CN107064753A - 弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置，包括电弧光谱采集装置、电气参数测量装置、物理参数测量装置、数字延迟发生器；受电弓滑板与接触网导线与电气参数测量装置和物理参数测量装置相连；数据采集卡、直线位移传感器与电弧光谱采集装置由数字延迟发生器进行触发；本发明具有装置简单，无干扰等优点，能更为准确地测量等离子体内部参数。通过实时同步采集弓网电弧发射光谱、电压电流和间隙距离等多项电弧参数，完善反映弓网电弧等离子体烧蚀状态。

Description

弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置

技术领域

本发明涉及一种弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置，属于电气化铁路系统测量技术领域。

背景技术

高速铁路因其污染少、准时率高、载运量大等优点，在全世界范围内得到广泛应用。当前，列车的运行速度提高是各国发展的首要目标。列车速度的提升，会导致弓网振动加剧，弓网离线现象愈发严重。列车的稳定运行需要保证接触网和受电弓之间的稳定受流，当离线现象产生，弓网电弧会承担传输电流的作用，但是，弓网电弧会烧蚀接触网导线和受电弓滑板、产生高频噪声和过电压，前者将缩短列车的服役寿命，后者将影响列车的信号系统，威胁列车的行车安全。因此，需要对弓网电弧进行有效、准确地测量，有助于抑制弓网电弧，提高受流质量。

对于弓网电弧等离子体的测量通常集中于其电气参数，不能反映电弧本身的特性。弓网电弧等离子体中有不同状态的物质，当其状态发生变化时，则会产生电磁辐射，经色散系统分光后，按波长或频率等排列形成光谱。其中分立的锐线光谱是单个气态原子辐射产生的，谱线强度是光谱定量分析的依据，其谱线强度与等离子体的温度有关。

目前电弧获取的方法还较为欠缺，目前用于实际应用的仅为检测紫外光信号和测量弓网电弧电压电流，仅能定性分析电弧强弱情况，并不能定量分析弓网电弧内部参数；温度作为燃炽程度、烧蚀特性的重要表征参数，能够准确、实时反映电弧对接触线与滑板表面的烧蚀强度，对弓网电弧的测量、监测以及防治措施都有着极为重要的意义。目前对于弓网电弧等离子体此类大气压等离子体，常见的获取方式有探针法，其中探针法虽能直观反映等离子体参数，但在测量过程中，对等离子体状态造成干扰，影响测量准确性。

发明内容

现有对弓网电弧的获取手段，仅能反应如电压电流(电气参数)等单一参量，存在一定的不足和缺陷，而本发明目的是基于上述发射光谱准确测量等离子体温度的基础上，提供了一种弓网电弧等离子体多参数获取方法，为后续研究分析环节输出弓网电弧燃弧强度、时间和温度等多项参数。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种弓网电弧等离子体多参数获取方法，在弓网电弧实验研究中实时采集获取等离子体温度，电压电流和弓网间的间隙距离，以完善反映弓网电弧等离子体烧蚀状态；通过电弧光谱采集装置(1)采集弓网电弧发射光谱后获得经后继处理获取弓网电弧温度；通过放置在受电弓滑板上的直线位移传感器采集受电弓滑板与接触线的间隙距离；通过罗氏线圈为主的电气参数测量装置(2)获取电弧的电流电压信息；其电弧等离子体温度包含如下步骤：并对该谱线强度进行记录

1)在无电弧情况，采集背景光谱；预设光强阈值；预设采样时间周期；

2)电弧发生时，采集并记录发射光谱中光强达到预设阈值的Cu I 510.55nm、515.32nm、521.82nm、529.25nm、570.02nm五条谱线的光强；

