CN109633390A - 一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中针板电极放电冲击波测量装置，包括高压脉冲电源系统、光电联合诊断系统、纹影诊断系统和压力波测量系统，其中光电联合诊断系统用于获得放电发展过程中的电压、电流、光强和光谱信号以及放电通道的时域图像；纹影诊断系统用于测量水中冲击波的传播特性；压力波测量系统用于研究冲击波幅值和发展过程。此外，本发明还提供了相应的测量方法。本发明所提供的水中针板电极放电冲击波测量装置及方法中，测量的信号包括光电信号（电压、电流以及发光）、纹影图形以及压力波等时域信号，可用于研究水中针板电极在脉冲电压激励下等离子和冲击波发展的全周期物理过程。

Description

一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法

技术领域

本发明涉及液体放电等离子体特性及应用研究领域，特别是涉及一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法。

背景技术

水中高压脉冲放电基于脉冲功率技术，将能量进行压缩与转换，在极短的时间内以极高的功率密度向水中负载释放能量，形成等离子体通道，进而产生压力波，也称为液电效应。目前，随着脉冲功率技术的发展，水中高压脉冲放电技术的应用涉及到工业、医疗、生活和军事等多个方面，横跨电工、环境、化学、微生物、物理、工程等多门学科，比如应用于水处理（如臭氧技术、高压静电水处理技术）、油层解堵、地热开发等领域，并且取得了很大的经济效益。

液电效应包含复杂的物理过程，主要可分为预击穿、击穿碰撞和冲击波传播等阶段，开展水中脉冲放电的光电特性（电压、电流、光谱等）和冲击波力学（冲击波幅值、能量传播等）及影响因素（放电参数、电极距离与材料等）的研究，有助于揭示液电效应发展机制和物理机理，以及获得最优化冲击波参数，目前是学者们的研究热点之一。目前的研究大多集中于放电发展过程的研究，对水中冲击波的产生及传播特性与水波动过程缺乏系统性全周期研究，对等离子体膨胀过程中水激波的流动特性有待进一步开展研究。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法，可用于研究高压脉冲电压激励下，水中针板电极放电光电特性及冲击波特性，获得不同参数下水中放电发展规律以及冲击波传播过程。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种水中针板电极放电冲击波测量装置，包括：

高压脉冲电源系统；

光电联合诊断系统，用于测量获得放电发展过程中的电压、电流、光强和光谱信号以及放电通道的时域图像；

纹影诊断系统，用于测量和/或记录针电极和板电极放电产生的水波纹的传播特性；

压力波测量系统用于测量水中冲击波幅值。

进一步地，所述光电联合诊断系统包括电压测量装置、电流测量装置和放电图像获取装置。

进一步地，所述放电图像获取装置为高速分幅相机，用于获得在时间序列上有间隔的多幅放电照片。

进一步地，用于针板电极放电的试验腔体上设有观察窗，用于高速分幅相机拍摄放电发展过程。

进一步地，所述纹影诊断系统为透射式高速纹影系统，包括光源、透镜、光速相机。

进一步地，所述压力波测量系统包括压力传感器、信号调理以及信号采集装置。

进一步地，所述针板电极中的针电极和板电极分别设置在针电极结构和板电极结构上，其中针电极结构包括第一环氧绝缘支撑件、不锈钢导杆和针电极，且不锈钢导杆嵌套在第一环氧绝缘支撑件中，并可上下调节。

进一步地，所述针电极采用螺纹结构与不锈钢导杆相连，以便更换不同曲率半径的针电极。

进一步地，所述板电极结构包括不锈钢平板电极和第二环氧绝缘支撑件，所述不锈钢平板电极可靠地接地。

此外，本发明还公开了一种水中针板电极放电冲击波测量方法，该方法采用上述测量装置，具体包括如下步骤：

（1）调节针电极和板电极的距离，根据试验需求选取满足需求的曲率半径和金属材料的针电极，将试验腔体注满水；

（2）根据需求选取满足需求的高压脉冲电源系统的电子元器件的参数，连接试验线路，打开高压脉冲电源系统，触发间隙，形成高压脉冲，观察并判断高压脉冲幅值和波形是否满足要求，若不满足则调节高压脉冲电源系统中电子元器件的参数，直至高压脉冲幅值和波形满足需求；

