CN103941167A - 一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法，该装置包括多功能气体放电单元和等离子体电弧检测单元；多功能气体放电单元包括：封闭室、测试电极、加温电极、气体充放与回收器、电磁场发生器和电弧气吹模块；等离子体电弧检测单元包括：传感器模块、信号转换模块、中央处理器和上位机；该方法为可以根据实验要求，组合不同的实验条件进行真空与加压、一种气体与多种气体混合气体、不同形状电极放电、常温与高温等不同温度、静态气体放电与流动气体放电及旋转流动气体放电、外加电磁场条件下的气体放电实验，并可以对不同条件下的实验所得的电弧性能相关的物理量进行全面采集和分时独立采集。

Description

一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法

技术领域

本发明属于断路器技术、气体放电技术和电弧检测技术领域，具体涉及一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法。 

背景技术

等离子体电弧会在高压断路器动作时产生，对断路器触头有烧蚀等影响，为改善电弧对断路器的影响以及改善断路器的开关性能，需要对宏观电弧的理论描述和对控制电弧、熄灭电弧的电弧理论研究，提供科学的理论指导。但以往对等离子体电弧的研究，大多是在某些限定条件下进行研究，而且大多是基础物理研究，条件比较单一，不能够全面的对等离子体电弧进行分析，例如在真空条件下的等离子体电弧研究，稳定燃烧的等离子体电弧研究等单一条件下的研究，检测方法也比较单一，例如稳定燃烧时的电流电压检测等检测方法研究。 

由于电弧产生于复杂的物理环境中，影响条件比较多，单一条件下对电弧的研究不能够客观实际的对电弧作出准确的描述，对电弧产生条件，如不同间隙、不同电极形状、不同气体介质、气压条件、温度条件、流速条件、电磁场条件等多种条件，由于其条件的相互耦合，关系复杂，还没有做过全面完整的独立实验和耦合实验与分析。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法。 

本发明的技术方案： 

一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，包括： 

多功能气体放电单元和等离子体电弧检测单元； 

所述多功能气体放电单元，包括：封闭室、测试电极、加温电极、气体充放与回收器、电磁场发生器和电弧气吹模块； 

所述封闭室为封闭的圆柱桶形结构，采用透明材料，在封闭室外表面涂敷抑制沿面闪络的涂料，且在封闭室外表面直视电弧的位置对称设置多对不加以涂敷的观察窗口；所述封闭室设置有可封闭的进气口端和可封闭的出气口端；封闭室内腔近进气口端位置安装加温电极；封闭室内腔近出气口端位置安装测试电极；封闭室可封闭的进气口端与气体充放与回收器相连通； 

所述电磁场发生器的磁极对和电极对分布置于测试电极四周； 

所述电弧气吹模块置于测试电极和加温电极之间，电弧气吹模块为两种结构形式，第一种结构形式的电弧气吹模块包括漏斗形喷口和变速管，变速管的一端接近测试电极，并与测 试电极之间留有间隙，变速管的另一端与漏斗形喷口的窄端相连通，漏斗形喷口的宽口靠近加温电极，并与加温电极之间留有间隙；第二种结构形式的电弧气吹模块包括旋转通道双层漏斗形喷口和变速管，变速管的一端接近测试电极，并与测试电极之间留有间隙，变速管的另一端与旋转通道双层漏斗形喷口的窄端相连通，旋转通道双层漏斗形喷口的宽口靠近加温电极，并与加温电极之间留有间隙；所述双层漏斗形喷口由第一层喷口、第二层喷口和螺旋管道组成；所述第一层喷口宽口与第二层喷口宽口大小一致；所述第一层喷口套装在第二层喷口内，第一层喷口宽口处和第二层喷口宽口处过盈连接；所述第二层喷口宽口处紧贴桶壁；所述第一层喷口窄端和第二层喷口窄端通过螺旋管连接； 

所述等离子体电弧检测单元，包括传感器模块、信号转换模块、中央处理器和上位机； 

所述传感器模块包括温度传感器、光谱仪、电压传感器、电流传感器、朗谬尔探针、气体压力传感器、电磁场检测仪和流速传感器； 

所述温度传感器的探头置于封闭室外，贴近封闭室桶壁处，且位于测试电极和加热电极间隙上方的中间位置，温度传感器的输出端连接上位机的一个输入端； 

所述光谱仪的探头置于封闭室桶壁外，并置于直视测试电极产生电弧位置处，且探头的平视高度处于测试电极和加热电极间隙上方的中间位置，光谱仪的输出端连接上位机的另一个输入端； 

