电弧监测系统的制作方法

专利名称：电弧监测系统的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域涉及用于对电弧或电火花进行监测、检测、指示、评估及发送信号的方法及装置。
表现为电弧或电火花的无序电磁辐射(chaotic electromagneticemanation)经常会引起诸多的麻烦，其中电磁相互作用将电子与原子和分子中的原子核束缚在一起，并以光子为基本单位来进行的。
实际上，电弧和电火花的频谱范围覆盖了从DC到整个射频光谱，再到微波、红外和可见光光谱的很大的频率范围。
电弧和电火花的实用开发包括电弧灯，电焊，电弧型冶金炉，卫星推进器中的电弧型离子发生器，内燃机中的火花塞型点火器，以及煤气用具中的电火花点火器等等。
然而不幸的是，虽然电气照明、电弧焊接和冶金、以及内燃机点火器中的所用电弧或电火花给人们带来巨大的好处，但在同样的强度情况下，如果使用电弧或电火花时不慎，就很可能会由于无序电弧放电或打火而造成诸如爆炸、火灾等灾难性的后果。
因此，在诸如车库、汽车修理站、油库或加油站，以及其它可能会由于电弧放电而造成灾难性爆炸的场合，很需要有一种电弧监测系统。
另外，尽管利用熔断器和断路器能够防止系统出现严重的过载，但它们对防止通常在低于将熔断器烧断或已设定电路断路器跳闸的电平的电流水平时所出现的偶然电弧和电火花所造成的损害一般无效。
因此，在相当多数量及种类的电路中均十分需要能够进行可靠地电弧监测。
当然，以上所列举的只是适于应用可靠的电弧或电火花监测技术的几种代表性实例。
而在此方面一个使其一直停滞不前的主要问题是，长期以来人们一直是本着如何尽量避免出现误报警的宗旨来进行开发研究的。当然，误报警是报警系统的大忌，如果报警系统频繁出现误报警，则其将失去应用意义。
因此，为了减小由于无线电广播和射频安全系统信号而引起误报警的概率，HAMPSHIRE，Michael John在国际专利公开WO 90/04278中公开了一种电弧检测系统，其中对于电弧信号特征频谱中低于大约160kHz和高于180kHz的频率将不作处理，而只对中心频率大致为170KHz，带宽大致为20kHz的频带进行电气故障检测处理。然而，如果这样的话，则所需的频率采样范围与为了既能够可靠地检测出电弧特征(signature)、同时又能够同样可靠地防止出现误报警的100kHz范围相比过小(几十分之一还要小)。
而1990年10月24日申请的PCT/US90/06113，公开号为WO 92/08143，专利权人为Hendry Mechanical Works，发明人为HAM，Jr.，Howard M.，和1994年12月13日公布的对应美国专利5,373,241，1995年12月19日公布的专利5,477,150(其均作为参考文献收入于本说明书中)中则公开了一种能够避免上述缺陷的电弧检测系统。其中，参考文献还包括其相应的申请EPO 507 782(90917578.8)及其欧洲国家专利，以及其相应的澳大利亚专利656128，加拿大专利申请2,093,420，中国专利申请92102453.3，日本专利申请500428/91，韩国专利申请(PCT)701219/93，以及墨西哥专利178914(9201530)，对于所有允许收入这些参考文献的国家，本申请均将其收入作为参考文献。上述系统通过将瞬变电弧特征频率转化为组合频率，根据该组合频率可以检测出与能够引起误报警的瞬变窄带信号截然不同的电弧表征信号(arc-indicative signal)，从而避免了误报警的出现。
在上述背景下，后续申请作为现有技术的申请中公开了一种选频式电弧检测系统，其采用了被视为电弧检测技术现有技术中最具代表性的技术。其中提出了多种主要通过查看较高千赫兹(如从100kHz到1兆赫兹)范围内的频率来进行电弧检测的方法。然而，这些方法不仅覆盖了公用A.M.无线广播频带(即某些国家中所常说的“长波”和“中波”)的主要部分，还覆盖了上述参考文献WO 90/04278中所述的控制或安全系统类型的无线频率范围。因此，随着其所在位置的不同，该系统将必然会受到诸多外来信号的干扰。
在现有技术的另一实施例中同样采用了该原理，其建议使用一种其中由一个带通为50kHz，以及3个其中心频率分别为225kHz、525kHz和825kHz，总共4个的带通滤波器所构成的梳状滤波器配置。在A.M.广播和上述控制和安全系统无线频带范围内，由于频谱的50kHz采样只能代表无序电弧特征的微小分段，因此可能会出现由于巧合的无关信号而引起误报警的危险。另外，由于现有技术中是通过连续轮流梳状滤波器配置的4个滤波器组件中的处理来进行检测的，所以55kHz带通滤波器的效果将会受到影响。
随着电弧检测技术研究的不断深入，人们也尝试研究了如何利用低频区中的各个低频带来进行电弧监测，但正如B.D.Russell等人所发表的，题为“An arcing Fault Detection Technique Using Low FrequencyCurrent Components-Performance Evaluation Using Recorded FieldData”(使用低频电流分量的电弧故障检测技术-采用记录字段的性能评估)和“Behaviour of Low Frequency Spectra During arcing Fault andSwitching Events”(在电弧故障和切换情况中低频频谱的特性)(IEEETransaction on Power Delivery，Vol.3，No.4，1988年10月，第1485-1500页)中所指出的，此类方法均具有由于低频带过窄而无法确保电弧检测可靠性的缺点。
回顾本领域的已有成果，大体上均是通过将电弧理解为由于电弧特征的无序本质(chaotic nature)而决定的高度随机现象，来进行检测的。然而，现有技术的这种思想忽略了无序系统也具有确定性性质并能够被成功处理的事实，当然前提是我们能够发现其根本原理是什么，以及如何来进行应用。
实际上，即使是对于看似最无序的闪电，如果细心留意的话，可以看出，其各次(arboresque)夜间放电之间以及其每次霹雳枝权结构中，均表现出一定的自相似性。
在此方面，由Benjamin Franklin和George Christoph Lichtenberg在18世纪所完成的开创性的工作对本发明主题的影响可以说是无处不在。
具体地说，Franklin通过其著名的雷雨风筝实验证明了闪电实际上是一种电现象。而此后Lichtenberg则在1777年通过在带电绝缘面上播撒诸如面粉等类型的精细粉末，首创了其著名的“Lichtenberg图”。放电现象的Lichtenberg图的形状大多与闪电类似，或者从其分支线及其自身图案上看，均表现出惊人的自相似性。ManfredSchroeder在其题为“Fractals，Chaos，Power Laws”(分形、无序、能量定律)(W.H.Freeman and Company，1991)，第196，197，215和216页中，对其和扩散受限聚合(diffusion-limited aggregation)(DLA)进行了比较。而Kenneth Falconer，则在其题为“FractalGeometry”(分形几何)一书的(John Wiley & Sons，1990)第270到273页中，利用DLA模型对气体放电现象进行了研究。
作为背景知识，分形(fractal)是由Benoit Mandelbrot于1975年所提出、命名及首次定义的分形几何学所研究的对象。而分形几何表明，自然界实际上并不完全符合欧几理德类型的几何学。欧氏几何的基石是大小和比例特性。而自然界却并不仅仅局限于特定的大小或比例。欧氏几何适合于人造物体，但其无法完全实际地表示自然的结构。欧氏几何可由公式来表述，而自然现象的数学语言则是递归算法。
上述递归性是对于那些即使没有无序影响也有破坏性的性质的表述，其自身表现为，例如，对于大小和比例具有很稳定的不变性，提出称之为自相似性或自仿射性。分形是自相似的，主要表现在，一个分形的任一小部分均是整体的一个缩影。下文中将这些小部分称为“分形子集”。
电弧或电火花监测通常只着重于所谓的电弧特征，即电弧或电火花的电磁频谱中位于低于可见光、热辐射和微波频谱的频带中的那部分频谱。
而本领域中的主要问题则大多集中于由于相邻被监测电路之间的互感所引起的误报警。在此方面，根据其标准公式，可知在一个其中出现有电弧的被监测电路与其中没有出现电弧的相邻被监测电路之间的互感为In＝2πfMIas/Zn(1)其中Ias＝其中出现有电弧的被监测电路中的电弧特征电流，In＝由其中没有出现电弧的相邻被监测电路中的电弧特征所引起的感应电流，M＝互感，Zn＝所述相邻电路的阻抗，以及f＝频率相邻电路之间，由其中出现有电弧的被监测电路中的Ias在另一相邻被监测电路中由于感应所引起的电流In，随着主电流Ias频率的降低而减弱。然而，电磁电弧特征的特点在于，其具有近似于其幅值的频率倒数(1/f)级数的形状。如果将其代入上述公式(1)，可得In＝(2πfMIas/f)/Zn(2)其中“f”将被消去，可得到In＝2πMIas/Zn(3)即，互感和副电流In与频率无关。通过上述分析可以得到现有技术的结论，降低其中对电弧进行监测的电弧特征频带的频率，并不能有效地减小交叉感应以及减少由此所产生的误报警。
