CN109030962B - 基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电场性能测试领域，旨在提供一种基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法及装置。该装置包括板电流均匀性测量单元和空间场强测量单元；其中电流均匀性测量装置由离散化布置铜片、传输元件、信号切换系统、皮安表、数据处理器组成；空间场强测量单元由测量光发生器、偏振器、电光晶体以及检偏系统组成。该方法是通过偏光分解成相互垂直的m光和n光，然后计算空间位置场强矢量，通过板电流均匀性测量方法，利用测量铜片收集皮安级电流值，得到阳极板电流分布，空间位置场强矢量分布对比、板电流分布对比，得到空间位置的电场有效除尘能量分布。本发明结构简单，稳定性强，能快速、准确、有效地确定电除尘器空间电场性能。
Description
技术领域
本发明涉及基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法及装置。
背景技术
电除尘是燃煤烟气、氧化铝、水泥、钢铁等领域除尘的主流技术，准确地测量电除尘器电场内空间电场、电流等性能对优化电除尘器除尘效率具有重要的指导意义，也是评价产品制造、安装性能的重要方法。
目前传统方法采用电场空升测试，即在冷态的不通烟气情况下对电场进行升压，直接从上位机读取电场的伏安特性曲线，测得电场二次电压、二次电流的变化曲线，从而判断电场内在相应极配型式、电源下的电场性能。
由于电场空升测试方法测得的数据仅仅是电场内最大电势和阳极板的总电流，无法考量空间电场的电场分布和阳极板电流均匀性，而电除尘效率的直接相关因素为空间内的场强分布、电流均匀特性等，因此现有的测量方法无法准确评价该电场特性下的除尘性能，只能间接定性判断电场性能。
发明内容
本发明的目的在于提供基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法及装置，能够有效解决现有测量方法无法准确评价电场特性下的除尘性能的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法，包括以下步骤：
A、测量空间位置场强，具体步骤为：
A1、由测量光发生器发射的一束固定波长的直线偏振光，经偏振器后照射穿过布置在已知场强空间内的晶体后，偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，并依次穿过四分之一波片和检偏器，通过检偏器捕捉m光和n光，并测量光功率W；
A2、依照以下公式，通过已知场强测量标定并获得修正系数r，通过测量折射光光功率计算获得晶体所在空间位置场强大小值；
W＝2rπη3EL/λ
其中W为光功率，r为修正系数，η为寻常光折射率，E为场强大小，L为晶体的通光长度，λ为测量光光波波长；
A3、对空间位置场强大小分布对比，得到空间位置的场强矢量；
B、测量板电流均匀性，具体步骤为：
B1、分别在电场内各自空间电流通道的阳极板上设置测量铜片；
B2、每个测量铜片的电流通过三轴电缆传输到接地极，信号切换系统逐个将各测量铜片传来的电流信号切换到皮安表电路，由皮安表测得电流值，并传输到数据处理器，从而获得阳极板电流分布；
C、根据步骤A获得的空间位置场强矢量分布对比和步骤B获得的板电流分布对比，得到空间位置的电场有效除尘能量分布。
优选的，测量空间位置场强时，折射率标定和测量均在同一温度下进行，温度偏差在1℃以内。
基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，包括板电流均匀性测量装置和空间场强测量装置；
所述板电流均匀性测量装置包括：
测量铜片，用于捕集流向阳极板的离散单元电流，以及，
传输元件，用于传输测量铜片捕集的皮安级电流信号，以及，
信号切换系统，用于无损切换测量单元，以及，
皮安表，用于测量皮安级电流信号，以及，
数据处理器，用于对测量数据进行归类和计算，所述测量铜片、信号切换系统、皮安表和数据处理器通过传输元件依次连接；
所述空间场强测量装置包括：
测量光发生器，用于产生一束直线传播的激光，以及，
偏振器，用于将激光束偏振，以及，
电光晶体，用于将偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，以及，
检偏系统，所述检偏系统包括四分之一波片和检偏器，用于捕捉偏振光分解的m光和n光的自聚焦透镜，并测量m光和n光的光功率。
优选的，所述检偏器为格兰汤姆棱镜。