所述电压传感器的输入端连接测试电极的两个接线端子上，输出端连接信号转换模块的一个输入端； 

所述电流传感器由电压互感器和采样电阻组成，采样电阻串接在测试电极回路电路中，电压互感器的输入端连接采样电阻两端，输出端连接信号转换模块的一个输入端； 

所述朗谬尔探针的探针头置于测试电极的电弧等离子体区域，朗谬尔探针输出端连接到信号转换模块的一个输入端； 

所述气体压力传感器的输入端置于封闭室的可封闭的进气口端，气体压力传感器的输出端连接信号转换模块的一个输入端； 

所述电磁场检测仪输入端置于封闭室桶壁外，并对准电弧产生区域，输出端连接到信号转换模块的一个输入端； 

所述流速传感器的探头置于封闭室内部测试电极上游气流区域，且流速传感器的探头接触喷口下游气流，所述流速传感器的输出端连接信号转换模块的一个输入端； 

所述信号转换模块包括第一电平转换电路、AD转换器和第二电平转换电路；第一电平转换电路的不同输入端作为信号转换模块的不同输入端，分别连接电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、朗谬尔探针的输出端、压力传感器的输出端、电磁场检测仪的输出端和流 速传感器输出端；第一电平转换电路的输出端连接AD转换器的输入端，AD转换器的输出端连接第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出端连接中央处理器的输入端；中央处理器与上位机互相连接； 

所述气体充放与回收器用于气体的充放、气体的回收和封闭室的抽真空处理； 

所述测试电极，用于击穿气体产生检测用电弧；所述加温电极，用于击穿气体产生加温用电弧，该加温用电弧用于对封闭室内腔加温； 

所述温度传感器用于检测测试电极的温度和加温电极的温度；所述光谱仪用于检测测试电极产生的电弧光谱的强度和波长；所述电压传感器用于检测测试电极产生的电弧的电压大小；所述电流传感器用于检测测试电极产生的电弧的电流大小；所述朗谬尔探针用于检测朗谬尔探针两端的电流和电压；所述气体压力传感器用于检测封闭室中气体压力；所述电磁场检测仪用于检测加载在测试电极周围的电磁场强度；所述流速传感器用于检测吹向测试电极的气吹流速； 

所述温度传感器和光谱仪均将检测数据直接发送至上位机；所述电压传感器、电流传感器、朗谬尔探针、气体压力传感器、电磁场检测仪和流速传感器均经过信号转换模块将检测数据发送至中央处理器； 

所述在封闭室外表面涂敷抑制沿面闪络的涂料，用于防止电弧产生的光源信号受外部干扰，所述在封闭室外表面直视电弧的位置对称设置多对不加以涂敷的观察窗口，用于观察检测用电弧产生的过程和加温用电弧产生的过程及电弧检测过程； 

采用所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置进行多功能气体放电与等离子体电弧检测的方法，包括如下步骤： 

步骤1：安装所需的测试电极； 

步骤2：确定所需的测试电极间距，并根据所需的测试电极间距对测试电极间距进行调节； 

步骤3：对封闭室进行密封处理； 

步骤4：气体充放与回收器对封闭室进行抽真空； 

步骤5：确定是否需要检测气吹条件下放电电弧，是，则执行步骤6，否，则执行步骤7； 

步骤6：安装所需的电弧气吹模块，且打开封闭室的可封闭的出气口端，令封闭室与气体充放与回收器导通，并转去执行步骤9； 

步骤7：确定是否需要向封闭室内充入气体，是，则执行步骤8，否，则执行步骤9； 

步骤8：气体充放与回收器向封闭室内充入所需压强的一种或多种混合气体； 

步骤9：确定是否需要检测高温下放电电弧，是，则执行步骤10，否，则执行步骤13； 

步骤10：加温电极产生加温用电弧，对封闭室内腔进行加温； 

步骤11：调整温度传感器的探头位置，使其对准加温电极对加温电极的温度进行测量并将温度数据传送至上位机； 

步骤12：上位机根据接收的温度数据判断加温电极的温度是否满足要求，是，则执行步骤13，否，则继续执行步骤12； 

步骤13：确定是否需要检测电磁场作用下的放电电弧，是，则执行步骤14，否，则执行步骤15； 

步骤14：电磁场发生器对测试电极加载电磁场； 

步骤15：测试电极产生检测用电弧； 

步骤16：温度传感器、光谱仪、电压传感器、电流传感器、气体压力传感器、电磁场检测仪、流速传感器和朗谬尔探针分别对测试电极温度、电弧光谱、电弧电压、电弧电流、气体压力、电磁场强度、气体流速和电弧等离子体电子温度进行检测，温度传感器和光谱仪均将检测数据传送上位机，电压传感器、电流传感器、气体压力传感器、电磁场检测仪、流速传感器和朗谬尔探针均将检测数据经过信号转换模块传送至中央处理器； 

步骤17：中央处理器将接收到的检测数据传送至上位机； 

有益效果：采用本发明的一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置及方法，与现有技术相比，至少具有以下优点： 

1.本发明能很方便的进行真空与加压、一种气体与多种气体混合气体、不同形状电极放电、常温与高温等不同温度、静态气体放电与流动气体放电及旋转流动气体放电、外加电磁场条件下的气体放电实验； 

2.本发明也可以对气体放电产生的电弧电压、电弧电流、电弧空间温度、吹向检测用电弧的气体流速、检测用电弧等离子体电子温度、检测用电弧电子密度等物理量同时进行全面采集和分时独立采集； 

