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CN115066078A - 一种等离子体束性能在线诊断系统及方法 - Google Patents

一种等离子体束性能在线诊断系统及方法 Download PDF

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CN115066078A
CN115066078A CN202210978243.7A CN202210978243A CN115066078A CN 115066078 A CN115066078 A CN 115066078A CN 202210978243 A CN202210978243 A CN 202210978243A CN 115066078 A CN115066078 A CN 115066078A
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CN
China
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plasma beam
plasma
cooling water
acquisition module
labview program
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CN202210978243.7A
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曹修全
郭文钰
张洁梅
邓志远
赵明波
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Sichuan University of Science and Engineering
Original Assignee
Sichuan University of Science and Engineering
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Publication date
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    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种等离子体束性能在线诊断系统及方法,所述系统包括电压信号采集模块、电流信号采集模块、冷却水流量与温度采集模块、气流量采集模块、数据采集卡、LabVIEW程序和计算机,各模块间通过信号线连接;及,所述方法包括:各原始信号采集模块将采集的表征等离子体束性能的原始数据传递给数据采集卡,LabVIEW程序控制数据采集卡按照设定采样频率采集原始数据,并利用LabVIEW程序中设定的逻辑关系对原始数据进行处理,从而获得等离子体束的实时性能,实现对等离子体束性能的在线诊断。本发明的有益效果为:利用该诊断系统及方法能够实现对等离子体束性能的在线诊断,准确获得等离子体束实时的性能,为等离子体束性能在线调控提供数据支撑。

Description

一种等离子体束性能在线诊断系统及方法
技术领域
本发明涉及等离子体束性能诊断领域,具体为一种等离子体束性能在线诊断系统及方法。
背景技术
直流电弧等离子体束具有热转换效率高、温度高、对工作环境要求低、运行成本低、适应性广等优异特性,得到了学者们的广泛关注,被广泛应用于危废处理、材料处理(喷涂、冶金、粉末制备)等领域。然而,等离子体束的产生涉及电磁学、热流体力学、材料学、电学、热学等多学科,产生过程极其复杂,难以实现对等离子体束性能的实时精确监测,从而限制了等离子体的应用范围与领域。
现行技术中,学者们经常使用探针法、直接照相法,或通过某一项数据的波动来诊断等离子体束的性能,如李青等人采用朗缪尔双探针法对低温氮等离子体进行了诊断分析,得到了氮等离子体的电子密度和电子温度;Singh等人通过光强与弧压波动判断等离子体发生器及其产生的等离子体束特性。这些方法虽然能够一定程度上表征等离子体束的性能,但现有技术中大多数方法均为离线处理,难以实现等离子体束性能的在线诊断。
因此,如何精确、实时的诊断等离子体束性能,是等离子体技术领域亟待解决的关键问题之一。
发明内容
为了克服现有技术精确性、实时性不够的问题,本发明提供了一种等离子体束性能在线诊断系统及方法,具体技术方案如下所述。
第一方面,一种等离子体束性能在线诊断系统,包括:
电压信号采集模块、电流信号采集模块、冷却水流量与温度采集模块、气流量采集模块、数据采集卡、LabVIEW程序和计算机,各模块间通过信号线与数据采集卡电连接,各硬件通过电缆、气体管道、冷却水管道连接;
可选的,所述各模块间通过信号线与数据采集卡电连接包括:
电压信号采集模块:等离子体电源柜与分压板输入端电连接,分压板输出端与光电隔离模块电连接,光电隔离模块输出端与数据采集卡电连接;
电流信号采集模块:霍尔传感器输出端与数据采集卡电连接;
冷却水流量与温度采集模块:涡轮水流量计的输出端与数据采集卡电连接,温度变送器A、温度变送器B的输出端与数据采集卡电连接;
气流量采集模块:气体流量控制器的输出端与数据采集卡电连接;
可选的,所述各硬件通过电缆、气体管道、冷却水管道连接,包括:
电压信号采集模块:由等离子体发生器、等离子体电源柜、降压比为KU的串联电阻式分压板、等比光电隔离模块组成,等离子体发生器正负电极分别与等离子体电源柜电缆连接;
