CN111781469A - 一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈 - Google Patents

一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈。该方法采用非接触式方式实现了对在真空中推力器放电产生的脉冲电流的测量。测量对象为电推进领域的脉冲等离子体推力器的放电电流。测量***的主要结构包括：绕匝线圈、线圈架和外积分器。本发明通过测量通过绕匝线圈两端的电磁感应电动势，并经过模拟电路积分，根据法拉第电磁感应定律和按配环路定律可以得到积分后的感应电动势与通过的脉冲放电电流成正比例关系。最后通过内接的电流测量元件进行标定，实现了对非接触式脉冲电流的测量。

Description

一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈
技术领域
本发明属于电推进等离子体诊断领域，具体涉及一种使用非接触式方法测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈。
背景技术
脉冲等离子体推力器是一类利用脉冲放电直接电离的推进剂，通过电磁场将带电粒子加速喷出，从而获得推进动力的一种先进推进方式。相较于传统的化学推进方式，脉冲等离子体推力器推进具有显著的优势：高比冲和高效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。脉冲等离子体推力器目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进***。
测量脉冲等离子体推力器的基本的放电特性，例如放电电压、放电电流等相关参数，对于提高优化发动机设计以及发动机性能具有重要意义。电推力器放电电流直接决定了发动机比冲的大小和效率的高低，是检测推力器工作状态最基本也是最重要的一个参数。因此测量脉冲等离子体推力器的放电电流是电推力器等离子体诊断中至关重要的一环。但是，脉冲等离子体推力器的放电为容性瞬时放电，真空的工作条件，放电电流在kA级别，时间为μs量级，且触发放电前有火花塞产生的噪声，这对放电电流的测量带来了巨大的挑战。针对由脉冲等离子体推力器脉冲放电产生的大电流，目前还没有专门的诊断方法进行测量。
发明内容
本发明旨在提供一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈，能够测量得到发动机放电电流的放电特性曲线，并最终实现脉冲等离子体推力器放电电流在真空中的无接触式测量。具体内容如下：
一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈，具体包括：绕匝线圈和线圈架。绕匝线圈以漆包线密绕成400匝并缠成环形绕在线圈架上；线圈架为中部带有圆形通孔的铜钱状环氧树脂材料，圆形通孔用于穿过推力器的电容阳极；线圈架的外部采用环氧树脂胶进行密封。
进一步的，所述线圈架引出两根绕匝线的正负极。
基于所述罗氏线圈的测量脉冲等离子体推力器放电电流的测量***，包括：罗氏线圈和外接电路。外接电路包括外接积分电路电阻和电容。
进一步的，所述外接积分电路为：采样电阻R1与罗氏线圈并联；积分电阻R2与采样电阻R1的正极电连接；ui(t)为罗氏线圈不带积分器随放电电流i(t)的互感电动势；积分电容C与积分电阻R2的正极电连接，积分电容另一端与采样电阻R1的负极电连接；滤波电阻R3与积分电容C和积分电阻R2的公共端电连接；其中，L为罗氏线圈的自感系数，r是罗氏线圈的直流电阻，C0为寄生电容。
基于所述无相位差罗氏线圈的脉冲等离子体推力器放电电流的测量方法，包括以下步骤：
(1)将罗氏线圈套接在放电电流流过的导线上，使放电电流穿过罗氏线圈的正中心；罗氏线圈上的导线两端相应产生变化的电动势。
(2)推导罗氏线圈上导线产生的电动势的积分值uc与通过该线圈的脉冲等离子体推力器放电电流i(t)的数学关系。
脉冲电流穿过罗氏线圈中心时，罗氏线圈上密绕的导线产生变化的电流，根据安培环路定理推导得式(1)：
Figure BDA0002497760050000021
由式(1)得到ui的积分值与通过罗圈中心的推力器放电电流i(t)成正比例关系，测量回路中电流流过电阻和电感所产生的电压值恒等于罗氏线圈的互感电压ui，得到式(2)：
Figure BDA0002497760050000022
其中：N为罗氏线圈的绕线匝数，M为罗氏线圈本身的互感系数，B为磁感应强度，S为罗氏线圈的积分环路，t为时间，L为罗氏线圈的自感系数，C0为寄生电容，u1为积分电路两端电压，r是罗氏线圈的直流电阻，R1为采样电阻。
(3)计算积分外接电路的感应电动势u1。
Figure BDA0002497760050000023
(4)计算罗氏线圈测量***的传递函数H；建立罗氏线圈***H(s)的灵敏度和***特性与积分电阻R2和电容C的关系。
在初始条件为0的情况下，根据拉氏变换，罗氏线圈两端感应电动势方程(1)，测量回路的电压电流方程(2)和罗氏线圈外电路的积分环节方程式(3)，三式的传递函数分别为：
Figure BDA0002497760050000031
Figure BDA0002497760050000032
Figure BDA0002497760050000033
对于罗氏线圈与测量回路和积分电路的串联回路，总的传递函数H(s)为式(4)、(5)、(6)的乘积：
