量熱探針在熱等離子射流測量中的應(yīng)用

安連彤， 孫成琪，， 高 陽

（1.廣東海洋大學(xué)航海學(xué)院，廣東湛江 524025； 2.大連海事大學(xué)熱噴涂研究中心，遼寧大連 116026）

量熱探針在熱等離子射流測量中的應(yīng)用

安連彤1， 孫成琪1，2， 高 陽2

（1.廣東海洋大學(xué)航海學(xué)院，廣東湛江 524025； 2.大連海事大學(xué)熱噴涂研究中心，遼寧大連 116026）

為了測量等離子射流的溫度和速度，設(shè)計了量熱探針測量系統(tǒng)，采用補償式的量熱法來測量熱等離子體的比焓得到熱等離子體的溫度；也可作為水冷皮托管來測量射流的動壓頭確定射流流速。系統(tǒng)采用φ3.8 mm探針實際測量最高溫度達8515K。根據(jù)等離子噴槍的輸入功率和熱效率估算出噴槍出口處射流的溫度和速度，與探針的測量結(jié)果比較吻合。

計量學(xué)；量熱探針；量熱法；等離子射流；高溫測量

1 引 言

熱等離子射流的溫度在2 000～20 000 K之間，其間伴隨著劇烈的分子離解復(fù)合以及原子電離復(fù)合過程，其溫度和速度的測量存在諸多困難。研制簡便易用、又具有足夠精度的測量儀器，一直是熱等離子研究領(lǐng)域的重要課題［1］。采用非接觸式的光學(xué)儀器對等離子射流進行測量具有不干擾被測對象、響應(yīng)時間快、空間分辨率好，測量精度高的優(yōu)點［2，3］，因此在實驗室研究中應(yīng)用廣泛，但光學(xué)儀器價格昂貴，對工作環(huán)境要求苛刻，不適合在工作現(xiàn)場使用。而且對于等離子射流中溫度小于4 000K的低溫區(qū)域，由于原子與離子的譜線強度太弱，光學(xué)儀器很難得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果［4］。量熱探針是一種接觸式的測量儀器，既能夠采用補償式的量熱法來測量熱等離子體的溫度，又可以作為水冷的皮托管來測量等離子射流的流速。由于其原理簡單、價格低廉、工作可靠，在2 000～14 000 K范圍內(nèi)，量熱探針成為等離子射流溫度和速度測量的理想工具［5］。本文介紹了量熱探針系統(tǒng)的測量原理，操作方法，及系統(tǒng)組成；探討了提高測量精度的措施。實際測量結(jié)果表明，量熱探針可以在熱等離子射流中安全工作，其測量結(jié)果精確可靠。

2 測量原理

量熱探針通常采用三層套管結(jié)構(gòu)，如圖1所示，外層套管和內(nèi)層套管在探針端部被焊接在一起，中間套管插入其中，冷卻水從外層通道流入，在探針端部折回，從中間通道流出；內(nèi)層是采樣氣體通道，通過該通道抽取探針端部的等離子體來測定其比焓。

圖1 量熱探針結(jié)構(gòu)圖

量熱探針采用補償式的測量方法，通過兩次測量操作來測定采樣氣體的比焓，進而確定其溫度：（1）關(guān)閉采樣氣體通道，在無采樣氣體流過氣體通道的狀況下，測量冷卻水的入口和出口的水溫差ΔT1；（2）打開采樣氣體通道，抽取探針端部的等離子體，在有采樣氣體流過氣體通道的狀態(tài)下，再一次測量冷卻水的入口和出口的水溫差ΔT2。由于采樣氣體流過氣體通道時會放熱，所以ΔT2的值相對于ΔT1的值會有一定的升高，能量平衡關(guān)系式如下：

式中：h1和h2分別為量熱探針采樣氣體入口和出口處等離子氣體的比焓，mg為從量熱探針抽出等離子氣體的質(zhì)量流量，mw和cp分別為冷卻水的質(zhì)量流量和比定壓熱容，ΔT2和ΔT1分別為有、無抽取氣體條件下，流入與流出量熱探針的冷卻水的溫度差。式（1）中，由于mg，mw，h2，ΔT2以及ΔT1是可以直接測量的參數(shù)，所以通過式（1）就可以計算出氣體在探針端部采樣氣體入口處的比焓h1。

