CN111122002B - 长空气间隙放电通道温度场测量系统及识别方法 - Google Patents

长空气间隙放电通道温度场测量系统及识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种长空气间隙放电通道温度场测量系统，包括背景幕布，由半透明材质打印而成，分布有随机斑点，作为高速相机的观测对象；射灯，与长间隙电极分别位于背景幕布的两侧，用于提供光源，使背景幕布成像于高速相机；长间隙电极，位于长空气间隙内，用于放电击穿长空气间隙；高速相机，与长间隙电极位于背景幕布的同侧，与数据处理器相连，用于接收来自背景斑点、穿过长空气间隙的光线，并成像后发送至数据处理器；数据处理器，用于接收并存储高速相机拍摄的图像，并进行温度场反演。本发明能够改进现有技术的不足，简化了测量流程，可以快速、精确的获得大尺寸放电通道的温度分布特性。

Description

长空气间隙放电通道温度场测量系统及识别方法
技术领域
本发明涉及长空气间隙放电观测技术领域，尤其是一种长空气间隙放电通道温度场测量系统及识别方法。
背景技术
研究长空气间隙放电机理对于优化输电系统的外绝缘设计和防雷设计具有重要意义。先导放电是维持长间隙放电发展的重要环节，是长间隙击穿的主导过程，获取其发展过程关键参数对研究长间隙放电机理具有重要意义。由于热特性是先导放电热电离的重要特征量，因此研究学者逐渐将先导放电的研究重点聚焦到其热特性上，其中有学者认为放电电荷对先导放电的作用机制为电子向正电极迁移时加热流注根部，直至气体分子温度达到先导通道热电离条件并持续维持先导通道发展。
Les Renardieres团队采用纹影技术，结合数码相机和条纹相机，获得了不同时刻电极附近先导放电通道的纹影照片和先导通道某一截面上连续变化的纹影照片，获得了不同间隙长度下的先导放电通道热半径，发现了放电过程产生的激波现象，计算得出激波传播速度与空气中的声速相似。Domens等人观察了棒板间隙正极性先导放电通道，得到了在间隙耐受和间隙击穿条件下放电通道的热半径变化过程。由于上述纹影系统尚未标定和校准，试验无法提供放电通道温度的量化数值。华中科技大学研制了一套定量纹影系统，用于研究先导起始和发展过程中的热特性。通过观测1m棒-板空气间隙的正极性先导放电过程，采集到了暗区内流注茎演变过程和先导发展的纹影图像，分析得到了不同电压变化率下先导放电通道热直径的变化规律，并获得了先导放电通道的径向温度分布特性，但由于受纹影系统核心部件—透镜组镜面尺寸的限制，目前的观察视窗仅限于电极附近(一般≤30cm)范围内，无法做到整个放电通道的温度场测量。
背景纹影技术(Background Oriented Schlieren,BOS)其背景不仅限于粒子图形，它可以将自然背景作为背景图案。同时不在限制于实验室环境下进行实验，被广泛应用于高温梯度气流场、高马赫数气流场、大型风洞和大型室外自然背景下的气流场诊断。但是，在对长空气间隙放电通道进行温度场测量的过程中，由于其测量范围大，要求精度高，导致使用传统的背景纹影技术对长空气间隙放电通道进行温度场测量时计算量大，测量速度较慢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种长空气间隙放电通道温度场测量系统及识别方法，能够解决现有技术的不足，简化了测量流程，可以快速、精确的获得大尺寸放电通道的温度分布特性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种长空气间隙放电通道温度场测量系统，包括，
背景幕布，由半透明材质打印而成，分布有随机斑点，作为高速相机的观测对象；
射灯，与长间隙电极分别位于背景幕布的两侧，用于提供光源，使背景幕布成像于高速相机；
长间隙电极，位于长空气间隙内，用于放电击穿长空气间隙；
高速相机，与长间隙电极位于背景幕布的同侧，与数据处理器相连，用于接收来自背景斑点、穿过长空气间隙的光线，并成像后发送至数据处理器；
数据处理器，用于接收并存储高速相机拍摄的图像，并进行温度场反演。
作为优选，背景幕布、射灯和高速相机位于同一直线上，且处于密闭空间内。
一种上述的长空气间隙放电通道温度场测量系统的识别方法，包括以下步骤：
A、首先用高速相机在长空气间隙不放电的情况下对背景幕布进行一次成像作为参考图像，然后在长空气间隙击穿时再进行一次成像作为测量图像，然后将图像传输至数据处理器；
