專利名稱：等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱等離子體材料加工領(lǐng)域，具體地說，是指一種等離子體射流對空氣引射量 的測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在熱等離子體材料加工的各種實(shí)際應(yīng)用中，熱等離子體通常以射流形式出現(xiàn)，并且等離 子體射流對環(huán)境氣體的引射在其中有重要影響。以等離子體噴涂為例，其過程是將金屬或非 金屬原料顆粒噴射入由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫部分電離氣體射流中，原料顆粒在高溫高 速射流中加速、加熱、熔化、撞擊工件并變形鋪展， 一片接一片、 一層覆蓋一層地形成涂層。 與低氣壓等離子體噴涂相比，在大氣壓空氣環(huán)境中進(jìn)行的等離子體噴涂具有一個明顯的優(yōu)點(diǎn)， 即不需要復(fù)雜的真空系統(tǒng)，從而可大大降低生產(chǎn)成本。但是這一技術(shù)應(yīng)用也遇到一個難題， 就是等離子體射流會引射入大量冷環(huán)境空氣，這往往對涂層質(zhì)量有不利的影響。 一方面引射 進(jìn)等離子體射流的大量冷環(huán)境空氣，導(dǎo)致等離子體溫度與速度在射流軸線方向上迅速降低，
從而不利于原料顆粒在射流中的加速與加熱，不利于顆粒在撞擊基板前獲得較髙的速度和合
適的加熱狀態(tài)，影響涂層的質(zhì)量；另一方面，引射進(jìn)等離子體射流的環(huán)境空氣使射流中的氧 含量在射流軸向方向上迅速增加，在湍流等離子體射流的下游氣體成分已絕大部分由空氣組 成，這會引起原料顆粒和基板材料氧化，成為涂層質(zhì)量惡化乃至涂層斷裂與剝落失效的重要 原因。
為了解決在大氣壓空氣環(huán)境中進(jìn)行等離子體噴涂的上述難題，常采用增添與射流同軸噴 射的惰性屏蔽氣體(氬)的方法來減輕射流對環(huán)境空氣的引射，研究表明采用這種方案有一 定效果，能使涂層質(zhì)量有所改善；但根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，若要使距離等離子體發(fā)生器出口 10cm界面出湍流射流軸線上的空氣含量控制在10。/。以內(nèi)則增添的屏蔽氬氣流量需高達(dá)發(fā)生 器自身工作氣體力量的3.75倍以上，而在距離發(fā)生器出口 10.5cm處，要是氬等離子體湍 流射流中的空氣含量從82%降低到46%,屏蔽氣體的速度必須高達(dá)100m/s;可見惰性屏 蔽氣保護(hù)只能用于對材料氧化要求不高的材料加工場合，而且需付出的代價相當(dāng)大。 發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一套可以精確測量等離子體射流對標(biāo)準(zhǔn)大^壓下環(huán)境空氣引射量 的測量系統(tǒng)，從而幫助進(jìn)行對等離子體射流的特性研究及應(yīng)用。
采用射流引射保護(hù)罩的方法測量等離子射流對環(huán)境空氣的引射量的原理是用保護(hù)罩將等離子體射流與外界環(huán)境空氣隔離，然后人工引入被引射氣到引射罩內(nèi)，通過多層金屬絲網(wǎng) 將被引射氣速度降低至接近零，以模擬真實(shí)大氣中靜止的環(huán)境空氣，當(dāng)金屬絲網(wǎng)外被引射氣 的靜壓等于外界環(huán)境大氣的靜壓時，即表示輸入的被引射氣流量正好等于等離子體射流引射 走的氣體流量，這樣就可以通過測量被引射氣體的流量得到等離子體射流引射的氣體流量。
本發(fā)明的等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)包括等離子體發(fā)生器、供電系統(tǒng)、冷卻 系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、射流引射保護(hù)罩、微壓傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的供電系統(tǒng)與等離子 體發(fā)生器的陰極和陽極連接，為等離子體發(fā)生器供電。冷卻系統(tǒng)與等離子體發(fā)生器的冷卻水 管連接，為等離子體發(fā)生器提供冷卻。供氣系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器提供工作氣體氬氣，并為 射流引射保護(hù)罩提供引射氣體氮?dú)饣蛘呖諝?。所述的射流引射保護(hù)罩中的引射氣體流量是當(dāng) 微壓傳感器測量引射罩內(nèi)外壓差為零時浮子流量計(jì)的顯示值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)釆集微壓傳感器 的電壓信號，轉(zhuǎn)換為壓差信號，并進(jìn)行顯示。