本发明的一个基本目的是提供一种采用了新型电路和/或利用了电弧特征中先前还未用到的特性的改进型电弧监测系统。
本发明一种实施例的相关目的是，与现有技术相比，允许在距离电弧更远的位置上进行可靠的电弧监测，同时使其串扰或感应变得更小。
在此方面以及总的来说，术语“监测”具有更广泛的意义，其包括对电弧或电火花进行监测、检测、指示、评估以及/或通知注意有电弧或电火花出现，而术语“电弧”则是本质上是同一现象的可互换的电弧和电火花的统称。
根据本发明的一个方面，本发明发现电弧是分形现象，不仅是在如先前所知的在其电磁辐射的可见光部分，实际上在由于其中出现有特定电弧而分布于空间或电路导线中的电磁辐射中，一直到极低频带均是分形现象。由于任一分形子集中均包含有表明其中含有“电弧”的所有本质信息，所以我们完全可以通过其分形子集来监测电弧的电磁辐射，并达到电弧监测的目的。
根据本发明，通过认识到电弧的分形性质并不仅局限于其可见光区域，而是实际上一直到每秒几个周期的低频段均保持有此种分形性质，因此，本发明至少能够为先前已知的电弧特性增添一条基本特性和至少一条判别标准；即，1.任一分形子集中均包含有用于对电弧进行有效监测的所有基本信息；由此2.可以不再象现有技术那样，在一定的约束下根据具体目的来选择特定的监测频带，而能够真正通过对敏感性、检测速度、防止或拒绝假信号，以及不同环境下电弧特征从电弧到监测电路的要求行程(travel)和传输模式进行最佳折衷，来选择监测频带。
根据上述原理，本发明目的在于提供一种用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的系统，具体地说，其目的在于提供用于选择电弧特征中其特点是沿被监测电路具有相对较长行程的分形子集、并对电弧特征的该分形子集进行监测的系统。
上文中所谓的“相对”指的是电弧信号的可能行程与电弧特征的频率成反比。在此方面，可以参考常用的电流代数公式I＝E/[R2+(2πfL-1/2πfC)2]1/2(3)其中I＝电流E＝电压或电势R＝电阻
f＝频率L＝电感，以及C＝电路的电容从此公式可以看出本发明实施例的相关优点；即，选择最低频率或最长波长的分形，实际上相当于选择电弧特征中沿被监测电路行进的多个不同分形中“寿命最长的幸存者”。到目前为止，我们可以说上述被监测电路自身起到了电弧检测监测器的低通滤波器的作用。因此，本发明的多种实施例均允许在距离电路中出现电弧的位置相当远的位置上进行电弧监测，这对于实际应用意义重大，这是因为由此便可以监测更大规模的电路，同时也可以方便地为多个不同的电路提供中央电弧检测监测站。
无论如何，相对于较高的电弧特征频率，在较低的电弧特征频率上，电弧信号沿被监测电路的可能行程均要长一些。
还可以看出，在较低的电弧特征频率上，由相邻被监测电路中的互感所引起的误报警的概率将是最低，这与由上述公式(1)到(3)中所表明的现有技术结论恰恰相反(其中公式(2)中，分母中的频率因子“f”将与分子中的“f”彼此抵消)。
然而，如果考虑某种可能的辐射效应，现有技术结论的错误性将显而易见。在此方面，众所周知λ/2和λ/4天线可以构成性能极好的Hertzian和Marconi型的电磁辐射器。在很多电话交换机、供电局及其它设施中的布线，为了检测现有技术所选用射频范围内的电弧，经常需要用到此类天线。即使上述设施中某些布线的长度尚不足以构成四分之一波长天线，则由于电路中的某些电抗能够提供集总阻抗类型的调谐或“负载”，而可以使相对更短的导体也能够变为有效的辐射器。
其结果是，会使相邻电路之间产生捡拾电磁电弧特征，从而引发误报警，除非根据本发明的某个方面，当所捡拾的用于监测的电弧特征片断(segment)为超低频(VLF)才能避免出现上述情况。
因此，根据本发明多种实施例，与具有高频的电弧特征相比，低频分形由于相邻电路之间的交叉感应所产生的假信号要少得多。因此，与高频电弧特征相比，低频分形能够更有效地避免出现由于相邻电路中的互感所引起的误报警。
因此，本发明的各实施例不仅允许在距离被监测电路中电弧出现位置相当远的位置上进行电弧监测，而且还能够有效地避免在相邻被监测电路中出现误报警。
因此，根据本发明的一种相关实施例，电弧是从电弧特征中低于30kHz的分形子集中检出的。根据最新IEEE电气与电子术语标准词典，第5版(电气与电子工程师协会，1993)，30kHz是超低频(VLF)的上界。
本发明的当前优选实施例其中能够检测出电弧的分形子集的选择范围限制在ELF(极低频)频带内，根据IEEE标准词典的定义，即从3Hz到3kHz。
本发明的另一种实施例将受监测分形限制为低于IEEE标准词典中所定义的200Hz到3500Hz的语音频带(vf)的电弧特征频率。
根据此思想，本发明的再一种实施例将受监测分形子集限制为低于交流供电系统中标准线频率的第一谐波的电弧特征频率。
本发明的一种实施例甚至是从数量级与交流供电系统中的标准线频率相当的频带中选择受监测的电弧特征分形。
根据本发明的一种相关方面，一种用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的装置，该装置包括一个电滤波器，其具有一个与电弧耦连的输入端，并具有与电弧特征中具有沿被监测电路有相对较长行程的特征的分形子集相对应的通频带，以及用于电弧特征中该分形子集的输出。上述装置还包括一个无序宽带信号检测器，该检测器的输入端用于输入耦连到上述电滤波器的输出上的电弧特征分形子集。
根据其另一个方面，本发明目的在于提供一种用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的方法。根据本发明的此方面，具体地说，其改进之处包括，沿两条彼此异相的路径对电弧特征的各部分进行处理，并根据电弧特征的这些异相部分来对电弧进行监测。
根据其一个相关方面，本发明目的在于提供用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的装置。根据本发明的此方面，具体地说，其改进之处包括，一个电滤波器，其输入与电弧相耦连、同时共通频带与电弧特征各部分相对应，且其输出用于输出电弧特征的各部分，一个反相放大器，具有与该电滤波器输出相连的输入端和一个放大器输出端，一个同相放大器，该同相放大器具有与电滤波器输出相连的输入端和一个放大器输出端，以及一个无序宽带信号检测器，其具有一个同时与反相和同相放大器的输出相耦连的检测器输入端。
根据其另一方面，本发明的目的在于提供一种用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的方法，具体地说，在于下列改进之处，其包括，将电弧特征处理成具有表征了电弧的调制量(modulation)的调制载波，以及通过监测调制载波的调制量来监测电弧。
根据其一个相关方面，本发明目的在于提供用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的装置，具体地说，其目的在于提供一种改进型装置，其包括一个具有电弧特征输入和载波调制量输出的调制载波检测器。
根据与上面类似的一个方面，本发明目的在于提供用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的装置，具体地说，本发明目的在于提供一种改进型装置，其中包括一个具有多个电弧特征输入和一个组合载波调制量输出的组合式调制载波检测器。
本发明的多个方面及其目的将从接下来结合附图中所示的多种实例而对其多种优选实施例进行的详细说明中变得显而易见，其中附图构成了本说明书的一部分，且其中类似的图注表示相同或等效的部分，其中

图1所示为按照波长所绘制的电弧特征频谱极坐标图，以及根据本发明一实施例所选择的用于进行电弧监测的分形子集；图2所示为根据本发明一实施例的电弧监测系统的方框图；图3所示为根据本发明优选实施例的增益与频率的关系曲线图；图4所示为根据本发明一实施例可被用于图2所示系统或其它系统中的、用于电弧监测的电路的电路简图；图5所示为根据本发明一实施例可被用在图2所示系统或其它系统中的、用于电弧监测的另一电路的电路简图；图6所示为根据本发明一实施例可被用在图2所示系统或其它系统中的、用于电弧监测的再一电路的电路简图；图7所示为根据本发明的再一实施例，可被用于图2，4，5和6所示系统中多个处理阶段中，用于指示可能的或实际电弧放电的光学指示器的电路图。
附图1是受伯尔尼公约及所有相应国家法律保护的原创作品，其版权所有者一总部位于美国加州Goleta的Hendry Mechanical Works(亨德里机械工厂)，在此同意由世界知识产权组织以及全世界范围的专利代理机构对此图进行印刷或出版。