B、提取两幅背景图像序列中对应点的位移来获得穿过放电通道的光线的偏折信息；
C、建立光线偏移量和偏折角的关系，将光线偏折量转化为光线偏折角；
D、将获得的光线偏折角反演为放电通道的折射率分布；
E、根据获得的折射率分布，定量重构出密度场和温度场。
作为优选，步骤B中，获得穿过放电通道的光线的偏折信息包括以下步骤，
通过多个图像的互相关分析从而获得每一小区域中粒子图像的平均位移，从而确定流场切面上整个区域的二维速度；
根据互相关分析公式
Figure BDA0002346084420000031
当R达到最大值时，g(x，y)的位置即为诊断窗口f(x，y)在测量图像中的位置，此时的(m，n)即为诊断窗口f(x，y)的位移量，其中f(x，y)为参考图片中拟求取位移量的诊断窗口的灰度值，为测量图片中的迭代窗口的灰度值。
作为优选，步骤C中，将光线偏折量转化为光线偏折角的公式为，
Figure BDA0002346084420000032
其中，ε为光线偏折角，ZB为背景幕布到高速相机镜头的距离，ZD为背景幕布到长空气间隙的距离，f为高速相机镜头的焦距，Δy为光线偏移量。
作为优选，步骤D中，放电通道折射率分布的计算方法为，。
D1、对偏折角与折射率公式
Figure BDA0002346084420000041
进行Abel逆变换获得折射率沿径向分布
Figure BDA0002346084420000042
其中n0为室温下的空气折射率，α(y)为获得的光线偏折角，n(r)为折射率；
D2、对Abel逆变换进行离散数值处理的同时避开奇点，得
Figure BDA0002346084420000043
，进而计算获得折射率分布；其中ri＝i×Δr，α(j)为r＝rj位置对应偏折角。
作为优选，步骤E中，定量重构出密度场和温度场包括以下步骤，
E1、建立部分电离等离子体的折射率与密度的关系，根据
Figure BDA0002346084420000044
建立先导放电通道的折射率之和，其中ni代表第i种粒子的折射率，基于各组分折射率与密度的数值关系，求得先导放电通道总体折射率；
E2、根据
Figure BDA0002346084420000045
量化粒子密度与温度之间的关系；其中p代表部分电离等离子体的压力，T代表温度，N代表粒子数密度；
E3、联立步骤E1和E2的过程，获取折射率与温度的关系函数，代入获取的折射率分布定量获得温度分布。
采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过采集放电发展过程中的背景斑点图集，根据热力学方程和理想气体状态方程定量重构出密度场和温度场。通过结合先导放电时通道的粒子特性，总结不同温度对各成分粒子折射率的影响情况，有助于增加放电通道温度场反演的精确性。本发明系统简洁、操作便利，在对不同长度空气间隙或试验场景进行测量时，只需调整背景板的尺寸和位置，无需耗费大量人力来调整传统的Z型纹影系统、透镜位置和焦距，可以获得大尺寸放电通道的温度分布特性且精确度高。
附图说明
图1是本发明一个具体实施方式的原理图。
图2是本发明一个具体实施方式的测量方法流程图。
图3是本发明一个具体实施方式中图像处理过程的原理图。
图4是本发明一个具体实施方式中测量系统的光路图。
图5是本发明一个具体实施方式中光线穿过放电通道截面示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明一个具体实施方式包括，
背景幕布1，由半透明材质打印而成，分布有随机斑点，作为高速相机4的观测对象；
射灯2，与长间隙电极3分别位于背景幕布1的两侧，用于提供光源，使背景幕布1成像于高速相机4；
长间隙电极3，位于长空气间隙内，用于放电击穿长空气间隙；
高速相机4，与长间隙电极3位于背景幕布1的同侧，与数据处理器5相连，用于接收来自背景斑点、穿过长空气间隙的光线，并成像后发送至数据处理器5；
数据处理器5，用于接收并存储高速相机4拍摄的图像，并进行温度场反演。
背景幕布1、射灯2和高速相机4位于同一直线上，且处于密闭空间内。
参照图2-3，一种上述的长空气间隙放电通道温度场测量系统的识别方法，包括以下步骤：
A、首先用高速相机4在长空气间隙不放电的情况下对背景幕布1进行一次成像作为参考图像，然后在长空气间隙击穿时再进行一次成像作为测量图像，然后将图像传输至数据处理器5；
