一种电弧放电的二维温度测量方法

本申请涉及高电压与绝缘，尤其是一种电弧放电的二维温度测量方法。

背景技术：

1、电弧放电是一种强功率的气体放电现象，属于热等离子体。随着现代电力工业发展，电弧成为开关类电力设备中的重要部分，也被广泛应用于焊接、切削加工等领域。电弧形成后温度迅速升高，受介质种类、电流密度、电极材料等影响电弧温度会有所不同，但大气环境下最高可达数万k，大量的热能被释放，极易引起电极烧蚀、周围可燃物燃烧，具有很强的破坏性。因此，电弧温度测量研究对电力设备中的电弧防护和电弧利用具有重要意义。

2、研究至今，低温等离子体的温度测量技术已经较为成熟，主要有光谱辐射法和光学成像法。光谱辐射法是根据等离子体的发射光谱或吸收光谱分析等离子体状态信息，经处理计算后便能反演等离子体的相关参数。光学成像法是利用光线传播经过等离子体区域后再成像，区域密度的不均匀性会造成光线角度和相位发生改变，从而在屏幕上形成不同的明暗特征，根据成像特征反演等离子体及周围空间的相关参数。

3、电弧放电通常维持时间短、放电剧烈，伴随一定的电磁干扰，因此对测温系统的实时性、抗干扰能力提出了较高的要求，导致目前应用于电弧温度测量的光学成像法较少，主要采用光谱辐射法。文献1(汪亚龙，康宁，林锦，陆守香。发明专利cn202110674908，一种阵列式光谱测量电弧温度装置及方法)使用一种阵列式光谱测量电弧温度装置，设计程序提取各光纤探头测得的波长-强度曲线的特征峰，将对应的波长及强度结合原子光谱数据库，使用玻尔兹曼作图法求解电弧温度。然而这种方法需要多条谱线进行拟合计算，只能针对电弧辐射光谱逐点计算，时空分辨率较差。文献2(颜湘莲，陈维江。发明专利cn200810115649，一种测量长间隙空气电弧等离子体温度的方法)采用彩色ccd高速图像采集系统拍摄长间隙空气电弧图像，通过三色法计算等离子体投影温度。但在三色法中，电弧温度一般较高，不属于黑体的范畴，使得光谱辐射理论中的黑体辐射公式不再适用。文献2通过标定实验对电弧等离子体辐射强度校正，再将图像进行离散化处理，借助阿贝尔变换求取径向光强分布，计算等离子体温度径向分布，构成电弧的三维温度场。这种方法需要额外的标定工作对黑体辐射公式进行校正，准确性提高的同时增加了操作复杂性及实验成本；且长间隙空气电弧形状复杂，并非柱对称结构，直接采用阿贝尔变换存在较大误差。

技术实现思路

1、本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种电弧放电的二维温度测量方法，本申请的技术方案如下：

2、一种电弧放电的二维温度测量方法，该二维温度测量方法包括：

3、搭建电弧阴影成像平台，电弧阴影成像平台包括拉弧装置、激光产生装置、光线收集装置和iccd高速相机，激光产生装置用于产生平行光照射拉弧装置，并被光线收集装置收集后聚焦到iccd高速相机；

4、在激光产生装置产生的平行光照射拉弧装置的正面时，通过电弧阴影成像平台分别获取拉弧装置未产生电弧时的背景图像、以及拉弧装置产生电弧时的电弧阴影图像，获取到的背景图像和电弧阴影图像中包括各个像素点的光照强度值，拉弧装置的正面是拉弧装置产生的电弧所在的平面；

5、将背景图像和电弧阴影图像代入折射率分布函数与光照强度对比度的函数关系并进行求解，得到产生电弧的放电气体的折射率分布函数n；

6、根据折射率分布函数n计算得到电弧放电的二维温度t。

7、本申请的有益技术效果是：

8、本申请公开了一种电弧放电的二维温度测量方法，该方法采用阴影法进行电弧放电的二维温度测量，根据光线折射几何理论建立折射率分布与阴影图像光强对比度的关系式可以直接求解得出折射率分布，进而根据gladstone-dale定律及理想气体状态方程建立气体折射率与温度之间的关系式，计算得到电弧二维温度分布。该方法具有实验成本低、操作简单、适用范围广、可测视野广、时空分辨率高、结果准确度较高的优点：