附图例示了本发明的一些基本模式和分别用于实施其某个方面的多种优选实施例。由于分形几何既是一种视觉艺术，也是一种数学形式，因此我们可以利用图1所示的对数螺线来描述本发明的工作。这也是本发明的一个较为新颖的方面，而在此之前通常是利用笛卡尔坐标系并按照频率来绘制电弧特征频谱的。由于电弧特征的频率在很大程度上与其所传输的介质没有关系，而同时电弧特征的波长则与其所传输的介质有较为直接的关系，因此按照频率来研究和绘图似乎更为合理。
长期以来，现有技术的着眼点一直集中在如何将电弧特征直观地表示为具有分形本质的对数现象，因此困难重重，而如果根据本发明当前所讨论的方面，按照波长而不再是频率来研究和绘图，则我们将很容易的进行直观地讨论和用图形表达，从而更有利于进行研究开发。
根据此种思想，根据图1所示的极坐标示意图可得如下的基本公式r＝exp(qλw)其中r＝半径q＝大于1的生长因子，以及λw＝由其在诸如所述电路导线等特定介质中的波长所决定的极角。
图1所示的极坐标图也可以表示出现在无数自然物体中的对数生长螺线，其中包括在泥盆纪中地球上所出现的、并在三亿八千万年前从中产生出藻类和第一株陆生植物的所出现的鹦鹉螺。其在二亿六千万年前的石炭纪其又进一步进化为具有十分明显的分形结构的蕨类植物，其中每片树叶是其枝干结构的缩影，而其中每个枝干又是蕨类植物或灌木的复制(replica)。鹦鹉螺在六千五百万年前白垩纪的末期灭绝，但蕨类植物却一直与其它各种具有分形结构的自然物体一直存活到现在。
幸运的是，前辈数学家Jacob Bernoulli在1705年之前所居住的地方，在千百万年之前曾经是茫茫大海，其无疑对该学科的产生有着不可或缺的作用。这是因为在该区域有着丰富的鹦鹉螺化石，以及丰富的其它生物的化石。
Bernoulli是如此着迷于对数螺线，以致于其名为“完美螺线”的著名研究著作也是以其作为研究内容。其中的一条令人惊奇的属性是对数螺线是完美的分形，因为无论其如何变化，均能保持相同的属性。对于放大和缩小，其相应的变化只是转动角位移，由此其形状将不受影响。对数螺线的这条和其它的已知属性表明其是真正的分形现象，而如果以极坐标方式并按照波长来看，如图1所示，可以看出电弧特征也具有类似的性质。
另外，鹦鹉螺贝壳还具有一种其中由隔片(一系列彼此隔开的平板)分成多个内腔的结构，其中在贝壳中心处的间隔最小，而沿着贝壳螺“增长”的方向，间隔将以对数方式不断增大。因此，相邻隔片之间各内腔的大小将随着螺旋线的“增长”以对数方式不断增大。
与鹦鹉螺贝壳内腔类似，在电弧特征或频谱10中，就波长来说，如图所示，波长或频率13之间的频率或波长间隔12的大小也将以对数方式增大。
电弧辐射的核心被标注为极点处的＜μ，其表示小于1微米的波长；即，表示由电弧所发出的普通可见光。在下一螺线圈，则标注有符号＞μ，其表示电弧适用于电焊、冶炼炉和内燃机点火器、以及反之也会由此引起爆炸或火灾的红外辐射和微波段。
此后，图1表示按照频率来划分时，电磁弧特征其它各个具体的分段，其中包括如下的频带GHz＝千兆赫MHz＝现有技术中已对其进行电弧特征检测，且其中“充满”来自于电视广播的外来信号和无线电信号的兆赫频段，100kHz＝现有技术已对其进行了彻底的电弧特征检测，且其中充满了无线电广播信号的100千赫频段，30kHz＝现有技术中用于电弧检测的下界，VLF＝由上述IEEE词典所定义的从3kHz到30kHz的“超低频”频段。
ELF＝由IEEE词典所定义的从3Hz到3kHz的“极低频”频段，vf＝由IEEE词典所定义的从200Hz到3500Hz范围内的“音频”，以及lf＝“供电频率”，即欧洲系统的50Hz，美国系统的60Hz。
当然，我们无法用一目了然的示意图来表示电弧的无序本质。但图1至少可以被看作电弧特征在某一瞬时的图示。尽管如此，从图1中仍然可以看出所示电弧特征的对数分形子集具有明显的统计自相似性。
通过总结鹦鹉螺的互似性，我们可以看出，仅生长螺旋线10的演变过程与电弧频谱的对数特性很类似，而且其长度随波长以对数方式增大的频率间隔12与由上述鹦鹉螺贝壳的隔片所形成的内腔也有着十分类似的对应关系。就电弧特征来说，上述隔片对应于代表了特定频率的径线13，从而使得这些频率点之间的间隔12，按照波长增大或频率减小的方向沿电弧特征成对数分布。
图1还示出了电弧特征幅值与频率倒数或1/f的相关性。如图1所示，幅值随波长增大到值amax。从此方面也可以看出电弧的分形特性。
而针对1/f噪声的问题，Dres.rer.nat.Heinz-Otto Peitgen和DietmarSaupe，在其名为“the Science of Fractal Images”(分形图形的科学)的著作(Springer-Verlag，纽约，1988)，第39到44页中已经指出，我们无法利用简单的数学模型来产生此类噪声，除了对时间常数的具体分布进行重复假设。
这与白噪声和布郎运动均有很大的差别。在此方面，他们给出了几乎所有音乐旋律均酷似1/f噪声的结论。原文如下“音乐与我们世界随时间演化的特征方式十分相象”。实际上，具有无数多种主旋律变化的音乐作品中“充满”了分形。
Dres.Peitgen和Saupe还指出音乐和1/f噪声均介于纯随机性与可预知性之间。甚至是最小的一段(phrase)也可以反映整个整体。对于电弧特征同样如此，而下文中将把上述最小段简称为“分形子集”。
与音乐中的主旋律相同，这些分形子集可以具有可以将整体看作是其有限次分形重复的特点，详见下文。
如图1所示，本发明的一个优选实施例从低于电弧特征频率的宽带范围30kHz的分形子集中检测电弧。其中包括上述VLF(超低频)以及低于此频段的频率。
具体地说，本发明的一个实施例限于在ELF(极低频)频段中选择用于从中检测电弧或对电弧进行监测的分形子集，其中根据最新IEEE电气和电子术语标准词典，第5版(电气和电子工程师协会，1993)的定义，ELF表示从3Hz到30kHz的频率范围。
本发明的另一个实施例则将受监测分形子集限于低于IEEE标准词典中所定义的200Hz到3500Hz的音频频段内的电弧特征频率。根据此思想，本发明的另一实施例将受监测分形子集限制在低于交流供电系统中的标准线频率的第一谐波的电弧特征频率。而本发明的一个实施例则甚至是从其数量级与交流供电系统中的标准线频率(1f)相当的频带中来选择受监测电弧特征分形子集的。
以此方式，在给定条件下，本发明的各实施例均可以选出能够得到最佳总体性能的分形，从而总能达到最大电弧特征幅值amax而实现最优信噪比；在此情况中，信号是电弧的1/f噪声，并被标注为λw噪声。另一方面，“信噪比”中所谓的噪声包含有诸如由电弧监测系统的各种电路所产生的白噪声和布朗运动，以及可能会造成误报警或错误读数的外来信号。
当然，根据应用场合的不同，除了达到amax之外，其还可能会有其它的指标，但如图1所示，根据本发明从生长螺旋线10大部分外圈的多个频率分形上所选出的电弧特征幅值，均明显比现有技术更为优越。
根据本发明的实施例，在电弧特征的交叉感应可能会引起问题的场合，从电弧特征中选择能够产生amax幅值或其它相当幅值的分形具有另外的优点。举例来说，当利用多个对应电弧检测器来对多个电路进行电弧监测，同时假设其中一个电路中出现了电弧且与其相关的电弧检测器对此作出回应时，这样选择分形将十分有利。
根据在公式(1)到(4)之后的说明，通过选择具有较高幅值(即长波长或低频)分形子集来进行电弧监测处理，本发明的一个优选实施例将能够使现有技术中由于相邻独立被监测电路之间的交叉感应而产生误报警的危险减小到最小。
图2所示为其中出现有电弧22的电路21的导体20的示意图。
作为实例，电路21可以是电话交换机的一部分或者也可能是其它多种电路或负载之一，其中包括下列实例在内燃机的研制、开发和维护过程中，如何能够在每个气缸中均建立及保持最优状态的电火花至关重要。因此十分需要有一种可靠的电火花监测系统，尽管这种系统不能说是内燃机前沿技术中不可或缺的。
根据类似的思想，电气焊接的自动化程度变得越来越高，而焊接电弧或电火花的可靠监测将十分有助于其研制、开发，及生产线的质量控制，同时可以进一步确保电焊焊接的自动化。另外，许多现代的“电点焊处理”均依赖于如何更好地将电能直接加到与其相接触的工件上，而同时不受电弧的干扰。实际上，在焦耳效应焊接处理中，诸如由于工件之间接触不良而产生的电弧，将会严重降低焊接的质量。因此，电路21上的负载可能会是，例如一台机器人或其它的点焊设备。在此情况下，点焊监测器将能够监督点焊处理的进程，同时能够在其间由于出现电弧放电而使焊接品质降低时，发出相应的通知信号。即，在焊接品质下降时，将相应地发出信号以通知操作人员采取相应的补救措施，诸如在焊接之前进行更好地清洁处理，或者在焊接过程中为了使接触更为紧密而将工件压得更紧。
另外，可靠的电弧监测系统对原始电弧灯的现代形式，如水银或钠蒸汽灯的研制、开发及高品质维护也十分有利，对于冶金炉和其它熔炉也是如此。
