一种电弧弧根电流密度分布测试装置与测试方法与流程

本发明属于电器电弧特性测试技术领域，具体的说，是涉及一种测试电弧电流密度分布的装置和方法。

背景技术：

电弧现象是发生在各种交直流断路器、接触器、电弧加热和电弧焊接等装置中的基本现象，因而对电弧各项参数研究的深入程度决定着此类装置的开发水平高低。电弧的工艺性能很大程度取决于它的电流密度分布，电流密度能直接反应焊接电弧在工件表面的电流分布情况，进一步反映了电弧给焊件的热输入量分布，这与焊接过程中表现出来的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等都有密切关系。

电弧弧根电流密度是电弧的一项重要参数，一直以来都是人们关注的焦点，同时也是电弧研究的难点之一；它决定电弧的热流密度、弧根区域的温度、以及电弧对电极的侵蚀率等参数。电弧弧根电流密度分布是指电弧弧根圆内电流承载区域电流分布情况，它决定着弧根区域能流密度分布、弧根区域的温度分布、以及电弧对电极的侵蚀率分布等分布参数，因此，弧根电流密度分布同样是电弧的一项重要参数。以往，对电弧弧根的电流密度分布边界条件是根据经验设置为轴对称的随径向距离衰减的指数分布，而不是根据实验测试结果而设置，而实验测试结果具有更高的可信度，因此通过实验测试电弧弧根电流密度分布能为为电弧仿真研究提供必要的可靠依据。对电弧弧根电流密度分布进行测试因而成为对电弧实验研究中一项重要的任务。

一般来说，测量弧根电流密度的方法有高速摄影拍摄电弧弧根瞬时形态的方法和SEM扫描电镜观察经电弧弧根烧蚀后电极表面微观形态的方法，这两种方法只能用来求解电弧弧根的平均电流密度。当用这两种方法分析弧根圆域内电流密度分布时，存在着较多难以解决的问题，因此寻找一种合理的且操作简单的测试电弧弧根电流密度分布方法具有非常重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明要解决的是技术问题是提供一种测试步骤及数值处理简单，制作过程简便的电弧弧根电流密度分布测试装置与测试方法，利用两块中空箱体结构的水冷铜板作为阳极，通过向水冷铜板内部通入冷却液体从而使其温度更快降低，以此解决了从前测试装置不能长时间工作的问题；中间用很薄的绝缘物质(如云母片)将两个阳极隔开，并配合示波器、开环霍尔电流传感器、DAQ数据采集卡和计算机进行测量，可以更便利的测出焊枪电弧电流密度分布，从而更好控制焊接效果。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种电弧弧根电流密度分布测试装置，包括第一水冷铜板、第二水冷铜板、绝缘薄片、绝缘石棉底座、电源、焊枪、电阻、示波器、开环霍尔电流传感器、DAQ数据采集卡、计算机系统、摄像机；

所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板均在各自的两个相对壁面分别设置有出水管和入水管，用于连接冷却水循环；所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板作为分裂的两个阳极，两者之间间隔有一个厚度为0.05mm的绝缘薄片，所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板和所述绝缘薄片一同固定安装在所述绝缘石棉底座上；

所述电源的负极与所述焊枪相连，所述电源的正极分为两条支路，其中一条支路连接所述第一水冷铜板，另一条支路先连接所述电阻再与所述第二水冷铜板相连接；所述示波器的正、负极接线口连接在所述电阻的两端，且所述示波器与所述开环霍尔电流传感器串联，通过所述开环霍尔电流传感器测出流过所述第二水冷铜板的电流值；所述开环霍尔电流传感器通过所述DAQ数据采集卡连接到所述计算机系统，以将数据通过所述DAQ数据采集卡传到所述计算机系统15；

所述焊枪位于所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板表面正上方且所述焊枪所在直线垂直于该表面，用于从所述第一水冷铜板表面以垂直所述绝缘薄片的方向，向所述第二水冷铜板表面移动，并越过所述绝缘薄片；所述摄像机位于所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板表面正上方且位于所述焊枪移动方向的一侧，用于跟踪拍摄所述焊枪电弧在所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板表面上的圆截面，并将照片传输给所述计算机系统，经过图像处理得到圆截面面积。

