CN115113032A - 一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置,本发明提供的技术方案,通过获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,之后根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。本发明提供的技术方案,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度、温度参数分布,进而明确铜电极断路器电弧对电极烧蚀的影响。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体诊断技术领域,具体涉及一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置。
背景技术
目前的低、高压断路器中,常用铜作为电极材料,在断路器的短路开断过程中,电弧对电极的烧蚀作用将直接影响开关的开断性能和使用寿命。一方面,相比气体分子,铜电离能较低,电弧对电极烧蚀将使大量铜离子及电子进入电弧等离子体中,电弧被金属蒸汽杂质污染;另一方面,铜的辐射特性也对电弧冷却有一定影响。因此,为了优化开关电弧,对等离子体分布参数的测量必不可少。
而目前在铜粒子浓度较低时,假设等离子体为光学薄,使用一般的玻尔兹曼作图法即可获得等离子体温度特性。但是随着等离子体中铜密度的增加,等离子体条件从光学薄变为光学厚,等离子体温度测定必须考虑铜谱线自蚀现象(自蚀现象:由发射体向外辐射的谱线被其自身的原子所吸收,即由粒子上能级跃迁至下能级过程辐射的光子被附近下能级粒子重新吸收,而使谱线中心强度减弱甚至反转的现象)。自蚀现象具有光学厚度较厚、不完全符合局部热力学平衡假设的特点,因此要求光学厚度薄、局部热力学平衡假设的玻尔兹曼斜线法不适用于自蚀谱线分析。
因此,目前的对等离子体分布参数的测量,仅能对等离子体条件为光学薄时进行测量,无法应用在断路器为铜电极时,对断路器电弧等离子体分布参数的测量,通用性差。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置,以解决现有技术中无法应用在断路器为铜电极时,对断路器电弧等离子体分布参数的测量的问题。
根据本发明实施例的第一方面,提供一种测量等离子体分布参数的方法,包括:
获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
优选的,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体温度分布参数,包括:
获取预先设定的自蚀线谱测量输入值与初始温度分布;
基于自蚀线谱测量输入值与初始温度分布,确定最大温度分布;
判断所述最大温度分布与初始温度分布的差值是否小于预设值;
若是,则将所述最大温度分布作为初始温度分布,进行迭代计算;
若否,则将所述最大温度分布作为等离子体温度分布参数。
优选的,所述确定最大温度分布,包括:
根据所述初始温度分布,计算得出不均匀程度参数;
根据所述不均匀程度参数,计算得出谱线发射率;
根据谱线发射率与自蚀线谱测量输入值,计算得出最大温度分布。
优选的,所述计算得出不均匀程度参数,包括:
根据所述初始温度分布,计算得到参数ηj;
根据参数ηj,计算得出表征空间径向上积分量的参数Ωj;
根据参数Ωj,计算得出等离子体由于源函数递减导致总谱线辐射递减作用的不均匀程度参数M∞;
根据参数ηj与参数Ωj,计算得出等离子体由于自吸收导致的不均匀程度参数p∞。
优选的,所述计算得出谱线发射率,包括:
根据所述不均匀程度参数p∞,计算得出参数Y;
根据参数Y与不均匀程度参数M∞,计算得出谱线发射率。
优选的,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数,包括:
根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,提取谱线史塔克展宽;
根据谱线史塔克展宽与电子密度、温度之间关系,计算得出等离子体的密度分布参数。
优选的,在获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱之前,还包括:
采用钨丝标准能量灯进行绝对光谱响应的校核标定。
根据本发明实施例的第二方面,提供一种测量等离子体分布参数的系统,包括:
辐射获取模块,用于获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
计算模块,用于根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
优选的,所述的系统,还包括:
校核标定模块,用于对所述辐射获取模块的绝对光谱响应进行校核标定。
根据本发明实施例的第三方面,提供一种测量等离子体分布参数的装置,包括:
主控器,及与所述主控器相连的存储器;
所述存储器,其中存储有程序指令;
所述主控器用于执行存储器中存储的程序指令,执行上述任一项所述的方法。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果:
可以理解的是,本发明提供的技术方案,通过获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,之后根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度、温度参数分布,进而明确铜电极断路器电弧对电极烧蚀的影响。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种测量等离子体分布参数的方法的步骤示意图;
