способ определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке

Формула изобретения

Способ определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке, включающий измерение интенсивности излучения при разложении в спектр, получение суммарного теплового спектра U от всех разнородно нагретых частиц, движущихся в потоке относительно заданного сечения, в виде вектора значений U(l ₁), U(l₂), , U(l_i), , U(l_N), где U(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i , и определение гистограммы Z температурного распределения частиц, которая представляет собой вектор значений Z(T₁), Z(T₂), , Z(T_i),..., Z(T_N) на

N заданных температурах, по следующей формуле: Z=A^-1·U, где А - матрица размером N×N значений спектральной интенсивности излучения черного тела, определяемых по формуле Планка на каждой из N длин волн и каждой из N заданных температур, отличающийся тем, что измерения спектра двухфазного плазменного потока в заданном сечении производят дважды: сначала измеряют интенсивность спектральных линий излучения плазменного потока без частиц конденсированной фазы, в виде вектора значений S(l₁), S(l₂), , S(l_i), , S(l_N), затем - измеряют суммарное значение теплового и линейчатого спектра двухфазного плазменного потока U, из которого затем исключают все значения на тех длинах волн

l_k, где интенсивность спектральных линий плазмы S(l_k) не равна нулю, а из матрицы А исключаются соответствующие столбцы и строки с элементамиа a(l_i, T_j ), где i или j равны k, и определяют гистограмму температурного распределения частиц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения температуры. Оно может быть использовано в различных областях техники, где требуется измерение температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы, содержащихся в газопламенных и плазменных гетерогенных потоках.

Известен способ измерения температуры разнородно нагретых частиц, заключающийся в измерении интенсивности излучения и ее производной при разложении в спектр по длине волны с определением температуры по отношению значений интенсивности излучения и ее производной [1].

Недостатком способа является определение температуры, которая в смеси разнородно нагретых частиц может не совпадать ни с одной из действительных температур конденсированной фазы в плазменном потоке и при этом не является средней, например, в случае двух частиц с двумя различными температурами.

Таким образом, данный способ не обладает достаточной точностью и может использоваться лишь для грубой оценки температуры частиц в гетерогенных потоках.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ определения температуры частиц конденсированной фазы движущихся гетерогенных объектов, включающий измерение интенсивности излучения при разложении в спектр [2]. Способ может применяться для определения температуры разнородно нагретых частиц вещества при газоплазменном или плазменном нанесении покрытий. При этом во время измерения производят суммирование спектральных интенсивностей на N длинах волн от пролетающих разнородно нагретых частиц конденсированной фазы и получают суммарный тепловой спектр U от разнородно нагретых частиц, который является вектором значений U(l_]), U(l₂), U(l_i), U(l_N), где U(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i, и определяют гистограмму Z температурного распределения частиц, которая представляет собой вектор значений на N заданных температурах по следующей формуле:

где А - матрица размером N×N значений спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела, определяемых по формуле Планка на каждой из N длин волн и каждой из N заданных температур. Среднюю температуру частиц находят по формуле:

где Т_ср - имеет вполне определенный физический смысл только для одномодовых распределений частиц Z(T_i) или может быть вычислена для совокупности нескольких локальных температурных распределений частиц [2].

Недостатком способа является возникновение в температурном распределении ложных температур и методической ошибки вычисления средней температуры частиц конденсированой фазы в гетерогенном потоке, при появлении аддитивной составляющей линейчатого спектра газовой фазы в результирующем спектре U (фиг.1). Применение данного способа не дает хороших результатов при измерении температурных параметров частиц в гетерогенном (двухфазном) плазменном потоке.

В технологиях газопламенного и плазменного нанесения покрытий газовая фаза используется для транспортировки частиц конденсированной фазы к подложке. При этом газовая фаза обладает значительной температурой и имеет линейчатый спектр собственного излучения, в который входят линии излучения транспортирующего газа и незначительные следы линий излучения-поглощения испарившихся в процессе переноса мелких частиц порошка. Все нагретые частицы конденсированной фазы имеют непрерывный спектр собственного теплового излучения. В результирующем спектре U суммируются интенсивности излучения непрерывного теплового и линейчатого спектров (фиг.2), что делает невозможным определение точного температурного распределения Z по формуле (1), с использованием формулы Планка для получения матрицы А.

Таким образом, известный способ не позволяет получать корректное температурное распределение и среднее значение температуры разнородно нагретых частиц конденсированной фазы в гетерогенном (двухфазном) плазменном потоке, при большой светимости газовой фазы.

Задачей изобретения является повышение точности определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что в заданном сечении дважды производится измерение интенсивности спектральных линий излучения плазменного потока, сначала измеряют интенсивность спектральных линий излучения потока без частиц конденсированной фазы в виде вектора значений S(l₁ ), S(l₂) ,S(l_i),S(l_n), а потом суммарного теплового и линейчатого спектра двухфазного плазменного потока U, из которого затем исключаются все значения на тех длинах волн l_k, где интенсивность спектральных линий плазмы S(l _k) не равна нулю, а из матрицы А, полученной по формуле Планка, исключаются соответствующие столбцы и строки с элементами где i и j равны k. Затем температурное распределение разнородно нагретых частиц находится по формуле (1).

