CN108303623A - 一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法 - Google Patents

一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法，该方法使用相机拍摄的电弧照片，然后选取照片的电弧区域，直接分析计算图像中的R、G、B色度信息和灰度信息。通过比较直流电晕和电弧放电空间中色度分布、不同材料放电电弧色度分布、交流电弧三个阶段的色度分布、不同电流下电弧色度分布等四个方面，分别对电弧的空间分布辐射特征、电极材料的差异、是否含有剩余电流以及热平衡处的温度随电流变化情况等物理特性进行判断。通过本发明不需假设整个弧柱区域热平衡状态，因而可以分析计算空间分布的非热平衡特性，并以此作为电弧的诊断。

Description

一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法
技术领域
本发明属于电弧等离子体领域，更具体地，涉及一种利用光学图像空间分布的色度信息诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法。
背景技术
电弧放电是气体放电中一种强烈的自持放电，产生大量的等离子体并伴有剧烈的光热现象。电弧在焊接，整流，照明，加热等方面应用前景广泛，对电弧的空间特征进行准确表征是电弧工业应用的必要需求。对于电力系统而言，电弧产生的危害会造成经济的巨大损失和人员伤亡，能否准确的识别电弧状态和特征成为了重中之重。
对电弧的实验研究主要集中在静电探针法、发射光谱法和高速摄影法。静电探针法通过分析探针的电压电流曲线可以得到等离子体内部的电子温度，电子密度等参数，其缺点是探针引入到电弧中之后会对热等离子体内部产生一定的扰动，对探针材料和形状尺寸的要求也比较高。发射光谱法主要用来研究电弧的温度，通过采集电弧发生的光谱强度，然后根据热平衡状态下的发射系数和光谱强度之间的关系得到发射系数，再通过boltzmann分布和saha方程计算出发射系数和温度的关系。光谱法要采用合适的波段光谱，且对电弧的要求一定要满足局部热平衡状态，而弧柱边缘部分是不满足此要求的，因此，在不同的实验条件下，得到的结果往往差别很大，仅仅使用“温度”这个参量并不能准确的表征电弧。高速摄影法可以通过拍摄短时间的放电照片研究电弧的发展，其缺点是分辨率过低，无法研究电弧空间分布，且存在实验条件苛刻，操作难度大等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法，由此解决电弧应用中物理特性诊断难度较大以及诊断准确性较低等的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法，包括：
从稳定电弧的真彩图图像中选出放电区域，将所述放电区域作为计算域，将所述计算域划分为若干微元；
提取每个所述微元内的RGB三色分量和每个所述微元的灰度值，并由所述RGB三色分量和所述灰度值确定每个所述微元的色度信息；
根据所述色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性。
优选地，所述将所述计算域划分为若干微元包括：
将所述计算域平分为若干个微元，其中每个微元中包括M×N个像素点，其中，M、N均为正整数。
优选地，所述由所述RGB三色分量和所述灰度值确定每个所述微元的色度信息，包括：
由得到每个所述微元的色度信息，其中，AGL(x,y)为色度信息分布，AGL分别取为L、R、G、B，且L＝0.3×R+0.59×G+0.11×B，L表示所述微元的灰度值，(x,y)表示所述微元中的像素点的横纵坐标。
优选地，所述根据所述色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性，包括：
根据直流电晕和直流电弧放电空间中的色度信息分布对直流电晕和直流电弧进行分辨；
根据在电极两端和弧柱中的色度信息的不同对电极材料进行区分；
根据交流电弧的三个阶段的色度信息分布以及交流电弧零休阶段电极的色度特征确定是否存在剩余电流；
根据不同电流下的电弧色度信息分布，计算不同电流下的色度信息中B分量和G分量之比的变化，以确定电流改变对电弧热平衡区域温度的影响。
优选地，所述根据直流电晕和直流电弧放电空间中的色度信息分布对直流电晕和直流电弧进行分辨，包括：