所述的等離子體發(fā)生器采用中科院力學(xué)所研制的等離子體發(fā)生器，釆用氬氣作為工作氣 體，能夠分別產(chǎn)生層流和湍流兩種流動狀態(tài)下的等離子體射流，從而可以進(jìn)行層流引射和湍 流引射的實(shí)驗(yàn)。
所述的供電系統(tǒng)能夠?yàn)榈入x子體發(fā)生器1提供0 100V、 0 250A的直流電，并且能產(chǎn) 生lMHz的高頻電流為等離子體發(fā)生器1提供引弧電流。
所述的冷卻系統(tǒng)釆用LX-13000冷卻循環(huán)水機(jī)，能夠?yàn)榈入x子體發(fā)生器提供最大 2000L/h的冷去p水o
所述的供氣系統(tǒng)包括為等離子體發(fā)生器1提供氬氣和為射流引射保護(hù)罩提供引射氣氮?dú)?瑪空氣。采用北京七星華創(chuàng)D08-2C/ZM型流量顯示儀控制D07型質(zhì)量流量計(jì)對等離子體 發(fā)生器提供工作氣體氬氣，采用浮子流量計(jì)控制對射流引射保護(hù)罩提供被引射氣體氮?dú)饣蚩諝狻?br> 所述的射流引射保護(hù)罩為圓柱形引射保護(hù)罩，引射氣通過入口導(dǎo)管引入作軸向流動進(jìn)入 引射腔內(nèi)，受到內(nèi)擋板阻擋轉(zhuǎn)為徑向流動，再經(jīng)過圓筒形多層金屬絲網(wǎng)組成的多孔壁結(jié)構(gòu)減 速接近為零，當(dāng)?shù)入x子體射流對其周圍氣體巻吸產(chǎn)生氣壓降低后，人工引入的引射氣在壓力 梯度的作用下進(jìn)入等離子體射流周圍補(bǔ)充被引射走的氣體。通過塑料軟管連接到微壓傳感器 一端的壓力探針深入到引射保護(hù)罩內(nèi)，測量等離子體射流附近的靜壓，微壓傳感器的另一端 與外界大氣相通，當(dāng)微壓計(jì)的電壓輸出為2.5伏(即零壓差輸出值)時，表明人工提供的引 射氣流量正好等于等離子體射流對環(huán)境氣體的引射量。將射流引射保護(hù)罩入口與等離子體發(fā) 生器出口對接，兩者之間有塑料隔離環(huán)作電氣隔離，然后通過射流引射保護(hù)罩的固定夾具與 等離子體發(fā)生器一起固定在同一臺架上，同時要保證發(fā)生器和引射罩在軸線上重合，之后將 弓謝氣路與弓l射罩上四個進(jìn)氣嘴相連，最后連接壓力探針引出的塑料軟管到微壓傳感器上。所述的微壓傳感器采用量程為-10~10Pa d的GE Druck LPM9481微壓傳感器，輸入 電壓為10~30V，輸出電壓為0~5伏，零壓差輸出為2.5V。
所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用北京阿爾泰16位數(shù)據(jù)采集卡PCI8622實(shí)時采集微壓傳感器輸 出的電壓信號，當(dāng)電壓信號為2.5伏時，表示引射罩內(nèi)等離子體射流周圍的氣壓與引射罩外 大氣環(huán)境壓力相等，說明人工輸入的被引射氣流量等于在靜止大氣環(huán)境下等離子體射流對環(huán) 境空氣的引射量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 使用自行設(shè)計(jì)的引射保護(hù)罩測量引射氣流量，該引射保護(hù)罩特殊的結(jié)構(gòu)保證了能對 層流狀態(tài)的等離子體射流對環(huán)境空氣微小的引射量的測量；
(2) 使用能夠產(chǎn)生層流和湍流兩種狀態(tài)的等離子體發(fā)生器；
(3) 使用了高精度的微壓傳感器和數(shù)據(jù)采集卡保證了測量的實(shí)時性和精確性。


圖1測量等離子體射流對環(huán)境空氣引射量的測量系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)包括等離子體發(fā)生器1、供電系統(tǒng)2、 冷卻系統(tǒng)3、供氣系統(tǒng)4、射流引射保護(hù)罩5、微壓傳感器6和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7，如圖1所 示，所述的供電系統(tǒng)2與等離子體發(fā)生器1的陰極和陽極連接，為等離子體發(fā)生器l供電。 冷卻系統(tǒng)3與等離子體發(fā)生器1的冷卻水管連接，為等離子體發(fā)生器1提供冷卻。供氣系統(tǒng) 4為等離子體發(fā)生器1提供工作氣體氬氣，并為射流引射保護(hù)罩5提供引射氣體氮?dú)饣蛘呖?氣。所述的射流引射保護(hù)罩5中的引射氣體流量是當(dāng)微壓傳感器6測量引射罩內(nèi)外壓差為零 時浮子流量計(jì)的顯示值，數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)7釆集微壓傳感器6的電壓信號，轉(zhuǎn)換成壓差信號顯 示。