Технический результат - повышение помехозащищенности и точности определения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке.

Повышение точности определения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы в двухфазных плазменных потоках достигается за счет исключения из расчетной гистограммы температурного распределения такого же количества температурных интервалов, как и количество спектральных отсчетов, исключенных из спектра излучения двухфазного плазменного потока на тех длинах волн, где наблюдаются линии спектра излучения плазмы и линии излучения-поглощения испарившихся в процессе переноса мелких частиц порошка, что обеспечивает выделение составляющей теплового излучения конденсированной фазы потока только на тех длинах волн, где нет помехи от фонового излучения спектра плазмы и можно точно определять температурное распределение разнородно нагретых частиц с использованием формулы Планка для спектральной интенсивности излучения нагретого тела по формуле (1).

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг.1 изображен спектр двухфазного плазменного потока, на фиг.2 - спектр газовой фазы плазменного потока, на фиг.3 - схема устройства, реализующая предлагаемый способ определения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы (гистограмма) в двухфазном плазменном потоке.

Способ определения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы движущихся в потоке плазмы осуществляется следующим образом. Измерение интенсивности спектральных линий излучения плазменного потока производят дважды. На первом этапе - в режиме «холостого хода» плазмотрона, измеряют спектр излучения плазменного потока без частиц конденсированной фазы в виде вектора значений S(l_i), S(l₂) ,S(l_i), ,S(l_n), где S(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность, полученная на длине волны l_i . Это позволяет определить те длины волн на которых линии спектра излучения плазмы и линии излучения-поглощения испарившихся в процессе переноса мелких остатков частиц порошка отличны от нуля, и будут в дальнейшем вносить искажения, при регистрации теплового спектра конденсированной фазы потока, в виде аддитивного фона. На втором этапе - в номинальном режиме работы, измеряют суммарный спектр гетерогенного (двухфазного) плазменного потока U, в виде вектора значений U(l_]), U(l₂), U(l_i), U(l_N), где U(l_i) есть суммарная спектральная интенсивность теплового и линейчатого спектра двухфазного плазменного потока, полученная на длине волны l_i. Затем из вектора значений U(l_]), U(l₂), U(l_i), U(l_N) исключают все значения на тех длинах волн l_k, где интенсивность спектральных линий плазмы S(l _k) не равна нулю, а из матрицы А исключают соответствующие столбцы и строки с элементами где i и j равны k. Это обеспечивает выделение составляющей теплового излучения конденсированной фазы потока только на тех длинах волн, где нет помехи от фонового излучения спектра плазмы и можно точно определять температурное распределение разнородно нагретых частиц с использованием формулы Планка для спектральной интенсивности излучения нагретого тела по формуле (1).

Устройство, реализующее предлагаемый способ определения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке (см. фиг.3), содержит оптическую систему 1, которая проецирует изображение сечения 2 двухфазного плазменного потока 3 в плоскость входной щели 4 спектрального дисперсионного устройства 5, на выходе которого в фокальной плоскости расположен многоэлементный линейный фотоприемник 6, работающий в режиме накопления заряда. Фотоприемник 6 состоит из набора N фотодиодов и схемы опроса, которая подает электрические сигналы с фотодиодов на вход аналого-цифрового преобразователя 7. Цифровой выход преобразователя 7 через переключатель режимов 8 передает полученный спектр либо на вход П1 блока выделения спектральных линий фона 9 (на первом этапе измерения интенсивности спектральных линий излучения плазменного потока без частиц конденсированной фазы), либо на вход П2 блока цифровой обработки сигналов 10 (на втором этапе измерения суммарного теплового и линейчатого спектра двухфазного плазменного потока). Выход блока выделения спектральных линий фона 9 передает на вход П3 блока цифровой обработки 10 номера длин волн, интенсивность которых в спектре плазменного потока без частиц конденсированной фазы не равна нулю. На выходе блока цифровой обработки сигналов 10, после исключения из суммарного спектра двухфазного потока и матрицы А значений с номерами, совпадающими с номерами длин волн на выходе блока 9, формируется гистограмма Z температурного распределения частиц 11 согласно формуле (1).

