一种能量、脉宽和频率可控的点火装置的制作方法

本发明涉及点火装置领域，尤其是涉及一种能量、脉宽和频率可控的点火装置。

背景技术：

现有的点火实验研究普遍直接购买现有的点火器和相应的控制模块进行实验，这种点火器点火能量和脉宽等参数相对单一，无法根据实验需要在一定的范围内调节，因此无法用于分析点火能量和脉宽对点火过程的影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在点火能量和脉宽等参数相对单一，无法用于分析点火能量和脉宽对点火过程的影响的缺陷而提供一种能量、脉宽和频率可控的点火装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种能量、脉宽和频率可控的点火装置，包括点火器及其控制电路，所述控制电路包括低压单元、变压器单元、限流电阻、电压测量单元和电流测量单元，所述低压单元包括直流电源、电源开关和高速开关，所述直流电源、电源开关、高速开关和变压器单元的输入端构成串联回路，所述变压器单元的输出端、限流电阻、点火器和电流测量单元构成串联回路，所述点火器和电流测量单元的整体的两端并联有所述电压测量单元。

进一步地，所述高速开关的导通时长和频率通过脉冲信号控制。

进一步地，所述变压器单元包括变压器和第一二极管，所述第一二极管并联在所述变压器的输入端。

进一步地，所述电压测量单元包括第一测量探头，以及串联连接的第二电阻和第三电阻，所述第二电阻和第三电阻的阻值比例为500:1，所述第一测量探头与所述第三电阻并联。

进一步地，所述第三电阻还并联有第二二极管，所述第三电阻还并联有第二电容。

进一步地，所述电流测量单元包括第四电阻和第二测量探头，所述第二测量探头与所述第四电阻并联。

进一步地，所述第四电阻还并联有第三二极管，所述第四电阻还并联有第三电容。

进一步地，所述点火器包括导线、电极、电极固定金属外壳和法兰金属外壳，所述导线和电极的数量均为两个，两个所述电极的一端共同形成有击穿间隙，另一端分别连接有一个所述导线，所述电极固定金属外壳固定连接所述电极，所述法兰金属外壳分别固定连接所述电极固定金属外壳和所述导线.

进一步地，所述电极固定金属外壳和所述电极的连接处，以及所述法兰金属外壳和所述导线的连接处均设有单孔陶瓷管。

进一步地，所述法兰金属外壳设有螺栓孔，用于通过螺栓连接燃烧室和所述法兰金属外壳，所述法兰金属外壳和所述燃烧室的连接处还设有密封圈，所述法兰金属外壳和导线之间使用密封胶进行填充。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)点火能量、脉宽可调：本发明的点火电路可对点火器的进行控制，通过直流电源和限流电阻可以调节点火器点火能量的大小；通过控制高速开关的导通时间，可以控制点火器工作脉宽的大小；通过设计的分压电路可以对点火器的电流和电压进行测量，并计算出点火的能量和脉宽，由此便于分析点火能量和脉宽对点火过程的影响。

(2)点火频率可调：本发明的点火电路可对点火器的进行控制，通过控制高速开关的导通频率，可以控制点火器工作频率。

(3)本发明可实现当高速开关脉宽为0～4ms，用于测试提供的直流电源电压为60-300v，限流电阻阻值为0～50kω时，点火器的点火能量范围为0.015j～0.44j，点火时间范围是100us～8.4ms，点火频率可达10⁵hz。

(4)工作范围宽：点火器通过结构设计和材料的选择保证其具有良好的绝缘性、可靠性、密封性和耐温性，既可用于常温常压工况的点火实验，也可用于再点火的实际低温低压工况的点火实验。

附图说明

图1为本发明点火装置的点火电路的原理框图；

图2为本发明点火装置的点火电路的结构示意图；

图3为本发明点火装置的点火器的结构示意图；

图4为本发明点火装置的点火器与燃烧室的第一装配图；

图5为本发明点火装置的点火器与燃烧室的第二装配图；

图中，1、低压单元，101、直流电源，102、电源开关，103、高速开关，104、保险丝，105、第一电容，106、信号发生器，2、变压器单元，201、变压器，202、第一二极管，3、限流电阻，4、电压测量单元，401、第二电阻，402、第三电阻，403、第一测量探头，404、第二电容，405、第二二极管，5、电流测量单元，501、第四电阻，502、第二测量探头，503、第三电容，504、第三二极管，6、点火器，601、电极，602、第一单孔陶瓷管，603、电极固定金属外壳，604、第二单孔陶瓷管，605、密封圈，606、法兰金属外壳，607、第三单孔陶瓷管，608、密封胶，609、导线，7、单旋流燃烧室，701、燃烧室入口，702、燃烧室出口，703、燃烧室侧壁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种能量、脉宽和频率可控的点火装置，包括点火器6及其控制电路，控制电路包括低压单元1、变压器单元2、限流电阻3、电压测量单元4和电流测量单元5，低压单元1包括直流电源101、电源开关102和高速开关103，电源开关102、直流电源101、高速开关103和变压器单元2的输入端构成串联回路，变压器单元2的输出端、限流电阻3、点火器6和电流测量单元5构成串联回路，点火器6和电流测量单元5的整体的两端并联有电压测量单元4。