3.本发明设计的两种结构形式的气吹模块中，漏斗形喷口窄端通过层套的螺纹变速管改变粗细，实现改变吹向检测用电弧的气体流速，对于第二种结构形式的气吹模块中的旋转通道双层漏斗形喷口，设计了对吹向检测用电弧的气体流速进行加速且使得吹入旋转通道双层漏斗形喷口中的气流旋转的螺旋管道，以此获得旋转的气流对电弧的影响； 

4.本发明在封闭室外表面涂敷抑制沿面闪络的涂料，且在封闭室外表面直视电弧的位置对称设置多对不加以涂敷的观察窗口，可以起到抑制沿面闪络和减少外部光源对电弧产生的光源信号的干扰； 

5.本发明可以对实验条件所需的部件进行灵活组合、安装与拆卸，满足不同实验的需要。 

附图说明

图1为本发明一种实施实施方式的多功能气体放电单元的正视结构示意图； 

图2为本发明一种实施实施方式的多功能气体放电单元的俯视结构示意图； 

图3为本发明一种实施实施方式的封闭室圆柱桶形外表面展开示意图； 

图4为本发明一种实施实施方式的电极电源电路图； 

图5为本发明一种实施实施方式的第一种结构形式的电弧气吹模块的结构示意图； 

图6为本发明一种实施实施方式的第二种结构形式的电弧气吹模块的结构示意图； 

图7为本发明一种实施实施方式的等离子体电弧检测单元的结构示意图； 

图8为本发明一种实施实施方式的一种多功能气体放电与等离子体电弧检测方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施方式做进一步说明。 

一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，包括多功能气体放电单元和等离子体电弧检测单元； 

所述多功能气体放电单元，如图1和图2所示，包括：封闭室3、气体充放与回收器16、测试电极6、加温电极7、电磁场发生器33和电弧气吹模块8； 

所述封闭室3为封闭的圆柱桶形结构，采用绝热的有机玻璃材料，壁厚约为10mm，封闭室3内腔直径约为150mm，高度约为240mm；本实施方式采用电力超长效防污闪涂料(简称PRTV防污闪涂料)在封闭室3外表面进行涂敷，以抑制沿面闪络性能，还可防止电弧产生的光源信号受外部干扰。另外，在封闭室3外表面直视电弧的位置上对称设置多对不加以涂敷的观察窗口和多个用于安装各传感器探头的预留端口，如图3所示的，A2、A4和A6为3个观察窗口，且以封闭室中心为轴线对称设置有另外3个观察窗口，即A1、A3和A5，黑色圆点34、黑色圆点35和黑色圆点36均为用于安装各传感器探头的预留端口。A1和A2、A3和A4、A5和A6这三对观察窗口，不需要时可用外部介质遮挡住，尽量减少外部光源干扰。 

封闭室3两端由不锈钢金属法兰2固定，所述封闭室3两端的不锈钢金属法兰2由封闭室3外部的四根绝缘拉杆1连接固定；在封闭室内部，靠近封闭室3两侧桶壁分别设置两根悬梁4，两根悬梁4分别与封闭室3两端的不锈钢金属法兰2绝缘连接，两根悬梁4用于悬挂测试电极6、加温电极7和电弧气吹模块8；测试电极6的两个接线端和加温电极7的两个接线端分别通过导线镶嵌在不锈钢金属法兰2上；通过调节悬梁4和测试电极6之间的螺杆、悬梁4和加温电极6之间的螺杆，可进行0mm到20mm的测试电极两极板间距及加温电极两极板间距调节。封闭室3设置有可封闭的进气口端和可封闭的出气口端；封闭室3内腔近进气 口端位置安装加温电极7，加温电极7轴心位置距离进气口端70mm；封闭室3内腔近出气口端位置安装测试电极6；测试电极6轴心位置距离出气口端70mm，封闭室3的进气口端通过四通管道13与气体充放与回收器16相连通； 

本实施方式封闭室3进气口端法兰2连接有四通管道13，第一路通过阀门10接真空表18，第二路通过阀门11接气压表19，第三路接封闭室3进气口，第四路通过阀门12和自封闭接口15与气体充放与回收器16的一端相连通。 

本实施方式的气体充放与回收器16用于气体的充放、气体的回收和封闭室的抽真空处理；气体充放与回收器16的另一端与气瓶17相连通。 

本实施方式的测试电极6，用于击穿气体产生检测用电弧，该检测用电弧作为本实施方式的电弧检测对象； 

本实施方式的加温电极7，用于击穿气体产生加温用电弧，该加温用电弧用于对本实施方式的封闭室3内腔加温； 

本实施方式采用的电极电源，分别连接测试电极6和加温电极7，分别为测试电极6和加温电极7供电；本实施方式的电极电源，如图4所示，由变压器进行升压转换，回路中串接水电阻，起缓冲作用，以此防止电极间击穿电弧时产生的瞬间峰值对回路中各设备的损伤，回路中由三种供电回路，由按键进行选择。上两路为直流电源部分，第三路为交流电源部分，三路电源分别通过控制开关开关k1、开关k2、开关k3、开关k4、开关k5选择一路直流电源为加温电极7供电，一路直流电源或一路交流电源为测试电极6供电。三路标有XT1_INPUT1和XT1_INPUT2连接图3气体封闭室对应名称端。电极电源的切换通过操作开关k1、开关k2、开关k3、开关k4、开关k5实施，其中开关k1和开关k2负责加温电极7供电回路，开关k3和开关k4负责直流放电回路，开关k5负责交流放电回路。 