图2是根据一示例性实施例示出的一种辐射光谱获取装置示意图;
图3是根据一示例性实施例示出的一种光谱图像示意图;
图4是根据一示例性实施例示出的一种自蚀数据处理算法流程图;
图5是根据一示例性实施例示出的一种光谱处理空间积分及自蚀现象的描述示意图;
图6是根据一示例性实施例示出的一种等离子体密度、温度空间分布关系图;
图7是根据一示例性实施例示出的一种等离子体密度、温度时间演化关系图;
图8是根据一示例性实施例示出的一种测量等离子体分布参数的系统示意框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例一
图1是根据一示例性实施例示出的一种测量等离子体分布参数的方法的步骤示意图,参见图1,提供一种测量等离子体分布参数的方法,包括:
S11、获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
S12、根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
在具体实践中,获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,优选的,利用光学透镜、光谱仪及增强电荷耦合器件可获得断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,利用自蚀数据处理计算方法及迭代算法,可以由光学厚的等离子体光谱铜谱线计算等离子体密度、温度分布。
优选的,参见图2,采用光谱仪Andor SR-750及ICCD(CCD相机及图像增强器)结合的光谱诊断,对断路器中铜电极之间的烧蚀电弧进行对焦拍摄记录,得到相应的光谱图像,参见图3,得到各元素对应波长的辐射强度等相关数据。但由于光谱中铜元素谱线易出现谱线自蚀现象,在该情况下常用的玻尔兹曼作图法并不适用,无法判断谱线强度峰值,难以计算等离子体温度参数。因此,采用自蚀数据处理算法,能够计算得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
可以理解的是,本发明提供的技术方案,通过获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,之后根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度、温度参数分布,进而明确铜电极断路器电弧对电极烧蚀的影响。
需要说明的是,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体温度分布参数,包括:
获取预先设定的自蚀线谱测量输入值与初始温度分布;
基于自蚀线谱测量输入值与初始温度分布,确定最大温度分布;
判断所述最大温度分布与初始温度分布的差值是否小于预设值;
若是,则将所述最大温度分布作为初始温度分布,进行迭代计算;
若否,则将所述最大温度分布作为等离子体温度分布参数。
所述确定最大温度分布,包括:
根据所述初始温度分布,计算得出不均匀程度参数;
根据所述不均匀程度参数,计算得出谱线发射率;
根据谱线发射率与自蚀线谱测量输入值,计算得出最大温度分布。
所述计算得出不均匀程度参数,包括:
根据所述初始温度分布,计算得到参数;
根据参数,计算得出表征空间径向上积分量的参数;
根据参数,计算得出等离子体由于源函数递减导致总谱线辐射递减作用的不均匀程度参数;
根据参数与参数,计算得出等离子体由于自吸收导致的不均匀程度参数。
所述计算得出谱线发射率,包括:
根据所述不均匀程度参数,计算得出参数Y;
根据参数Y与不均匀程度参数,计算得出谱线发射率。
在具体实践中,参见图4,首先给定自蚀线谱测量输入值L/Ls(u),其中L为谱线各位置处辐射强度曲线,Ls(u)为谱线在空间位置u处的自蚀两侧的最大辐射强度,如图5所示。同时,给出在u处观测角度空间上的初始温度分布T1(u),可设定初始值为5000K均匀分布。进一步代入计算参数ηj,在等离子体中展宽为史塔克(Stark)与洛伦兹分布的卷积形式,但一般认为断路器中电弧等离子体温度较低,主要是史塔克展宽占主导,为简化计算,假设理性气体下气压为常数、分配函数为常数,将谱线轮廓ψ化简得到关系式ψ:T-L,可以根据j=i,k,计算得到参数ηj;在计算断路器电弧等离子体时,将Ej替换为Ej+Eion/2,其中Eion为电离能,式中Ej为对应谱线元素的能级能量,Ek、Ei分别表示粒子的上、下能级能量,可由数据库查询得到,k为玻尔兹曼常数。L的取值与展宽有关,在Stark展宽主导下,L与电子数成比例,L的取值范围为0~1,根据断路器电弧烧蚀特性可设置为1,温度T为初始温度分布T1。
由参数ηj可计算表征空间径向上积分量的参数Ωj:
通过分数Φ与沿观察方向的总谱线发射的积分的作用变换,有
其中M项表征在均匀等离子体中,由于源函数的递减导致总谱线辐射的递减的作用。同时,M的取值在0~1之间,当等离子体处于均匀分布时M=1,并随着不均匀程度的增加,M逐渐减为0。M只与相对源Λ及相对吸收系数κ*有关,而与参数Sm及τ无关。而方程τ-1Y=Φ是表征由于自吸收导致的总谱线辐射减少的作用。Y不仅与τ有关,还与Λ及κ*有关。
进而,能够根据参数Ωj,计算得出等离子体位移足够远时,等离子体由于源函数递减导致总谱线辐射递减作用的不均匀程度参数M∞。随着自吸收的增强,即谱线中心光学厚度加深,反转最大值将逐渐向谱线两侧移动,根据公式计算得出不均匀程度参数M∞。