所述电光晶体通过绝缘细绳或绝缘细杆悬挂固定于测量单元内。
所述四分之一波片材料为石英波片。
所述测量铜片为长度宽度厚度分别为3cm、1cm、2mm且贴在阳极板上，测量铜片与阳极板之间通过绝缘膜绝缘，相邻测量铜片之间间隔距离为2cm。
所述信号切换系统包括继电器和逻辑矩阵，在每次切换测量线路之前和之后均先将输入线路接地后，再断开原测量线路。
与现有技术相比，本发明的优点是：
通过空间场强测试装置及方法，通过发射激光束后偏振，测量偏振参数获得场强矢量，具有以下优点：
1、通过电光折射原理，将非导体测量元件置于电场内，有效避免了金属配件引起测量空间内场强产生畸变，避免了探头对测量的干扰；
2、通过光学传感器传递空间场强信号，抗电磁干扰能力强，可以在强电磁场干扰环境中使用；
3、通过光学信号传输，测量频带更宽，测量结果易数字化，便于微机处理和分析信号，灵敏度高，从而有利于空间场强信号的测量和分析；
4、可测量电场内变化的电场分布，从而可作为电除尘器电源供电方式改变时对电场性能动态变化规律的研究工具；
而通过在阳极板上设置测量铜片收集皮安级电流信号进行分析，可得到指定极配型式下的板电流密度、均匀性，为极配型式的开发和改进提供重要指导参数，避免局部电流过大引起电除尘器能耗增加和局部电流过小导致除尘效率降低的问题；信号切换系统为用于无损切换测量单元，同时实现其他单元的接地和防止切换瞬间发生火花放电而损坏设备。
通过比较同一电场内的空间场强测试数据和板电流分布数据，反推和演算空间场强、空间电流的分布、变化趋势，从而提供一种可准确、高精度、动态的评估和测量电场性能方法。
附图说明
图1为本发明基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置的结构示意图；
图2为图1中A向局部剖视图；
图3为图2中B处局部放大图；
图4为本发明中板电流均匀性测量装置的原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参阅图1至图4，基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，包括板电流均匀性测量装置、空间场强测量装置和电场装置；
所述板电流均匀性测量装置包括：
测量铜片101，用于捕集流向阳极板303的离散单元电流，以及，
传输元件102，用于传输测量铜片101捕集的皮安级电流信号，以及，
信号切换系统103，用于无损切换测量单元，所述测量铜片101由长度宽度厚度分别为3cm、1cm、2mm且贴在阳极板303上，测量铜片101与阳极板303之间通过绝缘膜106绝缘，测量铜片之间间隔距离为2cm，以及，
皮安表104，用于测量皮安级电流信号，以及，
数据处理器105，用于对测量数据进行归类和计算，所述测量铜片101、信号切换系统103、皮安表104和数据处理器105通过传输元件102依次连接；
所述信号切换系统103由继电器、逻辑矩阵组成，在每次切换测量线路之前和之后均先将输入线路接地后，再断开原测量线路。
所述空间场强测量装置包括：
测量光发生器201，用于产生一束直线传播的激光，以及，
偏振器202，用于将激光束偏振，一般采用格兰汤姆棱镜，以及，
电光晶体203，用于将偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，所述电光晶体203通过绝缘细绳或绝缘细杆悬挂固定于测量单元内，以及，
检偏系统，所述检偏系统包括四分之一波片204和检偏器205，四分之一波片204材料一般采用石英波片，用于捕捉偏振光分解的m光和n光的自聚焦透镜，并测量m光和n光的光功率；
所述电场装置包括高压电源301、阴极线302、阳极板303和框架接地系统，所述高压电源301，对待测电场输入高压电，高压电源301输入电压为-13到-15kV，所述框架接地系统包括阳极接地线304、阴极框架305、阳极框架306、阴极绝缘瓷轴307，每块阳极板303均固定在一个阳极框架306上，每块阳极框架306均通过阳极接地线接地，相邻的两块阳极板303平行设置，相邻的两块阳极板303之间设有阴极线302，阴极线302通过阴极绝缘瓷轴307吊装在阴极框架305上。
一、空间场强测试方法为：
利用晶体在外加电场作用下折射率发生变化的原理，测量空间场强的分布。
由于晶体的折射对环境温度敏感，折射率标定、测量均在同一温度下进行，温度偏差在1℃以内，避免了测量时环境温度对折射率的影响，保证了测量的正确性。