本实施方式的电磁场发生器33的磁极对和电极对分布置于测试电极四周，用于在测试电极周围产生作用于检测用电弧的电磁场； 

本实施方式的电弧气吹模块8置于测试电极6和加温电极7之间，电弧气吹模块为两种结构形式，第一种结构形式的电弧气吹模块由漏斗形喷口和变速管37构成，如图5所示，漏斗形喷口窄端有内螺纹，方便与变速管37的一端相连通，变速管37的一端接近测试电极6，并与测试电极6之间留有5-10mm间隙，保证对测试电极6的气吹速度；变速管37的另一端与漏斗形喷口的窄端相连通，漏斗形喷口的宽口靠近加温电极连杆，距离加温电极连1mm距离；第一种结构形式的电弧气吹模块中漏斗形喷口宽口外直径为150mm，漏斗形喷口窄端直径为20mm，主要用于将充入封闭室中的气流，通过该喷口集中吹向测试电极电弧，提高充入封闭室的气流利用率，也方便通过已知的喷口大小，计算流速的大小。 

第二种结构形式的电弧气吹模块由旋转通道双层漏斗形喷口和变速管37构成，如图6所示，变速管37的一端接近测试电极6，并与测试电极6之间留有5-10mm间隙，变速管37的另一端与旋转通道双层漏斗形喷口的窄端相连通，旋转通道双层漏斗形喷口的宽口靠近加温电极7连杆，距离加温电极7连杆1mm距离；所述双层漏斗形喷口由第一层喷口38、第二层喷口40和螺旋管道39组成；所述第一层喷口38宽口与第二层喷口40宽口大小一致；所述第一层喷口38套装在第二层喷口40内，第一层喷口38宽处和第二层喷口40宽口处通过挤压力过盈配合；所述第二层喷口40宽口处紧贴桶壁，防止漏气；所述第一层喷口38窄端和第二层喷口40窄端通过螺旋管39连接；螺旋管39的粗细可根据要求选择，两层喷口窄端间距离为5厘米到15厘米可调，通过改变螺旋管39的螺旋斜率，即改变螺旋管39的螺距来实现改变吹向测试电极6的气流旋转速度和气流旋转角度。本实施方式中第二种结构形式的电弧气吹模块中旋转通道双层漏斗形喷口宽口边外直径为150mm，窄端直径20mm，窄端有内螺纹；所述第一层喷口39用于收集气体充放与回收器16充压产生的气流；第一层喷口38敞口夹角大于150度，第二层喷口40敞口夹角小于90度； 

本实施方式中在悬梁4上安装电弧气吹模块8，在封闭室3进气口气体流速一定的情况下，通过调节喷口窄端变速管37的粗细，调节吹向电弧的气体流速。调节窄端喷口内部粗细的方法是通过不同尺寸变速管37的叠加嵌套安装实现。变速管37为一套连续尺寸的变速管组合，包括外径20mm，内径16mm变速管；外径16mm，内径12mm变速管；外径12mm，内径8mm变速管；外径8mm，内径4mm变速管；外径20mm，内径14mm变速管；外径14mm，内径10mm变速管；外径10mm，内径6mm变速管；外径6mm，内径2mm变速管组合。变速管内管壁和外管壁上都刻有统一规格的螺纹，可进行嵌套组合，由此改变吹向测试电极的气体流速。 

等离子体电弧检测单元，如图7所示，包括传感器模块、信号转换模块、中央处理器和上位机32； 

传感器模块包括温度传感器26、光谱仪24、电压传感器22、电流传感器、朗谬尔探针28、气体压力传感器19、电磁场检测仪30和流速传感器20； 

温度传感器26的探头27置于封闭室3外，贴近封闭室3桶壁处，距离桶壁5mm处，方便温度传感器26的探头27旋转测试角度，且位于测试电极6和加热电极7间隙上方的中间位置，探头27平行于测试电极6两极板中心位置和加温电极7两极板中心位置，并放置在两电极对连杆连线的中心垂直线上，两电极对连杆连线的中心垂直线交点与两对电极连杆轴线位置距离50mm，温度传感器26的输出端连接上位机32的一个输入端；所述温度传感器26用于检测测试电极6的温度和加温电极7的温度；本实施方式温度传感器26采用的是型号为IRI-2500D的在线式激光瞄准红外测温仪,其提供三线制4－20mA电流输出，带激光瞄准功能， 更好地瞄准被测物，其基本性能包括：保护IP65(NEMA-4)，工作温度为0－60℃，存储温度为-20－80℃，相对湿度为10－90％(不结露)，外壳材料是铜镀烙，电缆长度3m，或定制。电气参数有：工作电源为12－24VDC，最大负载为750欧姆(24VDC)，输出信号4-20mA，测量参数包括：光谱范围1um，温度范围700-2500℃，光学分辨率100：1，响应时间300ms(95％)，测温精度±1％(环境温度：23℃±5℃)，重复精度±0.5％(环境温度：23℃±5℃)。 