电流信号采集模块:由等离子体发生器、等离子体电源柜、霍尔传感器组成,等离子体发生器正极电缆穿过霍尔传感器线圈,且霍尔传感器安装在等离子体电源柜中;
冷却水流量与温度采集模块:由等离子体发生器、风冷柜式冷却机组、涡轮水流量计及温度变送器A、温度变送器B组成,涡轮水流量计的入水口通过冷却水管道与风冷柜式冷却机组的出水口连接,温度变送器A的入水口通过冷却水管道与涡轮水流量计的出水口连接,等离子体发生器的入水口通过冷却水管道与温度变送器A的出水口连接,温度变送器B的入水口通过冷却水管道与等离子体发生器的出水口连接,风冷柜式冷却机组的入水口通过冷却水管道与温度变送器B的出水口连接;
气流量采集模块:由等离子体发生器、气源装置、减压阀、气体流量控制器组成,气源装置与减压阀通过螺纹连接,气体流量控制器通过气体管道与减压阀连接,等离子体发生器通过气体管道与气体流量控制器连接;
各模块将采集到的原始数据发送给数据采集卡,所述的数据采集卡接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW程序;
第二方面,一种等离子体束性能在线诊断方法,包括:
S101:电压信号采集模块采集等离子体束的弧压原始数据、电流信号采集模块采集等离子体束的电流原始数据、冷却水流量与温度采集模块采集等离子体束的冷却水流量与进出口温度原始数据、气流量采集模块采集等离子体束的气流量原始数据;
S102:数据采集卡接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW程序;
S103:LabVIEW程序以设定采样频率,获得等离子体束的弧压、电流、冷却水流量、冷却水进出口温度、气流量的原始数据;
S104:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的功率的实时特性与进出口温差;
S105:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热效率的实时特性;
S106:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热焓值的实时特性;
S107:LabVIEW程序将所获得的等离子体束的实时特性以图形和数值的方式显示在窗口中,并自动保存到计算机的指定文件夹。
可选的,所述LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的功率的实时特性与进出口温差包括:
基于电压信号采集模块与电流信号采集模块采集到的弧压U和电流I原始数据计算得到功率P,计算公式为:
P=U*I/1000
基于冷却水流量与温度采集模块采集到的冷却水进口温度TIN和冷却水出口温度TOUT计算得到进出口温差
Figure 291587DEST_PATH_IMAGE001
,计算公式为:
Figure 19371DEST_PATH_IMAGE002
可选的,所述LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热效率的实时特性包括:
基于计算得到的功率P与进出口温差
Figure 134220DEST_PATH_IMAGE001
,结合冷却水流量与温度采集模块采集到的水流量Q计算得到热效率
Figure 605653DEST_PATH_IMAGE003
,计算公式为:
Figure 863459DEST_PATH_IMAGE004
可选的,所述LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热焓值的实时特性包括:
基于计算得到的功率P、热效率
Figure 27724DEST_PATH_IMAGE003
,结合气流量采集模块采集到的气流量G计算得到热焓值,计算公式为:
Figure 128404DEST_PATH_IMAGE005
本发明的有益效果如下:
该诊断系统及方法能够实现对等离子体束性能的在线诊断,准确获得等离子体束实时的性能,为等离子体束性能在线调控提供数据支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的一种等离子体性能诊断方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的一种等离子体束性能诊断系统示意图。
图3是本发明实施例提供的一种等离子体性能诊断系统的电压信号采集模块示意图。
图4是本发明实施例提供的一种等离子体性能诊断系统的电流信号采集模块示意图。
图5是本发明实施例提供的一种等离子体性能诊断系统的冷却水流量与温度采集模块示意图。
图6是本发明实施例提供的一种等离子体性能诊断系统的气流量采集模块示意图。
图标:201-采集模块;202-电压信号采集模块;203-电流信号采集模块;204-冷却水流量与温度采集模块;205-气流量采集模块;206-计算机;207-LabVIEW虚拟仪器;301-等离子体发生器;302-等离子体电源柜;303-NI采集卡;304-分压板;305-光电隔离板;306-霍尔传感器;307-温度变送器B;308-温度变送器A;309-涡轮水流量计;310-冷却机组;311-气体流量控制器;312-减压阀;313-气源装置。
具体实施方式
实施例1:
参阅图1-6,本发明实施例提供了一种等离子体束性能在线诊断系统,具体包括:
电压信号采集模块202:由等离子体发生器301、等离子体电源柜302、降压比为KU的串联电阻式分压板304、等比光电隔离模块305组成,等离子体发生器301正负电极分别与等离子体电源柜302电缆连接。
电流信号采集模块203:由等离子体发生器301、等离子体电源柜302、霍尔传感器306组成,等离子体发生器301正极电缆穿过霍尔传感器306的线圈,且霍尔传感器306安装在等离子体电源柜302中。
冷却水流量与温度采集模块204:由等离子体发生器301、风冷柜式冷却机组310、涡轮水流量计309及温度变送器A(308)、温度变送器B(307)组成,涡轮水流量计309的入水口通过冷却水管道与风冷柜式冷却机组310的出水口连接,温度变送器A(308)的入水口通过冷却水管道与涡轮水流量计309的出水口连接,等离子体发生器301的入水口通过冷却水管道与温度变送器A(308)的出水口连接,温度变送器B(307)的入水口通过冷却水管道与等离子体发生器301的出水口连接,风冷柜式冷却机组310的入水口通过冷却水管道与温度变送器B(307)的出水口连接。
气流量采集模块205,由等离子体发生器301、气源装置313、减压阀312、气体流量控制器311组成,气源装置313与减压阀312通过螺纹连接,气体流量控制器311通过气体管道与减压阀312连接,等离子体发生器301通过气体管道与气体流量控制器311连接。
各模块将采集到的原始数据发送给数据采集卡303,所述的数据采集卡303接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW程序。
实施例2:
参阅图1,本发明实施例提供了一种等离子体束性能在线诊断方法,具体包括:
S101:电压信号采集模块202采集等离子体束的弧压U原始数据、电流信号采集模块203采集等离子体束的电流I原始数据,冷却水流量与温度采集模块204采集等离子体束的冷却水流量Q与冷却水进口温度IN、冷却水出口温度OUT,气流量采集模块205采集等离子体束的气流量G。
S102:数据采集卡303接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW虚拟仪器207的程序。
S103:LabVIEW程序以设定采样频率,获得等离子体束的弧压U、电流I、冷却水流量Q、冷却水进口温度TIN、冷却水出口温度TOUT、气流量G的原始数据。
S104:LabVIEW程序基于电压信号采集模块202与电流信号采集模块203采集到的弧压U和电流I原始数据,获得等离子体束的功率P的实时特性与进出口温差
Figure 137948DEST_PATH_IMAGE006
,计算公式为:
P=U*I/1000
基于冷却水流量与温度采集模块204采集到的冷却水进口温度TIN和冷却水出口温度TOUT获得等离子体束的进出口温差
Figure 515840DEST_PATH_IMAGE006
,计算公式为:
Figure 585427DEST_PATH_IMAGE007
S105:LabVIEW程序基于计算得到的功率P与进出口温差
Figure 173403DEST_PATH_IMAGE006
,结合冷却水流量与温度采集模块204采集到的水流量Q,获得等离子体束的热效率
Figure 986638DEST_PATH_IMAGE008
的实时特性,计算公式为:
Figure 219037DEST_PATH_IMAGE004
S106:LabVIEW程序基于计算得到的功率P、热效率
Figure 725104DEST_PATH_IMAGE008
,结合气流量采集模块205采集到的气流量G,获得等离子体束的热焓值
Figure 534797DEST_PATH_IMAGE009
的实时特性,计算公式为:
Figure 151723DEST_PATH_IMAGE005
S107:LabVIEW程序将所获得的等离子体束的实时特性以图线和数值的方式显示在窗口中,并自动保存到计算机的指定文件夹。
通过上述方法,本发明提供的一种等离子体束性能在线诊断方法利用该诊断系统及方法能够实现对等离子体束性能的在线诊断,准确获得等离子体束实时的性能,为等离子体束性能在线调控提供数据支撑。
应该理解的是,虽然本发明各实施例的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,这些步骤可以以其它的顺序执行。而且,各实施例的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段,这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成,而是可以在不同的时刻执行,这些子步骤或者阶段的执行顺序也不是必然依次进行的,而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在此提供的程序和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述,构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外,本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白,可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容,并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