测量光发生器201、偏振器202布置在电场外一侧，电光晶体203布置在电场内，四分之一波片204、检偏器205布置在电场另一侧，相对位置如图1所示。
测量光发生器201发出的测量光的波长为0.85μm，避免了低波段对晶体性能的损伤，保证了测量的正确性。
晶体结构尺寸为18mm×8mm×2.5mm，避免了晶体过厚导致透光性低和晶体过薄导致折射测量不明显，降低了测量误差。
A1、由测量光发生器201发射的一束固定波长的直线偏振光，经偏振器202后照射穿过布置在已知场强空间内的晶体后，偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，并依次穿过四分之一波片204和检偏器205，通过检偏器205捕捉m光和n光，并测量m光和n光的光功率W；
A2、系数求解和标定：依照以下公式，通过已知电场强度标定获得修正系数r，通过测量折射光光功率计算获得晶体所在空间位置场强大小值；
W＝2rπη3EL/λ
其中W为光功率，r为修正系数，η为寻常光折射率，E为场强大小，L为晶体的通光长度，λ为测量光光波波长；
也就是说，通过设定已知的场强，通过以上公式，求出修正系数r；
A3、空间场强测量：通过以上方法，测出电场内各位置的光功率，用上面公式求出场强大小的数值
A4、空间场强矢量求解：空间位置场强大小分布对比，得到空间位置的场强矢量。
二、测量板电流均匀性，具体步骤为：
传输元件为三轴电缆，降低外部电场、旁边电缆及实验室噪声对传播信号的干扰。同时实验室控制噪声，降低噪声等对信号的干扰；
测量铜片101布置在阳极板303上，其中，测量铜片与阳极板303通过绝缘膜106隔离和绝缘，测量铜片直接与传输微电流信号的三轴电缆焊接，三轴电缆穿过绝缘膜106和阳极板303，每根三轴电缆单独微电流传输信号到信号切换系统103，所有信号测量的三轴电缆汇聚到信号切换系统103，信号切换系统103逐个切换线路，并对其中的一路进行微电流信号值的测量。
由于三轴电缆传来的电压存在瞬间高压，容易高压放电导致设备损坏，因此，信号切换系统103每次切换线路时都执行先接地，再接通信号，再与接地断开，再测量信号的步骤，避免高压放电故障发生。
信号切换系统103后接皮安表104，信号切换系统103每次输入一路信号到皮安表104，皮安表104对皮安级微电流信号进行测量，并将测量结果输入后端的数据处理器105，将数据相应储存和处理。
三、板电流均匀性测量单元与空间场强的综合性能评定：对边缘位置进行检测和图像二值化操作，结合空间场强值、边缘空间场强方向、边缘的板电流分布值，对空间位置进行场强、电流矢量化计算，补全空间的等势面图、场强矢量图、电流矢量图。得到极配型式下电场性能，颗粒物在电场内的受力微分方程和电场有效功方程，为评估电场对颗粒物脱除提供基础数据。
通过电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法及装置具有以下优点：
1.空间场强测试装置及方法：
(1)通过电光折射原理，将非导体测量元件置于电场内，有效避免了金属配件引起测量空间内场强产生畸变，避免了探头对测量的干扰；
(2)通过光学传感器传递空间场强信号，抗电磁干扰能力强，可以在强电磁场干扰环境中使用；
(3)通过光学信号传输，测量频带更宽，测量结果易数字化，便于微机处理和分析信号，灵敏度高，从而有利于空间场强信号的测量和分析；
(5)通过采用妮酸锂LiNbO3人工合成晶体作为电光信号传感器，具有造价低，无自然双折射的影响，结构简单，电光系数大，可测高电压的优点；
(6)被测点和接地之间的电势差由光缆隔离，充分保证测量时测量人员的人身安全。
(7)可测量电场内变化的电场分布，从而可作为电除尘器电源供电方式改变时对电场性能动态变化规律的研究工具；
(8)空间电压测量范围20V-150kV，空间场强测量范围50V/m-40kV/m，误差在l.6％以内，具有精度高、测量量程大的优点；
(9)通过本发明的装置和方法，测得的数据可作为电除尘器极配型式优化的评判依据，进一步提升电除尘器除尘效率和降低能耗。
2.板电流均匀性测量装置及方法：
(1)离散化微信号的板电流测量方法，可得到指定极配型式下的板电流密度、均匀性，为极配型式的开发和改进提供重要指导参数，避免局部电流过大引起电除尘器能耗增加和局部电流过小导致除尘效率降低的问题；
(2)板电流传输元件102为可屏蔽噪声等干扰的三轴电缆，高精度传输测量铜片捕集的皮安级电流信号，具有传输精度高、数据稳定性好等优点；
(3)信号切换系统103为用于无损切换测量单元，同时实现其他单元的接地和防止切换瞬间发生火花放电而损坏设备。
3.整体装置及方法：