所述光谱仪24用于检测测试电极6产生的电弧光谱的强度和波长；本实施方式中光谱仪24的探头25置于封闭室3桶壁外，并置于测试电极6产生电弧位置处，且探头25的平视高度处于测试电极6间隙的中间位置，探头25与封闭室3桶壁距离5mm，光谱仪24的输出端连接上位机32的另一个输入端；本实施方式光谱仪24选用的是型号为AvaSpec-ULS2048-8-USB2的光纤光谱仪，配有型号为FC8-UVIR200-2-ME的光纤和型号为COL-UV/VIS的准直透镜，其波长范围是200-1070nm，分辨率是0.09-0.15nm，探测器类型是CCD线阵，8*2048像素，信噪比是200:1，A/D转换器是16位，2MHz，积分时间是1.1ms至10min，数据传输速度为1.8毫秒/每次采样/每个通道。光纤为1分8光纤束，2米长，铠甲封装，准直透镜为8.4mm焦距。 

所述电压传感器22的输入端连接测试电极6的两个接线端子上，输出端连接信号转换模块23的一个输入端；所述电压传感器22用于检测测试电极6产生的电弧的电压；本实施方式的电压传感器22采用的是型号为SGB-150C的交直流数字高压表，其参数包括，分压器分压比：1000:1，分压器电压等级：AC:150kV DC:150kV，显示表量程：Low:0-20kV High：0-150kV，交流测量方式：真有效值测量，精度：AC:1.0％DC:0.5％，绝缘介质：美国杜邦干式介质材料。 

所述电流传感器用于检测测试电极6产生的电弧的电流；所述电流传感器由电压互感器21和采样电阻组成，采样电阻串接在测试电极6回路电路中，电压互感器21的输入端连接采样电阻两端，输出端连接信号转换模块23的一个输入端；本实施方式的采样电阻为10KΩ，使用型号为JDZF7-10GYW1的电压互感器21采集采样电阻电压，推算电弧电流值。电压互感器21为单相环氧树脂浇注，适用于额定频率50Hz或60Hz、额定电压3kV，6kV，10kV及以下的电力系统中，作电能计量、电压监控和继电保护用，符合IEC60044-2及GB1207《电压互感器》标准。额定电压比(kV)为10/0.1/0.1。 

所述朗谬尔探针28的探针头29置于测试电极6的电弧等离子体区域，朗谬尔探针28输出端包括探针电压输出和探针电流输出，信号精度要求较高的探针电流输出连接到信号转换模块23的一个输入端，探针电压输出连接到DSP28335的ADCINA0端；所述朗谬尔探针28置于测试电极6的电弧等离子体区域，用于检测朗谬尔探针28两端的电流和电压；本实施方 式的朗缪尔探针28由朗缪尔双探针，朗缪尔探针封装套管，霍尔电压传感器，霍尔电流传感器和扫描电源组成。 

所述气体压力传感器19的输入端置于封闭室3的可封闭的进气口端，气体压力传感器19的输出端连接信号转换模块23的一个输入端；本实施方式中气体压力传感器19用于检测气体压力；本实施方式的气体压力传感器19采用型号为DPG4000-100的气体压力传感器，量程为0-100psi，可达0.6895Mpa。 

所述电磁场检测仪30的探头31置于封闭室3桶壁外，并对准电弧产生区域，测试该区域产生的电磁场强度，输出端连接到信号转换模块23的一个输入端；所述电磁场检测仪30用于检测电磁场强度；本实施方式的电磁场检测仪30选用的是型号为SQ-3604的工频电磁场强度测试仪，技术参数包括，频率范围：30-2000Hz，频率响应：±0.5dB(50-1000Hz)，±2.0dB(30-2000Hz)，电场测量范围：1V/m–200kV/m，磁场测量范围：0.2mG-20gauss。 

所述流速传感器20的输入端置于封闭室3内部测试电极6上游气流区域，并保证探头接触喷口下游气流，探头距离离变速管2mm，所述流速传感器20的输出端连接信号转换模块的一个输入端；所述流速传感器20用于检测气吹流速；本实施方式流速传感器20选用的是型号为SQ-6332D的风速仪，测试范围：0.1～50m/s，测试精度：读数的±3％±0.1m/s，模拟输出为电流DC4～20mA(450w)，电压DC0～5v或0～1v，配有1根5m的探头电缆。 