B、提取两幅背景图像序列中对应点的位移来获得穿过放电通道的光线的偏折信息；
C、建立光线偏移量和偏折角的关系，将光线偏折量转化为光线偏折角；
D、将获得的光线偏折角反演为放电通道的折射率分布；
E、根据获得的折射率分布，定量重构出密度场和温度场。
步骤B中，获得穿过放电通道的光线的偏折信息包括以下步骤，
通过多个图像的互相关分析从而获得每一小区域中粒子图像的平均位移，从而确定流场切面上整个区域的二维速度；
根据互相关分析公式
Figure BDA0002346084420000061
当R达到最大值时，g(x，y)的位置即为诊断窗口f(x，y)在测量图像中的位置，此时的(m，n)即为诊断窗口f(x，y)的位移量，其中f(x，y)为参考图片中拟求取位移量的诊断窗口的灰度值，为测量图片中的迭代窗口的灰度值。
参照图4，当观测区域内空气介质为均匀流场，不存在密度梯度场，光线在高速相机4上的②点处成像，并以此作为原始参考图像。当观测区域有放电发生时，放电通道周围的空气介质密度发生改变，光线穿过待测流场时会发生偏折，真实光源①点发出光线穿过放电区域后发生偏折，在高速相机③点处成像。光线偏折前/后相机上两幅图像的位移量，即②点和③点的位置间距为Δy。自③点直线反推至背景幕布，可认为③点处图像是幕布上虚拟背景斑点④点直接映射过来的，背景斑点像素点位移即真实粒子①点和虚拟粒子④点的位置间隔为Δy’。
Δy与Δy’的关系为
Figure BDA0002346084420000071
由于光线可视为旁轴光线，在图像中产生的偏折角极小，将偏折角近似为
Figure BDA0002346084420000072
将光线偏折量转化为光线偏折角的公式为，
Figure BDA0002346084420000073
其中，ε为光线偏折角，ZB为背景幕布1到高速相机4镜头的距离，ZD为背景幕布1到长空气间隙的距离，f为高速相机4镜头的焦距，Δy为光线偏移量。
如图5所示，步骤D中，放电通道折射率分布的计算方法为，。
D1、对偏折角与折射率公式
Figure BDA0002346084420000074
进行Abel逆变换获得折射率沿径向分布
Figure BDA0002346084420000075
其中n0为室温下的空气折射率，α(y)为获得的光线偏折角，n(r)为折射率；
D2、对Abel逆变换进行离散数值处理的同时避开奇点，得
Figure BDA0002346084420000081
，进而计算获得折射率分布；其中ri＝i×Δr，α(j)为r＝rj位置对应偏折角。
步骤E中，定量重构出密度场和温度场包括以下步骤，
E1、建立部分电离等离子体的折射率与密度的关系，根据
Figure BDA0002346084420000082
建立先导放电通道的折射率之和，其中ni代表第i种粒子的折射率，基于各成分的折射率与其密度成线性关系，求得先导放电通道总体折射率；
E2、将等离子体的电离程度用温度、密度与原子的电离能的函数来描述，
Figure BDA0002346084420000083
其中，Nj和Nj+1分别代表第j次和第j+1次电离粒子的密度，m表示粒子的质量，Ej+1是单个粒子第j+1次电离的电离能，k是波尔兹曼常数，h是普朗克常数，Q为配分函数，
由电子、离子和中性粒子组成的等离子体，电子的电荷数等于离子的电荷数，这种状态被称为准中性，
Figure BDA0002346084420000084
根据空气中的氮氧比，同时忽略放电过程中氮氧原子电离程度的不同，认为氮氧比为4:1，这样在简化模型的情况下控制误差在一定范围之内，有下式，
Figure BDA0002346084420000091
根据
Figure BDA0002346084420000092
量化粒子密度与温度之间的关系；其中p代表部分电离等离子体的压力，T代表温度，N代表粒子数密度；
E3、联立步骤E1和E2的过程，获取折射率与温度的关系函数，代入获取的折射率分布定量获得温度分布。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种长空气间隙放电通道温度场测量系统的识别方法，其特征在于：长空气间隙放电通道温度场测量系统包括，
背景幕布(1)，由半透明材质打印而成，分布有随机斑点，作为高速相机(4)的观测对象；