电源开关102、直流电源101、高速开关103和变压器单元2的输入端构成串联回路中可再串联保险丝104。

下面对本实施例点火装置各单元、工作原理和具体实施过程进行详细描述。

1、低压单元1

高速开关103的导通时长和频率通过脉冲信号控制，可反复导通，实现放电间隔可调。直流电源101的连接线路中还串联有保险丝104。电源开关102和直流电源101的整体还并联有第一电容105。

上述的第一电容105是储能电容，电容量大，可在放电时保持电压稳定。

上述的直流电源101的电压范围(即电源总的电压范围)为0～300v，电容c1用于稳定电压。

上述的高速开关103为三极管，可用于控制低压部分电路的导通时长，工作脉宽可达到μs量级，接入信号发生器106，可使用单片机、信号发生器等输入脉冲信号控制电路工作时长和频率，进而控制点火器的工作脉宽和点火频率。

2、变压器单元2

变压器单元2包括变压器201和第一二极管202，第一二极管202并联在变压器201的输入端。

上述的变压器201的电路为zvs振荡电路或普通的变压器，电压放大倍数为100，在低压电路上接有第一二极管202用于抑制次级反射，即第一二极管202起保护作用，防止放电后的感应电压(可达300v以上)损坏高速开关等电路元件。

3、限流电阻3

上述的限流电阻3用于控制高压电路电流的大小，进而控制点火器的点火能量，取值范围为0～50kω。

4、电压测量单元4

电压测量单元4包括第一测量探头403，以及串联连接的第二电阻401和第三电阻402，第一测量探头403与第三电阻402并联。第二电阻401和第三电阻402的阻值比例可通过跟换电阻调整，本实施例中第二电阻401和第三电阻402的阻值比例为500:1。

第三电阻402还并联有第二二极管405，第三电阻402还并联有第二电容404。

上述的电压测量部分由阻值比例为500:1的两个功率电阻，即第二电阻401和第三电阻402串联而成，在小阻值电阻上并联tvs二极管，即第二二极管405用于减弱浪涌对元件的损害，并联680pf的第二电容404用于滤波和控制信号衰减时间，第一测量探头403用于电压采集。

5、电流测量单元5

电流测量单元5包括第四电阻501和第二测量探头502，第二测量探头502与第四电阻501并联，第四电阻501还并联有第三二极管504，第四电阻501还并联有第三电容503。

上述的电流测量部分使用一个10ω功率电阻，即第四电阻501与点火器6串联，在电阻上并联tvs二极管，即第三二极管504用于减弱浪涌对元件的损害，并联1nf的第三电容503用于滤波和控制信号衰减时间，第二测量探头502用于电压采集。

第二二极管405和第三二极管504都是tvs二极管，起保护作用，防止第二测量探头502处电压过高，损坏测量元件。

第一测量探头403和第二测量探头502可以为高压探头也可以为低压探头，根据实际电压情况确定。

6、点火器6

目前，对航空发动机燃烧室的点火实验研究大部分在常温常压条件下进行，但在高空实际运行时，燃烧室容易出现熄火，而再点火的工况为低温低压，为扩宽燃烧室的点火包线需要在实际工况下开展点火实验研究。低温低压的工况对点火装置的设计提出新的要求，即要求点火装置在满足绝缘性、可靠性的基础上，需要进一步考虑密封性、耐温性等问题。

如图3所示，点火器6包括导线609、电极601、电极固定金属外壳603和法兰金属外壳606，导线609和电极601的数量均为两个，两个电极601的一端共同形成有击穿间隙，另一端分别连接有一个导线609，电极固定金属外壳603固定连接电极601，法兰金属外壳606分别固定连接电极固定金属外壳603和导线609；

电极固定金属外壳603和电极601的连接处，以及法兰金属外壳606和导线609的连接处均设有单孔陶瓷管。

法兰金属外壳606设有螺栓孔，用于通过螺栓连接燃烧室和法兰金属外壳606，法兰金属外壳606和燃烧室的连接处还设有密封圈。

法兰金属外壳606和导线609之间，采用密封胶608进行填充保证点火器内部结构的密封性，密封胶608为高温玻璃胶。

上述的电极为直径0.8mm的钨丝，形状为“l”，两端电极相对放置，电极间距为2mm，电极的击穿电压约为5kv。

上述的单孔陶瓷管为纯度95％以上的氧化铝，内径与外径分别为1×2mm、2×4mm和5×7mm，室温下击穿电压10kv/mm，最高使用温度为1000～1500℃。

上述的金属外壳的材料为铝合金，具有较低的导热系数；金属外壳由两部分构成，第一段为双孔铝合金管，用于固定电极，第二段为法兰，通过m4的螺栓将点火器与燃烧室侧壁703连接，两者同轴装配，并通过一个台阶限位。