所述温度传感器26和光谱仪24均将检测数据直接发送至上位机32； 

所述电压传感器22、电流传感器、朗谬尔探针28、气体压力传感器19、电磁场检测仪30和流速传感器20均经过信号转换模块23将检测数据发送至中央处理器； 

所述信号转换模块23包括第一电平转换电路、AD转换器和第二电平转换电路；第一电平转换电路的不同输入端分别连接电压传感器22的输出端、电流传感器的输出端、朗谬尔探针28的输出端、气体压力传感器19的输出端、电磁场检测仪30的输出端和流速传感器20输出端；第一电平转换电路的输出端连接AD转换器的输入端，AD转换器的输出端连接第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出端连接中央处理器的输入端；中央处理器与上位机32互相连接； 

本实施方式的中央处理器采用型号为TMS320F28335的DSP，AD转换器选用型号为ADS8364的AD转换器，可同时采集六路模拟信号量，分别为电压传感器22输出模拟信号，电流传感器输出模拟信号，气体压力传感器19输出模拟信号，流速传感器20输出模拟信号，朗缪尔探针28的电流和电压传感器输出模拟信号，电磁场检测仪30电磁场输出模拟信号，由于朗缪尔探针电压值较大，信号明显，信噪比较好，可适当降低采集精度，使朗缪尔探针电压传感器输出模拟信号直接上传DSP模拟端，进行模数转换。 

本实施方式中采用所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置进行多功能气体放电与等离子体电弧检测的方法，如图8所示，包括如下步骤： 

步骤1：安装所需的测试电极6； 

本实施方式首先根据实验要求对封闭室3中的测试电极6进行更换，选择所需的测试电极，通过螺纹连接到电极连杆5，电极连杆5通过螺纹和螺母连接到悬梁4上。 

步骤2：确定所需的测试电极间距，并根据所需的测试电极间距对测试电极间距进行调节； 

本实施方式通过调节测试电极6与电极连杆5间螺纹调整电极间距，并使用塞尺测量测试电极间间隙确定电极间距大小。 

步骤3：对封闭室3进行密封处理； 

本实施方式中测试电极6安装完成后，检查其他部件安装是否有松动或位置误差等现象，检查的对象包括，已安装完成的接线端子，漏斗形喷口8，阀门9-12的开关状态，电磁场发生器的磁极N极、磁极S极、电极正极和电极负极，流速传感器20，朗缪尔探针28，检查确认已安装无误后，将法兰2端口U形槽内垫上U形垫圈与封闭室3连接，用绝缘拉杆1旋紧两端法兰2，封闭好封闭室3。 

步骤4：气体充放与回收器16对封闭室3进行抽真空； 

本实施方式首先关闭阀门9，10，11，打开阀门12，气体充放与回收器16通过自封闭接口15和四通管道13与封闭室3相连通；启动气体充放与回收器16，开始抽真空操作，然后打开阀门12，启用真空表18，到达一定真空度后，关闭阀门12，停止气体充放与回收器16。 

步骤5：确定是否需要检测气吹条件下放电电弧，是，则执行步骤6，否，则执行步骤7； 

步骤6：安装所需结构形式的电弧气吹模块8，且打开封闭室3的可封闭的出气口端，令封闭室3与气体充放与回收器16导通，并转去执行步骤9； 

本实施方式中，关闭阀门12，打开阀门9，将封闭室3充入环境气体，根据需要选择第一种结构形式的电弧气吹模块8或者第二种结构形式的电弧气吹模块8，并安装于封闭室3内部，重新密封好后，打开阀门12。 

步骤7：确定是否需要向封闭室3内充入气体，是，则执行步骤8，否，则执行步骤9； 

步骤8：气体充放与回收器16向封闭室3内充入所需压强的一种或多种混合气体； 

气体充放与回收器16与装有气体的气瓶17连接，气瓶17中根据实验要求充入一定气体；封闭室3中可充入除气瓶17中的单一气体介质外，还可以通过一定操作充入一定比例的混合气体，如氮气和氩气混合气体，氮气和六氟化硫气体混合气体，氩气和六氟化硫气体混合气体，以及氮气、氩气和六氟化硫气体混合气体等；以氮气、氩气和六氟化硫三种气体混合气 体为例操作如下，由于此时封闭室3中已经处于真空状态，需要启动气体充放与回收器16将管路中残存的气体抽真空，然后接入装有氩气的气瓶17，打开阀门10和12，可看到真空表18显示的真空度，然后关闭阀门12，启动气体充放与回收器16向封闭室3充入氩气，打开阀门12，通过气压表19查看气压状态，气压表19通过数据输出端口将数据上传给信号转换模块23；如果充入氩气达到要求，则关闭阀门12；启动气体充放与回收器16将管路中残存的气体抽真空，然后接入装有氮气的气瓶17，打开阀门12，向封闭室3充入氮气，气压表19的数据上传给信号转换模块23，如果充入氮气达到要求，则关闭阀门12，启动气体充放与回收器16将管路中残存的气体抽真空，然后接入装有六氟化硫气体的气瓶17，打开阀门12，向封闭室3充入六氟化硫气体，通过气压表19查看气压状态，气压表19的数据通过数据输出端口上传给信号转换模块23，如果充入氩气达到要求，则关闭阀门12； 