类似地，电弧和电火花监测系统对于检测以及(必要时)排除其中由于过多打火或电弧放电而产生无线电干扰的电路和设备中的故障也十分有用。
而作为另外的实例，某些煤气加热用具中也安装有利用电火花来进行工作的气态燃料点火器。在此情况下，知道是否产生了用于点火所需的电火花将十分重要，特别是在恒温器远离加热单元情况下。另外，电火花监测器还能够在系统出现崩溃以及其它修复费用高昂的故障之前，指示用户需要更换点火器了。
另外，在离子发生器中也将用到电弧。在卫星推进器，以及诸如用于将卫星稳定在地球同步轨道上或用于推进卫星和探测飞船前进的其它外层空间推进系统中，诸如“氨气电弧型”或其它类型的离子发生器正得到越来越广泛的应用。在此情况下，电弧监测器对于此类离子发生器的研制、开发，维护和操作均十分有用。
另外，对于在其操作中能够产生正常电火花的机械、电路或设备也要进行监测，以检测是否会有有害的电弧放电发生。其中一个例子是，当其碳刷被用坏时，由于不停旋转的换向器与金属质地的碳刷夹具弹簧之间不断地摩擦，而此类摩擦常伴随有过强的电弧放电，所以电动机换向器也经常被损坏。因此如果在早期便能够检测出与正常的换向器打火截然不同的此类过强电弧放电，将能够提早提醒人们需要采取防范措施，从而能够防止设备出现崩溃以及其它严重的损坏。在用于通过正常操作来产生电火花和电弧、但在出现故障或过度磨损时却易于受到过度放电的影响的继电器和电流接触器中，也可以采用同类系统。
类似地，作为比汽油或柴油驱动汽车更为环保的电动汽车的再度出现，使得可靠电弧监测变得愈加重要了。具体地说，此类电动车辆均装配有通常隔夜便必须重新充电、而在充电过程中可能会产生可燃气体如氧气和氢气的大容量蓄电池。因此，如果能够监测电弧放电的环境中是否有可燃气体，并在检测到有电弧放电时能够立即停止充电并发出报警信号，将能够防止出现灾难性的后果。
在所有这些情况中，本发明均将选择电弧22的特征(signature)的一个分形子集16，以用于进行电弧检测。在选择分形子集的过程中，本发明主要是根据电弧特征沿被监测电路20应具有相对较长行程(电弧22与拾取器23之间的距离)，同时应使在包括被监测电路20在内的相邻电路之间的交叉感应很低的标准，来从电弧特征中进行选择的。
根据本发明的优选实施例，其是在低于30kHz的低频段中来选择电弧特征的分形子集的。与高频段相比，其中电弧特征幅值较高，沿导线(20)的电弧特征行程较长，且独立受监测的相邻电路(21，30)之间的交叉感应较低。
本发明随后在电弧特征的分形子集16中检测电弧22。本发明的一种优选实施例在电弧特征中低于30kHz(诸如被定义为从3Hz到3kHz的极低频ELF频段，或甚至是被定义为从200Hz到3500Hz的音频段vf中)的分形子集中检测电弧22。
图3所示为以对数刻度所例示的、频带15中标为16处的电弧特征分形子集的示意图。在实际应用中，选择此类低频分形子集16可以避免出现由于多种原因(诸如其中出现有电弧22的电路20与其它任何当前并未出现电弧的相邻独立被监测电路30等之间的交叉感应，或者相反地，任何其中出现有电弧并由另一监测电路19所监测的相邻电路与当时并未出现电弧的电路20之间的交叉感应)所引起的误报警。
选择此类低频分形子集16还将能够允许在与高频带所能达到的距离相比，沿导线20更远的位置上来检测电弧22。根据在最低误报警概率情况下达到最高信噪比时电弧的上述1/f或λw特性，选用此类低频带还将能够产生用于检测处理的具有较高幅值的输入信号。
通过选用数量级与公共交流供电系统中的标准线频率相当的较窄频带15，可以几乎完全消除对电话交换机中的开关瞬态信号、对多路复用音频信号，以及对交流电信号中的谐波的敏感性，而同时与高频检测系统相比，电弧22与拾取器23之间的允许行程距离也可以被加倍。优选地，根据该实施例，所选用的较窄频带低于标准线频率的一阶谐波。
根据图3所示的实施例，所选用的电弧特征分形子集可以是低于线频率(诸如低于欧洲系统的50Hz或美国系统的60Hz)的滤波器频带15。
因此，可以说根据本发明优选实施例的电弧监测主要着重于电弧特征频谱的低频段。
电弧特征分形子集16或从中进行电弧22检测的频带15，覆盖了电弧22的宽带范围频率一个对数十(logarithmic decade)的至少4分之一。
这样便克服了在上述WO 90/04278中所公开的现有技术方法中，由于仅仅将检测频段限制为大致以170kHz为中心，宽度大致为20kHz的频带所造成的缺陷。然而，考虑到170kHz区域中的20kHz范围只包含有将“电弧”与其它信号显著区分开的特定对数十很小的一段，因此其只保留该特定对数十中可用于检测的电弧特征信息中很小比例的一部分信息。
而对于上述后续申请中所公开的其中利用由多个带通滤波器组件构成梳状滤波器的电弧监测技术，其情况也不是很好。除了第一带通滤波器组件之外其它所有的带通滤波器组件的中心频率实际上均属于覆盖了从100kHz到比1MHz小1赫兹的频段的第五个对数十。由于所有这些组件均具有50kHz的带宽，所以其均只能通过用于检测与其它错误信号或所捡拾外来信号截然不同的电弧的特定对数十中很小百分比的电弧特征信息。而由于其是以旋转方式在梳状滤波器配置的各组件中进行检测的，使得现有技术方法甚至不能最充分地利用在55kHz区域中的最低频率分量来进行检测。
作为实例，本发明可以利用图2所示的电路来进行实践。在该电路中，将利用电滤波器25来检测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧22，该电滤波器具有与电弧相耦连的输入端28，并具有与电弧特征的分形子集16(其特征为沿被监测电路具有相对较长的行程，且相邻电路之间交叉感应较低)相对应的通频带，以及用于输出电弧特征的该分形子集的输出27。如图2的另一部分所示，可以在该电滤波器的输出上耦连一个无序宽带信号检测器，其具有用于输入电弧特征的分形子集16的检测器输入端。
电弧特征拾取器23可以是常规的类型，诸如端接于阻抗24上的箝位电流转换器，阻抗24则可以是诸如利用两个背靠背接在一起而其中一侧接地的高速二极管和串联的限流电阻构成的、用于对大输入瞬态信号进行削波处理的典型的常规峰-峰限幅器。
拾取器或变压器23可以例如被缠绕成使其在最小插入损耗的情况下对25Hz到50Hz范围内的频率敏感。可以将此类变压器23夹到(clamp around)所要监测的导线20上。霍尔效应传感器则是在本发明的实践中所可以采用的另一种电弧信号拾取器，当然也可以使用其它的有线型或无线型传感器。对于另外的被监测电路30等，也可以配备此类或其它类似的拾取器123及监测电路19。
所拾取的电弧特征信号或分形子集16滤波通过具有与电弧特征拾取器13相连的输入端26的低通滤波器25。在此实施例的原型中，此滤波器的配置是两个级联在一起的3阶巴特沃斯(Butterworth)滤波器；但其同样也可以选用本发明范围内的其它配置和其它种类的滤波器。
图3中增益与频率之间的关系曲线所示为此类滤波器的典型响应特性，可以看出，其在所选用的较窄频带15上的衰减很小。
在本发明的范围内，通频带15可以覆盖诸如从10Hz到100Hz的整个对数十。根据本发明的一种实施例，受监测电弧特征的分形子集16或通频带15覆盖电弧22的宽带范围频率的频段不会超过一个对数十，这是由于从D.C.(直流)到10Hz的十进位是常规的十进位而不是对数十的缘故。
如图3所示，滤波器在通频带15内的响应特性41的上段只占该对数十(10Hz～100Hz)的大约一半。很明显，利用本发明的所示实施例可以提供可靠的电弧检测。随着环境的不同，电弧特征的分形子集16甚至可以比图3所示的还要小，但为了既能进行可靠地电弧检测，同时又能避免出现误报警，其应该覆盖宽带范围频率的对数十的至少1/4。
原则上，可以将本说明书所公开的本发明的各方面应用于除了其优选的ELF(极低频)频带之外的其它频带，实际上本申请人不仅设计了如图2所示的用于ELF频带的电路，同时也设计了用于诸如工作于几千赫，以及10到20千赫区域中的电路。
根据一优选实施例，其所选用的是这样的一种较窄频带15或分形子集16，即与电弧特征的宽带范围频率内除其之外的其它频带相比，其中所含有的外来信号相对要少许多。图3中的实施例例示了电话交换机中其中没有明显的开关瞬态信号、多路复用的音频信号、交流供电频率的谐波，来自控制或安全系统的信号以及无线电广播信号的较窄频带15，其大致覆盖从大约10Hz到略低于50Hz的频段。然而，并不是本发明所有的实施例均将其操作限制在极低频的频段内的。
参照图2，滤波器25的输出27被用于进行非线性处理，由此在下文中将简称其为非线性处理器42。作为实例，此类非线性处理器可以包括一个也可被称作“调制载波检测器”的解调器，其用于对经过滤波器25处理的、其中包含有所拾取的其幅值和频率均作无序变化的电弧特征片断的信号进行解调处理。本发明的此方面及其它方面，均将电弧特征的分形子集处理为具有代表了电弧22的调制量的调制载波，并通过监测所述调制载波上的一种或多种调制量来对电弧进行监测。
