CN105891769A - 一种电弧放电能量修正系数校准方法及校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电弧放电能量修正系数校准方法及校准装置，根据最小引燃能的半经验公式给出电弧放电能量的公式，由气体放电电弧的电压与电流随时间变化的关系计算出电弧放电过程产生的能量，最后结合测量获得的电弧的温度、弧长与半径校准公式当中的修正系数的数值。该方法步骤为：(1)测量气体放电电弧的电压与电流信息；(2)采用数学方法对电压与电流的乘积在时间轴上积分得出放电过程产生的能量；(3)测量电弧的光谱信息得到电弧温度；(4)测量电弧的尺寸信息，尺寸信息包括长度和半径；(5)根据步骤(2)得到的能量、步骤(3)得到的温度和步骤(4)的尺寸信息，代入电弧的放电能量E的校准公式中，得到修正系数K1的数值。本发明配置方便、操作灵活、可量化测量并校准电弧放电能量公式中的修正系数。

Description

一种电弧放电能量修正系数校准方法及校准装置
技术领域
本发明涉及一种电弧放电能量修正系数校准方法及校准装置，尤其涉及在强电磁环境中由间接测量获取的能量、温度与尺寸信息校准气体放电能量公式中修正系数的方法，属于电磁兼容测试技术领域。
背景技术
空气中电场强到一定程度，气体分子就会被电离，形成等离子体，并产生短暂的放电电流，使电荷被消耗或中和，发出光和热，并产生声音。火花放电一般持续时间很短，所需达到的电场强度很高，这样的场强一般存在于两个导电金属体的尖端之间，因而又被称为尖端放电。
强电磁场环境能使不同的金属导体尖端之间产生一定的电势差，当电势差足够大并使空气中的电场达到尖端放电所需的场强时，能形成弧光放电的火花。放电产生的能量主要与弧光放电的火花温度有关，同时还取决于其他许多参数，诸如空气中气体混合物的组成、环境温度、压力和电极间隙等。
目前，常用的方法是直接测试最小点火能。最小点火能是指能够引起粉尘云(或可燃气体与空气混合物)燃烧(或爆炸)的最小火花能量，也称为最小火花引燃能或者临界点火能。根据燃烧学原理，可以给出强迫燃烧最小引燃能的半经验公式： 式中：Tm是混合燃气燃点，T∞是环境温度，K1是修正系数，rmin是最小着火半径，是热容，ρ∞混合燃气的密度。
然而，直接测试法也存在一些难以克服的缺点：首先，直接测试法较为不安全，处于密闭空间的可燃气体被点燃后不容易受控，甚至有爆炸的危险；直接测试法仅能进行定性分析，其试验结果仅对试验条件有效，因而无法获取量化数据，所以无法通过试验数据评估其他试验条件下的结果；因为无法在试验过程中记录出现的放电现象的主要参数，所以无法实时监测、分析和记录试验数据，也就无法为系统改进提出参考依据。
发明内容
本发明的目的是克服现有方法和技术的不足，提供一种配置方便、操作灵活、可量化测量并校准电弧放电能量修正系数的方法。
为了实现上述目的，本发明提出了基于气体放电电弧的能量校准修正系数的方法，根据最小引燃能的半经验公式给出电弧放电能量的公式，由气体放电电弧的电压与电流随时间变化的关系计算出放电过程中电弧产生的能量，最后结合测量获得的电弧的温度、弧长与半径校准公式当中的修正系数的数值。该方法包含下列步骤：
根据最小引燃能的半经验公式给出电弧放电能量的公式；
收集电弧的电压与电流信息；
利用数学方法对电压与电流在时间轴上积分得出放电过程产生的能量；
收集电弧的光谱信息得到电弧的温度；
收集电弧的尺寸信息；
根据电弧的放电能量校准公式中的修正系数。