（3）根据试验需求选取脉冲电压，使针板电极发生放电并产生等离子体；通过光电联合诊断系统、纹影诊断系统以及压力波测量系统分别获取放电电流信号、水激波压力幅值、水激波传播过程以及放电发展通道参数。

（4）改变针板电极参数和电源参数，重复上述步骤，研究不同参数下放电发展过程和冲击波传播特性。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明提供的一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法，测量的信号包括光电信号（电压、电流以及发光）、纹影图形以及压力波等时域信号，可用于研究水中针板电极在脉冲电压激励下等离子和冲击波发展的全周期物理过程。

附图说明

图1是本发明一种水中针板电极放电冲击波测量装置及相应的方法结构示意图。

图中：1、高压脉冲电源装置；2、试验腔体；31、上端盖；32：下端盖；4、不锈钢支撑杆；5、压力波传感器；6、第一环氧绝缘支撑；7、不锈钢导杆；8、针电极；9、不锈钢平板电极；10、第二环氧绝缘支撑件；11、电流测量装置；12、石英玻璃窗；13、高速分幅相机；14、示波器；15、纹影系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1，本发明所提供的水中针板电极放电冲击波测量装置，包括高压脉冲电源系统1、水中放电针板电极装置、光电诊断装置、纹影仪装置以及压力波测量装置。

进一步地，高压脉冲电源系统1，如图1虚线框内所示，包括220V调压器、限流电阻R ₁、触发球隙G、电容器C、电阻分压器R ₂和R ₃、波头电阻R _f 和波尾电阻R _t 。限流电阻R ₁、触发球隙G、电容器C、波头电阻R _f 和波尾电阻R _t 数值的选取应根据试验所需脉冲激励参数（电压及电流幅值、脉冲前沿及脉宽）要求进行调节。通过调节各元器件的参数，获得试验所需的高压脉冲，所述高压脉冲的幅值为0~100kV、上升沿为数十ns~10μs、脉宽为数百ns~ms。所述触发球隙G内含触发电路单元，采用光控触发隔离触发控制单元控制球隙开关的通断。

进一步地，水中放电针板电极装置包括针电极结构和板电极结构，其中针电极结构包含第一环氧绝缘支撑件6、不锈钢导杆7和针电极8。第一环氧绝缘支撑件 6为圆柱形结构，优选地，高度为10cm、直径为10cm；针电极8采用螺纹结构与不锈钢导杆7相连，方便更换不同曲率半径的针电极。不锈钢导杆7镶嵌在第一环氧绝缘支撑件 6中，并可上下调节。板电极结构包含不锈钢平板电极9和第二环氧绝缘支撑件 10，不锈钢平板电极9经导线连接电流测量装置11。环氧绝缘支撑件B 10为圆柱形结构，优选地，直径为10cm，高度为10cm。

进一步地，光电诊断装置包括电压测量装置、电流测量装置和高速分幅相机，其中：

电压测量装置包括电阻分压器R2和R3以及示波器14，测量范围0~150kV；电流测量装置11可采用罗氏线圈，测量范围为kA量级，与示波器14相连；高速分幅相机13通过石英玻璃窗12观察针电极8和不锈钢平板电极9放电等离子体通道，用于记录观察到的图像，优选地，可选择曝光时间为10 ns、20 ns、30 ns、50 ns、100 ns分档可调；图像间隔约1 ns～400 μs，以1ns间隔可调。

进一步地，纹影仪装置为透射式高速纹影系统1，包括光源、透镜以及光速相机等，主要观测针电极8和不锈钢平板电极9放电产生的水波纹。具体地，基于液体介质在冲击波作用下密度变化引起光线偏折，进而呈现明暗纹影。观测范围约10cm。

进一步地，压力波测量装置用于测量水中冲击波幅值，压力波测量装置包括不锈钢支撑杆4和压力波传感器5，不锈钢支撑杆4固定于上端盖3，优选地，长度设为20cm；压力波传感器5固定在不锈钢支撑杆4端部，压力波信号经信号处理、转换后输送到示波器14。

