CN107355817B - 一种低能量单次电火花产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种低能量单次电火花产生方法，通过连接电路、然后确定击穿电压值，随后通过充电电容的调节获得低能量单次电火花的产生。本发明电火花产生方法采用了两个不同阻值级别的充电电阻，分别用于获取精确的击穿电压和增加电容的充电时间，利用电流探头、示波器、继电器和控制电路板以实现电火花的单次性，该方法可应用于可燃气体、易燃液体蒸汽和粉尘云的电火花点火能量测量，步骤简单，有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于电火花技术领域，具体涉及一种低能量单次电火花产生方法。
背景技术
对于可燃气体、易燃液体蒸汽、粉尘云等易燃易爆品，电火花是较为常见的点火源。为评估电火花作用下的爆炸风险，需要提供一种单次电火花产生系统，对易燃易爆品的电火花点火能量及点燃特性进行研究分析。目前，电火花的产生方法有很多种，国内外标准如GB/T14288-93、GB/T16428-1996和BSEN13821-2002等，均有对电火花产生方法及适用范围的描述。但这些方法大多适用于能量等级大于1mJ的电火花。由于电路损耗、杂散电容、测量干扰、充电时间等诸多因素的影响，大多方法对于能量等级小于1mJ的电火花并不适用。
目前，典型的产生低能量单次电火花方法如下：高压直流电源通过充电电阻对充电电容(C)充电，当充电电压达到电极间隙的击穿电压(V)时，电容放电产生电火花，电火花能量(E)按照理论值(E＝1/2CV2)计算。为防止电火花多重放电，一般要求充电时间为秒级，要求充电电阻的阻值级别为100GΩ左右。根据电阻分压原理，该级别的充电电阻，要求充电电容的绝缘电阻更高，至少要达到1000GΩ以上，否则电容不能充电至击穿电压值，从而使电容无法放电、或者测量的击穿电压值高于实际的击穿电压值，导致电火花能量计算不准确。
在实际使用中，充电电容的绝缘电阻一般为10-20GΩ左右，通过改善电容表面的清洁度及周围的干燥度可提高电容的绝缘阻值，但绝缘电阻受环境影响变化非常快，测试过程中很难保证电容的绝缘阻值始终维持在非常高的等级，且该级别的绝缘阻值无法用仪器测量。因此，在实际应用中，该方法很难实现，且往往测量到的击穿电压值会高于实际击穿电压值，导致电火花能量计算不准确。此外，对小于1mJ能量的电火花很容易受测量设备的干扰，难以直接测量，大多方法都是基于理论计算，并非实际释放的能量值。而对于同一理论能量值，由于电路状态的配置不同，释放的能量会存在差异。因此，很有必要对实际释放的电火花能量进行评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种低能量单次电火花产生方法，解决了现有电火花产生方法中对充电电阻和电容绝缘电阻的高阻值要求、电火花能量不精确的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种低能量单次电火花产生方法，包括以下步骤：
步骤1，连接电路
通过导线依次串联交流电源、继电器和高压直流电源，高压直流电源还通过导线依次串联切换开关、大充电电阻、充电电容和隔离电阻并形成闭合电路；切换开关和充电电容之间并联有小充电电阻，切换开关和隔离电阻之间并联有电压测量装置，充电电容两端还并联有放电电极；放电电极和充电电容之间的导线上套接有电流探头；电流探头还依次串联示波器、控制电路板、继电器并形成闭合电路；
步骤2，击穿电压值V的确定
步骤2.1，断开交流电源，连接切换开关至小充电电阻，调节高压直流电源输出值为最小值，同时调整放电电极的间隙为1-2mm；
步骤2.2，接通交流电源，缓慢增加高压直流电源的输出直至放电电极间隙的气体击穿，记录此刻电压测量装置的电压值；
步骤2.3，重复步骤2.2的操作8-12次，并记录每次电压测量装置的电压值，随后取所有电压值的平均值并记为放电电极击穿电压值V；
步骤3，充电电容的调节
步骤3.1，将步骤2.3获取的击穿电压值V、所需电火花能量E均代入下式中，计算出理论充电电容值C