用于监测被监测电路中其电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧的装置包括，诸如象非线性处理器42中那样的、具有一个电弧特征输入27和载波调制输出43的解调器或调制载波检测器。
作为实例，可以将电弧特征的分形子集处理为调幅载波，并通过监测此类调幅载波的调制量(比如通过恢复此类调幅载波上的调制量，并根据所恢复调制量检测幅值)来监测电弧。
因此，非线性处理器42可以是一种对应于从27输入的无序时变幅值在43处产生与所述无序时变幅值成函数关系的AC信号的AM检测器或解调器。而另一方面，由电路23到27所错误拾取的稳定信号则不会产生上述AC信号。因此，非线性处理器42是将所拾取的电弧特征与来自于无线电或电视广播、无线电频率安全系统或除电弧之外的其它信号源的信号区分开来的第一级处理装置。
非线性处理器42随后将所拾取的电弧特征处理为调幅或AM载波，并可以通过监测上述受监测载波的调制量或幅值来检测电弧22。至少在进行AM检测时，此类“调制量”仍将含有其“载波”。利用诸如与非线性处理器或AM检测器42的输出43相连的带通滤波器，可以从其调制量中除去载波。作为实例，带通滤波器44可以包括一个3阶巴特沃斯滤波器，或其它具有类似响应特性的滤波器。此类滤波器的优选响应特性大体上可以与图3所示的响应特性41类似，而其增益在必要的时候则可以根据需要进行调节。作为实例，滤波器44可以滤波通过频率低于20或30Hz的交流信号，而滤除掉该电路中截止到该时刻所可能产生及出现的尖峰脉冲信号及其它快速(高频)信号。
而在带通滤波器44的输出45上则将出现表示“电弧”的复原调制量。
根据本发明此方面的实施例，在监测电弧的过程中可以使用具有多个电弧特征输入和一个组合载波调制量输出的组合式调制载波检测器。
在此方面，此类组合式调制载波检测器由相同类型的调制载波检测器构成；例如它们可以同时是AM检测器或FM检测器。图2所示为此种情况的一个例子，其中相同类型的调制载波检测器被串联在一起。
具体地说，带通滤波器44的输出45与第二解调器46相连，第二解调器46例如可以是AM解调器、或用于产生其信号电平与所拾取的电弧特征成函数关系变化的输出47的检测器。
在本发明的范围内，也可以象非线性处理器42那样将相同类型的调制载波检测器并联在一起。
在本发明更广泛的方面内，其应被理解的是也可以采用其它类型或种类的解调技术，比如说目前已经开发出的用于频率调制、相位调制或载波抑制或单边频带调制的技术。
因此，非线性处理器42可以(例如)包括FM解调器，在FM解调器的输出43产生与电弧特征中所出现的相位或频率无序变化相对应的信号。在此方面，该种组合式调制载波检测器可以包括不同类型的调制载波检测器，诸如串联连接在一起的FM检测器和AM检测器。
根据本发明当前所讨论方面的一种实施例，其中电弧特征被处理为同时以第一方式和与之不同的第二方式进行调制的载波，并通过监测以所述第一方式和所述第二方式进行调制的所述载波的第一和第二调制量来监测电弧。
作为实例，上述不同类型的调制载波检测器包括AM检测器和FM检测器，并且所述AM检测器和FM检测器被串联在一起。
作为实例，如图4所示，非线性处理器42可以包括以27作为其公共输入、而其各自输出分别与“逻辑与”元件414相连的并联AM和FM解调器412和413。
只有当AM解调器412对由27处所输入的拾取信号的无序幅值变化作出响应，而同时FM解调器413也对由27处所输入的拾取信号的无序频率变化作出响应时，“逻辑与”元件414才在43处提供输出。
因此，本发明能够进一步防止出现由于诸如AM广播或控制信号和FM广播或控制信号等外来信号而产生的误报警，并且还能够进一步确保只有当拾取信号中同时表现出无序的幅值变化和无序的相位或频率变化时，即表现出电弧特征时，才会断定所检测到的现象是由于电弧所引起的。
优选地，为了提高检测的速度，将在42和46处代替半波整流和检测而进行用全波整流或检测。而由于速度的提高，相应地将允许选择如图3中15所示更低的频带，其中在该频段内信噪比为最大值，而外来信号52则为最小值(尽管图3故意进行了夸大)。换句话说，采用全波整流或检测将能够改善在低检测频率上检测速度过低的问题。由此便实现了上述检测中可高可低的误差影响敏感性，而同时却不会造成检测速度上令人无法接受的延迟。
在48处将对通过46的检测处理并由输出47输出的电弧表征信号进行计时并检测其电平的大小。在47处可以采用常规的RC或其它类型的计时电路，以及常规的比较器电路，以防止电弧检测器对开关瞬态变化、接触抖动、正常换向器电弧放电和其它的瞬态无害电弧作出不必要的响应，具体细节将在下文中参照图6进行说明。因此，报警电路50将只对其持续时间超过了给定危险时间阈值的电弧作出反应。
电路47可以包括一种常规的可复位“锁存”(latching)装置，以用于在出现电弧22且所有检测标准均被满足的情况下进行“锁存”而保持报警状态。在此状态下，可以启动诸如用于提供音响警报，远距离火警，或用于切断受影响电路20中的电源的多种控制电路。由于此类电路十分常见，因此，图中只画了一个方框50，用以表示其中可以采用此类控制和报警电路。
图2所示的实施例很好地避免了由于外来信号所引起的误报警，同时不再需要缩窄所拾取的电弧信号的带宽以使其显著小于其中包含有足够多电弧信息的分形子集。而其所能避免不受影响的外来信号包括例如，电视信号，各种控制信号，谐波或与无序电弧信号相比带宽相对要窄的其它信号。
对于某些外来信号，诸如那些本身也具有无序本质的信号，为了避免其与同样具有无序本质的电弧特征相混淆，将不得不对其进行共模抑制或其它处理。而当拾取信号与其自身差频作用时，例如在本发明的下列实施例的使用场合中，将可以很好地抑制外来信号。
在此方面，根据本发明多种实施例的“提纯处理”(refinement)将从电弧22中得出频带15内的分形电弧特征子集16，并将该分形电弧特征子集16转化为与该分形子集或频带15截然不同的频带18内的电弧信号17，如图3所示，并在该电弧信号17内检测代表了电弧的无序宽带特征。本发明的一种优选实施例中，先对分形子集16进行频率变换，如图3中的17所示，而随后再从频率变换后的分形子集中检测电弧22。作为一个实例(但不是限制)，可以将分形子集16加到其自身上，并可以以与图3和图5所示相同的方式，在自相加所得分形子集中检测电弧22。
具体地说，图5所示电路中的组件142可以防止在所监测频带内出现的外来信号对电弧检测处理造成不良的影响。根据该种技术，可以在从该分形中检测电弧之前，相对于该分形的其余部分，将受监测电弧特征分形子集16中的窄带外来信号的能量减小。此种元件可以是频率转换器142，其具有转换器输入127和227，用于输入耦连到电滤波器电路25的输出27上的电弧特征分形子集16，以及转换器输出43，用于输出与滤波器电路25的频带15不同的频带18中的电弧特征分段17。利用诸如无序宽带信号检测器等类型的装置，便可以在转换后的电弧信号17中检测电弧了。
作为一个实例(但不作为限制)，图2和图5中的输入端和输出端26和45可以彼此相同，由此图5中其它部分电路也可以与上文中已详细说明的图2中的对应部分的电路相同。
如图所示的本发明的该种实施例甚至可以改善低频段上检测速度较慢的固有问题。具体地说，通过将所选中的电弧信号分形子集16从低频段15转化为如图3所示的高频段18或频率更高的频段，本发明的当前所讨论的实施例可以实现与较高频段相应的检测速度，其中与高于频带15的频带相比，低频带15中外来信号较少，同时电路之间的交叉耦连较低，且拾取电弧的实际行程距离相对要长。同时，如图所示的本发明的优选实施例，不但可以实现与高频段18相关的较高的检测速度，同时还可以实现与低频带15相关的使电路之间的交叉耦连较低、以及沿受影响线路20有较长的可能行程距离。因此在距离电弧相当远的距离上便可以检测线路20中所出现的电弧22，而对于其中独立配备有电弧拾取器123和电弧监测电路19(对应于图2，4，5或6所示的电路)的、且当时并未出现电弧的相邻线路，则不会发出警报。
如上所述，可以将滤波器电路25的通频带定位于其中与所述频段其余部分相比外来信号要少许多的位置上。上述通频带可以位于ELF(极低频)频段内，或甚至还可能低于vf(音频)频段，或者是低于交流供电系统中的标准线频率的第一谐波，或甚至其数量级可以相对于交流供电系统的标准线频率，以及/或者覆盖了电弧的宽带范围频率的一个对数十的至少1/4，以使其能够提供充分信息用于从该对数十中可靠地检测出电弧信号。
图5所示的频率转换器142可以由图2所示的非线性处理器42构成。作为实例，组件142可以包括其第一和第二输入127和227分别与单条导线27相连的，用于接收滤波所得的拾取电弧信号的乘法器。其具有将信号与其自身进行混合，并在其输出43生成和频或差频的功能。作为实例，组件142可以是一个AD633型的四象限乘法器。然而，在本发明的范围内，也可以使用一个二极管或非线性电路来对所选择的分形子集16和其自身进行交互调制处理。