上述的密封垫圈为石墨金属法兰缠绕垫片，耐温范围可以达到-100～800℃；

上述的密封胶为高温玻璃胶，其工作温度范围为-80～1300℃。

7、工作原理

本发明利用变压器将直流电源101提高至kv量级，从而击穿电极之间的空气间隙，形成电火花；通过设计的分压电路可以对点火器的电流和电压进行测量，并计算出点火的能量和脉宽。高速开关103的导通时间可以控制点火器工作脉宽的大小，直流电源101和限流电阻3可以调节点火器点火能量的大小。

本发明通过采用法兰的结构和密封圈点火器和燃烧室壁面连接处的密封性，采用密封胶保证点火器内部结构的密封性，利用绝缘性良好的陶瓷管将电极与金属外壳隔离，提高点火器的绝缘性，此外所选材料均具有较宽的工作温度范围，可满足点火器设计的温度要求。

8、具体实施过程

本实施例的燃烧室点火装置，主要由图2的点火电路和图3的点火器构成。

图2的点火电路由低压单元1、变压器单元2、限流电阻3、电压测量单元4、电流测量单元5、点火器6构成，所述的低压部分连接在变压器单元2的一级线圈一侧，所述的限流电阻3、电流测量单元5、电压测量单元4、点火器6连接在变压器单元2的次级线圈一侧，所述的限流电阻3与电流测量单元5和点火器6串联，所述的电压测量单元4与电流测量单元5和点火器6并联。

所述的低压单元1由直流电源101、电源开关102、高速开关103、保险丝104和第一电容105构成，直流电源101、电源开关102、保险丝104串联后与第一电容105并联，再与高速开关103串联，高速开关103与外部的信号发生器106连接所述的变压器单元2由第一二极管202和变压器201组成，第一二极管202与变压器201的一级线圈并联。所述的限流电阻3由一电阻构成。所述的电压测量单元4由第二电阻401和第三电阻402、第一测量探头403(电压测量探头)、第二电容404、第二二极管405(tvs二极管)构成，第二电阻401与第三电阻402串联，第一测量探头403、第二电容404、第二二极管405均与第三电阻402并联。所述的电流测量单元5由第四电阻501、第二测量探头502、第三电容503、第三二极管504(tvs二极管)构成，第二测量探头502、第三电容503、第三二极管504均与第四电阻501并联。

直流电源101用于改变点火器电极两端的电压值，其电压值可以在0～300v范围内进行调节。高速开关103用于改变点火脉宽和频率，其导通时长和频率可以分别通过输入的脉冲信号的脉宽和频率控制，脉宽最小可以达到μs量级，频率可达10⁵hz，脉冲信号可以由单片机、信号发生器106等产生。限流电阻3用于限制次级线圈的电流大小，调节点火器的点火能量。电压测量单元4和电流测量单元5用于测量点火器6的工作电压和工作电流，从而确定点火能量和脉宽的大小。

图3的点火器6主要由电极601和导线609构成电路，导线609接入图2中的点火器6部分，由电极固定金属外壳603和法兰金属外壳606构成金属外壳，由第一单孔陶瓷管602、第二单孔陶瓷管604、第三单孔陶瓷管607同轴嵌套构成绝缘材料，由密封圈605和密封胶608对点火器与燃烧室间的缝隙进行密封。工作时导线609接入电路，电极601产生高压并击穿空气形成电火花，第一单孔陶瓷管602设置在电极601上，第二单孔陶瓷管604设置在第一单孔陶瓷管602外侧，并安装在电极固定金属外壳603上，实现将电极601与电极固定金属外壳603隔离；第三单孔陶瓷管607设置在电极601和导线609的连接部分的外侧，实现将电极601与导线609的连接部分与法兰金属外壳606隔离，避免击穿或者漏电。

如图4和5所示，本实施将点火器用在单旋流燃烧室7中，单旋流燃烧室7包括燃烧室入口701、燃烧室出口702和燃烧室侧壁703，点火器通过螺栓将法兰金属外壳606与燃烧室侧壁703连接，两者之间装有密封圈605，避免气体因压力差而泄漏。

本实施例中，第一单孔陶瓷管602的内径和外径为1×2mm，第二单孔陶瓷管604的内径和外径为2×4mm，第三单孔陶瓷管607的内径和外径为5×7mm。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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