Figure BDA0002497760050000034
(5)根据模型计算得到积分电路的电阻R2和电容C的合理参数取值，获得无时间相位差的标定系数。
(6)通过步骤(5)中的标定系数，采用电路内接分流器的测量方法得到电流的标准值，获得罗氏线圈测量放电电流的测量值。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过法拉第电磁感应定律和安培环路定律规则，利用罗氏线圈的电动势积分值与通过电流值的正比例关系，采用电阻、电容(RC积分器)模拟电路的积分方式，并基于此实现了对脉冲等离子体推力器放电电流的测量。
(2)本发明的采用环氧树脂材料对罗氏线圈进行密封。一方面，保障了罗氏线圈内部的绝缘性；另一方面，保障了线圈可以在真空中使用。
(3)本发明中罗氏线圈以放电电路内接分流器作为标准值进行标定，保障了测量值的绝对准确，实现了罗氏线圈脉冲电流的非接触式准确测量。
(4)本发明推导得到了罗氏线圈测量***的传递函数，首次提出了罗氏线圈***的灵敏度和相位与积分电路的时间之间的常数相关，实现了无相位误差的罗氏线圈测量***。
附图说明
图1为本发明的罗氏线圈的二维剖视图。
图2为本发明的罗氏线圈与外接电路的连接方式示意图。
图3为本发明的罗氏线圈的外接电路示意图。
其中，i(t)-线圈的脉冲等离子体推力器放电电流，R1-采样电阻，R2-积分电阻，R3-滤波电阻，C-积分电容；L-线圈的自感系数，r-线圈的直流电阻，C0-寄生电容，U0-罗氏线圈感应电动势，Uc-积分感应电动势。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明的目的在于设计一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的罗氏线圈，以测量发动机放电电流的放电特性曲线。所述用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的罗氏线圈，具体包括：绕匝线圈和线圈架。绕匝线圈以漆包线密绕成400匝并缠成环形绕在一根中性的聚四氟乙烯圆环上，绕线完成的环形线圈需绕线圈架一周并引出正负极两根线；线圈架为中部带有圆形通孔的铜钱状环氧树脂材料，该圆形通孔用于穿过推力器的电容阳极，这样保证了放电过程中放电电流完全穿过罗氏线圈；线圈架的外部采用环氧树脂胶进行密封，一方面保障了罗氏线圈内部的绝缘性，另一方面保障了线圈可以在真空中使用；至此罗氏线圈的线圈部分(如图1所示)已经描述完成，该部分功能主要是通过脉冲电流通过线圈架中心孔，在绕匝线上产生感应电动势。
本发明提供的罗氏线圈的外接积分器电路图(如图3所示)，包括电阻器和电容组成模拟电路。其中R1为采样电阻又称为阻尼电阻，R2为积分电阻，R3为滤波电阻，C为积分电容，L为罗氏线圈的自感系数，r是罗氏线圈的直流电阻，C0为寄生电容。具体步骤如下：
(1)将罗氏线圈套接在放电电流流过的导线上，使放电电流穿过罗氏线圈的正中心；罗氏线圈上的导线两端相应产生变化的电动势；
推导罗氏线圈上导线产生的电动势的积分值uc与通过该线圈的脉冲等离子体推力器放电电流i(t)的数学关系；
脉冲电流穿过罗氏线圈中心时，罗氏线圈上密绕的导线产生变化的电流，根据安培环路定理推导得式(1)：
Figure BDA0002497760050000051
由式(1)得到ui的积分值与通过罗圈中心的推力器放电电流i(t)成正比例关系，测量回路中电流流过电阻和电感所产生的电压值恒等于罗氏线圈的互感电压ui，得到式(2)：
Figure BDA0002497760050000052
其中：N为罗氏线圈的绕线匝数，M为罗氏线圈本身的互感系数，B为磁感应强度，S为罗氏线圈的积分环路，t为时间，L为罗氏线圈的自感系数，C0为寄生电容，u1为积分电路两端电压，r是罗氏线圈的直流电阻，R1为采样电阻；
(3)计算积分外接电路的感应电动势u1：
Figure BDA0002497760050000053
(4)计算罗氏线圈测量***的传递函数H；建立罗氏线圈***H(s)的灵敏度和***特性与积分电阻R2和电容C的关系；
在初始条件为0的条件下，根据拉氏变换，罗氏线圈两端感应电动势方程(1)，测量回路的电压电流方程(2)和罗氏线圈外电路的积分环节方程式(3)，三式的传递函数分别为：
Figure BDA0002497760050000054
Figure BDA0002497760050000055
Figure BDA0002497760050000056
对于罗氏线圈与测量回路和积分电路的串联回路，总的传递函数H(s)为式(4)、(5)、(6)的乘积：
Figure BDA0002497760050000061
(5)根据模型计算得到积分电路的电阻R2和电容C的合理参数取值，获得无时间相位差的标定系数；
(6)通过步骤(5)中的标定系数，采用电路内接分流器的测量方法得到电流的标准值，获得罗氏线圈测量放电电流的测量值。
实际测量过程中需要通过实验对积分电路的参数进行进一步调整和整定。线圈的脉冲等离子体推力器放电电流i(t)与罗氏线圈的互感电动势ui(t)的积分值成正比，受积分电路参数的影响会有小幅的相差关系。本发明运用罗氏线圈测量过程中通过外接积分电路，最终完成对脉冲电流的测量。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。