作为实例，如图5所示，在混频器142中，诸如利用其低端位于高频带18内的后续滤波器，可以将电弧信号分形子集16加到其自身上，以使该分形子集的频带15加倍为电弧信号17的不同频带18(可以略被截短)。该滤波器可以与图2所示电路中的上述滤波器44类似，但可以具有比如图3中的曲线51所示略窄的带通特性。
而就装置而言，频率转换器，诸如组件142，具有两个转换器输入(如127和227)，用于输入耦连到电滤波器电路25的输出27上的电弧信号分形子集16，同时具有转换器输出43，用于输出在两倍于电弧特征分形子集的频带15或者是高于其的频带18中的电弧特征信号。
组件142将有效地“去除”规则的、人为的、非无序的信号，如若不然，则可能会产生误报警。乘法器或类似的分级处理装置142并不只是简单地将输入信号的频率加倍。其还将其中一个输入127上所出现的所有频率与另一个输入227上所出现的所有频率进行差频处理。这样将使输出能够显示将其一个输入的所有频率加上或减去另一输入的所有频率而得的累计值。由于两个输入均包含有连续的频率，所以其结果可能会比各输入所分别包含的频率还要高或低一些。由于人为信号通常是离散的单频，或者在最差情况下也只散布在很窄的频段内，所以此类信号的频谱宽度并不大到足以使其在输出43中占主导地位。此类的人为信号与频率范围宽得多的其它噪声或电弧特征连续频率区相比，只能形成很窄的信号源，由此其在输出中的分量将很微弱。
以此方式，与经过限制器24或滤波器电路处理后的任何离散或合成信号分量的强度相比，来自电弧的连续频谱的相对强度将能够得到提高。这也便是本实施例能够滤除那些会产生误报警的信号的根本原因所在。然而，如果所输入的载波有振荡而不稳定，则即使其中没有噪声，在其强度充分大的情况下，其也可能被误识别为电弧，这是因为尽管系统对于无序噪声的相对敏感性要大于对调制载波的敏感性，但如果后者的强度充分大，则其将仍能够到达输出，并由此会产生可能会被误识别为电弧的电平输出。
因此，转换器或乘法器142的输出将被馈送到带通滤波器144的输入端上，其响应特性可以如图3中的曲线51所示。而其中利用例如运放型带通滤波器、石英滤波器、LC谐振式滤波器，以及其它具有此类功能的电路，便可以实现如图3中的曲线51所示类型的响应特性。
正如可以从图中看出的，特性曲线51对由低通滤波器25所滤波通过的任何基频(诸如频带15中的频率)表现出最小的响应，而在本发明所给出的例子中，则只响应其总和或其它调制产物落在经过频率转换的电弧特征信号17的通频带范围18内的拾取电弧特征分形子集16。
带通滤波器144将只滤波通过其通频带任一侧几赫兹或几十赫兹，例如80赫兹内的频率分量。这样将可以把乘法器142输出的高频采样传送给下一级的处理装置46。因为通频带高于50Hz或第一滤波器25其它所选用的截止频率，因此此级处理装置144将只通过那些在混频处理中其频率已得到提高(高于上述截止频率)的信号。这样将有效地防止非无序信号通过此级处理装置。
原则上，如果输入127和227上均没有直流信号，乘法器或处理装置142不应通过任何原始的输入频率(例如，低于50Hz的信号)。然而，此假设在实际应用中并不总能成立。因此，使用更高频率的带通滤波器144可以更有效地滤除未经处理的或未混频的原始频率信号。
如果在本发明的范围内选用了更高的频带，例如10kHz到20kHz之间频带中来进行频率检测，则可以另外将带通中心频率选在用于检测乘法器142的输出43中的不同分量的稍低频率(即500Hz)上。这样作将允许该电路中所采用的不同滤波器，如滤波器25和144的响应中的具有更宽的幅值差。
无论在上述哪一种情况中，在142处所进行的频率转换或互调处理，通过共模抑制或类似信号抑制处理，均能够显著地减小电弧特征分段16中所拾取外来信号的能量。
乘法器142的输出43代表了拾取信号与滤波所得电弧信号分形子集16之间的无序频率和值或差值信号。
在本发明所述及的范围内，组件142还可以包括上述AM或FM检测器，或如图4所示组合在一起的AM和FM检测器412和413。在此类情况中，为了进行电弧监测，将利用一个或多个检测器来检测如图中17所示的经转换电弧特征中的幅值和/或频率或其它的调制量。
图6所示为本发明的另一种实施例，其中通过将反相放大器242与同相放大器342配对使用，可以有效地对外来信号的能量进行共模抑制或其它类似的信号抑制处理。作为实例，反相放大器242的输入端327与带通滤波器25的输出27相连，而同相放大器342的输入端427则也同通过其来对所拾取的电弧信号进行处理的上述带通滤波器25的输出27相连。
反相放大器242的输出421与混频器442相连，而同相放大器342的输出422则也与该混频器442相连。
图6所示实施例中的电滤波器25可以与图2到图5所示实施例中的电滤波器25相同。同时也可以将一个滤波器分为两个分别用于反相放大器242的第一滤波器和用于同相放大器342的第二滤波器。在图4所示的实施例中，也可以按照类似的方式来“分解”(split)滤波器25，以提供从输入端26到检测器412和413或乘法器或频率转换器输入127和227的分别的滤波器通路。
作为实例，混频器442可以由常规的元件构成，诸如输入端421和422与上述输出端43之间的两个彼此连成“逻辑或”元件结构的二极管。然而，在该实施例的范围内，组件442可以包括一个诸如上述调制器142等类型的调制器。在此方面以及总的来说，图6所示27处被滤波后的电弧特征部分或片段与端子43之间的电路，可以对应于图2所示的非线性处理器42。在244处可以对此类处理器42或242，342或442在43处的输出进行滤波或进行其它的处理。例如，电路244可以包括与图2和图5所示的上述带通滤波器44、26或144相对应的带通滤波器。另外，图6所示的元件244可以包括标准的IF放大器，诸如市面有售的440Hz IF放大器。
而就方法而言，图6所示实施例对诸如图6中16所示的分形片段，或彼此异相的两条路径327和427中的电弧特征的高频分段进行处理，并在电弧特征的上述异相分段或部分中检测电弧22。
就装置而言，图6所示实施例的第一信号路径327-421中，第一相位处理器(下文中简称为“反相放大器”242)的输入端327与电滤波器的输出27相连，而在第二信号路径427-422中，第二相位处理器(下文中简称为“同相放大器”342)的输入端427也与电滤波器的输出27相连；上述第一和第二相位处理器相位彼此相差180°或至少是彼此相位不同。
在图6所示的实施例中，输出421与422的相位彼此相差的越大，则它们对外部窄带信号52的共模或类似方法的抑制效果就越强。因此，在图2到图5所示的实施例中，均能够在从分形子集中检测出电弧22之前，相对于所述分形子集其余部分，减小上述的或图3所示的在电弧特征的分形子集16或其它分形子集中52处的窄带外来信号的能量。
至少在图3和图5所示的实施例中，将如图3所示先对分形子集16进行频率变换，在频率变换之后再在所述分形子集中检测电弧。作为实例，如上文中参照图5所说明的，分形子集16可以先被交叉调制或也可以加到其自身上，而后再在交叉调制或自相加所得的所述分形子集中检测电弧。图4所示的实施例增加了使用并联的、不同种类检测或解调方法的变化，而图6所示实施例则增加了使用异相处理的变化。
在任一种情况中，均可以将电弧特征部分的分形子集处理成具有代表了任何电弧22的调制量的调制载波，而从为了进一步抑制外来信号而进行调制处理所得的所述调制载波中，可以检测出所述电弧。在图6所示的实施例也可以使用上文中参照图2所公开的解调系统，其接线端47可以与图2中的计时和电平检测和报警电路48-50的输入端47相同。
当然，宽带信号并不一定都是电弧特征，除非其表现出无序的频率变化的特性。因此，如图7所示可以另外配备一个包含有比较器55的处理装置，用于检测及拾取那些其宽带不仅位于所感兴趣的区域、而且也具有与电弧特征相同的无序本质，同时其持续时间至少长达由RC元件58所确定的时间段的干扰或信号。
图7所示为根据本发明的另一实施例的光学指示器的电路图，可被用于图2，4，5和6所示系统的各级处理装置中，用于指示可能或实际电弧放电。
作为实例，利用其原型如图7中54所示的3个类似的功能模块，便可以指示信号在电弧监测电路中的前进过程。
所述电路54包括其反相输入56通过低通滤波器和RC计时元件58与电路输入57相连的、用于防止对短期瞬时信号作出响应的运放55。该运放的反相输入60与比较器电平电阻61和62相连。运放55具有一个反馈电路64，其中可以包括反馈电容或其它的阻抗65和如图7中66所示的单向电流导电装置，以实现诸如减小噪声、杜绝过早或过多切换的目的。作为实例，运放55可以采用LM35BAN类型的运放。
指示器电路54包括由通过多个电阻(包括串联电阻71和72和两个电阻75和76)进行偏置的晶体管71和72来进行切换的发光二极管或LED 68和69。晶体管71和72可以采用，例如2N2222类型的晶体管。
