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一种 电弧加热器含 水量测量系统

阅读：1发布：2022-11-13

专利汇可以提供一种电弧加热器含水量测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型一种电弧加热器含水量测量系统，光学调整单元包括发射端和接收端；电弧加热器对进入的试验介质进行加热；光学调整单元安装在喷管出口，光学调整单元的发射端和接收端分别位于喷管出口的两侧；信号发生器产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器，每个激光控制器调节对应的激光器的波长，两个激光器输出的两束激光信号经单模光纤耦合器将信号耦合成一束激光信号，再经过光学调整单元发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管出口的超声速气流，透过的激光信号经另一侧的光学调整单元接收端聚焦后，被多模光纤传递给探测器进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至测水传感器，获得所述超声速气流中水含量。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种电弧加热器含水量测量系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：包括：电弧加热器(1)、喷管(2)、信号发生器(3)、激光控制器(4)、激光器(5)、单模光纤耦合器(6)、光学调整单元(7)、多模光纤(8)、探测器(9)和测水传感器(10)；所述光学调整单元(7)包括发射端和接收端；电弧加热器(1)对进入的试验介质进行加热，形成高温气流，经喷管(2)膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流；光学调整单元(7)安装在喷管(2)出口，光学调整单元(7)的发射端和接收端分别位于喷管(2)出口的两侧，且与喷管出口平齐；信号发生器(3)产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器(4)，每个激光控制器(4)调节对应的激光器(5)的波长，两个激光器(5)输出的两束激光信号经单模光纤耦合器(6)将信号耦合成一束激光信号，再经过光学调整单元(7)发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管(2)出口的超声速气流，透过的激光信号经另一侧的光学调整单元(7)接收端聚焦后，被多模光纤(8)传递给探测器(9)进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至测水传感器(10)，获得所述超声速气流中水含量。
2.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述光学调整单元(7)包括调整结构发射端、调整结构收集端和三维位移台；调整结构发射端内置光路发射通道和准直透镜；调整结构收集端内置光路收集通道、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射通道和光路收集通道分别布置在三维位移台，实现三维方向激光信号的调整。
3.根据权利要求2所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述光学调整单元(7)采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。
4.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述激光器(5)在一个周期t内先后输出6807±1cm-1波长范围和7185±1cm-1波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。
5.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述测水传感器(10)为H2O气体激光传感器，测量量程1ppm-105ppm。
6.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述激光器(5)为近红外波段商用可调谐半导体激光器。
7.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述探测器(9)为硅探测器。
8.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述电弧加热器(1)为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。
9.根据权利要求1所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述喷管(2)为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。
10.根据权利要求4所述的一种电弧加热器含水量测量系统，其特征在于：所述周期t＝
0.1ms-100ms。

说明书全文

一种电弧加热器含 水量测量系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种电弧加热器含水量测量系统，用于电弧加热器地面模拟试验中，利用H2O气体激光传感器测量电弧加热器喷管出口气流含水量，用于判定电弧加热器运行状态监控为电弧加热器安全运行提供保障。属于飞行器地面气动热试验研究领域。

背景技术

[0002] 电弧加热器是研究飞行器气动热防护问题的重要试验平台，其通过电弧加热的方式产生高温气流，模拟飞行器再入过程中的焓值和热流参数，开展热防护系统的地面试验研究。电弧加热器长期面临的高焓、高热流、高压环境使得其长期处于高温状态，其主要依赖内流道的循环冷却水保持稳定运行，一旦电弧加热器内部发生烧蚀，冷却水进入电弧加热器，会引起加热器绝缘破坏，将整体加热器烧损，关于电弧加热器内气流含水量的测量对于诊断电弧加热器有重要意义，是用于监控设备运行状态的关键指标之一。长期以来，关于电弧加热器的漏水诊断，公开报道很少，接触式接触式测量手段难以忍受电弧加热器内的高温环境，其测量精度也受到影响，开展电弧加热器运行状态下含水量的测量十分必要。实用新型内容

[0003] 本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电弧加热器含水量测量系统，通过H2O气体激光传感器测量电弧加热器喷管出口气流含水量，为电弧加热器安全运行提供监测手段。

[0004] 本实用新型的技术方案：一种电弧加热器含水量测量系统，包括：电弧加热器、喷管、信号发生器、激光控制器、激光器、单模光纤耦合器、光学调整单元、多模光纤、探测器和测水传感器；所述光学调整单元包括发射端和接收端；电弧加热器对进入的试验介质进行加热，形成高温气流，经喷管膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流；光学调整单元安装在喷管出口，光学调整单元的发射端和接收端分别位于喷管出口的两侧，且与喷管出口平齐；信号发生器产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器，每个激光控制器调节对应的激光器的波长，两个激光器输出的两束激光信号经单模光纤耦合器将信号耦合成一束激光信号，再经过光学调整单元发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管出口的超声速气流，透过的激光信号经另一侧的光学调整单元接收端聚焦后，被多模光纤传递给探测器进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至测水传感器，获得所述超声速气流中水含量。

[0005] 所述光学调整单元包括调整结构发射端、调整结构收集端和三维位移台；调整结构发射端内置光路发射通道和准直透镜；调整结构收集端内置光路收集通道、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射通道和光路收集通道分别布置在三维位移台，实现三维方向激光信号的调整；

