一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法及裝置，測量氣體放電電弧的電壓與電流信息，利用電弧總能量的測量結(jié)果，結(jié)合利用TEM小室測量得到的電弧產(chǎn)生的電磁輻射能量，再通過計算獲得電弧熱能的具體數(shù)值。該方法包含下列步驟：(1)測量氣體電弧的電壓與電流信息；(2)采用數(shù)學(xué)方法對電壓與電流的乘積在時間軸上積分得出電弧的總能量；(3)利用橫電磁波TEM小室測量電弧的電磁輻射能量；(4)將電弧的總能量減去電弧的電磁輻射能得到電弧的熱能。本發(fā)明具有安全可靠、操作靈活，間接測量電弧熱能的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量電弧熱能的方法及裝置，尤其涉及在強(qiáng)電磁環(huán)境中由間接測 量得到電弧熱能的方法，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?；鸹ǚ烹娨话愠掷m(xù)時間很短，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，能形成弧光放電的火花。放電產(chǎn)生的電弧 (火花)具有明顯的電壓與電流特性，并且會釋放出光和熱。
[0004] 放電火花在電極兩端產(chǎn)生的放電電流持續(xù)時間很短，其頻譜特性具有很強(qiáng)的高頻 分量，因而火花會對外產(chǎn)生一定的電磁輻射;可燃?xì)怏w或空氣燃?xì)獾幕旌蠚怏w點(diǎn)火是由熱 效應(yīng)引起的，放電火花產(chǎn)生的熱能可以使可燃?xì)怏w點(diǎn)燃，當(dāng)可燃?xì)怏w位于一個封閉的腔體 內(nèi)時，還有發(fā)生爆炸的危險。
[0005] 目前，常用的方法是直接測試，通過觀察油箱的狀態(tài)確定試驗(yàn)的結(jié)論。該方法不需 要其他測試裝置，便于實(shí)施。
[0006] 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 于密閉空間的燃油蒸汽被點(diǎn)燃后不容易受控，甚至有爆炸的危險;直接測試法僅能進(jìn)行定 性分析，其試驗(yàn)結(jié)果僅對試驗(yàn)條件有效，同時無法獲取電磁輻射能量的相關(guān)信息，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)評估其他試驗(yàn)條件下的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有方法和技術(shù)的不足，提供一種利用橫電磁波小室測量電 弧熱能的方法及裝置，具有安全可靠、操作靈活，可間接測量電弧熱能的優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種利用橫電磁波(TEM)小室測量電弧熱能的 方法，利用電弧總能量的測量結(jié)果，結(jié)合利用TEM小室測量得到的電弧產(chǎn)生的電磁輻射能 量，再通過計算獲得電弧熱能的具體數(shù)值。該方法包含下列步驟：
[0009] 根據(jù)測量得到的電弧的電壓與電流信息計算得出電弧的總能量；
[0010] 利用TEM小室測量電弧的電磁輻射能量；
[0011] 將電弧的總能量減去電弧的電磁輻射能得到電弧的熱能。
[0012] 氣體放電產(chǎn)生的總能量可以分為兩大部分，一部分是由于電弧釋放出的光和熱產(chǎn) 生的熱能，另一部分是由于電弧的放電電流產(chǎn)生的電磁輻射能量。因此通過測量獲得的電 弧的總能量與電磁福射能量，就能通過下式間接得到電弧的熱能Eh: Eh = E-Ee。
[0013 ] TEM小室是一個類似于同軸線的密閉TEM波傳輸結(jié)構(gòu)，常用于電磁兼容(EMC)與電 磁干擾(EMI)測試，具有場強(qiáng)分布均勻并可控等特點(diǎn)。由于TEM小室是封閉的電磁波傳輸結(jié) 構(gòu)，因此電極間產(chǎn)生的電弧的熱能不會被檢測到，而只會通過小室兩端的端口檢測到電弧 的電磁輻射能Ee。將TEM小室的一個端口端接匹配負(fù)載，另一個端口與示波器連接，那么示 波器將會接收到電弧一半的電磁輻射能。通過示波器測量獲得的電壓值就能計算得出電弧 的電磁輻射能￡, = 2:· 式中，Ue是示波器測量獲得的電壓均方根值，R〇是端接匹配負(fù) 載的大小。
[0014] 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)確地計算得到電弧的放電總能量。電弧的放電總能量計算公式： 式中:E是電弧放電產(chǎn)生的總能量，U是電弧兩個末端之間的電壓，I是電弧的電流，to是電弧 產(chǎn)生的初始時刻，t是電弧熄滅的結(jié)束時刻。
[0015] 本發(fā)明提出采用TEM小室間接測量電弧熱能的方法，通過示波器直接測量得到的 電弧的總能量，結(jié)合TEM小室測量得到的電弧的電磁輻射能，計算得到電弧熱能的具體數(shù) 值。
