Оптические свойства горячего воздуха / Под ред. Бибермана Л.М. - М.: Наука, 1970. 253 с.) для заданной температуры плазменного потока Т_Г.

На основе приведенных на фиг. 3, 4 и 5 результатов одного из экспериментов и их обработки методами ОЗТ получено значение температуры плазмы, равное 3126 К.

Отметим, что приведенные результаты согласуются с данными других исследователей, полученными при использования математического моделирования (см. например: Mariaux G., Vardelle А. 3-D time-dependent modeling of the plasma spray process: Part 1: flow modeling // International Journal of Thermal Sciences. 2005. №44. C. 357-366)

Итак, заявляемое изобретение позволяет обеспечить более точное измерение температуры плазменного потока, производимого плазмотроном или другим ее источником, что дает возможность осуществить более полный контроль режимов плазменной обработки и нанесения плазменных покрытий, контроль температуры плазменного потока, проведение исследований плазменных потоков.

Способ измерения температуры плазменного потока, по которому теплоприемник устанавливают так, что одна из ограничивающих его поверхностей омывается плазмой, измеряют температуру на противоположной ей поверхности теплоприемника, при этом температуру омываемой поверхности теплоприемника и тепловой поток через нее от плазменного потока находят с использованием решения граничной обратной задачи нестационарной теплопроводности, а температуру плазменного потока вычисляют исходя из найденного теплового потока от плазмы с учетом конвективной и лучистой его составляющих.