[0006] 所述光学调整单元采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。

[0007] 所述激光器在一个周期t内先后输出6807±1cm-1波长范围和7185±1cm-1波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。

[0008] 所述测水传感器为H2O气体激光传感器，测量量程1ppm-105ppm。

[0009] 所述激光器为近红外波段商用可调谐半导体激光器。

[0010] 所述探测器为硅探测器。

[0011] 所述电弧加热器为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。

[0012] 所述喷管为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。

[0013] 所述周期t＝0.1ms-100ms。

[0014] 本实用新型与现有技术相比的优点如下：

[0015] (1)本实用新型利用H2O气体激光传感器，实时在线测量电弧加热器喷管出口自由流含水量，可直接反映电弧加热器的运行状态，判定加热器运行是否异常。

[0016] (2)本实用新型利用H2O气体激光传感器获得气流含水量，该测量系统适用于低焓、中焓、高焓等多种类型加热器的含水量测量。

[0017] (3)本实用新型电弧加热器含水量测量系统具有非常高的测量分辨率，可实现ppm量级的流场H2O分辨。

[0018] (4)本实用新型电弧加热器含水量测量系统是一种非接触式光学测量系统，对于电弧加热器流场没有干扰，同时保证系统免于高温、高压的风洞内流环境，对于长时间、系统的工程实践具有重要意义。附图说明

[0019] 图1为本实用新型电弧加热器含水量测量系统的布局示意图。

[0020] 图2为电弧加热器含水量测量系统获得的H2O含量时间变化曲线。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

[0022] 如图1为本实用新型的电弧加热器含水量测量系统的结构图，由图可知本实用新型电弧加热器含水量测量系统包括电弧加热器1、喷管2、信号发生器3、激光控制器4、激光器5、单模光纤耦合器6、光学调整单元7、多模光纤8、探测器9和测水传感器10，所述光学调整单元7包括发射端和接收端；

[0023] 电弧加热器1对进入的试验介质进行加热，形成高温气流，经喷管2膨胀加速后在喷管出口形成超声速气流；

[0024] 光学调整单元7安装在喷管2出口，光学调整单元7的发射端和接收端分别位于喷管2出口的两侧，且与喷管出口平齐；

[0025] 信号发生器3产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器4，每个激光控制器4调节对应的激光器5的波长，两个激光器5输出的两束激光信号经单模光纤耦合器6将信号耦合成一束激光信号，再经过光学调整单元7发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管2出口的超声速气流，透过的激光信号经另一侧的光学调整单元7接收端聚焦后，被多模光纤8传递给探测器9进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至测水传感器10，获得所述超声速气流中水含量；

[0026] 具体地，光学调整单元7包括调整结构发射端、调整结构收集端和三维位移台；调整结构发射端整体内置光路发射通道和准直透镜；调整结构收集端内置光路收集通道、短焦距透镜和窄带滤波片；光路发射通道和光路收集通道分别布置在三维位移台，实现三维方向激光信号的调整；

[0027] 具体地，光学调整单元7采用电磁屏蔽箱进行封装处理和阻尼隔震处理，所述电磁屏蔽箱内通纯氮气介质，隔绝室温空气中水蒸气的干扰。

[0028] 具体地，激光器5在一个周期t0.1ms-100ms内先后输出6807±1cm-1波长范围和-17185±1cm 波长范围内的可调谐激光信号，两束激光信号有π的相位差，保证一个周期内没有两束激光信号的叠加，且两束激光信号的发射和接收在时间上相互独立。

[0029] 具体地，所述测水传感器10为H2O气体激光传感器，测量量程1ppm-105ppm。

[0030] 具体地，所述激光器5为近红外波段商用可调谐半导体激光器。

[0031] 具体地，所述探测器9为硅探测器。

[0032] 具体地，电弧加热器1为管式电弧加热器或交流电弧加热器或长分段电弧加热器或叠片电弧加热器。

[0033] 具体地，喷管2为超声速喷管，具体采用矩形拉瓦尔喷管或轴对称拉瓦尔喷管。

[0034] 本实用新型以10MW管式电弧加热器为例，信号发生器3产生两束锯齿波信号，分别传输给两个激光控制器4，每个激光控制器4调节对应的激光器5的波长，两个激光器5输出的两束激光信号经单模光纤耦合器6将信号耦合成一束激光信号，再经过光学调整单元7发射端准直并进行三维位移调整，准直后的激光信号通过喷管2出口的超声速气流，透过的激光信号经另一侧的光学调整单元7接收端聚焦后，被多模光纤8传递给探测器9进行光电转换，将激光信号转换为电信号并送至测水传感器10，获得所述超声速气流中水含量，从而实现对电弧加热器1内含水量的定量测量，完成对设备运行状态的监控。如图2为电弧加热器含水量测量系统获得的H2O含量时间变化曲线，由图可知，0-1.6s内，电弧加热器内含水量维持在一个较低水平，显示电弧加热器运行正常；1.6s以后，电弧加热器内含水量呈现剧增的趋势，显示电弧加热器发生漏水情况，判定设备漏水，并停车。

[0035] 注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

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