根据公式计算得出p∞,p∞表示等离子体位移足够远时的不均匀程度,由参数ηj、Ωj计算得到。参数p类似M,随着不均匀程度的增加,p逐渐减为0,最大值为1。p=1时为均匀状态,p=0时为极不均匀状态。一般谱线自蚀开始出现在p=0.4处,在反转最大值处,所有p值条件下都满足Y2/Y1-1<0.0085。采用求平均的方式得到Y(τ,p)=(Y1+Y2)/2。
需要说明的是,M∞与p∞均在0~1范围内变化,随着不均匀程度的增大,系数逐渐趋近于0。
进一步地,根据Ks(u)=M∞(u)*Ymax(p∞(u)),由参数M∞和参数Ymax可计算得到谱线发射率Ks(u),Ks(u)在0-1之间变化,Ks(u)表示空间分布径向变化位置。假设谱线辐射强度最大值相近,即在v=vS处均存在KS(u)=K(vS,u)。由已知的KS及测得的Ls(u)=L(vS,u)。
基于计算得到的谱线发射率Ks(u)与给定的自蚀线谱测量输入值Ls(u),根据公式:
可计算得出对应的空间观察角度上的最大温度分布T2(u),并判断所述最大温度分布T2(u)与初始温度分布T1(u)的差值是否小于预设值,优选的,设定预设值为10K;若是,则将所述最大温度分布T2(u)作为初始温度分布,进行迭代计算;若否,则将所述最大温度分布T2(u)作为等离子体温度分布参数。
可以理解的是,通过上述自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体温度参数分布。
需要说明的是,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数,包括:
根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,提取谱线史塔克展宽;
根据谱线史塔克展宽与电子密度、温度之间关系,计算得出等离子体的密度分布参数。
在具体实践中,从所述辐射光谱中的光谱铜谱线中可提取谱线史塔克展宽成分,整体强度服从洛伦兹分布Lmax为谱线强度幅值,wL为洛伦兹线型的史塔克展宽(半高宽)/nm,λ0为谱线中心波长/nm。根据谱线史塔克展宽与电子密度、温度之间关系:其中ω为电子碰撞参数/s-1,ne为电子密度/cm-3,α为静电离子展宽参数,Te为电子温度/K。右边第一项代表电子电场贡献,第二项离子校正因子,代表离子贡献。对于非类氢原子(最外层仅有一个电子),史塔克展宽主要受电子影响,简化为wL=2×10-18ωne。根据提出的展宽wL即可计算得到断路器电弧等离子体中的电子密度ne时间、空间分布,即等离子体的密度分布参数。
参见图6、图7,通过计算得到等离子体的密度分布、温度分布参数,即可得到等离子体密度、温度空间分布关系图以及时间演化关系图。
可以理解的是,通过上述自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度参数分布。
在具体实践中,从光谱铜谱线的绝对强度信息中提取总的辐射密度,并由数据库查询获得分配函数的数据信息,即等离子体的温度、气压及种类,在局部热力学平衡假设条件下,粒子成分完全由温度T、总气压及粒子种类决定,因此,能够将等离子体源计算上的表达形式设置为:
可以理解的是,通过对等离子体源计算上的表达形式进行设置,能够使等离子体在利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数时,计算过程更加方便迅捷。
优选的,在获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱之前,还包括:
采用钨丝标准能量灯进行绝对光谱响应的校核标定。
可以理解的是,通过采用钨丝标准能量灯进行绝对光谱响应的校核标定,能够使获取到的断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱更加精确,进而使得最终得到的等离子体密度分布参数与温度分布参数更加精确。
实施例二
参见图8,图8是根据一示例性实施例示出的一种测量等离子体分布参数的系统示意框图,一种测量等离子体分布参数的系统,包括:
辐射获取模块101,用于获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
计算模块102,用于根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
可以理解的是,本实施例提供的技术方案,通过辐射获取模块101获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,之后通过计算模块102,根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度、温度参数分布,进而明确铜电极断路器电弧对电极烧蚀的影响。
优选的,所述的系统,还包括:
校核标定模块,用于对所述辐射获取模块101的绝对光谱响应进行校核标定。
可以理解的是,通过对所述辐射获取模块101的绝对光谱响应进行校核标定,能够使获取到的断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱更加精确,进而使得最终得到的等离子体密度分布参数与温度分布参数更加精确。
实施例三
本实施例提供一种测量等离子体分布参数的装置,包括:
主控器,及与所述主控器相连的存储器;
所述存储器,其中存储有程序指令;
所述主控器用于执行存储器中存储的程序指令,执行上述任一项所述的方法。