若放电区域均在空气间隙中，且色度信息中蓝色分量最大，则确定为直流电晕，若放电区域中弧柱的色度信息为R>B>G，且电极头部被斑点覆盖，则确定为直流电弧，且电弧辐射能量集中分布在近红外区。
优选地，所述根据在电极两端和弧柱中的色度信息的不同对电极材料进行区分，包括：
若第一电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比大于第二电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比，则确定所述第一电极材料为冷阴极，所述第二电极材料为热阴极。
优选地，所述第一电极材料为铜电极，所述第二电极材料为钨电极。
优选地，所述根据交流电弧的三个阶段的色度信息分布以及交流电弧零休阶段电极的色度特征确定是否存在剩余电流，包括：
若交流电弧零休阶段电极存在发亮现象，则确定存在剩余电流。
优选地，所述根据不同电流下的电弧色度信息分布，计算不同电流下的色度信息中B分量和G分量之比的变化，以确定电流改变对电弧热平衡区域温度的影响，包括：
由确定电弧温度与B分量和G分量之比成负相关关系，根据改变电流后的B分量和G分量之比的变换确定电弧中热平衡区域温度的变化，其中，C为常数，λg为绿光波长，λb为蓝光波长，Bb为绿光光强，Bg为蓝光光强。
优选地，对于每个微元，分析电弧色度信息沿轴向变化时，在垂直方向取能包络整个电弧亮度的最小值，水平方向取q个像素点，分析电弧色度信息沿径向变化时，垂直方向取m个像素点，水平方向取n个像素点，且取点为弧柱中间部分。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明用可见光相机拍摄电弧照片进行图像处理后分析，对电弧放电本身无干扰，且无需假设电弧整个空间都处于热平衡状态，避免了温度这一指标的不确定性，且曝光时间可调，分辨率高，设备操作简单，价格低廉，在电弧放电的识别和判断方面有较好的应用前景。本发明方法得到的分辨率更高，包含信息更为丰富，在电弧放电的空间特征表征方面有突出的效果。本发明曝光时间可任意调整，方便在不同工况下更为清楚的分析图片。本发明方法造价低廉，操作简单，能够在电弧的物理结构，材料，交流电弧零休阶段特征，以及不同电压下色度变化等方面进行更为深入的研究。
附图说明
图1是本发明提供的一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种实验装置图；
图3是本发明提供的一种微元划分示意图；
图4是本发明提供的一种直流电晕与直流电弧沿轴向灰度及色度值，其中，图4(a)为直流电晕沿轴向灰度及色度值，图4(b)为直流电弧沿轴向灰度及色度值；
图5为本发明提供的一种交流电弧零休阶段色度图；
图6为本发明提供的一种铜电极和钨电极红色分量占比比较图；
图7为本发明提供的一种钨针增大电流前后B/G沿横轴向分布。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法，利用光学图像空间分布的色度信息诊断电弧的非热平衡物理特性，利用放电电弧色度信息中的分量分布来判断电弧放电中电极材料的差异，利用交流电弧三个阶段的色度分布来判别交流电弧零休阶段是否含有剩余电流，可以更准确全面的来表征电弧的空间放电特征。
如图1所示为本发明提供的一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法的流程示意图，包括：
S1：从稳定电弧的真彩图图像中选出放电区域，将放电区域作为计算域，将计算域划分为若干微元；
其中，可以通过调节合适的曝光时间来拍摄稳定电弧的真彩图照片。如图2所示，在本发明实施例中，数码相机使用的是分辨率可达3600万像素的Nikon D800，相机参数设置为：光圈F＝5.0，曝光时间随着条件不同变化，感光度ISO＝2000，测光模式为偏中心平均模式，颜色模式为sRGB模式。图2中实验装置中电源为交流220V电源，频率为50Hz，电极之间间隙为5mm。
作为一种可选的实施方式，调节合适曝光时间的具体实施如下：考虑到电晕的发光微弱，且假设在不同的曝光时间下，稳定电晕发出的色度信息中三色信息各分量占比不发生变化，因此电晕照片采用较长的曝光时间，优选为5s；而在电弧中，由于电弧发光强烈，因此采用稳定电弧的一个周期时间作为曝光时间，优选为0.02s；同时，在研究交流电弧的放电阶段时，根据示波器电信号图可以观察到电弧的零休时间大概为0.002s，因此采用0.001s的曝光时间拍摄稳定电弧下的大量照片，统计出交流电弧的三个阶段。