步骤9：确定是否需要检测高温下放电电弧，是，则执行步骤10，否，则执行步骤13； 

步骤10：加温电极7产生加温用电弧，对封闭室3内腔进行加温； 

本实施方式启动电极电源向加温电极7供电，加温电极7产生电弧对封闭室3内腔进行加温,通过调节加载在加温电极7两端的电极电源的电压大小控制温度大小。 

步骤11：调整温度传感器26的探头27的位置，使其对准加温电极7对加温电极7的温度进行测量并将温度数据传送至上位机； 

本实施方式调整红外测温仪26的探头27的位置，通过观察窗口A4对准加温电极7，并对加温电极7温度进行测量并将测的温度数据传送至上位机32。 

步骤12：上位机32根据接收的温度数据判断加温电极7的温度是否满足要求，是，则执行步骤13，否，则继续执行步骤12； 

本实施方式上位机32根据接收的温度数据判断加温电极7是否满足要求，不满足，温度低则继续升高电极电源电压，增加加温电弧能量以提高温度，温度高则降低电源电压，降低加温电弧能量以降低温度，红外测温仪26继续检测加温电极7的温度并将测的温度数据传送至上位机32。 

步骤13：确定是否需要检测电磁场作用下的放电电弧，是，则执行步骤14，否，则执行步骤15； 

步骤14：电磁场发生器33对测试电极6加载电磁场； 

启动电磁场电源14，电磁场发生器33产生电磁场， 

步骤15：测试电极6产生检测用电弧； 

本实施方式中启动电极电源向测试电极6供电，产生电弧， 

步骤16：温度传感器26、光谱仪24、电压传感器22、电流传感器、气体压力传感器19、 电磁场检测仪30、流速传感器20和朗谬尔探针28分别对测试电极温度、电弧光谱、电弧电压、电弧电流、气体压力、电磁场强度、气体流速和电弧等离子体电子温度进行检测，温度传感器26和光谱仪24均将检测数据传送上位机32，电压传感器22、电流传感器、气体压力传感器19、电磁场检测仪30、流速传感器20和朗谬尔探针28均将检测数据经过信号转换模块23传送至中央处理单元； 

步骤17：中央处理单元将接收到的检测数据传送至上位机32。 

Claims (7)

1.一种多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：包括：

多功能气体放电单元和等离子体电弧检测单元；

所述多功能气体放电单元，包括：封闭室、测试电极、加温电极、气体充放与回收器、电磁场发生器和电弧气吹模块；

所述封闭室为封闭的圆柱桶形结构，采用透明材料，在封闭室外表面涂敷抑制沿面闪络的涂料，且在封闭室外表面直视电弧的位置对称设置多对不加以涂敷的观察窗口；所述封闭室设置有可封闭的进气口端和可封闭的出气口端；封闭室内腔近进气口端位置安装加温电极；封闭室内腔近出气口端位置安装测试电极；封闭室可封闭的进气口端与气体充放与回收器相连通；

所述电磁场发生器的磁极对和电极对分布置于测试电极四周；

所述电弧气吹模块置于测试电极和加温电极之间，电弧气吹模块为两种结构形式，第一种结构形式的电弧气吹模块包括漏斗形喷口和变速管，变速管的一端接近测试电极，并与测试电极之间留有间隙，变速管的另一端与漏斗形喷口的窄端相连通，漏斗形喷口的宽口靠近加温电极，并与加温电极之间留有间隙；第二种结构形式的电弧气吹模块包括旋转通道双层漏斗形喷口和变速管，变速管的一端接近测试电极，并与测试电极之间留有间隙，变速管的另一端与旋转通道双层漏斗形喷口的窄端相连通，旋转通道双层漏斗形喷口的宽口靠近加温电极，并与加温电极之间留有间隙；所述双层漏斗形喷口由第一层喷口、第二层喷口和螺旋管道组成；所述第一层喷口宽口与第二层喷口宽口大小一致；所述第一层喷口套装在第二层喷口内，第一层喷口宽口处和第二层喷口宽口处过盈连接；所述第二层喷口宽口处紧贴桶壁；所述第一层喷口窄端和第二层喷口窄端通过螺旋管连接；

所述等离子体电弧检测单元，包括传感器模块、信号转换模块、中央处理器和上位机；

所述传感器模块包括温度传感器、光谱仪、电压传感器、电流传感器、朗谬尔探针、气体压力传感器、电磁场检测仪和流速传感器；

所述温度传感器的探头置于封闭室外，贴近封闭室桶壁处，且位于测试电极和加热电极间隙上方的中间位置，温度传感器的输出端连接上位机的一个输入端；

所述光谱仪的探头置于封闭室桶壁外，并置于直视测试电极产生电弧位置处，且探头的平视高度处于测试电极和加热电极间隙上方的中间位置，光谱仪的输出端连接上位机的另一个输入端；