晶体管72通过电阻78与比较器运放55的输出相连。晶体管71则通过串联电阻75和76被偏置为ON(导通)状态。由此将点亮第一LED 68(其例如可以是绿色LED)。相反地，第二LED则可以是红色LED。然而，与此同时第二晶体管72和由其决定状态的红色LED将均被偏置为OFF(截止)状态。
当在图2，4和5所示实施例的非线性处理器42或调制器142或混频器442的输出43中出现了其频率位于受监测分形子集中的信号，并由此出现在与其相连的电路54的输入端57中时，比较器55的输出将变为正值，从而将晶体管72导通，同时将晶体管71截止。这样将点亮红色LED而将绿色LED熄灭，由此向观察者表明，其中出现了其频率处在用于电弧检测的有关频带中的信号，其可能会是某种干扰信号，而并不一定必然表示就是电弧22。可以通过调节电路54的增益来避免在切换状态中出现较尖锐的瞬态信号。通过估量红色和绿色LED颜色的混合程度，可以辅助用户对该信号的幅值产生“定性的感觉”。如果在图2，4，5和6所示的任一电路中使用了图7所示的电路，则其将可以省略不用单向电流导电装置66。
另外，显示电路54的接线端57可以与图2，5或6中的端子45相连，或者也可以将与图7所示完全相同的电路连到端子45上，并由此与带通滤波器或IF放大器44，144或244的输出相连。
因此，上述显示处理装置54将可以通过其红色LED来指示其中出现了其频率处于诸如受监测分形子集中的所关心带宽内的宽带信号；即众所周知的电弧特征判断准则。而通过调节电路54的增益可以使用户通过估量红色和绿色LED颜色的混合程度而获得对当时所拾取宽带信号的“定性感觉”。
然而，宽带信号并不一定就是电弧特征，除非其表现出无序的频率变化的特性。因此，在图2，4，5和6所示的监测电路中，可以将图7所示的电路用作最终的显示端处理装置。例如，电路54的输入端57可以与图2所示的输出端49相连。实际上，可以将图7中从接线端57到运放55的所示电路用作图2所示的上述计时电路58和比较器55。
因此，可以利用电路54来检测和显示干扰或信号的拾取，在干扰或信号中不仅有在所关心区域内的宽带信号，而且还具有与电弧特征相同的无序本质、并且其持续时间也至少长达由RC元件58所确定的时间段。
由于出现了处于所关心范围的宽带频段上且同时其频率作无序变化的干扰或信号，所以电路48中的比较器55和接线端49的输出将变为正值，由此将使晶体管72导通，同时使晶体管71截止。并由此点亮红色LED 69，同时熄灭绿色LED 68，从而可以向观察者表明线路20中出现了电弧22。
图7所示实施例由此可以预先警告人们有可能会出现电弧；而最重要的功能是，优选地在两级或三级处理装置中，显示其中在受监测分形子集的带宽中、或者在参照图2，4，5，6和7所说明的所关心带宽内出现了无序宽带信号。
在包括上述系统在内的多种电弧监测功能部件中，均可以采用本说明书中所公开的原理。而当将其用于如上所述的内燃机或电子点火器，电焊或电气照明领域中的研制、开发和维护时，在包括或不包括图4，5和6所示类型电路的情况下，可以采用一直到端子47处的电路。在所述情况中可以使用图7所示类型的信号显示级处理装置，或更先进的信号显示和评估级处理装置。
上述详细说明可以使本领域的技术人员对本发明有更清楚的理解，同时能够使其意识到，在本发明的精神和范围内，可以对本发明进行多种形式地改进和变化。
权利要求
1.一种用于监测被监测电路中电弧的方法，电弧特征典型为具有无序本质的宽带范围频率，其改进之处包括选择所述电弧特征中特征为沿所述被监测电路具有相对较长的行程、且相邻电路之间的交叉感应相对较低的分形子集；以及根据所述电弧特征的所述分形子集来对所述电弧进行监测。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集是从所述宽带范围频率的一个对数十中选出的。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述分形至少覆盖电弧的所述宽带范围频率的一个对数十的1/4。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集是从低于30kHz的频带中选出的。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集的频率选择范围被限制在ELF(极低频)频带内。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集的频率选择范围被限制为低于vf(音频)的频带。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集是从低于交流供电系统中标准线频率的第一谐波以下选出的。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述分形子集是从其数量级相当于交流供电系统的标准线频率的频带中选出的。
9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中在从所述分形子集中检测所述电弧之前，将相对于所述分形子集其它部分减小所述电弧特征的分形子集中的窄带外来信号的能量。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中对所述分形子集将进行频率变换；以及在所述频率变换之后根据所述分形子集来检测所述电弧。
11.如权利要求10所述的方法，其中对所述分形子集进行自相加处理；以及根据自相加处理所得的分形子集来检测所述电弧。
12.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中将沿彼此异相的两条路径分别对所述分形子集进行处理；以及根据通过沿彼此异相的所述两条路径进行处理所得的分形子集来检测所述电弧。
13.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中所述分形子集被处理成具有调制量的调制载波，该调制量表示所述电弧；以及通过监测所述调制载波的调制量来监测所述电弧。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述分形子集被处理成调幅载波；以及通过监测所述调幅载波的调制量来监测所述电弧。
15.如权利要求14所述的方法，其中通过恢复所述调幅载波的调制量，以及随后通过检测所恢复调制量中的幅值来监测所述电弧。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述分形子集被处理成调频载波；以及通过监测所述调频载波的调制量来监测所述电弧。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述分形子集被处理成同时按照第一方式和与之不同的第二方式进行调制的载波；以及通过监测以所述第一方式和所述第二方式进行调制的所述载波的第一和第二调制量来监测所述电弧。
18.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中包括提供关于可能会出现电弧的预警。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述预警是由多级处理给出的。
20.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中包括显示频率处于所述分形子集带宽内的信号的出现。
21.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中包括显示处于所述分形子集带宽内的宽带信号的出现。
22.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的方法，其中包括显示处于所述分形子集带宽内的无序宽带信号的出现。
23.一种用于监测被监测电路中电弧的方法，该电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率，其改进之处包括沿彼此异相的两条路径来对所述电弧特征的各部分进行处理；以及根据所述电弧特征的所述异相部分来监测所述电弧。
24.一种用于监测被监测电路中电弧的方法，该电弧特征为在宽带范围频率上具有无序特点，其改进之处包括将所述电弧特征处理成具有调制量的调制载波，该调制量代表了所述电弧；以及通过监测所述调制载波的调制量来监测所述电弧。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述电弧特征被处理成调幅载波；以及通过监测所述调幅载波的调制量来监测所述电弧。
26.如权利要求25所述的方法，其中通过恢复所述调幅载波上的调制量，随后再通过从所恢复的调制量中检测出幅值来监测所述电弧。
27.如权利要求24所述的方法，其中所述电弧特征被处理成调频载波；以及通过监测所述调频载波的调制量来监测所述电弧。