3)对2)所获结果，利用玻尔兹曼斜率法对弓网电弧温度进行计算，用直线拟合数据点获得弓网电弧温度；

向后续研究环节输出弓网电弧温度、受电弓滑板与接触线的间隙距离和电弧的电流电压信息。

本发明的目的还在于为以上方法的实施提供相应的实施装置，其具体措施为：一种采用上述方法的弓网电弧等离子体多参数获取装置，

主要包括电弧光谱采集装置(1)、电气参数测量装置(2)、物理参数测量装置(3)；

电弧光谱采集装置(1)包括：三维电动位移调整台，设置在三维电动位移调整台上的汇聚透镜；通过光纤将汇聚透镜与光谱仪光路联通；

电气参数测量装置(2)主要由通过罗氏线圈和数据采集卡构成；

物理参数测量装置(3)主要为放置在受电弓滑板上的直线位移传感器；

由数字延迟发生器(4)向电弧光谱采集装置进行触发；高速列车车载直流电源的输出电流向电弧光谱采集装置(1)供电。

与现有技术相比，本发明具有装置简单，无干扰等优点，能更为准确地测量等离子体内部参数。通过实时同步采集弓网电弧发射光谱、电压电流和间隙距离等多项电弧参数，完善反映弓网电弧等离子体烧蚀状态。

本发明提供的弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置，通过利用合适的汇聚透镜和光纤对弓网电弧光源进行收光，利用光谱仪设置适合的时间间隔和阈值采集有效准确的弓网电弧光谱。同时，本发明中利用直线位移传感器对弓网振动情况进行了研究，有助于了解弓网电弧辐射光谱与间隙距离的关系。此外，本发明利用电气参数测量装置记录电弧电压和电流波形，有利于为深入而全面地了解弓网电弧内部过程提供科学依据。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1是弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置操作流程图。

图2是弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置结构示意图；

图3是弓网电弧等离子体多参数获取方法和装置在列车上实际放置示意图；

图4是强度阈值为30000和间隔时间为20ms情况下，利用光谱仪采集的弓网电弧光谱图；

图5是经过光谱校正曲线校正后，为利用玻尔兹曼斜率法计算选用的弓网电弧等离子体温度的谱线类型及标识。

图6利用玻尔兹曼斜率法拟合出直线的斜率与弓网电弧的温度。

图7是通过利用罗氏线圈及数据采集卡采集弓网电弧电压电流的图像。

图8是在不同电流情况下，测量的弓网电弧等离子体温度。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1，本发明装置包括电弧光谱采集装置、电气参数测量装置、物理参数测量装置、数字延迟发生器；

其中，车载直流电源向电弧光谱采集装置(1)供电；

分别由电气参数测量装置和物理参数测量装置测量弓网电弧等离子体的参数。

电弧光谱采集装置由光谱仪PG2000(其采集范围为可见光350nm～800nm，积分时间为10us～100ms，采集频率为10ms)、光纤、汇聚透镜组成。

电气参数测量装置和物理参数测量参数分别由数据采集卡、罗氏线圈和直流位移传感器Panasonic HG-C1100组成。

所述的直流电流发生装置由数字延迟发生器触发动作。

图1表达了实际的处理过程，包括以下具体步骤：

1)调节车载直流电源，控制输出电压和电流的幅值；

2)利用发射光谱调整装置平台，初步调节光纤和汇聚透镜的位置，以保证电弧光源与测量平台处于同一水平位置；

3)设置弓网电弧光谱采集时间间隔，并设定光谱信号阈值；

4)使用数字延迟发生器同步触发光谱仪、电压电流测量和位移传感器，同时记录弓网电弧光谱、电压电流信号和弓网间隙距离；

5)在无电弧情况，采集背景光谱；

6)电弧发生时，采集光谱，达到预设阈值，才能进行步骤7，反之进行步骤2；

7)对光谱信号进行处理，选择Cu I 510.55nm、515.32nm、521.82nm、529.25nm、570.02nm五条谱线，利用玻尔兹曼斜率法对弓网电弧温度进行计算。