其中，所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板结构相同，均为长方体的中空箱形结构。

利用上述电弧弧根电流密度分布测试装置的测试方法，按照如下步骤进行：

(1)开启所述计算机系统、所述DAQ数据采集卡、所述示波器、所述开环霍尔电流传感器、所述电源、所述摄像机；

(2)所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板的出水管、入水管连接冷却水循环，保持所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板内部冷却水流动；

(3)所述焊枪电弧从所述第一水冷铜板表面以垂直所述绝缘薄片的方向，向所述第二水冷铜板表面移动，直至越过所述绝缘薄片；

所述示波器将所测电压值传给所述开环霍尔电流传感器，再通过所述开环霍尔电流传感器处理得到流过所述第二水冷铜板的电流值并通过所述DAQ数据采集卡传输到所述计算机系统；同时所述摄像机拍摄电弧在所述第一水冷铜板和所述第二水冷铜板表面的圆截面并传输给所述计算机系统，所述计算机系统对所述摄像机拍摄的图片进行图像处理得到电弧圆截面的半径R_m；

(4)所述计算机系统根据所述开环霍尔电流传感器所测量的流过所述第二水冷铜板的电流值I(x)，通过公式

计算得到电流密度分布J(r)；

其中，J(r)为电弧垂直通过所述绝缘薄片时电弧圆截面的电流密度分布；r为电弧圆截面内的点到圆心的距离；x为电弧中心到与所述绝缘薄片接触的所述第一水冷铜板侧面的距离；Rm为电弧圆截面的半径。

本发明的有益效果是：

本发明的电弧弧根电流密度分布测试装置与测试方法，应用分裂阳极测定电弧电流密度分布，测试方法简单易行，大大缩减了测试装置的硬件结构；虽然需要进行必要的计算才能得出电流密度，但由于这一计算是根据所测得电流密度的积分曲线为基础，因而所得结果非常可靠，通过无限细分后的积分形式，能反映出电弧截面内任位置处电流密度的实际值，测试步骤简洁有效，将第二水冷铜板与电阻R串联后，将示波器并联在电阻R两端，再通过开环霍尔电流传感器得到电流值，使得误差更小，结果更加准确。

附图说明

图1是第一水冷铜板、第二水冷铜板及云母片的剖面示意图；

图2是本发明所提供的电弧弧根电流密度分布测试装置的整体装配示意图；

图3是绝缘石棉底座的结构示意图。

图中：1.第一水冷铜板；2.第二水冷铜板；3.云母片；4.螺纹孔；5.定位孔；6.焊枪；7.电源；8.开环霍尔电流传感器；9.出水管；10.入水管；11.绝缘石棉底座；12.摄像机；13.示波器；14.DAQ数据采集卡；15.计算机系统；16.电阻R。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种电弧弧根电流密度分布测试装置，用于测试电弧弧根电流密度分布，包括第一水冷铜板1、第二水冷铜板2、云母片3、焊枪6、电源7、开环霍尔电流传感器8、出水管9、入水管10、绝缘石棉底座11、摄像机12、示波器13、DAQ数据采集卡14、计算机系统15、电阻R 16。

开环霍尔电流传感器采用的是霍尔直放式原理，一般适用于大电流监测，其工作过程为：原边电流(Ip)通过一根导线时，在导线四周将会产生一个磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它能通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出；这一信号经信号放大器放大后直接输出，霍尔器件输出的信号准确反映了原边电流的输出情况；具有封装尺寸小，测量范围广，重量轻，低电源损耗，无插损的优点。

如图1所示，本装置采用两块相同的水冷铜板对称布置作为等离子弧的阳极，分别为第一水冷铜板1和第二水冷铜板2。第一水冷铜板1和第二水冷铜板2均为长方体的中空箱形结构，且其各自的两个相对壁面分别设置有出水管9和入水管10，用于使冷却水能够分别在第一水冷铜板1和第二水冷铜板2内部均循环流动。第一水冷铜板1和第二水冷铜板2作为分裂的两个阳极，两者之间间隔有一个厚度为0.05mm的云母片3，云母片3也可以用其他厚度为0.05mm左右的绝缘薄片代替。第一水冷铜板1、第二水冷铜板2和云母片3一同安装在绝缘石棉底座11上，第一水冷铜板1的底面和第二水冷铜板2的底面均设置有螺纹孔4，绝缘石棉底座11顶面分别对应于第一水冷铜板1和第二水冷铜板2设置有定位孔5，用螺钉将第一水冷铜板1和第二水冷铜板2固定并将云母片3夹紧固定在绝缘石棉底座11上，如图3所示。