28.如权利要求24所述的方法，其中所述电弧特征被处理为同时按照第一方式和与之不同的第二方式进行调制的载波；以及通过监测以所述第一方式和所述第二方式进行调制的所述载波的第一和第二调制量来监测所述电弧。
29.一种用于对被监测电路中的电弧进行监测的装置，其中电弧特征典型为具有无序本质的宽带范围频率，其主要的改进方面包括电滤波器，其输入耦连到所述电弧上，且其通频带与所述电弧特征中特征为沿所述被监测电路具有相对较长行程、同时相邻电路之间的交叉感应相对较低的分形子集相对应，同时具有用于输出电弧特征的所述分形子集的输出；以及无序宽带信号检测器，其具有用于输入与该电滤波器的所述输出相耦连的所述电弧特征的所述分形子集的检测器输入端。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带位于所述宽带范围频率的一个对数十内。
31.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带低于30kHz。
32.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带是与所述宽带范围频率中其余部分相比，其中的外来信号要少许多的频段。
33.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带位于ELF(极低频)频段内。
34.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带低于vf(音频)频段。
35.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带低于交流供电系统中的标准线频率的第一谐波。
36.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带与交流供电系统中的标准线频率的数量级相当。
37.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带覆盖了电弧的所述宽带范围频率的一个对数十的至少1/4。
38.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述通频带覆盖电弧的所述宽带范围频率的频段不超过一个对数十。
39.如权利要求29所述的装置，其特征在于包括反相放大器，其输入与所述电滤波器的所述输出相连，且其放大器输出端与所述检测器输入端相连；和同相放大器，其输入与所述电滤波器的所述输出相连，且其放大器输出端与所述检测器输入端相连；和
40.如权利要求29所述的装置，其特征在于所述无序宽带信号检测器包括耦连到所述电滤波器的所述输出上的调制载波检测器。
41.如权利要求40所述的装置，其特征在于所述调制载波检测器是一个AM检测器。
42.如权利要求40所述的装置，其特征在于所述调制载波检测器是一个FM检测器。
43.如权利要求40所述的装置，其特征在于所述无序宽带检测器包括多个组合在一起的调制载波检测器。
44.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括能量转换器，该转换器输入用于所述分形子集并用于输入耦连到所述电滤波器的输出上的所述电弧特征分段内的窄带外来信号，该转换器输出用于所述电弧特征分段和窄带外来信号，并与所述无序信号检测器相连，该窄带外来信号的能量相对于分形子集减小许多。
45.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括频率转换器，其输入用于耦连到电滤波器电路的所述输出上的所述分形子集，其输出用于在与所述通频带不同的频带中的所述分形子集，并与所述无序宽带信号检测器相连。
46.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括频率转换器，其两个转换器输入用于耦连到电滤波器的所述输出上的所述分形子集，其输出用于将所述分形子集频带加倍作为与所述电弧信号不同的频带所得的频带内的所述分形子集，并与所述无序宽带信号检测器相连。
47.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括调制器，其输入用于耦连到电滤波器的所述输出上的所述分形子集，其输出用于调制载波，并与所述无序宽带信号检测器相连，该调制载波具有代表了电弧的调制量；所述无序宽带信号检测器含有一个调制量检测器。
48.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括调制器，其输入用于耦连到所述电滤波器的输出上的所述分形子集，其输出用于调幅载波，并与所述无序宽带信号检测器相连，该调幅载波具有代表了电弧的调制量；所述无序宽带信号检测器含有一个调幅检测器。
49.如权利要求48所述的装置，其特征在于所述调幅检测器包括一个用于恢复所述调幅载波上的调制量的第一级处理装置，和用于从所恢复的调制量中检测出代表了所述电弧特征的幅值的第二级处理装置。
50.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括耦连到所述电滤波器上的电弧预警指示器。
51.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括耦连到所述无序宽带信号检测器上的电弧预警指示器。
52.如权利要求29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42或43所述的装置，其特征在于包括耦连到所述无序宽带信号检测器上的宽带信号指示器。
53.如权利要求52所述的装置，其特征在于所述指示器是耦连到所述无序宽带信号检测器上的无序宽带信号指示器。
54.一种用于在被监测电路中对电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧进行监测的装置，其特征在于改进之处包括电滤波器，其输入耦连到所述电弧上，且其通频带与所述电弧特征部分相对应，其输出用于电弧特征的所述特征部分；反相放大器，其具有与所述电滤波器的所述输出相连的输入端，并具有一个放大器输出端；同相放大器，其具有与所述电滤波器的所述输出相连的输入端，并具有一个放大器输出端；无序宽带信号检测器，其检测器输入端与所述反相和同相放大器的所述放大器输出端相耦连。
55.一种用于在被监测电路中对电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧进行监测的装置，其特征在于改进之处包括调制载波检测器，其具有一个电弧特征输入和一个载波调制量输出。
56.如权利要求55所述的装置，其特征在于所述调制载波检测器是一种AM检测器。
57.如权利要求55所述的装置，其特征在于所述调制载波检测器是一种FM检测器。
58.一种用于在被监测电路中对电弧特征为具有无序本质的宽带范围频率的电弧进行监测的装置，其特征在于改进之处包括具有多个电弧特征输入和一个组合载波调制量输出的组合式调制载波检测器。
59.如权利要求58所述的装置，其特征在于所述组合式调制载波检测器中所采用的是相同类型的调制载波检测器。
60.如权利要求59所述的装置，其特征在于所述相同类型的调制载波检测器被串联在一起。
61.如权利要求59所述的装置，其特征在于所述相同类型的调制载波检测器被并联在一起。
62.如权利要求58所述的装置，其特征在于所述组合式调制载波检测器包含有多种不同类型的调制载波检测器。
63.如权利要求62所述的装置，其特征在于所述不同类型的调制载波检测器包括AM检测器和FM检测器。
64.如权利要求63所述的装置，其特征在于所述AM检测器和FM检测器被并联在一起。
65.如权利要求64所述的装置，其特征在于包括“逻辑与”元件，其输入与所述AM检测器和所述FM检测器相连，而其输出则被用作所述组合式载波调制输出。
全文摘要
研究发现,电弧实际上是在任一分形子集中均包含有表征了“电弧”的所有本质信息的分形现象,这一发现给电弧监测技术的研究带来了深刻地影响。这些分形子集在电弧频谱上呈对数形式的分布。根据电弧(22)的l/f特性可知,处于其中幅值较高的低对数阶次的分形子集可以最为有效地实现电弧监测的性能,因为在低频段中,与目前一般用于进行电弧检测的高频段相比,其中相连电路之间的交叉感应相对较低,且电弧与电弧特征拾取器(23)之间的行程也相对较长。分形子集的变换能够减小误报警的危险。同时还可以沿异相路径对电弧特征各部分进行处理,或将其处理成调制载波。
文档编号G01R31/08GK1276061SQ97182342
公开日2000年12月6日 申请日期1997年8月14日 优先权日1997年8月14日
发明者迈克尔T·帕克, 小霍华德M·哈姆, 詹姆斯J·基南, 吕克·皮埃尔·贝诺特 申请人:亨德里机械工厂