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中国学者发布新型等离子体压力传感器,为航空发动机提供技术支撑

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电气技术

2022-01-01 13:34

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中国科学院轻型动力创新研究院、中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)等单位的研究人员李帆、罗海云 等人,在2021年第15期《电工技术学报》上撰文,研究了一种基于直流辉光放电等离子体原理的气体压力测量方法,设计了一种等离子体压力传感器,并对该传感器的放电维持电压与气压之间的关系进行了稳态及动态标定实验。

稳态标定实验结果表明,50μm 间隙适用于气压量程0.4~2.0atm(1atm=101325Pa),220μm 适用于气压量程0.5~5.0atm,此时电流选取在3.0~5.0mA之间。动态标定实验在激波管实验台上进行,结果表明等离子体压力传感器和参考Endevco压阻式传感器的上升时间基本一致,均为1μs;且通过计算动态传递函数可得,该等离子体压力传感器及其电源、电子电路系统的固有频率为146.6kHz,未来可以为航空发动机、冲压发动机严苛高温环境及超高速流动中的高频压力脉动信息的获取提供支撑。

中国学者发布新型等离子体压力传感器,为航空发动机提供技术支撑

临界空间高超音速飞行器是21世纪航空航天领域的研究热点之一,该技术领域两大难题为附面层转捩点的预测及冲压发动机进气道/隔离段的流场测试,即高温环境下的高频动态压力测量。例如,飞行马赫数为10时,冲压发动机隔离段的最大滞止温度将大于1700℃;高超声速附面层转捩过程则会出现150~400kHz的压力脉动。

现有广泛应用的动态压力传感器,主要包括可用频率响应范围为Hz~105Hz的压阻式、压电式、电容式等类型,以及由此发展起来的多孔动态压力探针式,但通常不适用于高温环境的测量(通常低于120℃)。在牺牲动态频响和尺寸的前提下,J.F.Brouckaert在温度高达900 ℃、气压环境为5atm(1atm=101.325kPa)的航空发动机排气环境下实现了测试,M. Mersinligil等在温度超过1600 ℃、4atm的冲压发动机环境实现了测试,但最高可用频响均不超过100kHz,且尺寸较大(6~8mm)。

其他可用于高温环境测试的压阻式压力传感器,如Kulite公司带有水冷却结构的EWCTV—312型号,具有耐高温压力敏感元件的蓝宝石法-珀腔光纤式、SiC法-珀腔光纤式高温压力传感器等,适用环境温度虽然能够达到1000℃,尺寸仍然偏大,均无法满足附面层转捩区及进气道/隔离段高温环境下的高频压力脉动测试需求。由此可见,基于传统的测压原理已经很难同时突破温度和频响的瓶颈,亟需寻求新的原理实现高温环境高频动态压力的测试需求。

利用等离子体技术开发的动态压力传感器为这种高温环境下的高频压力测试提供了可能性,这种测量技术理论上不受热惯性和质量惯性的限制,动态响应频率由激励频率决定,可达MHz水平。

等离子体在气动热力学领域的应用,一种是基于“等离子体气动激励”的主动流动控制技术,在抑制气流边界层分离和改善气动阻力方面具有良好的应用前景。另一种则是利用等离子体进行气动测量,最早是由加州理工学院的冯•卡门教授团队提出来的,该团队围绕开发研制高频响等离子体风速计,进行了一系列的研究。

在前人探索的基础上,近年来美国圣母大学的E. Matlis和T. Corke 团队进一步在等离子体风速计的研制与应用方面进行了拓展,国内空军工程大学张耘玮等研究了射频等离子体辉光放电特性与稳态风速之间的关系。

在利用等离子体原理开发压力传感器方面,2008年圣母大学团队将一个热电偶改装成等离子体压力传感器,并将其嵌在一台跨音压气机的机匣壁面,用来感受壁面压力扰动。同年圣母大学航空系的C.E.Marshall 博士设计了一种等离子体压力传感器,并在脉冲爆震发动机和旋转爆震发动机试验台(火焰温度为2760℃)上进行了激波测试,这些实验结果意味着等离子体压力传感器在高焓、高速流动中具有非常大的应用潜力。

然而,辉光放电等离子体电压-气压关联性的实验结果仍然不够完善,从发表的文献来看所研究的压力范围都是低于1atm或大气压环境下研究的,抑或是稀有气体放电,并不能满足实际的应用环境要求,即放电介质为空气且通常高于1atm的应用环境,并且等离子体压力传感器的动态响应特性仍是研究空白。

本项目研究团队前期针对辉光放电等离子体对低气压范围(0.5~1.0atm)变化的响应特性进行了研究,并通过伏安特性曲线和放电图片确定了传感器工作在辉光放电状态,通过实验证明了利用辉光放电等离子体进行稳态气压测量的可行性。因此,本项目在上述研究的基础上,进一步开展辉光放电等离子体在高气压环境下的实验研究,并针对这种压力传感器开展了稳态标定和激波管动态标定实验。

科研人员首先介绍了激励等离子体的高压电源及电子电路,以及稳态标定的实验装置;其次在高压气罐中对三种不同间隙的等离子体压力传感器进行了宽气压范围(0.4~5.0atm)稳态标定,设计一种等离子体压力传感器,在激波管实验台上进行了动态标定实验,以期为这种新型的等离子体压力传感器在实际应用场合提供理论支撑及设计准则。

中国学者发布新型等离子体压力传感器,为航空发动机提供技术支撑

图1 等离子体压力传感器结构及实物

科研人员最后得到的具体结论如下:

1)标准大气压环境下,保持外电路电流3mA不变,辉光放电的维持电压首先随着电极间隙的增大而逐渐减小,经过50μm时的电压最小值之后,再随着电极间隙的增大而逐渐增大,且基本呈线性关系。

2)稳态结果表明:50μm间隙适用于气压量程0.4~2.0atm,等离子体维持电压随着气压升高而减小,具有较为良好的单调递减趋势,对应的电压变化为44V,灵敏度为0.275V/kPa。

电流选取在3~5mA之间,220μm间隙适用于气压量程0.5~5.0atm,等离子体维持电压随着气压升高而增大,呈良好的单调递增趋势。电流选定为3mA时,气压从0.5atm升高到3.4atm,对应的电压变化为86V,灵敏度为0.297V/kPa;电流选定为4mA时,气压从0.6atm升高到5.0atm,对应的电压变化为90V,灵敏度为0.205V/kPa;电流选定为5mA时,气压从0.8atm升高到3.9atm,对应的电压变化为70V,灵敏度为0.226V/kPa。

3)激波管标定实验结果表明,等离子体压力传感器与Endevco压阻式传感器均可以测试到激波的压力上升过程,且二者对阶跃压力的响应上升时间均为1μs。通过计算动态传递函数可得,该等离子体压力传感器及其电源、电子电路系统的固有频率为146.6kHz,Endevco压阻式传感器的固有频率为279.24kHz。虽然目前等离子体压力传感器和成熟的压阻式传感器相对比在频响上还有一定差距,但后期可通过改进高压电源和电子电路的响应特性来获取更高的频响。

下一步将主要针对等离子体压力传感器所适用的应用环境展开研究:研究大气压高温环境、高气压高温环境对等离子体放电和对气压响应规律的影响,为航空发动机、冲压发动机严苛高温环境及超高速流动中的高频压力脉动信息的获取提供技术保障。

以上研究成果发表在2021年第15期《电工技术学报》,论文标题为“基于直流辉光放电等离子体的气体压力传感器”,作者为李帆、罗海云 等。

# 等离子体
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