Claims (5)

1.一种用于测量脉冲等离子体推力器放电电流的无相差罗氏线圈，其特征在于，具体包括：绕匝线圈和线圈架；绕匝线圈以漆包线密绕成400匝并缠成环形绕在线圈架上；线圈架为中部带有圆形通孔的铜钱状环氧树脂材料，圆形通孔用于穿过推力器的电容阳极；线圈架的外部采用环氧树脂胶进行密封。
2.根据权利要求1所述的罗氏线圈，其特征在于，所述线圈架引出两根绕匝线的正负极。
3.基于权利要求1所述罗氏线圈的一种测量脉冲等离子体推力器放电电流的测量***，其特征在于，包括：罗氏线圈和外接电路；外接电路包括外接积分电路电阻和电容。
4.根据权利要求3所述的测量***，其特征在于，所述外接积分电路为：采样电阻R1与罗氏线圈并联；积分电阻R2与采样电阻R1的正极电连接；ui(t)为罗氏线圈不带积分器随放电电流i(t)的互感电动势；积分电容C与积分电阻R2的正极电连接，积分电容C另一端与采样电阻R1的负极电连接；滤波电阻R3与积分电容C和积分电阻R2的公共端电连接；其中，L为罗氏线圈的自感系数，r是罗氏线圈的直流电阻，C0为寄生电容。
5.基于权利要求4所述的无相位差罗氏线圈的脉冲等离子体推力器放电电流的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将罗氏线圈套接在放电电流流过的导线上，使放电电流穿过罗氏线圈的正中心；罗氏线圈上的导线两端相应产生变化的电动势；
(2)推导罗氏线圈上导线产生的电动势的积分值uc与通过该线圈的脉冲等离子体推力器放电电流i(t)的数学关系；
脉冲电流穿过罗氏线圈中心时，罗氏线圈上密绕的导线产生变化的电流，根据安培环路定理推导得式(1)：
Figure FDA0002497760040000011
由式(1)得到ui的积分值与通过罗圈中心的推力器放电电流i(t)成正比例关系，测量回路中电流流过电阻和电感所产生的电压值恒等于罗氏线圈的互感电压ui，得到式(2)：
Figure FDA0002497760040000021
其中：N为罗氏线圈的绕线匝数，M为罗氏线圈本身的互感系数，B为磁感应强度，S为罗氏线圈的积分环路，t为时间，L为罗氏线圈的自感系数，C0为寄生电容，u1为积分电路两端电压，r是罗氏线圈的直流电阻，R1为采样电阻；
(3)计算积分外接电路的感应电动势u1：
Figure FDA0002497760040000022
(4)计算罗氏线圈测量***的传递函数H；建立罗氏线圈***H(s)的灵敏度和***特性与积分电阻R2和电容C的关系；
在初始条件为0的情况下，根据拉氏变换，罗氏线圈两端感应电动势方程(1)，测量回路的电压电流方程(2)和罗氏线圈外电路的积分环节方程式(3)，三式的传递函数分别为：
Figure FDA0002497760040000023
Figure FDA0002497760040000024
Figure FDA0002497760040000025
对于罗氏线圈与测量回路和积分电路的串联回路，总的传递函数H(s)为式(4)、(5)、(6)的乘积：
Figure FDA0002497760040000026
(5)根据模型计算得到积分电路的电阻R2和电容C的合理参数取值，获得无时间相位差的标定系数；
(6)通过步骤(5)中的标定系数，采用电路内接分流器的测量方法得到电流的标准值，获得罗氏线圈测量放电电流的测量值。
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