如图2所示，电源7的负极通过导线与焊枪6相连，电源7的正极分为两条支路，其中一条支路连接第一水冷铜板1，另一条支路先连接一个电阻R 16再与第二水冷铜板2相连接。示波器13的正、负极接线口连接在电阻R 16的两端，并且示波器13与开环霍尔电流传感器7串联，通过开环霍尔电流传感器7测出流过第二水冷铜板2的电流值。开环霍尔电流传感器7通过DAQ数据采集卡14连接到计算机系统15，以将数据通过DAQ数据采集卡14传到计算机系统15。焊枪6位于第一水冷铜板1和第二水冷铜板2表面正上方且焊枪所在直线垂直于该表面，用于从第一水冷铜板1表面以垂直云母片3的方向，向第二水冷铜板2表面移动，越过云母片3(即阳极分割面)。摄像机12位于第一水冷铜板1和第二水冷铜板2表面正上方且位于焊枪6移动方向的一侧，用于跟踪拍摄焊枪6电弧在第一水冷铜板1和第二水冷铜板2表面上的圆截面，并将照片传输给计算机系统15，经过图像处理得到圆截面面积。

大气气压下的电弧弧根是电弧与电极接触的区域，一般认为阴极弧根是由许多并存的微小、高亮度的斑点聚集在一起组成的，即电弧弧根是阴极斑点聚集的近似圆形的区域，这是利用分裂阳极测量电弧电流密度分布的计算推导基础，电弧圆截面为以电弧中心为圆心，分为有限个同心圆和无限个同心圆，经过必要的对电流信号的数学处理，进而求出电弧弧根电流密度分布曲线。

本装置利用开环霍尔电流传感器8直接测量流过第二水冷铜板2的电流值I(x)，由于第一水冷铜板1和第二水冷铜板2固定不动，焊枪6电弧从第一水冷铜板1表面以垂直云母片3的方向向第二水冷铜板2表面连续运动，并越过云母片3(即阳极分割面)，所以电弧圆截面以电弧中心为圆心分为无限个同心圆，J(r)为电弧垂直通过云母片3时电弧圆截面的电流密度分布；r为电弧圆截面内的点到圆心的距离；x为电弧中心到与云母片3接触的第一水冷铜板1侧面的距离；Rm为电弧圆截面的半径，其求法为利用摄像机12拍摄电弧圆弧圆截面，并将图片传到计算机系统15，通过图像处理软件度量出R_m即可。

建立电弧垂直通过云母片3时电弧电流值I(x)与电弧电流密度J(r)的数学模型为：

求解这个方程即可得到电弧电流密度。

利用上述装置的电弧弧根电流密度分布测试方法，其具体步骤如下：

(1)开启计算机系统15、DAQ数据采集卡14、示波器13、开环霍尔电流传感器8、电源7、摄像机12；

(2)第一水冷铜板1和第二水冷铜板2的出水管9和入水管10连接冷却水循环，保持第一水冷铜板1和第二水冷铜板2内的冷却水流动；

(3)如图2所示，焊枪6电弧从第一水冷铜板1表面以垂直云母片3的方向向第二水冷铜板2表面连续运动，并越过云母片3(即阳极分割面)，示波器13将所测电压值传给开环霍尔电流传感器8，再通过开环霍尔电流传感器8处理得到流过第二水冷铜板2的电流值并通过DAQ数据采集卡14传输到计算机系统15；同时摄像机12拍摄电弧在第一水冷铜板1和第二水冷铜板2表面的圆截面并传输给计算机系统15，计算机系统15对摄像机12拍摄的图片进行图像处理得到电弧圆截面的半径R_m；

(4)计算机系统15根据开环霍尔电流传感器8所测量的流过第二水冷铜板2的电流值I(x)，通过公式

计算得到电流密度分布J(r)；

其中，J(r)为电弧垂直通过云母片3时电弧圆截面的电流密度分布；r为电弧圆截面内的点到圆心的距离；x为电弧中心到与云母片3接触的第一水冷铜板1侧面的距离；Rm为电弧圆截面的半径。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。