量熱探針又可以作為一個水冷的皮托管，通過測量探針端部的總壓頭來確定等離子射流的速度。根據(jù)伯努利不可壓縮流體方程，量熱探針端部等離子射流的流速為：

式中：ps為等離子射流的總壓頭，即動壓頭與靜壓頭之和；pa為大氣壓強，在低馬赫（Ma＜0.3）流動狀態(tài)下，pa約等于等離子射流的靜壓頭；ρ為等離子體的密度。

3 系統(tǒng)描述

量熱探針外徑為3.8mm，內(nèi)徑為0.9mm，探針端部磨制成半球形以降低對等離子射流的干擾。3只K型熱電偶分別被安裝在冷卻水的入口、出口以及采樣氣體出口，用來測量這些位置的溫度。

量熱探針測溫系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 量熱探針系統(tǒng)圖

量熱探針測溫系統(tǒng)包括探針冷卻系統(tǒng)、氣路控制系統(tǒng)以及溫度測量系統(tǒng)3部分。探針冷卻系統(tǒng)由高壓水泵，循環(huán)水箱，恒溫裝置以及水量調(diào)節(jié)裝置組成。水泵的壓頭為8 MPa，可為探針提供1.58 kg／min的冷卻水供給。冷卻水使用去離子純凈水，可以減少電信號對熱電偶的干擾，防止冷卻水在量熱探針中結(jié)垢，阻塞冷卻水路。溫度測量系統(tǒng)由K型熱電偶和數(shù)顯測溫儀表組成。K型熱電偶的裸絲的直徑為0.5mm，熱端直徑約為1.2 mm，熱電偶熱端直接置于冷卻水路中。冷卻水入口和出口處的熱電偶應(yīng)采用差接法連接。測溫儀表的分辨力為0.1℃。氣路控制系統(tǒng)由電磁閥組，真空泵，U型管壓力計，以及采樣氣體流量測量裝置構(gòu)成。采樣氣體在量熱探針氣體出口處分成2路：一路與U型管壓力計相連接，另一路與真空泵相連接，真空泵排量為1.5 m3／h。2個電磁閥用來控制氣路的取向。采樣氣體用排水取氣法進行回收分析，并通過單位時間的排水量可以得到采樣氣體的體積流量，并進一步換算成質(zhì)量流量。

4 誤差分析

溫度測量中，冷卻水的溫度變化遠遠小于熱等離子體的溫度變化，因此，冷卻水溫測量的微小誤差會被極度放大，導(dǎo)致對熱等離子溫度計算的較大誤差。為了提高測量精度，冷卻水入口和出口的熱電偶要采用差接法。為提高測量精度，儀器靈敏度是非常重要的參數(shù)，它表示響應(yīng)量與激勵量的比值。量熱探針的靈敏度可定性地表示為：

依據(jù)式（3），提高探針靈敏度的方法有兩種：（1）增加采樣氣體質(zhì)量流量，這樣可以在ΔT1（射流對探針傳熱引起的溫度變化）不變的情況下增加ΔT2的值；（2）減小探針的外徑，這樣就減小了等離子射流對探針的傳熱面積，從而探針能夠在更低流量冷卻水的條件下安全工作。相當(dāng)于在ΔT1不變的條件下，增加了ΔT2的值。但是對方法（1）應(yīng)該注意，采樣氣體的質(zhì)量流量不應(yīng)超探針截面面積上等離子射流的質(zhì)量流量，否則射流繞流探針的流場結(jié)構(gòu)將顯著變化，帶來額外的測量誤差。并且，等離子射流本身的空間體積相對于量熱探針也是非常有限的，且存在著極大的溫度梯度，這使得采樣氣體的流量進一步受到限制［6］。

速度的測量中，主要誤差來自于2個方面，一是溫度測量誤差所引起的等離子體密度計算誤差，二是等離子射流的實際狀態(tài)與伯努利方程適用狀態(tài)存在一定差異。如等離子射流是湍流和時變的，而不是伯努利方程所要求的層流且穩(wěn)定的。另外，伯努利方程要求流體密度是不變的，而實際測量過程中，在總壓頭的測量處，即量熱探針端部，等離子射流由于對探針端部傳熱而溫度下降密度增加，這會使總壓頭的測量值減小大約10%，而速度值減小3%［7］。