E＝1/2CV2；
步骤3.2，测量放电电极两端的电容值，并调整电容值的大小，使测量的充电电容值与步骤3.1计算的理论充电电容值C相同；
步骤4，低能量单次电火花的产生
步骤4.1，断开交流电源，调整切换开关至大充电电阻，使示波器处于单次触发状态；
步骤4.2，接通交流电源，缓慢调节高压直流电源的输出直至放电电极间隙击穿并有电火花产生，即得到低能量单次电火花。
本发明的特征还在于，
步骤1中继电器为双刀双掷直流控制继电器，触点电压为220V交流，触点电流不小于2A。
步骤1中交流电源为220V交流电源；高压直流电源的输入电压为交流220V，输出电压为0-15KV。
步骤1中大充电电阻为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为1-10GΩ；
步骤1中小充电电阻为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为10-100MΩ；
步骤1中隔离电阻为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为5-50MΩ。
步骤1中充电电容为高压真空可调电容，耐压值不小于15KV，电容调节范围为6-50PF。
步骤1中放电电极为球状结构的铝材料电极，电极直径2-5mm，电极间隙为1-2mm。
步骤1中电流探头为感应式电流探头，其输出端连接器BNC接头与示波器输入通道直接连接；
步骤1中示波器为数字示波器，具有辅助输出功能AUX OUT，其输出端连接器BNC接头与控制电路板连接并输出为脉冲信号，示波器带宽不小于100MHz，采样速率不小于2.5GS/s。
步骤1中电压测量装置包括电压表和电阻分压电路；电压测量装置的测量精度不小于10V；
步骤1中电压测量装置还通过示波器和高压探头来实现。
步骤1中控制电路板的输出延时不大于1ms。
本发明电火花产生方法的有益效果是：
a)本发明电火花产生方法在操作过程中能够实现单次电火花放电；
b)本发明电火花产生方法在操作过程中能够精确的测量到电火花产生时的击穿电压，使释放的电火花能量计算时更加准确；
c)本发明电火花产生方法降低了传统方法对充电电阻和绝缘电阻的苛刻要求，使电路更容易实现；
d)本发明电火花产生方法能检测到电火花发生时的电流，并计算出实际释放的电火花能量，对电火花能量能有效的评估。
附图说明
图1是本发明一种低能量单次电火花产生方法的原理图；
图2是本发明一种低能量单次电火花产生方法实施例的电路图；
图3是图2中控制电路板的原理图。
图中，1.继电器，2.高压直流电源，3.切换开关，4.大充电电阻，5.小充电电阻，6.充电电容，7.隔离电阻，8.电压测量装置，9.放电电极，10.电流探头，11.示波器，12.控制电路板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种低能量单次电火花产生方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，连接电路
通过导线依次串联交流电源、继电器1和高压直流电源2，高压直流电源2还通过导线依次串联切换开关3、大充电电阻4、充电电容6和隔离电阻7并形成闭合电路；切换开关3和充电电容6之间并联有小充电电阻5，切换开关3和隔离电阻7之间并联有电压测量装置8，充电电容6两端还并联有放电电极9；放电电极9和充电电容6之间的导线上套接有电流探头10；电流探头10还依次串联示波器11、控制电路板12、继电器1并形成闭合电路；