进一步地，针板电极放电的试验腔体2为圆柱形，优选地，直径可设为50cm、高度可设为40cm。圆柱形外壳采用厚度2mm的不锈钢材料。上端盖和下端盖3均采用透明石英玻璃，用于承载包括压力波测量装置、针板电极装置在内的测量设备和纹影系统15。试验腔体2外壳有石英观察窗12，用于高速分幅相机13拍摄放电发展过程。

以上所述的水中针板电极放电冲击波测量装置的测量方法包括以下步骤：

（1）调节针电极8和不锈钢平板电极9的距离，根据试验需求选取满足需求的曲率半径和金属材料的针电极8，将试验腔体2注满水。

（2）连接试验线路，打开高压脉冲电源装置1，选取满足需求的限流电阻R ₁、电容器C、波头电阻R _f 和波尾电阻R _t ，触发间隙G，形成高压脉冲，采用电阻分压器和示波器14，观察高压脉冲幅值和波形是否满足要求。

（3）根据试验需求选取脉冲电压，使针板电极发生放电并产生等离子体。采用电流测量装置11获取放电电流信号；同时采用压力波传感器5和纹影系统15和高速分幅相机13分别获得水激波压力幅值、水激波传播过程以及放电发展通道等参数。

（4）改变针板电极参数和电源参数，重复上述步骤，研究不同参数下放电发展过程和冲击波传播特性。

以上的仅为本发明的交佳示例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所做的等效变化，仍属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水中针板电极放电冲击波测量装置，包括高压脉冲电源系统，其特征在于：该测量装置还包括：光电联合诊断系统，用于测量获得放电发展过程中的光信号和电信号；纹影诊断系统，用于测量和/或记录针电极和板电极放电产生的水波纹的传播特性；压力波测量系统，用于测量水中冲击波幅值。

2.根据权利要求1所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述光电联合诊断系统包括电压测量装置、电流测量装置和放电图像获取装置。

3.根据权利要求2所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述放电图像获取装置为高速分幅相机，用于获得在时间序列上有间隔的多幅放电照片。

4.根据权利要求3所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，用于针板电极放电的试验腔体上设有观察窗，用于高速分幅相机拍摄放电发展过程。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述纹影诊断系统为透射式高速纹影系统，包括光源、透镜、光速相机。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述压力波测量系统包括压力传感器、信号调理以及信号采集装置。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述针电极和板电极分别设置在针电极结构和板电极结构上，其中所述针电极结构包括第一环氧绝缘支撑件、不锈钢导杆和针电极，且不锈钢导杆嵌套在第一环氧绝缘支撑件中，并可上下调节。

8.根据权利要求7所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述针电极采用螺纹结构与不锈钢导杆相连，以便更换不同曲率半径的针电极。

9.根据权利要求7所述的一种水中针板电极放电冲击波测量装置，其特征在于，所述板电极结构包括不锈钢平板电极和第二环氧绝缘支撑件，所述不锈钢平板电极可靠地接地。

10.一种水中针板电极放电冲击波测量方法，该方法采用如权利要求1至9任意一项所述的测量装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）调节针电极和板电极的距离，根据试验需求选取满足需求的曲率半径和金属材料的针电极，将试验腔体注满水；

（2）根据需求选取满足需求的高压脉冲电源系统的电子元器件的参数，连接试验线路，打开高压脉冲电源系统，触发间隙，形成高压脉冲，观察并判断高压脉冲幅值和波形是否满足要求，若不满足则调节高压脉冲电源系统中电子元器件的参数，直至高压脉冲幅值和波形满足需求；

（3）根据试验需求选取脉冲电压，使针板电极发生放电并产生等离子体；通过光电联合诊断系统、纹影诊断系统以及压力波测量系统分别获取放电电流信号、水激波压力幅值、水激波传播过程以及放电发展通道参数；

（4）改变针板电极参数和电源参数，重复上述步骤，研究不同参数下放电发展过程和冲击波传播特性。