5 測量結(jié)果

測量用等離子噴槍的噴嘴直徑為6mm，工作氣體為2.5 m3／h的氬氣，弧電壓47 V，弧電流80 A。探針的冷卻水流量1.58 kg／min，采樣氣體流量1.28～2.39 L／min。測量位置選擇在噴嘴軸線處，距離噴嘴出口的距離S分別為0，5，10，15mm。比焓、溫度、速度測量結(jié)果如表1所示。

表1 量熱探針測量結(jié)果

在噴槍出口處，等離子射流的比焓的相對誤差為±6.46%，溫度的相對誤差為－4.89%～＋3.98%，速度測量的相對誤差為－1.97%～＋2.47%。比焓和溫度相對誤差的不同是由于氣體比熱在升溫過程中由于氣體電離而明顯升高所導(dǎo)致的。在高溫區(qū)域，溫度測量的相對誤差要明顯的低于比焓測量的相對誤差，但是在低溫區(qū)域（＜5 000 K），兩者基本相同。隨著測量點向下游移動，射流密度升高，真空泵可以抽取更多的采樣氣體，因此其比焓測量的絕對誤差逐漸減小，溫度測量的誤差也有相應(yīng)的趨勢。需要說明的是，為了測量的連續(xù)性，探針的冷卻水量在測量過程中是保持不變的。然而，在等離子射流的低溫區(qū)域，探針可以在冷卻水流量較小的情況下保證不燒損，比焓測量的相對誤差也會相應(yīng)的減小。

為驗證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，還測量了噴槍的有效功率，用以估算射流噴槍出口處的溫度和速度。噴槍的有效功率可以表示為：

其中：Pi為輸入功率，mtcw為噴槍冷卻水的質(zhì)量流量，cp為冷卻水的比定壓熱容，ΔT為噴槍冷卻水進出口溫差。如果假設(shè)噴槍出口處的流場呈拋物線分布，估算出的出口軸線處的溫度和速度分別為8 388 K以及684m／s。溫度的測量值與估算值符合較好，速度的測量值對比估算值相對偏小，若采用文獻［7］的方法進行修正，則速度測量值為657 m／s，與估算值更為接近。

6 結(jié)束語

采用的探針材料為不銹鋼，雖然鋼的導(dǎo)熱率低于紫銅，但其耐熱性和工藝性能更好；利用單位時間內(nèi)的排水取氣量來測定采樣氣體的流量，省卻了昂貴的質(zhì)量流量計，且準(zhǔn)確可靠，適用性廣。量熱探針系統(tǒng)的制造成本遠低于光譜系統(tǒng)，不但能測量熱力學(xué)平衡及非熱力學(xué)平衡條件下的射流溫度，還能夠測量射流的速度，通過改進，它還能作為靜電探針測量等離子電場。這些優(yōu)點使其成為熱等離子診斷的有力工具。

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App lication of Enthalpy Probe in Measuring Tem perature and Velocity of Thermal Plasm a Jet

AN Lian-tong1， SUN Cheng-qi1，2， GAO Yang2
（1.Navigation College，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，Guangdong 524025，China；
2.Thermal Spraying Center，Dalian Maritime University，Dalian，Liaoning 116026，China）

Tomeasure the temperature and velocity of the thermal plasma jet，an enthalpy probe system is developed. The enthalpy probe is not only a compensated calorimeter that can obtain the temperature of the plasma through measuring its enthalpy，but also a water-cooled pitot tube that can obtain the velocity of the plasma jet through measuring the stagnation pressure.Due to the advancedmanufacture technology，the outer diameter of the probe can be reduced to 3.8 mm，which significantly improves the sensibility and reliability of the probe.Themeasurement shows that the probeworks safely under the temperature of 8 515 K.The temperature and the velocity of the plasma jet at the nozzle exit are also estimated from the arc power and the torch efficiency and in good accordance with themeasuring results of the probe.

Metrology；Enthalpy probe；Calorimeter；Plasma jet；High temperaturemeasurement

TB94

A

1000-1158（2014）05-0445-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．05．08

2012-07-02；

2013-07-03

國家自然科學(xué)基金（51172033）

安連彤（1977－），男，遼寧沈陽人，廣東海洋大學(xué)講師，博士，主要從事等離子噴涂電弧特性研究。angry-angel＠sohu.com