將等離子體發(fā)生器l出口與射流引射保護(hù)罩5入口對接，然后分別將供電系統(tǒng)2、供氣 系統(tǒng)4、冷卻系統(tǒng)3與等離子體發(fā)生器1連接，將供氣系統(tǒng)4與射流引射保護(hù)罩5連接。 本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述測量系統(tǒng)的測量方法，具體步驟如下
第一步，供氣系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器供氣。先將等離子體發(fā)生器供氣管路上的流量計(jì)打 開，再將等離子體發(fā)生器供氣瓶閥門打開，將一次減壓閥調(diào)整到2MPa，調(diào)節(jié)流量計(jì)控制閥 到等離子體發(fā)生器工作所需氣流量。
第二步，冷卻系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器提供正常的供水壓力，對其進(jìn)行冷卻。
第三步，供電系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器供電。打開電源開關(guān)，啟動高頻供電，使等離子體 發(fā)生器實(shí)現(xiàn)引弧后，切斷高頻改為直流供電，調(diào)節(jié)供電電流至170A。
第四步，不斷細(xì)微調(diào)整等離子體發(fā)生器主氣、輔氣和切向進(jìn)氣的流量使發(fā)生器產(chǎn)生的射流逐漸達(dá)到層流狀態(tài)，記錄下主氣、輔氣和切向進(jìn)氣的流量，并通過微壓傳感器測得電壓。 第五步，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集微壓傳感器電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換成壓差信號顯示。 第六步，打開引射罩供氣管路上浮子流量計(jì)到引射罩之間的氣閥，再打幵引射罩供氣氣
瓶閥門，使一次減壓閥壓力達(dá)到2MPa，慢慢打開浮子流量計(jì)前的進(jìn)氣閥門，觀察計(jì)算機(jī)上 顯示的微壓傳感器輸出的電壓信號值，調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門電壓達(dá)到2.5V，此時記錄下浮子流量計(jì) 的讀數(shù)。此步關(guān)鍵在于調(diào)節(jié)引射氣進(jìn)氣量速度要慢，以防對等離子體射流狀態(tài)造成影響，因 為等離子體射流的層流狀態(tài)很容易受到干擾轉(zhuǎn)為湍流狀態(tài)。
第七步，在不改變供電電流的情況下改變等離氣體發(fā)生器各通道的進(jìn)氣流量并保持射流 的層流狀態(tài)，重復(fù)第四至第六步。
第八步，改變等離子體發(fā)生器供電電流重復(fù)第七步。
第九步，使等離子體發(fā)生器產(chǎn)生湍流狀態(tài)的射流，重復(fù)第七和第八步。測量完畢。
權(quán)利要求
1、等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)，其特征在于包括等離子體發(fā)生器、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、射流引射保護(hù)罩、微壓傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的供電系統(tǒng)與等離子體發(fā)生器的陰極和陽極連接，為等離子體發(fā)生器供電；冷卻系統(tǒng)與等離子體發(fā)生器的冷卻水管連接，為等離子體發(fā)生器提供冷卻；供氣系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器提供工作氣體氬氣，并為射流引射保護(hù)罩提供引射氣體氮?dú)饣蛘呖諝?；所述的射流引射保護(hù)罩中的引射氣體流量是當(dāng)微壓傳感器測量引射罩內(nèi)外壓差為零時浮子流量計(jì)的顯示值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集微壓傳感器的電壓信號，轉(zhuǎn)換成壓差信號顯示。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的等 離子體發(fā)生器能夠分別產(chǎn)生層流和湍流兩種流動狀態(tài)下的等離子體射流。