一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置，根據(jù)最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式給出電弧放電能量的公式，由氣體放電電弧的電壓與電流隨時(shí)間變化的關(guān)系計(jì)算出電弧放電過程產(chǎn)生的能量，最后結(jié)合測量獲得的電弧的溫度、弧長與半徑校準(zhǔn)公式當(dāng)中的修正系數(shù)的數(shù)值。該方法步驟為：(1)測量氣體放電電弧的電壓與電流信息；(2)采用數(shù)學(xué)方法對(duì)電壓與電流的乘積在時(shí)間軸上積分得出放電過程產(chǎn)生的能量；(3)測量電弧的光譜信息得到電弧溫度；(4)測量電弧的尺寸信息，尺寸信息包括長度和半徑；(5)根據(jù)步驟(2)得到的能量、步驟(3)得到的溫度和步驟(4)的尺寸信息，代入電弧的放電能量E的校準(zhǔn)公式中，得到修正系數(shù)K1的數(shù)值。本發(fā)明配置方便、操作靈活、可量化測量并校準(zhǔn)電弧放電能量公式中的修正系數(shù)。
【專利說明】
一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置，尤其涉及在強(qiáng)電磁 環(huán)境中由間接測量獲取的能量、溫度與尺寸信息校準(zhǔn)氣體放電能量公式中修正系數(shù)的方 法，屬于電磁兼容測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣中電場強(qiáng)到一定程度，氣體分子就會(huì)被電離，形成等離子體，并產(chǎn)生短暫的放 電電流，使電荷被消耗或中和，發(fā)出光和熱，并產(chǎn)生聲音。火花放電一般持續(xù)時(shí)間很短，所需 達(dá)到的電場強(qiáng)度很高，這樣的場強(qiáng)一般存在于兩個(gè)導(dǎo)電金屬體的尖端之間，因而又被稱為 尖端放電。
[0003] 強(qiáng)電磁場環(huán)境能使不同的金屬導(dǎo)體尖端之間產(chǎn)生一定的電勢差，當(dāng)電勢差足夠大 并使空氣中的電場達(dá)到尖端放電所需的場強(qiáng)時(shí)，能形成弧光放電的火花。放電產(chǎn)生的能量 主要與弧光放電的火花溫度有關(guān)，同時(shí)還取決于其他許多參數(shù)，諸如空氣中氣體混合物的 組成、環(huán)境溫度、壓力和電極間隙等。
[0004] 目前，常用的方法是直接測試最小點(diǎn)火能。最小點(diǎn)火能是指能夠引起粉塵云(或可燃 氣體與空氣混合物)燃燒(或爆炸)的最小火花能量，也稱為最小火花引燃能或者臨界點(diǎn)火能。 根據(jù)燃燒學(xué)原理，可以給出強(qiáng)迫燃燒最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式：￡二心 -:)。 式中：Tm是混合燃?xì)馊键c(diǎn)，是環(huán)境溫度，Ki是修正系數(shù)，rmin是最小著火半徑，是熱容，Pc" 混合燃?xì)獾拿芏取?br>[0005] 然而，直接測試法也存在一些難以克服的缺點(diǎn)：首先，直接測試法較為不安全，處 于密閉空間的可燃?xì)怏w被點(diǎn)燃后不容易受控，甚至有爆炸的危險(xiǎn);直接測試法僅能進(jìn)行定 性分析，其試驗(yàn)結(jié)果僅對(duì)試驗(yàn)條件有效，因而無法獲取量化數(shù)據(jù)，所以無法通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng) 估其他試驗(yàn)條件下的結(jié)果；因?yàn)闊o法在試驗(yàn)過程中記錄出現(xiàn)的放電現(xiàn)象的主要參數(shù)，所以 無法實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就無法為系統(tǒng)改進(jìn)提出參考依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有方法和技術(shù)的不足，提供一種配置方便、操作靈活、可量 化測量并校準(zhǔn)電弧放電能量修正系數(shù)的方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了基于氣體放電電弧的能量校準(zhǔn)修正系數(shù)的方 法，根據(jù)最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式給出電弧放電能量的公式，由氣體放電電弧的電壓與電 流隨時(shí)間變化的關(guān)系計(jì)算出放電過程中電弧產(chǎn)生的能量，最后結(jié)合測量獲得的電弧的溫 度、弧長與半徑校準(zhǔn)公式當(dāng)中的修正系數(shù)的數(shù)值。該方法包含下列步驟：
[0008] 根據(jù)最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式給出電弧放電能量的公式；
[0009] 收集電弧的電壓與電流信息；
[0010] 利用數(shù)學(xué)方法對(duì)電壓與電流在時(shí)間軸上積分得出放電過程產(chǎn)生的能量；
[0011] 收集電弧的光譜信息得到電弧的溫度；
[0012] 收集電弧的尺寸信息；
[0013] 根據(jù)電弧的放電能量校準(zhǔn)公式中的修正系數(shù)。
