CN105973498B - 一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，属于电弧温度场测试领域。它解决了现有的电弧温度场测试方法不适用于测试开关电器分断电弧的温度场或者获得的温度场准确度低的问题。物镜用于放大电弧光，双面反光棱镜的两个侧面均为反射面，经物镜出射的一部分电弧光经过双面反光棱镜的一个反射面的反射、第一平面反光镜的反射和第一窄带滤光片的透射后，入射至感光元件的一部分感光面，经物镜出射的另一部分电弧光经过双面反光棱镜的另一个反射面的反射、第二平面反光镜的反射和第二窄带滤光片的透射后，入射至感光元件的另一部分感光面，入射至感光元件的两束电弧光的光程相同，感光元件与计算机连接。本发明适用于测试电弧瞬态温度场。
Description
技术领域
本发明涉及一种电弧瞬态温度场测试系统，具体涉及一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统。
背景技术
在用开关电器断开电流时，电器的触头间不可避免地会产生电弧，对于毫秒级的电器分断电弧而言，电弧根部温度及触头间的空间温度分布是直接影响触头烧蚀特性、电器寿命和决定最终分断电弧能力的重要参数。开关电器分断电弧对触头的烧蚀破坏特性和烧蚀量是电弧与电接触学科备受关注的问题，为了研究电弧对触头表面的烧蚀特性，必须确定电器分断电弧的温度场。
开关电器分断电弧的温度场具有温度值高(10000K级)、建立时间极快(微妙级)、持续时间短(毫秒级)、分布梯度大和波动剧烈等特点。温度测试具有较大的难度，测试方法相对较少且多为点温式测试。无论是接触式还是非接触式的点温测试方法都只能反应电弧区域的平均温度，并不能得到电弧区域温度场的分布。稳定电弧的形态与温度在一定时间内不会发生明显的变化，有学者通过自动化移动平台快速地移动光纤光谱仪，得到空间分辨率相对较低的温度云图，但是这种方法响应速度慢，不适用于测试电弧存在时间短、形态和温度均迅速变化的开关电器分断电弧的温度分布。为此，大量学者均通过建立电弧宏观模型并采用仿真计算来获取电弧温度场。然而，电弧是一个涉及流体与电磁场强耦合作用的多物理场，建模过程中的大量假设与简化，会严重地降低仿真的准确度与可信性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电弧温度场测试方法不适用于测试开关电器分断电弧的温度场或者获得的温度场准确度低的问题，从而提出了一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统。
本发明所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，该测试系统包括物镜1、双面反光棱镜2、第一平面反光镜3、第二平面反光镜4、第一窄带滤光片5、第二窄带滤光片6和感光元件7；
物镜1用于放大电弧光；
双面反光棱镜2的两个侧面均为反射面；
经物镜1出射的一部分电弧光经过双面反光棱镜2的一个反射面的反射、第一平面反光镜3的反射和第一窄带滤光片5的透射后，入射至感光元件7的一部分感光面；
经物镜1出射的另一部分电弧光经过双面反光棱镜2的另一个反射面的反射、第二平面反光镜4的反射和第二窄带滤光片6的透射后，入射至感光元件7的另一部分感光面；
入射至感光元件7的两束电弧光的光程相同；
感光元件7与计算机连接。
本发明所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，通过设置双面反光棱镜、第一平面反光镜和第二平面反光镜，得到两束光程相同的电弧光，保证了光谱成像的同步性；
第一窄带滤光片与第二窄带滤光片具有不同的中心波长，用于得到特征光谱不相同的两束电弧光，该两束电弧光经感光元件，在计算机上呈现出两个光谱图像，在两个光谱不重叠的情况下，感光元件与第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的间距越小越好；
将光谱图像分解为以帧为单位的图像序列，并计算每个图像序列中像素点的光强；
如计算机上成的像为灰度图像，通过公式(1)计算每个像素点的近似光强I；
I＝K×Y (1)
其中K为衰减系数，Y为灰度值；
衰减系数K与整个光路对光强的衰减程度、感光元件的灵敏度、曝光时间和环境光照等因素有关；
如计算机上成的像为24位的RGB彩色图像，先通过彩色转灰度公式(2)得到灰度图像，再利用公式(1)计算光强；
Y＝R*0.299+G*0.587+B*0.114 (2)
R、G和B分别为每个像素点的红色分量、绿色分量和蓝色分量；
将两个光谱图中对应的图像序列的像素点的光强I1、I2代入两线相对强度法公式(3)，进而得到电弧温度时变及空间分布云图；
