大气压微波等离子体炬工作平台控制系统的设计与实现

摘要

大气压微波等离子体炬由于在常压下能够维持稳定放电，且有较高的电离度和电子密度，使其在工业领域具有很大的应用前景。但是由于大气压微波等离子体炬放电时会产生噪音，在某些情况下会产生有毒气体，并存在着电磁辐射泄露的危险，类似因素导致的恶劣工作环境极大的影响了操作者的身体健康。此外，由于大气压微波等离子体炬系统的功能模块较多，模块间的协同操作比较繁琐，这不仅会在使用时出现误操作的可能性增加，也会使其与其它系统对接构成更大的系统来协调工作的难度增加，从而在一定程度上限制了其应用发展。为此在我们实验室自主设计出的一套大气压微波等离子体设备（APPLAS-MPT3I）的基础上，为这套设备设计制造了基于LabVIEW的控制系统。该系统在考虑以往的操作习惯的前提下，将各模块间的功能合理的集成，使得操作更加安全、方便。同时由于其运行稳定性能优良及结构合理等多方面优势，对大气压微波等离子体炬在工业上的应用拓展，有着一定的促进意义。 该系统采用模块化的结构，分别是微波源控制模块、等离子体炬发生装置控制模块、气体流量控制模块及图像采集模块。各个子模块之间互相独立协调配合。等离子体炬控制模块主要由串口继电器及供电电源组成，用于控制热阻开关和点火器。微波电源设有RS-485串口，可直接连接计算机控制功率的输入值并反馈工作参数。气体流量控制模块采用质量流量控制器通过数模转换装置与计算机相连，用于控制气体流量并反馈输入气体流量值。图像采集模块的硬件部分主要是高清USB控制线及与之相连的摄像头，用于实时采集图像并监测等离子体炬放电情况。 我们利用该控制系统实现了大气压微波等离子体炬放电的稳定工作状态，研究了大气压微波等离子体对于CO2气体的分解效率。观察到CO2等离子体炬由明亮的中心区域及较暗淡的蓝光余辉区组成；当输入功率低于1200W或者气体流量低于10SLM时，等离子体炬会呈不稳定状态。此外，分析了CO2气体输入量及微波输入功率的变化对炬形态的影响，发现等离子体炬的体积受输入功率的影响较大，而气体流量对其影响不大。此外，我们通过拍摄发射光谱对CO2等离子体炬进行了诊断，发现CO2等离子体中在长波区间出现了具有一定强度的C、O元素的原子谱线，而在波长较短区域内的C、O元素的原子谱线几乎都被C2(d3Πg-a3Πu)及CN（B2Σ+-X2Σ+）自由基谱带所覆盖；同时对比了在不同工作参数下及不同位置处等离子体炬的发射光谱强度，并对其内部反应机制进行了初步分析。后续工作我们将从计算CO2等离子体温度与CO2气体分解率及探究通入Ar、N2及CH4对CO2气体分解的影响等方面展开。

目录

声明

1 绪论

1.1 大气压等离子体概述

1.1.1 等离子体的基本概念与分类

1.1.2 大气压等离子体发生装置及应用

1.2 等离子体装置控制系统发展概述

1.3 本文研究背景及内容

1.3.1 研究背景

1.3.2 研究内容

2 大气压微波等离子体炬工作平台

2.1 微波能量的产生

2.2 微波能量的传输、阻抗匹配及等离子体激励

2.3 大气压微波等离子体炬的气流量控制

3 大气压微波等离子体炬控制系统的设计

3.1 总体方案

3.2 LabVIEW与仪器控制

3.3 系统功能模块

3.3.1 等离子体炬发生装置控制模块

3.3.2 质量流量控制器模块

3.3.3 微波功率源控制模块

3.3.4 图像采集模块

3.3.5 控制系统前面板

4 微波等离子体炬控制系统的实现及其在CO2放电研究中的应用

4.1 微波等离子体炬控制系统的实现

4.2 利用大气压微波等离子体炬产生CO2等离子体放电的研究

4.2.1大气压微波CO2等离子体炬放电形态的特性分析

4.2.2 大气压微波CO2等离子体炬发射光谱的初步诊断

4.3 后续工作

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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