通过比较同一电场内的空间场强测试数据和板电流分布数据，反推和演算空间场强、空间电流的分布、变化趋势，从而提供一种可准确、高精度、动态的评估和测量电场性能方法。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (8)
1.基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、测量空间位置场强，具体步骤为：
A1、由测量光发生器发射的一束固定波长的直线偏振光，经偏振器后照射穿过布置在已知场强空间内的晶体后，偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，并依次穿过四分之一波片和检偏器，通过检偏器捕捉m光和n光，并测量光功率W；
A2、依照以下公式，通过已知场强测量标定并获得修正系数r，通过测量折射光光功率计算获得晶体所在空间位置场强大小值；
W＝2rπη3EL/λ
其中W为光功率，r为修正系数，η为寻常光折射率，E为场强大小，L为晶体的通光长度，λ为测量光光波波长；
A3、对空间位置场强大小分布对比，得到空间位置的场强矢量；
B、测量板电流均匀性，具体步骤为：
B1、分别在电场内各自空间电流通道的阳极板上设置测量铜片；
B2、每个测量铜片的电流通过三轴电缆传输到接地极，信号切换系统逐个将各测量铜片传来的电流信号切换到皮安表电路，由皮安表测得电流值，并传输到数据处理器，从而获得阳极板电流分布；
C、根据步骤A获得的空间位置场强矢量分布对比和步骤B获得的板电流分布对比，得到空间位置的电场有效除尘能量分布。
2.如权利要求1所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量方法，其特征在于：测量空间位置场强时，折射率标定和测量均在同一温度下进行，温度偏差在1℃以内。
3.基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：包括板电流均匀性测量装置和空间场强测量装置；
所述板电流均匀性测量装置包括：
测量铜片，用于捕集流向阳极板的离散单元电流，以及，
传输元件，用于传输测量铜片捕集的皮安级电流信号，以及，
信号切换系统，用于无损切换测量单元，以及，
皮安表，用于测量皮安级电流信号，以及，
数据处理器，用于对测量数据进行归类和计算，所述测量铜片、信号切换系统、皮安表和数据处理器通过传输元件依次连接；
所述空间场强测量装置包括：
测量光发生器，用于产生一束直线传播的激光，以及，
偏振器，用于将激光束偏振，以及，
电光晶体，用于将偏振光分解为相互垂直的m光和n光，m光和n光形成相位差，以及，
检偏系统，所述检偏系统包括四分之一波片和检偏器，用于捕捉偏振光分解的m光和n光的自聚焦透镜，并测量m光和n光的光功率。
4.如权利要求3所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：所述检偏器为格兰汤姆棱镜。
5.如权利要求3所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：所述电光晶体通过绝缘细绳或绝缘细杆悬挂固定于测量单元内。
6.如权利要求3所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：所述四分之一波片材料为石英波片。
7.如权利要求3所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：所述测量铜片为长度宽度厚度分别为3cm、1cm、2mm且贴在阳极板上，测量铜片与阳极板之间通过绝缘膜绝缘，相邻测量铜片之间间隔距离为2cm。
8.如权利要求3所述的基于电光折射和离散化微信号的电场性能测量装置，其特征在于：所述信号切换系统包括继电器和逻辑矩阵，在每次切换测量线路之前和之后均先将输入线路接地后，再断开原测量线路。
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Citations (11)
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-
2018
- 2018-06-12 CN CN201810600404.2A patent/CN109030962B/zh active Active
Patent Citations (11)
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