[0014] 氣體放電會(huì)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生放電電流，使電荷被消耗或中和，產(chǎn)生光和熱量。 根據(jù)燃燒學(xué)原理給出的最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式，其火球模型為球型。對(duì)于氣體放電電弧， 應(yīng)將電弧視為柱體模型，因而可以得出電弧放電能量公式：- rra)。式 中：Td是電弧溫度，T〇〇是環(huán)境溫度，Ki是修正系數(shù)，r是電弧半徑，1是電弧長度，是熱容，p〇〇 環(huán)境氣體的密度。對(duì)于性質(zhì)、壓力、環(huán)境溫度一定條件下的氣體，上式僅有修正系數(shù)Ki是未 被確定的。通過測定氣體放電產(chǎn)生的電弧的長度、半徑、溫度與能量，可以得出心的具體數(shù) 值。
[0015] 氣體被積累在兩端電極的電荷擊穿后，產(chǎn)生的電弧具有明顯的電壓與電流特性， 可以通過示波器觀察并測量電弧的電壓與電流曲線。將測量的數(shù)據(jù)記錄下來，借助數(shù)學(xué)方 法，可以準(zhǔn)確地計(jì)算得到電弧的放電能量。電弧的放電能量計(jì)算公式式 中：E是電弧放電產(chǎn)生的能量，U是電弧兩個(gè)末端之間的電壓，I是電弧的電流，to是電弧產(chǎn)生 的初始時(shí)刻，t是電弧熄滅的結(jié)束時(shí)刻。
[0016] 氣體擊穿放電會(huì)形成一道具有明顯亮光的電弧，并釋放相應(yīng)的光譜信息。通過光 譜儀可以檢測光譜信息并進(jìn)行分析，從而得到電弧的放電溫度。通過高速相機(jī)或者光纖探 頭可以獲取電弧的長度與半徑。在環(huán)境溫度、熱容、氣體的密度等參數(shù)確定的條件下，依據(jù) 電弧的溫度、放電能量和尺寸可以校準(zhǔn)修正系數(shù)t-rro)。
[0017] 所以本發(fā)明提出采用電弧的放電能量作為依據(jù)，通過示波器檢測到電弧的電壓與 電流信號(hào)，計(jì)算電弧的能量，并結(jié)合光譜儀檢測到的電弧的溫度信息與高速相機(jī)測量到的 電弧尺寸信息，校準(zhǔn)電弧放電能量公式中的修正系數(shù)。
[0018] 本發(fā)明的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)裝置，包括:放電電極、一臺(tái)高速相機(jī)、 一臺(tái)光譜儀、一臺(tái)示波器與支持設(shè)備正常工作的各種線纜和電源等;試驗(yàn)過程中，通過電源 給兩個(gè)放電電極提供能量，當(dāng)兩個(gè)電極間的電壓足以擊穿電極間的氣體時(shí)，會(huì)形成電弧;此 時(shí)示波器的一路通過高壓探頭與兩個(gè)電極的末端相連，用于測量氣體放電期間電弧的電壓 曲線；另一路通過電流探頭加在電源與電極形成的回路上，用于測量電弧的電流曲線;高速 相機(jī)與光譜儀的鏡頭對(duì)準(zhǔn)電極之間形成電弧的位置，接收電弧產(chǎn)生的光信號(hào)并進(jìn)行初步處 理；最后示波器、高速相機(jī)和光譜儀測量獲取的電弧參數(shù)將傳遞給上位機(jī)，用于處理與分 析，校準(zhǔn)電弧放電能量公式當(dāng)中的修正系數(shù)。
[0019]本發(fā)明具有以下明顯特點(diǎn)：
[0020] (1)本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法采用間接測量的方式，適用于校準(zhǔn)各 種試驗(yàn)條件下的混合氣體放電的修正系數(shù)，使用設(shè)置方便；
[0021 ] (2)本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法測量的目標(biāo)量為電弧的電壓與電流， 采用的是最常見的測試儀器之一一示波器，測試結(jié)果準(zhǔn)確度高；
[0022] (3)本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法以電弧的能量作為判據(jù)，測試數(shù)據(jù)能 夠量化記錄和評(píng)判。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法的流程圖；
[0024] 圖2是應(yīng)用本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法的實(shí)施例流程示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)裝置布置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027] 如圖1所示，電弧的放電能量可以通過示波器測量得到。氣體放電產(chǎn)生的電弧具有 明顯的電壓與電流特性，利用示波器的高壓探頭可以測量放電期間電弧的電壓曲線，利用 電流探頭可以測量放電期間回路的電流曲線，將測量的曲線存儲(chǔ)記錄下來，再借助電路上 能量與電壓和電流的關(guān)系，可以準(zhǔn)確地計(jì)算得到電弧的放電能量。電弧的放電能量計(jì)算公 式：E = /$〃? /df。電弧的溫度可以通過光譜儀測量得到。氣體放電會(huì)形成一道具有明顯亮 光的電弧，并釋放相應(yīng)的光譜信息。通過光譜儀可以收集電弧的光譜信息并進(jìn)行分析，從而得 到電弧的溫度。氣體放電形成的電弧可以等效為一個(gè)圓柱體的模型，電弧的橫截面為圓形， 截面半徑即為電弧的半徑，電弧的長度即為圓柱體模型的高，這樣便可以通過高速相機(jī)獲 取電弧的尺寸信息。在環(huán)境溫度、熱容、氣體的密度等參數(shù)確定的條件下，依據(jù)電弧的溫度、 放電能量和尺寸可以代入公式中校準(zhǔn)修正系數(shù)Hi = tU、