其中，继电器1选用双刀双掷直流控制继电器，触点电压为220V交流，触点电流不小于2A；高压直流电源2的输入电压为交流220V，输出电压为0-15KV，输入端可控，输出端可调；大充电电阻4为高压无感电阻，用来延长充电电容6的充电时间，耐压值不小于15KV，阻值为1-10GΩ；小充电电阻5为高压无感电阻，用来获取精确的击穿电压，耐压值不小于15KV，阻值为10-100MΩ；隔离电阻7为高压无感电阻，其作用是防止电火花对地放电，耐压值不小于15KV，阻值为5-50MΩ；充电电容6为高压真空可调电容，耐压值不小于15KV，电容调节范围为6-50PF；放电电极9为球状结构的铝材料电极，电极直径2-5mm，电极间隙为1-2mm；电流探头10为感应式电流探头，其输出端连接器BNC接头与示波器11输入通道直接连接；示波器11为数字示波器，具有辅助输出功能AUX OUT，其输出端连接器BNC接头与控制电路板12连接并输出为脉冲信号，示波器11带宽不小于100MHz，采样速率不小于2.5GS/s；电压测量装置8通过两种方案实现，一种包括电压表和电阻分压电路、另一种包括示波器和高压探头，电压测量装置8的测量精度不小于10V；控制电路板12将示波器11脉冲信号转换为阶跃信号，控制继电器1动作，输出延时不大于1ms。
步骤2，击穿电压值V的确定
步骤2.1，断开交流电源，连接切换开关3至小充电电阻5，调节高压直流电源2输出值为最小值，同时调整放电电极9的间隙为1-2mm；
步骤2.2，接通交流电源，缓慢增加高压直流电源2的输出直至放电电极9间隙的气体击穿，记录此刻电压测量装置8的电压值；
步骤2.3，重复步骤2.2的操作8-12次，并记录每次电压测量装置8的电压值，随后取所有电压值的平均值并记为放电电极9击穿电压值V；
步骤3，充电电容6的调节
步骤3.1，将步骤2.3获取的击穿电压值V、所需电火花能量E均代入下式中，计算出理论充电电容值C
E＝1/2CV2；
步骤3.2，测量放电电极9两端的电容值，并调整电容值的大小，使测量的充电电容值与步骤3.1计算的理论充电电容值C相同；
步骤4，低能量单次电火花的产生
步骤4.1，断开交流电源，调整切换开关3至大充电电阻4，使示波器11处于单次触发状态；
步骤4.2，接通交流电源，缓慢调节高压直流电源2的输出直至放电电极9间隙击穿并有电火花产生，得到低能量单次电火花。
本发明电火花产生方法的工作原理：
继电器1公共触点分别与交流220V电源输入端连接、继电器1常闭触点连接高压直流电源2的输入端、常开触点悬空；继电器1线圈连接控制电路板12的输出；高压直流电源2的输出正端连接切换开关3的公共端，切换开关3的另外两端分别与大充电电阻4和小充电电阻5的一端相连；充电电容6和放电电极9相互并联，充电电容6正端连接相互并联的两个充电电阻，充电电容6负端连接隔离电阻7，隔离电阻7还和和高压直流电源2的负端连接；电压测量装置8和高压直流电源2的输出端并联；充电电容6和放电电极9之间的导线穿过电流探头10的互感器，电流探头10的输出端连接器接示波器11的模拟输入通道、示波器11的辅助输出口AUX OUT通过线缆与控制电路板12的输入端相连，控制电路板12的输出端接继电器1的线圈。
接通交流220V电源后，高压直流电源2工作并输出高压直流信号，高压直流电源2通过充电电阻对充电电容6充电，充电电容6两端的电压随充电时间而逐渐变大。由于充电电容6和放电电极9之间并联，当充电电容6的充电电压达到放电电极间隙的击穿电压时，在放电电极9间会产生电火花放电，在充电电容6和放电电极9之间的导线上伴随有电火花电流通过。电流探头10感应到电火花电流后，示波器11触发，并产生一个脉冲信号并输入至控制电路板12，控制电路板12将该脉冲信号处理为阶跃信号，并控制继电器1动作，使高压直流电源2与交流电源断开，此时充电电容6停止充放电，保证了单个电火花的产生。
当使用小充电电阻5时，由于其电阻值远远小于充电电容6的绝缘电阻，充电电容6两端的电压值和测量得到的电压值相同，由于充电时间很小，会形成连续的电火花；当使用大充电电阻4时，由于电阻值和充电电容6的绝缘电阻量级相当，在大充电电阻4会形成分压，测量得到的电压值会大于充电电容6两端的电压值。
实施例
步骤1，连接如图2所示的电路，其中各部件的参数如下：