气体放电会在两个电极之间产生放电电流，使电荷被消耗或中和，产生光和热量。根据燃烧学原理给出的最小引燃能的半经验公式，其火球模型为球型。对于气体放电电弧，应将电弧视为柱体模型，因而可以得出电弧放电能量公式：式中：Td是电弧温度，T∞是环境温度，K1是修正系数，r是电弧半径，l是电弧长度，是热容，ρ∞环境气体的密度。对于性质、压力、环境温度一定条件下的气体，上式仅有修正系数K1是未被确定的。通过测定气体放电产生的电弧的长度、半径、温度与能量，可以得出K1的具体数值。
气体被积累在两端电极的电荷击穿后，产生的电弧具有明显的电压与电流特性，可以通过示波器观察并测量电弧的电压与电流曲线。将测量的数据记录下来，借助数学方法，可以准确地计算得到电弧的放电能量。电弧的放电能量计算公式：式中：E是电弧放电产生的能量，U是电弧两个末端之间的电压，I是电弧的电流，t0是电弧产生的初始时刻，t1是电弧熄灭的结束时刻。
气体击穿放电会形成一道具有明显亮光的电弧，并释放相应的光谱信息。通过光谱仪可以检测光谱信息并进行分析，从而得到电弧的放电温度。通过高速相机或者光纤探头可以获取电弧的长度与半径。在环境温度、热容、气体的密度等参数确定的条件下，依据电弧的温度、放电能量和尺寸可以校准修正系数
所以本发明提出采用电弧的放电能量作为依据，通过示波器检测到电弧的电压与电流信号，计算电弧的能量，并结合光谱仪检测到的电弧的温度信息与高速相机测量到的电弧尺寸信息，校准电弧放电能量公式中的修正系数。
本发明的一种电弧放电能量修正系数校准装置，包括：放电电极、一台高速相机、一台光谱仪、一台示波器与支持设备正常工作的各种线缆和电源等；试验过程中，通过电源给两个放电电极提供能量，当两个电极间的电压足以击穿电极间的气体时，会形成电弧；此时示波器的一路通过高压探头与两个电极的末端相连，用于测量气体放电期间电弧的电压曲线；另一路通过电流探头加在电源与电极形成的回路上，用于测量电弧的电流曲线；高速相机与光谱仪的镜头对准电极之间形成电弧的位置，接收电弧产生的光信号并进行初步处理；最后示波器、高速相机和光谱仪测量获取的电弧参数将传递给上位机，用于处理与分析，校准电弧放电能量公式当中的修正系数。
本发明具有以下明显特点：
(1)本发明电弧放电能量修正系数校准方法采用间接测量的方式，适用于校准各种试验条件下的混合气体放电的修正系数，使用设置方便；
(2)本发明电弧放电能量修正系数校准方法测量的目标量为电弧的电压与电流，采用的是最常见的测试仪器之一—示波器，测试结果准确度高；
(3)本发明电弧放电能量修正系数校准方法以电弧的能量作为判据，测试数据能够量化记录和评判。
附图说明
图1是本发明电弧放电能量修正系数校准方法的流程图；
图2是应用本发明电弧放电能量修正系数校准方法的实施例流程示意图；
图3是本发明电弧放电能量修正系数校准装置布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，电弧的放电能量可以通过示波器测量得到。气体放电产生的电弧具有明显的电压与电流特性，利用示波器的高压探头可以测量放电期间电弧的电压曲线，利用电流探头可以测量放电期间回路的电流曲线，将测量的曲线存储记录下来，再借助电路上能量与电压和电流的关系，可以准确地计算得到电弧的放电能量。电弧的放电能量计算公式：电弧的温度可以通过光谱仪测量得到。气体放电会形成一道具有明显亮光的电弧，并释放相应的光谱信息。通过光谱仪可以收集电弧的光谱信息并进行分析，从而得到电弧的温度。气体放电形成的电弧可以等效为一个圆柱体的模型，电弧的横截面为圆形，截面半径即为电弧的半径，电弧的长度即为圆柱体模型的高，这样便可以通过高速相机获取电弧的尺寸信息。在环境温度、热容、气体的密度等参数确定的条件下，依据电弧的温度、放电能量和尺寸可以代入公式中校准修正系数
如图2、3所示，试验过程中首先如图3所示安装布置用于检测的仪器设备，然后按照测试步骤进行试验，获取并记录放电过程中电弧的电压与电流曲线，最后结合测试获取的温度与尺寸信息，代入相应公式计算，得到试验的测试结果。