在实际的处理过程中：

如图2所示连接实验电路以及电气测量装置。罗氏线圈及直线位移传感器、数据采集卡信号输出端连接电脑端。光谱仪的触发板和晶闸管输入端连接至数字延迟发生器。如图3所示，将汇聚透镜和光纤放置于三维电动位移调整台，放置于车顶处，并将直线位移传感器放置在受电弓滑板上，以便记录弓网电弧发射光谱及受电弓滑板与接触线的间隙距离。为保证光谱信号的准确有效性，需要设置光谱阈值和采集时间。首先拍摄一组无弓网电弧的背景光谱，减少非电弧光源的干扰。逐渐减小采集时间，以调整汇聚透镜和光纤位置，以达到最优的采集效果。在设定阈值和采集时间间隔后，利用光谱仪采集如图4所示的弓网电弧光谱。

对弓网电弧发射光谱进行定标和分类，由于在无电弧状态，没有铜原子谱线的产生，所以可利用铜原子谱线计算弓网电弧温度，选择特定谱线，并对该谱线强度进行记录，如图5所示。

谱线强度与处在激发态的原子数目、跃迁几率及辐射能量有关如下式所示。

式中I为谱线强度；T为等离子体温度；n为等离子体的中性粒子密度；A_ul为跃迁几率；h为普朗克常数6.63×10-34J·s；v为谱线的频率；g_u为上能级统计权重；Z为原子配分函数；E_u为高能态激发能；k为玻尔兹曼常数1.38×10-23J/K。

对于同种元素的多条激发能不同的谱线，可利用其强度比与激发温度的确定关系来测量激发温度如下式：

利用上式即玻尔兹曼斜率法对弓网电弧温度进行计算，用直线拟合数据点，如图6所示。

利用罗氏线圈及数据采集卡采集弓网电弧电压电流的图像，如图7所示。

在不同电流情况下，测量弓网电弧离子体温度如图8所示。

如上所述，本方法基于等离子体发射光谱原理，结合高速铁路中弓网电弧产生机制，通过使用光谱仪对弓网电弧的内部参数进行分析。本发明对深入和完善了解弓网电弧产生过程，如电弧演变，电弧击穿与弓网间隙的关系等提供了直接有益的科学依据，可作为数值模拟技术的实验验证手段。

Claims (2)

1.一种弓网电弧等离子体多参数获取方法，在弓网电弧实验研究中实时采集获取等离子体温度，电压电流和弓网间的间隙距离，以完善反映弓网电弧等离子体烧蚀状态；通过电弧光谱采集装置(1)采集弓网电弧发射光谱后获得经后继处理获取弓网电弧温度；通过放置在受电弓滑板上的直线位移传感器采集受电弓滑板与接触线的间隙距离；通过罗氏线圈为主的电气参数测量装置(2)获取电弧的电流电压信息；其电弧等离子体温度包含如下步骤：并对该谱线强度进行记录,

1)在无电弧情况，采集背景光谱；预设光强阈值；预设采样时间周期；

2)电弧发生时，采集并记录发射光谱中光强达到预设阈值的Cu I 510.55nm、515.32nm、521.82nm、529.25nm、570.02nm五条谱线的光强；

3)对2)所获结果，利用玻尔兹曼斜率法对弓网电弧温度进行计算，用直线拟合数据点获得弓网电弧温度；

向后续研究环节输出弓网电弧温度、受电弓滑板与接触线的间隙距离和电弧的电流电压信息。

2.一种采用权利要求1所述方法的弓网电弧等离子体多参数获取装置，

其特征在于，主要包括电弧光谱采集装置(1)、电气参数测量装置(2)、物理参数测量装置(3)；

电弧光谱采集装置(1)包括：三维电动位移调整台，设置在三维电动位移调整台上的汇聚透镜；通过光纤将汇聚透镜与光谱光路联通；

电气参数测量装置(2)主要由通过罗氏线圈和数据采集卡构成；

物理参数测量装置(3)主要为放置在受电弓滑板上的直线位移传感器；

由数字延迟发生器(4)向电弧光谱采集装置进行触发；高速列车车载直流电源的输出电流向电弧光谱采集装置(1)供电。