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)，其特征在于所述的射 流引射保護(hù)罩為圓柱形引射保護(hù)罩，引射氣通過入口導(dǎo)管引入作軸向流動進(jìn)入引射腔內(nèi)， 受到內(nèi)擋板阻擋轉(zhuǎn)為徑向流動，再經(jīng)過圓筒形多層金屬絲網(wǎng)組成的多孔壁結(jié)構(gòu)減速接近為 零，當(dāng)?shù)入x子體射流對其周圍氣體巻吸產(chǎn)生氣壓降低后，人工引入的引射氣在壓力梯度的作用下進(jìn)入等離子體射流周圍補(bǔ)充被引射走的氣體；通過塑料軟管連接到微壓傳感器一端的壓力探針深入到引射保護(hù)罩內(nèi)，測量等離子體射流附近的靜壓，微壓傳感器的另一端與 夕卜界大氣相通，當(dāng)微壓計(jì)的電壓輸出為零壓差輸出值時，表明人工提供的引射氣流量正好等于等離子體射流對環(huán)境氣體的引射量；將射流引射保護(hù)罩入口與等離子體發(fā)生器出口對 接，兩者之間有塑料隔離環(huán)作電氣隔離，然后通過射流引射保護(hù)罩的固定夾具與等離子體 發(fā)生器一起固定在同一臺架上，同時要保證發(fā)生器和引射罩在軸線上重合，之后將引射氣 路與引射罩上進(jìn)氣嘴相連，最后連接壓力探針引出的塑料軟管到微壓傳感器上。
4、 一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)進(jìn)行等離子體射流對空氣引射量測量的方法，其特征在于第一步，供氣系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器供氣；第二步，冷卻系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器提供正常的供水壓力，對其進(jìn)行冷卻； 第三步，供電系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器供電；第四步，不斷細(xì)微調(diào)整等離子體發(fā)生器主氣、輔氣和切向進(jìn)氣的流量使發(fā)生器產(chǎn)生的射流 逐漸達(dá)到層流狀態(tài)，記錄下主氣、輔氣和切向進(jìn)氣的流量，并通過微壓傳感器測 得電壓；第五步，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集微壓傳感器電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換成壓差信號顯示； 第六步，打開引射罩供氣管路上浮子流量計(jì)到引射罩之間的氣閥，再打開引射罩供氣氣瓶閥門，使一次減壓閥壓力達(dá)到2MPa，慢慢打開浮子流量計(jì)前的進(jìn)氣閥門，觀察計(jì)算機(jī)上顯示的微壓傳感器輸出的電壓信號值，調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門電壓達(dá)到2.5V，此時記錄下浮子流量計(jì)的讀數(shù)； 第七步，在不改變供電電流的情況下改變等離氣體發(fā)生器各通道的進(jìn)氣流量并保持射流的層流狀態(tài)，重復(fù)第四至第六步； 第八步，改變等離子體發(fā)生器供電電流重復(fù)第七步；第九步，使等離子體發(fā)生器產(chǎn)生湍流狀態(tài)的射流，重復(fù)第七和第八步，測量完畢；
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于第六步中，調(diào)節(jié)引射氣進(jìn)氣量速度要慢， 以防對等離子體射流狀態(tài)造成影響，因?yàn)榈入x子體射流的層流狀態(tài)很容易受到干擾轉(zhuǎn)為湍 流狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體射流對空氣引射量的測量系統(tǒng)，包括等離子體發(fā)生器、供電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、射流引射保護(hù)罩、微壓傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的供電系統(tǒng)與等離子體發(fā)生器的陰極和陽極連接，為等離子體發(fā)生器供電；冷卻系統(tǒng)與等離子體發(fā)生器的冷卻水管連接，為等離子體發(fā)生器提供冷卻；供氣系統(tǒng)為等離子體發(fā)生器提供工作氣體氬氣，并為射流引射保護(hù)罩提供引射氣體氮?dú)饣蛘呖諝?；所述的射流引射保護(hù)罩中的引射氣體流量是當(dāng)微壓傳感器測量引射罩內(nèi)外壓差為零時浮子流量計(jì)的顯示值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集微壓傳感器的電壓信號，轉(zhuǎn)換成壓差信號顯示。
文檔編號G01F1/34GK101539443SQ20091008258
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者張亞民, 湯海濱, 王海興, 賈少霞, 魏福智 申請人:北京航空航天大學(xué)