在此处所提供的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
本领域那些技术人员可以理解,可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件,以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外,可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述,本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种等离子体束性能在线诊断系统,其特征在于,包括电压信号采集模块、电流信号采集模块、冷却水流量与温度采集模块、气流量采集模块、数据采集卡、LabVIEW程序和计算机,各模块间通过信号线与数据采集卡电连接,各硬件通过电缆、气体管道、冷却水管道连接;
所述的电压信号采集模块硬件包括等离子体发生器、等离子体电源柜、降压比为KU的串联电阻式分压板、等比光电隔离模块,等离子体发生器正负电极分别与等离子体电源柜电缆连接;
所述的电流信号采集模块硬件包括等离子体发生器、等离子体电源柜、霍尔传感器,等离子体发生器正极电缆穿过霍尔传感器线圈,且霍尔传感器安装在等离子体电源柜中;
所述的冷却水流量与温度采集模块包括等离子体发生器、风冷柜式冷却机组、涡轮水流量计及温度变送器A、温度变送器B,涡轮水流量计的入水口通过冷却水管道与风冷柜式冷却机组的出水口连接,温度变送器A的入水口通过冷却水管道与涡轮水流量计的出水口连接,等离子体发生器的入水口通过冷却水管道与温度变送器A的出水口连接,温度变送器B的入水口通过冷却水管道与等离子体发生器的出水口连接,风冷柜式冷却机组的入水口通过冷却水管道与温度变送器B的出水口连接;
所述的气流量采集模块包括等离子体发生器、气源装置、减压阀、气体流量控制器,气源装置与减压阀通过螺纹连接,气体流量控制器通过气体管道与减压阀连接,等离子体发生器通过气体管道与气体流量控制器连接;
各模块将采集到的原始数据发送给数据采集卡,所述的数据采集卡接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW程序。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体束性能在线诊断系统,其特征在于,所述的LabVIEW程序和计算机包括:
所述LabVIEW程序控制数据采集卡按照设定采样频率采集原始数据,并利用LabVIEW程序中设定的逻辑关系对原始数据进行处理,从而获得等离子体束的实时性能;
所述计算机存储LabVIEW程序和表征等离子体束实时性能的原始数据。
3.一种等离子体束性能在线诊断方法,其特征在于,包括:
S101:电压信号采集模块采集等离子体束的弧压原始数据、电流信号采集模块采集等离子体束的电流原始数据、冷却水流量与温度采集模块采集等离子体束的冷却水流量与进出口温度原始数据、气流量采集模块采集等离子体束的气流量原始数据,各模块将采集到的原始数据发送给数据采集卡;
S102:数据采集卡接收前述各模块采集的原始数据,并传递给计算机中的LabVIEW程序;
S103:LabVIEW程序以设定采样频率,获得等离子体束的弧压、电流、冷却水流量、冷却水进出口温度、气流量的原始数据;
S104:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的功率的实时特性与进出口温差;
S105:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热效率的实时特性;
S106:LabVIEW程序按照设定的逻辑关系处理原始数据,获得等离子体束的热焓值的实时特性;
S107:LabVIEW程序将所获得的等离子体束的实时特性以图形和数值的方式显示在窗口中,并自动保存到计算机的指定文件夹。
4.根据权利要求3所述的一种等离子体束性能在线诊断方法,其特征在于,所述功率的实时特性与进出口温差按照以下方法获取:
基于弧压U和电流I计算得到功率P,计算公式为:
P=U*I/1000
基于冷却水进口温度TIN和冷却水出口温度TOUT计算得到进出口温差
Figure 367214DEST_PATH_IMAGE001
,计算公式为:
Figure 487617DEST_PATH_IMAGE002
5.根据权利要求3所述的一种等离子体束性能在线诊断方法,其特征在于,所述热效率的实时特性按照以下方法获取:
基于功率P、水流量Q和进出口温差
Figure 532934DEST_PATH_IMAGE001
计算得到热效率
Figure 757504DEST_PATH_IMAGE003
,计算公式为:
Figure 837455DEST_PATH_IMAGE004
6.根据权利要求3所述的一种等离子体束性能在线诊断方法,其特征在于,所述热焓值的实时特性按照以下方法获取:
基于功率P、热效率
Figure 863180DEST_PATH_IMAGE003
和气流量G计算得到热焓值
Figure 395793DEST_PATH_IMAGE005
,计算公式为:
Figure 594693DEST_PATH_IMAGE006
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