试验装置主要包括放电电极、一台高速相机、一台光谱仪、一台示波器与支持设备正常工作的各种线缆和电源等。试验过程中，通过电源给两个放电电极提供能量。示波器的一路通过高压探头与两个电极的末端相连，用于测量气体放电期间电弧的电压曲线；另一路通过电流探头加在电源与电极形成的回路上，用于测量电弧的电流曲线。高速相机与光谱仪主要用于接收电弧产生的光信号，因此将高速相机与光谱仪的镜头对准电极之间形成电弧的位置。最后将示波器、高速相机和光谱仪均与上位机相连，用于传递测试获得的电弧的主要参数，并用于处理与分析。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)测量气体放电电弧的电压与电流信息；
(2)采用数学方法对电压与电流的乘积在时间轴上积分得出放电过程产生的能量；
(3)测量电弧的光谱信息得到电弧温度；
(4)测量电弧的尺寸信息，尺寸信息包括长度和半径；
(5)根据步骤(2)得到的能量、步骤(3)得到的温度和步骤(4)的尺寸信息，代入电弧的放电能量E的校准公式中，得到修正系数K1的数值；其中：Td是电弧温度，T∞是环境温度，K1是修正系数，r是电弧半径，l是电弧长度，是热容，ρ∞环境的气体密度。
2.根据权利要求1所述的一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于：所述步骤(5)中的电弧放电能量E的公式是根据最小引燃能的半经验公式给出的，气体放电会在两个电极之间产生放电电流，使电荷被消耗或中和，产生光和热量，根据燃烧学原理给出的最小引燃能的半经验公式，火球模型为球型，对于气体放电电弧，将电弧视为柱体模型，从而得出电弧放电能量公式：
3.根据权利要求1所述的一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于：所述步骤(2)中，电弧的放电能量计算公式：式中：U是电弧两个末端之间的电压，I是电弧的电流，t0是电弧产生的初始时刻，t1是电弧熄灭的结束时刻。
4.根据权利要求1所述的一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于：所述步骤(1)中，通过示波器观察并测量放电电弧的电压与电流曲线，将测量的数据记录下来，从而得到电弧的电压与电流信息。
5.根据权利要求1所述的一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于：所述步骤(3)中，通过光谱仪测量得到电弧的光谱信息，从而得到电弧的温度。
6.根据权利要求1所述的一种电弧放电能量修正系数校准方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过速率在1万帧/秒以上的高速相机测量得到电弧的尺寸信息。
7.一种电弧放电能量修正系数校准装置，其特征在于：包括放电电极、一台高速相机、一台光谱仪、一台示波器与支持设备正常工作的各种线缆和电源等；试验过程中，通过电源给两个放电电极提供能量，当两个电极间的电压足以击穿电极间的气体时，会形成电弧；此时示波器的一路通过高压探头与两个电极的末端相连，用于测量气体放电期间电弧的电压曲线；另一路通过电流探头加在电源与电极形成的回路上，用于测量电弧的电流曲线；高速相机与光谱仪的镜头对准电极之间形成电弧的位置，接收电弧产生的光信号并进行初步处理；最后示波器、高速相机和光谱仪测量获取的电弧参数将传递给上位机，用于处理与分析，校准电弧放电能量公式当中的修正系数。
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