图3中每个微元，研究电弧色度信息沿轴向变化时，规格为垂直方向取能包络整个电弧亮度的最小值，水平方向取q个像素点，q优选为10；研究电弧色度信息沿径向变化时，规格为垂直方向取m个像素点，水平方向取n个像素点，且取点为弧柱中间部分，m优选为2，n优选为2-10。
在一个可选的实施方式中，将计算域划分为若干微元采用如下方式：
将计算域平分为若干个微元，其中每个微元中包括M×N个像素点，其中，M、N均为正整数，优选地，M取200，N取10。
S2：提取每个微元内的RGB三色分量和每个微元的灰度值，并由RGB三色分量和灰度值确定每个微元的色度信息；
与人眼识别颜色机制相同，CCD相机拍摄电弧的真彩色图，由红、绿、蓝三原色合成得到。其中每个颜色灰度值均以八位形式存储在像素点内，取值范围为[0,255]。真彩图的灰度图由三色图转换得到，灰度值取值范围也为[0,255]。真彩色图的灰度值用L表示，三色图的灰度值用R、G、B表示。
在一个可选的实施方式中，由RGB三色分量和灰度值确定每个微元的色度信息的具体实现方式为：
由得到每个微元的色度信息，其中，AGL(x,y)为色度信息分布，AGL分别取为L、R、G、B，且L＝0.3×R+0.59×G+0.11×B，L表示微元的灰度值，(x,y)表示微元中的像素点的横纵坐标，且图像中每个像素点(x,y)包含了全部色度信息。
S3：根据色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性。
在一个可选的实施方式中，根据色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性，包括：
根据直流电晕和直流电弧放电空间中的色度信息分布对直流电晕和直流电弧进行分辨；
其中，可以在低电压下选取5s曝光时间拍摄直流电晕的图片和在高电压下选取100ms曝光时间拍摄稳定直流电弧的图片。
图4中直流电晕和直流电弧的色度分布信息区别方法如下：首先，电晕的放电区域均在空气间隙中，且色度信息大部分为蓝色分量最大，即B>R>G，但是电弧中，弧柱的色度信息为R>B>G，且电极头部本身也被斑点覆盖。因此，若放电区域均在空气间隙中，且色度信息中蓝色分量最大，则确定为直流电晕，若放电区域中弧柱的色度信息为R>B>G，且电极头部被斑点覆盖，则确定为直流电弧，且电弧辐射能量集中分布在近红外区。
根据在电极两端和弧柱中的色度信息的不同对电极材料进行区分；
其中，若第一电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比大于第二电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比，则确定第一电极材料为冷阴极，第二电极材料为热阴极。
优选地，第一电极材料为铜电极，第二电极材料为钨电极。
如图6所示为使用铜和钨两种电极材料，绘制色度信息沿轴向的变化，得到二者的色度分布。可以看到铜电极电弧中色度信息的红色分量占比，即Rcp值，要大很多，尤其是弧柱部分，可以据此信息判断电极的材料特性。
其中，三个色度分量占比为：其中，x取值分别为R、G、B。可以看出，当任一分量的占比上升时，会引起另外两个分量占比之和的下降。
根据交流电弧的三个阶段的色度信息分布以及交流电弧零休阶段电极的色度特征确定是否存在剩余电流；
其中，可以通过选择更短的曝光时间如1ms，从拍摄所得交流电弧照片中统计分析出代表交流电弧三个阶段的色度分布信息，并根据电弧零休阶段的色度特征判别剩余电流的存在；图5中为交流电弧零休阶段色度图，和电晕色的图对比之后可以得到其空间分布信息如表1：
表1交流电弧零休和直流电晕色度信息对比
根据在零休阶段的电弧色度图5可以看出，零休期间电极也有发亮现象，间接证明了剩余电流的存在。
根据不同电流下的电弧色度信息分布，计算不同电流下的色度信息中B分量和G分量之比的变化，以确定电流改变对电弧热平衡区域温度的影响。
其中，由确定电弧温度与B分量和G分量之比成负相关关系，根据改变电流后的B分量和G分量之比的变换确定电弧中热平衡区域温度的变化，其中，C为常数，λg为绿光波长，λb为蓝光波长，Bb为绿光光强对应于本发明实施例中的B分量，Bg为蓝光光强对应于本发明实施例中的G分量。