射灯(2)，与长间隙电极(3)分别位于背景幕布(1)的两侧，用于提供光源，使背景幕布(1)成像于高速相机(4)；
长间隙电极(3)，位于长空气间隙内，用于放电击穿长空气间隙；
高速相机(4)，与长间隙电极(3)位于背景幕布(1)的同侧，与数据处理器(5)相连，用于接收来自背景斑点、穿过长空气间隙的光线，并成像后发送至数据处理器(5)；
数据处理器(5)，用于接收并存储高速相机(4)拍摄的图像，并进行温度场反演；
所述背景幕布(1)、射灯(2)和高速相机(4)位于同一直线上，且处于密闭空间内；
长空气间隙放电通道温度场测量系统的识别方法，包括以下步骤：
A、首先用高速相机(4)在长空气间隙不放电的情况下对背景幕布(1)进行一次成像作为参考图像，然后在长空气间隙击穿时再进行一次成像作为测量图像，然后将图像传输至数据处理器(5)；在对不同长度空气间隙进行测量时，只需调整背景幕布(1)的尺寸和位置；
B、提取两幅背景图像序列中对应点的位移来获得穿过放电通道的光线的偏折信息；
C、建立光线偏移量和偏折角的关系，将光线偏折量转化为光线偏折角；
D、将获得的光线偏折角反演为放电通道的折射率分布；
E、根据获得的折射率分布，定量重构出密度场和温度场；
步骤B中，获得穿过放电通道的光线的偏折信息包括以下步骤，
通过多个图像的互相关分析从而获得每一小区域中粒子图像的平均位移，从而确定流场切面上整个区域的二维速度；
根据互相关分析公式
Figure FDA0003448615770000021
当R达到最大值时，g(x，y)的位置即为诊断窗口f(x，y)在测量图像中的位置，此时的(m，n)即为诊断窗口f(x，y)的位移量，其中f(x，y)为参考图片中拟求取位移量的诊断窗口的灰度值，为测量图片中的迭代窗口的灰度值；
步骤C中，将光线偏折量转化为光线偏折角的公式为，
Figure FDA0003448615770000022
其中，ε为光线偏折角，ZB为背景幕布(1)到高速相机(4)镜头的距离，ZD为背景幕布(1)到长空气间隙的距离，f为高速相机(4)镜头的焦距，Δy为光线偏移量；
步骤E中，定量重构出密度场和温度场包括以下步骤，
E1、建立部分电离等离子体的折射率与密度的关系，根据
Figure FDA0003448615770000031
建立先导放电通道的折射率之和，其中ni代表第i种粒子的折射率，基于各组分折射率与密度的数值关系，求得先导放电通道总体折射率；
E2、将等离子体的电离程度用温度、密度与原子的电离能的函数来描述，
Figure FDA0003448615770000032
其中，Nj和Nj+1分别代表第j次和第j+1次电离粒子的密度，m表示粒子的质量，Ej+1是单个粒子第j+1次电离的电离能，k是波尔兹曼常数，h是普朗克常数，Q为配分函数，
由电子、离子和中性粒子组成的等离子体，电子的电荷数等于离子的电荷数，这种状态被称为准中性，
Figure FDA0003448615770000033
根据空气中的氮氧比，同时忽略放电过程中氮氧原子电离程度的不同，认为氮氧比为4:1，这样在简化模型的情况下控制误差在一定范围之内，有下式，
Figure FDA0003448615770000034
根据
Figure FDA0003448615770000041
量化粒子密度与温度之间的关系；其中p代表部分电离等离子体的压力，T代表温度，N代表粒子数密度；
E3、联立步骤E1和E2的过程，获取折射率与温度的关系函数，代入获取的折射率分布定量获得温度分布。
2.根据权利要求1所述的长空气间隙放电通道温度场测量系统的识别方法，其特征在于：步骤D中，放电通道折射率分布的计算方法为，
D1、对偏折角与折射率公式
Figure FDA0003448615770000042
进行Abel逆变换获得折射率沿径向分布
Figure FDA0003448615770000043
其中n0为室温下的空气折射率，α(y)为获得的光线偏折角，n(r)为折射率；
D2、对Abel逆变换进行离散数值处理的同时避开奇点，得
Figure FDA0003448615770000044
，进而计算获得折射率分布；其中ri＝i×Δr，α(j)为r＝rj位置对应偏折角。
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