其中，T为电弧温度，E1为光强为I1的光子的能级激发能；E2为光强为I2的光子的能级激发能，A1为光强为I1的光子从高能级向低能级的跃迁几率，A2为光强为I2的光子从高能级向低能级的跃迁几率，g1为光强为I1的光子的能级统计权重，g2为光强为I2的光子的能级统计权重，λ1为光强为I1的光子所在电弧光的波长，λ2为光强为I2的光子所在电弧光的波长。
本发明所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，能够实现对微秒级时间分辨率、十微米级空间分辨率的电弧温度场的直接测试，所得测试结果可以直接用于验证与修正电弧的多场仿真模型，可用于电弧对触头烧蚀机理分析并确定单次分断烧蚀特性，对开关电器寿命设计具有较高的实用价值，解决了现有技术存在的问题。
附图说明
图1是实施方式一所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统的结构示意图；
图2为铜材质触头分断电弧的光谱图，CUI为一价铜离子，λ为波长，Iji为光子数。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，该测试系统包括物镜1、双面反光棱镜2、第一平面反光镜3、第二平面反光镜4、第一窄带滤光片5、第二窄带滤光片6和感光元件7；
物镜1用于放大电弧光；
双面反光棱镜2的两个侧面均为反射面，其底面与物镜1的出射镜相对且平行，其主截面为等腰三角形；
经物镜1出射的一部分电弧光经过双面反光棱镜2的一个反射面的反射、第一平面反光镜3的反射和第一窄带滤光片5的透射后，入射至感光元件7的一部分感光面；
经物镜1出射的另一部分电弧光经过双面反光棱镜2的另一个反射面的反射、第二平面反光镜4的反射和第二窄带滤光片6的透射后，入射至感光元件7的另一部分感光面；
入射至感光元件7的两束电弧光的光程相同；
感光元件7与计算机连接。
本实施方式中，采用分断铜材质触头的方式产生电弧，该电弧的光谱图如图2所示，第一窄带滤光片与第二窄带滤光片的中心波长的差距应尽量大，为此本实施方式选择521.8nm和578.2nm的窄带滤光片。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种基于分光成像法的电弧瞬态温度场测试系统，感光元件7为48位的CCD。
Claims (1)
1.一种基于分光成像的电弧瞬态温度场测试方法，其特征在于，所述电弧瞬态温度场测试方法借助基于分光成像的电弧瞬态温度场测试系统来实现；
所述电弧瞬态温度场测试系统包括物镜(1)、双面反光棱镜(2)、第一平面反光镜(3)、第二平面反光镜(4)、第一窄带滤光片(5)、第二窄带滤光片(6)和感光元件(7)；
物镜(1)用于放大电弧光；
双面反光棱镜(2)的两个侧面均为反射面；
经物镜(1)出射的一部分电弧光经过双面反光棱镜(2)的一个反射面的反射、第一平面反光镜(3)的反射和第一窄带滤光片(5)的透射后，入射至感光元件(7)的一部分感光面；
经物镜(1)出射的另一部分电弧光经过双面反光棱镜(2)的另一个反射面的反射、第二平面反光镜(4)的反射和第二窄带滤光片(6)的透射后，入射至感光元件(7)的另一部分感光面；
入射至感光元件(7)的两束电弧光的光程相同；
第一窄带滤光片(5)与第二窄带滤光片(6)具有不同的中心波长；
感光元件(7)与计算机连接；
所述电弧瞬态温度场测试方法包括：
步骤一、通过计算机获取两幅互不重叠的光谱图像；
步骤二、将每幅光谱图像分解为以帧为单位的图像序列，并计算每个图像序列中像素点的光强：
当光谱图像为灰度图像时，通过公式(1)计算每个像素点的近似光强I；
I＝K×Y (1)
式中，K为衰减系数，Y为灰度值；
当光谱图像为24位RGB彩色图像时，先通过彩色转灰度公式(2)得到灰度图像，再利用公式(1)计算近似光强I；
Y＝R*0.299+G*0.587+B*0.114 (2)
式中，R、G和B分别为每个像素点的红色分量、绿色分量和蓝色分量；
步骤三、将两幅光谱图中对应的图像序列的像素点的近似光强I1、I2代入两线相对强度法公式(3)，进而得到电弧温度时变及空间分布云图，即电弧瞬态温度场；
式中，T为电弧温度，E1为光强为I1的光子的能级激发能；E2为光强为I2的光子的能级激发能，A1为光强为I1的光子从高能级向低能级的跃迁几率，A2为光强为I2的光子从高能级向低能级的跃迁几率，g1为光强为I1的光子的能级统计权重，g2为光强为I2的光子的能级统计权重，λ1为光强为I1的光子所在电弧光的波长，λ2为光强为I2的光子所在电弧光的波长。
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