继电器1选用双刀双掷直流控制继电器，触点电压为220V交流，触点电流为1A；高压直流电源2的输入电压为交流220V，输出电压为0-15KV，输出端可调节；大充电电阻4为高压无感电阻，耐压值为30KV，阻值为2GΩ；小充电电阻5为高压无感电阻，耐压值15KV，阻值为50MΩ；隔离电阻7为高压无感电阻，耐压值30KV，阻值为50MΩ；充电电容6为高压真空可调电容，耐压值15KV，电容调节范围为6-50PF；放电电极9为球状结构的铝材料电极，电极直径5mm，电极间隙为1.5mm；电流探头10选用皮尔森3525感应式电流探头，带宽15MHZ，输出端连接器为BNC接头；示波器11选用泰克示波器MDO3014，具有辅助输出功能AUX OUT，示波器带宽100MHz，采样速率2.5GS/s；电压测量装置8通过电压表和电阻分压电路实现、电压测量装置的测量精度不小于10V；控制电路板12将示波器11脉冲信号转换为阶跃信号，控制继电器1动作，输出延时不大于1ms；
如图3所示为控制电路板12的电路图，控制电路由NPN管Q1和高速光耦U1、U2、U3组成，常态下，AUXOUT输出为高，Q1导通，U1、U2、U3输出端截止，继电器1保持常态，交流电源接通直流高压电源2输入端；当电火花产生后，电流探头10会感应到电火花的电流，使示波器11触发，AUXOUT口输出跳转为低电平，此时，控制电路12上的Q1截止，U1、U2和U3输出端导通，继电器1状态发生改变，使交流电源断开，由于U2的输出端与输入端连接，即使AUXOUT口输出跳转为高电平，U2、U3也会保持常通状态，使继电器1维持该状态保持不变，高压直流电源2停止工作，保证单个电火花的产生。
步骤2，击穿电压值V的确定
步骤2.1，断开交流电源，连接切换开关3至小充电电阻5，调节高压直流电源2输出值为最小值，同时调整放电电极9的间隙为1.5mm；
步骤2.2，接通交流电源，缓慢增加高压直流电源2的输出直至放电电极9间隙的气体击穿，记录此刻电压测量装置8的电压值；
步骤2.3，重复步骤2.2的操作10次，并记录每次电压测量装置8的电压值，随后取所有电压值的平均值并记为放电电极9击穿电压V，10次测量到的电压值分别为4.66KV、4.68KV、4.71KV、4.65KV、4.66KV、4.70KV、4.68KV、4.67KV、4.68KV、4.65KV，则取平均值后击穿电压V＝4.674KV。
步骤3，充电电容6的调节
步骤3.1，将所需电火花能量E＝200uJ、步骤2.3获取的击穿电压V代入下式中，计算出理论充电电容值C＝18.31PF
E＝1/2CV2；
步骤3.2，测量放电电极9两端的电容值，并调整电容值的大小，使测量的充电电容值与步骤3.1计算的理论充电电容值C相同。
步骤4，单次电火花的产生
步骤4.1，断开交流电源，调整切换开关3与大充电电阻连4接，使示波器11处于单次触发状态；
步骤4.2，接通交流电源，缓慢调节高压直流电源2的输出直至放电电极9间隙击穿并有电火花产生，得到低能量单次电火花。
此时步骤4.2中示波器11感应到电火花电流并触发，通过控制电路板12使继电器1动作，断开交流电源；记录示波器11采集的电流i，根据下式得出电火花能量：
理论电火花能量值Etheory＝1/2CV2＝200uJ；
理论的电荷量Qtreory＝CV＝4.674×18.31＝85.58nC；
通过对采集的电流i积分，得到电火花释放的电荷量：
Qspark＝∫i(t)dt＝80nC；
则电路中残留的电荷量Qremain＝Qtreory-Qspark＝5.58nC；
则残留的电火花能量
则实际释放的电火花能量Espark＝Etheory-Eremain＝199.15uJ。
本实施例中分别采用2GΩ的大充电电阻4和50MΩ的小充电电阻5、阻值为50MΩ的隔离电阻7，产生低能量单次电火花，通过测量计算可知，实际释放的电火花能量为199.15uJ，使释放的电火花能量计算时更加准确，对电火花能量能进行有效的评估。
Claims (9)
1.一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，连接电路