9、(1)实验成本低。所需光学元件少，实质只需一个光源辅助成像，再搭配iccd高速测量成像光照强度即可。

10、(2)实验操作简单。阴影法对系统的稳定性要求低，平台布置要求低，整体的搭建及调试操作简单。

11、(3)适用范围广。阴影法装置简单，因此布置的灵活性更强，可以和其他光学元件搭配进行大视场的流场观测(如风洞)，能够满足各类应用场景的电弧观测。

12、(4)可测视野广。采用光谱辐射法测温仅能获取高速相机拍摄到的电弧可视通道区域的温度，而阴影法能够测量有气流存在的所有区域温度，获得的温度范围更广。

13、(5)时空分辨率高。阴影成像系统直接将光线投入iccd高速相机，且采用布置遮光板、窄带滤波片以及调整光源与相机参数的方式去除电弧自发光的影响，能够获得高对比度、高空间分辨率的电弧阴影图像。同时利用外触发控制iccd相机采集电弧阴影图像，通过调制触发信号可满足高时间分辨率的电弧温度诊断需求。

14、(6)结果准确度较高。电弧放电具有随机性和不稳定性，通常不满足圆柱体轴对称假设，因此本申请并未采用阿贝尔逆变换法求解流场厚度，而是用同一实验条件下电弧装置侧面放置拍摄的结果估计电弧流场的厚度分布，结果更贴合实际。后续将直接算法离散正弦变换法应用于折射率泊松方程的求解，获得的结果精确度更高。

技术特征：

1.一种电弧放电的二维温度测量方法，其特征在于，所述二维温度测量方法包括：

2.根据权利要求1所述的二维温度测量方法，其特征在于，折射率分布函数与光照强度对比度的函数关系为：

3.根据权利要求2所述的二维温度测量方法，其特征在于，求解得到折射率分布函数n的方法包括：

4.根据权利要求3所述的二维温度测量方法，其特征在于，利用离散正弦变换法进行求解得到折射率分布函数n的方法包括：

5.根据权利要求2所述的二维温度测量方法，其特征在于，沿着光线传播方向的所述阴影光路是在x方向和y方向具有各向同性的二维光路，得到折射率分布函数n与光照强度对比度δe(x,y)的函数关系的方法包括：

6.根据权利要求2所述的二维温度测量方法，其特征在于，确定流场厚度的方法包括：

7.根据权利要求1所述的二维温度测量方法，其特征在于，根据所述折射率分布函数n计算得到电弧放电的二维温度其中，n0是电弧周围的空气折射率，t0是参考室温。

8.根据权利要求7所述的二维温度测量方法，其特征在于，确定折射率分布函数n与电弧放电的二维温度t之间的关系式的方法包括：

9.根据权利要求1所述的二维温度测量方法，其特征在于，在搭建的所述电弧阴影成像平台中，所述激光产生装置包括激光器、平面镜、平凸透镜和第一凹面镜，所述光线收集装置包括第二凹面镜；

10.根据权利要求9所述的二维温度测量方法，其特征在于，在搭建的所述电弧阴影成像平台中，在所述平面镜和平凸透镜的布设区域以及所述第二凹面镜的布设区域之间设置有第一遮光板，在所述第一凹面镜的布设区域与所述iccd高速相机的布设区域之间设置有第二遮光板。

技术总结
本申请公开了一种电弧放电的二维温度测量方法，涉及高电压与绝缘技术领域，该方法首先搭建电弧阴影成像平台，使得激光产生装置产生平行光照射拉弧装置，然后被光线收集装置收集后聚焦到ICCD高速相机，通过电弧阴影成像平台分别获取拉弧装置未产生电弧时的背景图像、以及拉弧装置产生电弧时的电弧阴影图像后，代入根据光线折射几何理论建立的折射率分布函数与光照强度对比度的函数关系并进行求解，得到产生电弧的放电气体的折射率分布函数，进而就能计算得到电弧放电的二维温度，该方法具有实验成本低、操作简单、适用范围广、可测视野广、时空分辨率高、结果准确度较高的优点。

技术研发人员：吴淑群,刘苏德,施大伟,郭玥
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14