可以理解的是,本发明提供的技术方案,通过获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱,之后根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,能够准确获得铜电极断路器电弧对电极烧蚀过程中的等离子体密度、温度参数分布,进而明确铜电极断路器电弧对电极烧蚀的影响。
可以理解的是,上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考,在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解,本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如,如果用硬件来实现,和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种测量等离子体分布参数的方法,其特征在于,包括:
获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体温度分布参数,包括:
获取预先设定的自蚀线谱测量输入值与初始温度分布;
基于自蚀线谱测量输入值与初始温度分布,确定最大温度分布;
判断所述最大温度分布与初始温度分布的差值是否小于预设值;
若是,则将所述最大温度分布作为初始温度分布,进行迭代计算;
若否,则将所述最大温度分布作为等离子体温度分布参数。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述确定最大温度分布,包括:
根据所述初始温度分布,计算得出不均匀程度参数;
根据所述不均匀程度参数,计算得出谱线发射率;
根据谱线发射率与自蚀线谱测量输入值,计算得出最大温度分布。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述计算得出不均匀程度参数,包括:
根据所述初始温度分布,计算得到参数ηj;
根据参数ηj,计算得出表征空间径向上积分量的参数Ωj;
根据参数Ωj,计算得出等离子体由于源函数递减导致总谱线辐射递减作用的不均匀程度参数M∞;
根据参数ηj与参数Ωj,计算得出等离子体由于自吸收导致的不均匀程度参数p∞。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述计算得出谱线发射率,包括:
根据所述不均匀程度参数p∞,计算得出参数Y;
根据参数Y与不均匀程度参数M∞,计算得出谱线发射率。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数,包括:
根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,提取谱线史塔克展宽;
根据谱线史塔克展宽与电子密度、温度之间关系,计算得出等离子体的密度分布参数。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱之前,还包括:
采用钨丝标准能量灯进行绝对光谱响应的校核标定。
8.一种测量等离子体分布参数的系统,其特征在于,包括:
辐射获取模块,用于获取断路器电弧等离子体产生的具有绝对强度信息的辐射光谱;
计算模块,用于根据所述辐射光谱中的光谱铜谱线,利用自蚀数据处理算法,得出等离子体密度分布参数与温度分布参数。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,还包括:
校核标定模块,用于对所述辐射获取模块的绝对光谱响应进行校核标定。
10.一种测量等离子体分布参数的装置,其特征在于,包括:
主控器,及与所述主控器相连的存储器;
所述存储器,其中存储有程序指令;
所述主控器用于执行存储器中存储的程序指令,执行如权利要求1~7任一项所述的方法。
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CN202210752272.1A CN115113032A (zh) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | 一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN202210752272.1A CN115113032A (zh) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | 一种测量等离子体分布参数的方法、系统及装置 |
Publications (1)
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CN115113032A true CN115113032A (zh) | 2022-09-27 |
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Family Applications (1)
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2022
- 2022-06-29 CN CN202210752272.1A patent/CN115113032A/zh active Pending
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