通过导线依次串联交流电源、继电器(1)和高压直流电源(2)，所述高压直流电源(2)还通过导线依次串联切换开关(3)、大充电电阻(4)、充电电容(6)和隔离电阻(7)并形成闭合电路；所述切换开关(3)和充电电容(6)之间并联有小充电电阻(5)，所述切换开关(3)和隔离电阻(7)之间并联有电压测量装置(8)，充电电容(6)两端还并联有放电电极(9)；放电电极(9)和充电电容(6)之间的导线上套接有电流探头(10)；电流探头(10)还依次串联示波器(11)、控制电路板(12)、继电器(1)并形成闭合电路；
步骤2，击穿电压值V的确定
步骤2.1，断开交流电源，连接切换开关(3)至小充电电阻(5)，调节高压直流电源(2)输出值为最小值，同时调整放电电极(9)的间隙为1-2mm；
步骤2.2，接通交流电源，缓慢增加高压直流电源(2)的输出直至放电电极(9)间隙的气体击穿，记录此刻电压测量装置(8)的电压值；
步骤2.3，重复步骤2.2的操作8-12次，并记录每次电压测量装置(8)的电压值，随后取所有电压值的平均值并记为放电电极(9)击穿电压值V；
步骤3，充电电容(6)的调节
步骤3.1，将步骤2.3获取的击穿电压值V、所需电火花能量E均代入下式中，计算出理论充电电容值C
E＝1/2CV2；
步骤3.2，测量放电电极(9)两端的电容值，并调整电容值的大小，使测量的充电电容值与步骤3.1计算的理论充电电容值C相同；
步骤4，低能量单次电火花的产生
步骤4.1，断开交流电源，调整切换开关(3)至大充电电阻(4)，使示波器(11)处于单次触发状态；
步骤4.2，接通交流电源，缓慢调节高压直流电源(2)的输出直至放电电极(9)间隙击穿并有电火花产生，得到低能量单次电火花。
2.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中继电器(1)为双刀双掷直流控制继电器，触点电压为220V交流，触点电流不小于2A。
3.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中交流电源为220V交流电源；高压直流电源(2)的输入电压为交流220V，输出电压为0-15KV。
4.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中大充电电阻(4)为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为1-10GΩ；
所述的步骤1中小充电电阻(5)为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为10-100MΩ；
所述的步骤1中隔离电阻(7)为高压无感电阻，耐压值不小于15KV，阻值为5-50MΩ。
5.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中充电电容(6)为高压真空可调电容，耐压值不小于15KV，电容调节范围为6-50PF。
6.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中放电电极(9)为球状结构的铝材料电极，电极直径2-5mm，电极间隙为1-2mm。
7.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中电流探头(10)为感应式电流探头，其输出端连接器BNC接头与示波器(11)输入通道直接连接；
所述的步骤1中示波器(11)为数字示波器，具有辅助输出功能AUX OUT，其输出端连接器BNC接头与控制电路板(12)连接并输出为脉冲信号，示波器(11)带宽不小于100MHz，采样速率不小于2.5GS/s。
8.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中电压测量装置(8)包括电压表和电阻分压电路；电压测量装置(8)的测量精度不小于10V；
所述的步骤1中电压测量装置(8)还通过示波器和高压探头来实现。
9.根据权利要求1所述的一种低能量单次电火花产生方法，其特征在于，所述的步骤1中控制电路板(12)的输出延时不大于1ms。
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