所述电压传感器的输入端连接测试电极的两个接线端子上，输出端连接信号转换模块的一个输入端；

所述电流传感器由电压互感器和采样电阻组成，采样电阻串接在测试电极回路电路中，电压互感器的输入端连接采样电阻两端，输出端连接信号转换模块的一个输入端；

所述朗谬尔探针的探针头置于测试电极的电弧等离子体区域，朗谬尔探针输出端连接到信号转换模块的一个输入端；

所述气体压力传感器的输入端置于封闭室的可封闭的进气口端，气体压力传感器的输出端连接信号转换模块的一个输入端；

所述电磁场检测仪输入端置于封闭室桶壁外，并对准电弧产生区域，输出端连接到信号转换模块的一个输入端；

所述流速传感器的探头置于封闭室内部测试电极上游气流区域，且流速传感器的探头接触喷口下游气流，所述流速传感器的输出端连接信号转换模块的一个输入端；

所述信号转换模块包括第一电平转换电路、AD转换器和第二电平转换电路；第一电平转换电路的不同输入端作为信号转换模块的不同输入端，分别连接电压传感器的输出端、电流传感器的输出端、朗谬尔探针的输出端、压力传感器的输出端、电磁场检测仪的输出端和流速传感器输出端；第一电平转换电路的输出端连接AD转换器的输入端，AD转换器的输出端连接第二电平转换电路的输入端，第二电平转换电路的输出端连接中央处理器的输入端；中央处理器与上位机互相连接。

2.根据权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：

所述气体充放与回收器用于气体的充放、气体的回收和封闭室的抽真空处理。

3.根据权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：

所述测试电极，用于击穿气体产生检测用电弧；所述加温电极，用于击穿气体产生加温用电弧，该加温用电弧用于对封闭室内腔加温。

4.根据权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：

所述温度传感器用于检测测试电极的温度和加温电极的温度；所述光谱仪用于检测测试电极产生的电弧光谱的强度和波长；所述电压传感器用于检测测试电极产生的电弧的电压大小；所述电流传感器用于检测测试电极产生的电弧的电流大小；所述朗谬尔探针用于检测朗谬尔探针两端的电流和电压；所述气体压力传感器用于检测封闭室中气体压力；所述电磁场检测仪用于检测加载在测试电极周围的电磁场强度；所述流速传感器用于检测吹向测试电极的气吹流速。

5.根据权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：

所述温度传感器和光谱仪均将检测数据直接发送至上位机；所述电压传感器、电流传感器、朗谬尔探针、气体压力传感器、电磁场检测仪和流速传感器均经过信号转换模块将检测数据发送至中央处理器。

6.根据权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置，其特征在于：

所述在封闭室外表面涂敷抑制沿面闪络的涂料，用于防止电弧产生的光源信号受外部干扰，所述在封闭室外表面直视电弧的位置对称设置多对不加以涂敷的观察窗口，用于观察电弧产生的过程及电弧检测过程。

7.采用权利要求1所述的多功能气体放电与等离子体电弧检测装置进行多功能气体放电与等离子体电弧检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：安装所需的测试电极；

步骤2：确定所需的测试电极间距，并根据所需的测试电极间距对测试电极间距进行调节；

步骤3：对封闭室进行密封处理；

步骤4：气体充放与回收器对封闭室进行抽真空；

步骤5：确定是否需要检测气吹条件下放电电弧，是，则执行步骤6，否，则执行步骤7；

步骤6：安装所需结构形式的电弧气吹模块，且打开封闭室的可封闭的出气口端，令封闭室与气体充放与回收器导通，并转去执行步骤9；

步骤7：确定是否需要向封闭室内充入气体，是，则执行步骤8，否，则执行步骤9；

步骤8：气体充放与回收器向封闭室内充入所需压强的一种或多种混合气体；

步骤9：确定是否需要检测高温下放电电弧，是，则执行步骤10，否，则执行步骤13；

步骤10：加温电极产生加温用电弧，对封闭室内腔进行加温；

步骤11：调整温度传感器的探头位置，使其对准加温电极对加温电极的温度进行测量并将温度数据传送至上位机；

步骤12：上位机根据接收的温度数据判断加温电极的温度是否满足要求，是，则执行步骤13，否，则继续执行步骤12；

步骤13：确定是否需要检测电磁场作用下的放电电弧，是，则执行步骤14，否，则执行步骤15；

步骤14：电磁场发生器对测试电极加载电磁场；

步骤15：测试电极产生检测用电弧；

步骤16：温度传感器、光谱仪、电压传感器、电流传感器、气体压力传感器、电磁场检测仪、流速传感器和朗谬尔探针分别对测试电极温度、电弧光谱、电弧电压、电弧电流、气体压力、电磁场强度、气体流速和电弧等离子体电子温度进行检测，同时，温度传感器和光谱仪均将检测数据传送上位机，电压传感器、电流传感器、气体压力传感器、电磁场检测仪、流速传感器和朗谬尔探针均将检测数据经过信号转换模块传送至中央处理器；

步骤17：中央处理器将接收到的检测数据传送至上位机。