图7为增大电弧电流，得到三色信息中B/G沿电弧间隙的分布，图7中I1为增大电流前，I2为增大电流后，可以发现，B/G在电流增大后下降，即温度升高。因此可以根据弧柱信息中B/G分量的变化来判别电弧中温度的变化。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种诊断电弧放电非热平衡物理特性的方法，其特征在于，包括：
从稳定电弧的真彩图图像中选出放电区域，将所述放电区域作为计算域，将所述计算域划分为若干微元；
提取每个所述微元内的RGB三色分量和每个所述微元的灰度值，并由所述RGB三色分量和所述灰度值确定每个所述微元的色度信息；
根据所述色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述计算域划分为若干微元包括：
将所述计算域平分为若干个微元，其中每个微元中包括M×N个像素点，其中，M、N均为正整数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述由所述RGB三色分量和所述灰度值确定每个所述微元的色度信息，包括：
由得到每个所述微元的色度信息，其中，AGL(x,y)为色度信息分布，AGL分别取为L、R、G、B，且L＝0.3×R+0.59×G+0.11×B，L表示所述微元的灰度值，(x,y)表示所述微元中的像素点的横纵坐标。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述色度信息沿电弧轴向和径向的空间分布，分辨电弧的放电非热平衡物理特性，包括：
根据直流电晕和直流电弧放电空间中的色度信息分布对直流电晕和直流电弧进行分辨；
根据在电极两端和弧柱中的色度信息的不同对电极材料进行区分；
根据交流电弧的三个阶段的色度信息分布以及交流电弧零休阶段电极的色度特征确定是否存在剩余电流；
根据不同电流下的电弧色度信息分布，计算不同电流下的色度信息中B分量和G分量之比的变化，以确定电流改变对电弧热平衡区域温度的影响。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据直流电晕和直流电弧放电空间中的色度信息分布对直流电晕和直流电弧进行分辨，包括：
若放电区域均在空气间隙中，且色度信息中蓝色分量最大，则确定为直流电晕，若放电区域中弧柱的色度信息为R>B>G，且电极头部被斑点覆盖，则确定为直流电弧，且电弧辐射能量集中分布在近红外区。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据在电极两端和弧柱中的色度信息的不同对电极材料进行区分，包括：
若第一电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比大于第二电极材料的电弧色度信息在电极两端和弧柱的红色分量占比，则确定所述第一电极材料为冷阴极，所述第二电极材料为热阴极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一电极材料为铜电极，所述第二电极材料为钨电极。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据交流电弧的三个阶段的色度信息分布以及交流电弧零休阶段电极的色度特征确定是否存在剩余电流，包括：
若交流电弧零休阶段电极存在发亮现象，则确定存在剩余电流。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据不同电流下的电弧色度信息分布，计算不同电流下的色度信息中B分量和G分量之比的变化，以确定电流改变对电弧热平衡区域温度的影响，包括：
由确定电弧温度与B分量和G分量之比成负相关关系，根据改变电流后的B分量和G分量之比的变换确定电弧中热平衡区域温度的变化，其中，C为常数，λg为绿光波长，λb为蓝光波长，Bb为绿光光强，Bg为蓝光光强。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个微元，分析电弧色度信息沿轴向变化时，在垂直方向取能包络整个电弧亮度的最小值，水平方向取q个像素点，分析电弧色度信息沿径向变化时，垂直方向取m个像素点，水平方向取n个像素点，且取点为弧柱中间部分。
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