Устройство работает следующим образом. Излучение двухфазного гетерогенного плазменного потока 3, двухфазного плазмотроном и движущегося поперечно относительно заданного сечения 2 (где положение сечения 2 задается положением оптической системы 1 и входной щелью 4 спектрального дисперсионного устройства 5, проходит через оптическую систему 1 и проецируется на входную щель 4 спектрального дисперсионного устройства 5, которое пространственно разделяет прошедшее через входную щель излучение по N длинам волн. Полученное на N длинах волн изображение входной щели проецируется в фокальную плоскость, где находится многоэлементный фотоприемник 6, N фотодиодов которого работают в режиме накопления заряда. На каждом отдельно взятом фотодиоде фотоприемника происходит преобразование падающего излучения в электрический сигнал, и на всех фотодиодах производится параллельное одновременное накопление электрического сигнала в течение времени регистрации t_peг. , что позволяет суммировать все мгновенные спектры излучения гетерогенного потока в сечении 2. После времени накопления заряда t_peг схема опроса фотоприемника передает электрические сигналы с фотодиодов на аналого-цифровой преобразователь 7, а он переводит их в цифровую форму. На первом этапе измерений - в режиме «холостого хода» плазмотрона, измеряют спектр излучения плазменного потока без частиц конденсированной фазы в виде вектора значений S(l_i), S(l₂) ,S(l_i), , S(l_N), которые с выхода преобразователя 7 через переключатель режимов 8 поступают на вход П1 блока выделения спектральных линий фона 9, где каждый элемент из вектора значений S(l_i), S(l₂) ,S(l_i), , S(l_N) сравнивают с заранее известным пороговым значением «темнового» сигнала фотоприемника и определяют набор значений номеров k, содержащий номера k₁, k ₂, k_M тех длин волн l_k, где интенсивность спектральных линий плазмы S(l_k) не равна нулю. Полученный набор значений номеров к с выхода блока выделения спектральных линий фона 9 поступает на вход П3 блока цифровой обработки сигналов 10, где из матрицы А исключают соответствующие столбцы и строки с элементами а(l_i,T_j), где i или j равны одному из значений в наборе k. При этом размер матрицы А уменьшается с N×N до (N-M)×(N-M). На втором этапе измерений - в номинальном режиме работы, (когда в плазменный поток инжектируются частицы конденсированной фазы) измеряют суммарный спектр гетерогенного плазменного потока U, в виде вектора значений U(l_i ), U(l₂), ,U(l_i), U(l_N), выходные данные преобразователя 7 через переключатель режимов 8 поступают на вход П2 блока цифровой обработки сигналов 10, где исключают все значения U(l_k) на тех длинах волн l_k, где интенсивность спектральных линий плазмы S(l_k) не равна нулю. При этом размер вектора значений U(l_i),U(l₂), ,U(l_i), ,U(l_N) уменьшается с N элементов до (N-M) элементов. Затем на основе преобразованных значений вектора U' и матрицы А' в блоке цифровой обработки сигналов 10 определяют гистограмму Z температурного распределения разнородно нагретых частиц 11 конденсированной фазы двухфазного потока.

Преимуществом данного способа является повышение помехозащищенности и точности измерения температурного распределения разнородно нагретых частиц конденсированной фазы двухфазного плазменного потока за счет исключения из суммарного теплового спектра излучения плазменного потока линий спектра газовой фазы, а также повышение технологических возможностей за счет того, что температурное распределение разнородно нагретых частиц можно определять в плазменных потоках с произвольным химическим составом плазмообразующего газа, при меньшей концентрации частиц твердой фазы и большой светимости плазмы.

Пример.

В качестве примера сопоставляются средняя температура и гистограмма температурного распределения монодисперсных частиц электрокорунда (Аl₂О₃) диаметром 100 мкм в одном и том же плазменном потоке аргона с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с и расходом частиц порошка 0,36 кг/с, определенные по предлагаемому способу, и способу описанному в прототипе. Прибор, реализующий предлагаемый способ определения температурного распределения частиц конденсированной фазы в двухфазном плазменном потоке, создан на основе спектральной InGaAs фотодиодной линейки с диапазоном спектральной чувствительности от 0,90 до 1,67 мкм, размером 12,8 мм и 512 фоточувствительными элементами, 16-ти разрядного аналого-цифрового преобразователя, спектрального дисперсионного устройства на дифракционной решетке по схеме Пашена-Рунге с линейной дисперсией 50 нм/мм, блока выделения спектральных линий фона на базе платы сбора данных со встроенным с 64-разрядным микропроцессором и блока цифровой обработки на базе персонального компьютера. Сравнение с прототипом проводилось при отключении блока выделения спектральных линий фона эмиссии аргона, число которых достигало 28 в указанном спектральном диапазоне, а также при использовании одной и той же матрицы теплового спектра, из которой не проводилось исключение столбцов и строк.

Достижением положительного результата является то, что при одной и той же средней температуре частиц в предлагаемом способе была получена гистограмма их температурного распределения в 12 равномерных температурных интервалах в диапазоне температур от 800°C до 2000°C, в то время как по способу, описанному в прототипе, гистограмма температурного распределения имела пять отрицательных значений, что является грубой ошибкой, возникающей из-за влияния эмиссионного спектра аргона в плазме.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1497465, кл. G01J 5/60, 1989 - аналог.

2. Патент РФ № 2107899, G01J 3/30, G01K 13/04, 07.10.1996 г. - прототип.