[0028] 如圖2、3所示，試驗(yàn)過程中首先如圖3所示安裝布置用于檢測的儀器設(shè)備，然后按 照測試步驟進(jìn)行試驗(yàn)，獲取并記錄放電過程中電弧的電壓與電流曲線，最后結(jié)合測試獲取 的溫度與尺寸信息，代入相應(yīng)公式計(jì)算，得到試驗(yàn)的測試結(jié)果。
[0029] 試驗(yàn)裝置主要包括放電電極、一臺(tái)高速相機(jī)、一臺(tái)光譜儀、一臺(tái)示波器與支持設(shè)備 正常工作的各種線纜和電源等。試驗(yàn)過程中，通過電源給兩個(gè)放電電極提供能量。示波器的 一路通過高壓探頭與兩個(gè)電極的末端相連，用于測量氣體放電期間電弧的電壓曲線；另一 路通過電流探頭加在電源與電極形成的回路上，用于測量電弧的電流曲線。高速相機(jī)與光 譜儀主要用于接收電弧產(chǎn)生的光信號(hào)，因此將高速相機(jī)與光譜儀的鏡頭對(duì)準(zhǔn)電極之間形成 電弧的位置。最后將示波器、高速相機(jī)和光譜儀均與上位機(jī)相連，用于傳遞測試獲得的電弧 的主要參數(shù)，并用于處理與分析。
[0030] 提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本 發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修 改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 測量氣體放電電弧的電壓與電流信息； (2) 采用數(shù)學(xué)方法對(duì)電壓與電流的乘積在時(shí)間軸上積分得出放電過程產(chǎn)生的能量； (3) 測量電弧的光譜信息得到電弧溫度； (4) 測量電弧的尺寸信息，尺寸信息包括長度和半徑；(5) 根據(jù)步驟（2)得到啤和步驟(4)的尺寸信息，代入電弧的 放電能量E的校準(zhǔn)公式中 得到修正系數(shù)心的數(shù)值;其中：Td是電 弧溫度，??是環(huán)境溫度，K1是修正系數(shù)，r是電弧半徑，1是電弧長度，^是熱容，環(huán)境的氣 體密度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟 (5)中的電弧放電能量E的公式是根據(jù)最小引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式給出的，氣體放電會(huì)在兩個(gè) 電極之間產(chǎn)生放電電流，使電荷被消耗或中和，產(chǎn)生光和熱量，根據(jù)燃燒學(xué)原理給出的最小 引燃能的半經(jīng)驗(yàn)公式，少球樽型為球型，對(duì)干氣體放電電弧，將電弧視為柱體模型，從而得 出電弧放電能量公式3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟 ⑵中，電弧的放電能量計(jì)算公式A = ]"/、·/#，式中：U是電弧兩個(gè)末端之間的電壓，I是 rO 電弧的電流，to是電弧產(chǎn)生的初始時(shí)刻，是電弧熄滅的結(jié)束時(shí)刻。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟 (1)中，通過示波器觀察并測量放電電弧的電壓與電流曲線，將測量的數(shù)據(jù)記錄下來，從而 得到電弧的電壓與電流信息。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟 (3) 中，通過光譜儀測量得到電弧的光譜信息，從而得到電弧的溫度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)方法，其特征在于:所述步驟 (4) 中，通過速率在1萬幀/秒以上的高速相機(jī)測量得到電弧的尺寸信息。7. -種電弧放電能量修正系數(shù)校準(zhǔn)裝置，其特征在于:包括放電電極、一臺(tái)高速相機(jī)、 一臺(tái)光譜儀、一臺(tái)示波器與支持設(shè)備正常工作的各種線纜和電源等;試驗(yàn)過程中，通過電源 給兩個(gè)放電電極提供能量，當(dāng)兩個(gè)電極間的電壓足以擊穿電極間的氣體時(shí)，會(huì)形成電弧;此 時(shí)示波器的一路通過高壓探頭與兩個(gè)電極的末端相連，用于測量氣體放電期間電弧的電壓 曲線；另一路通過電流探頭加在電源與電極形成的回路上，用于測量電弧的電流曲線;高速 相機(jī)與光譜儀的鏡頭對(duì)準(zhǔn)電極之間形成電弧的位置，接收電弧產(chǎn)生的光信號(hào)并進(jìn)行初步處 理；最后示波器、高速相機(jī)和光譜儀測量獲取的電弧參數(shù)將傳遞給上位機(jī)，用于處理與分 析，校準(zhǔn)電弧放電能量公式當(dāng)中的修正系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01R35/04GK105891769SQ201610453362
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】戴飛, 馮驍堯, 符新凱, 王順鑫
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)