[0016] 本發(fā)明的一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能裝置，包括:TEM小室、放電電極、50 Ω匹配負(fù)載、一臺示波器與支持設(shè)備正常工作的各種線纜和電源等;試驗(yàn)過程中，將放電電 極置于TEM小室當(dāng)中，通過電源給兩個放電電極提供能量。示波器的一路通過高壓探頭與兩 個電極的末端相連，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;TEM小室的一端連接大小為50 Ω的匹配 負(fù)載，另一端則與示波器相連，這樣電極放電產(chǎn)生的高頻電磁場輻射能量分為兩半被??Μ小 室的兩端接收，便可以通過示波器測量得到的電壓大小，計算得到電弧的輻射能數(shù)值。最 后，結(jié)合測量得到的電弧總能量與輻射能，可以代入公式:E h = E-Ee中計算得到電弧熱能的 具體數(shù)值。
[0017]本發(fā)明具有以下明顯特點(diǎn)：
[0018] (1)本發(fā)明一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法采用間接測量的方式，適 用于測量各種試驗(yàn)條件下氣體放電電弧的熱能，使用設(shè)置方便、安全；
[0019] (2)本發(fā)明一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法測量的目標(biāo)量為電弧的輻 射能，采用的是封閉的電磁波傳輸結(jié)構(gòu)一一TEM小室，電磁輻射無泄漏，測試結(jié)果準(zhǔn)確度高；
[0020] (3)本發(fā)明一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法以電弧的能量數(shù)值關(guān)系作 為計算依據(jù)，測試數(shù)據(jù)能夠量化記錄和評判。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法的流程圖；
[0022] 圖2是應(yīng)用本發(fā)明的一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法的實(shí)施例流程示 意圖；
[0023] 圖3是本發(fā)明一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能裝置的布置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025] 如圖1所示，氣體放電產(chǎn)生的總能量可以分為兩大部分，一部分是由于電弧釋放出 的光和熱產(chǎn)生的熱能，另一部分是由于電弧的放電電流產(chǎn)生的電磁輻射能量。因此為了得 到電弧熱能的具體數(shù)值，就需要通過測量獲得電弧的總能量與電磁輻射能量。
[0026]電弧的總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 測量放電期間的電流曲線，將測量的曲線存儲記錄下來，再借助電路上能量與電壓和電流 的關(guān)系，可以準(zhǔn)確地計算得到電弧的放電總能量。電弧的放電總能量計算公式：
電弧的輻射能可以通過TEM小室測量得到。通過示波器測量TEM小室一個端 口的電壓均方根值，可以計算得出電弧的電磁輻射能尾= 2·?/|//?()。最后，結(jié)合測量得到 的電弧總能量與輻射能，可以代入公式:EhiE-Ee中計算得到電弧熱能的具體數(shù)值。
[0027]如圖2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磁場信號，最后根據(jù)測試獲取的電壓 與電流數(shù)據(jù)，代入相應(yīng)公式計算，得到試驗(yàn)的測試結(jié)果。
[0028] 如圖3所示，試驗(yàn)裝置主要包括TEM小室、放電電極、50 Ω匹配負(fù)載、一臺示波器與 支持設(shè)備正常工作的各種線纜和電源等。試驗(yàn)過程中，將放電電極置于TEM小室當(dāng)中，通過 電源給兩個放電電極提供能量。示波器的一路通過高壓探頭與兩個電極的末端相連，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;TEM小室的一端連接大小為50 Ω的匹配負(fù)載，另一端則與示波器 相連，這樣電極放電產(chǎn)生的高頻電磁場輻射能量分為兩半被??Μ小室的兩端接收，便可以通 過示波器測量得到的電壓大小，計算得到電弧的輻射能數(shù)值。
[0029]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. 一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 測量氣體電弧的電壓與電流信息； (2) 采用數(shù)學(xué)方法對電壓與電流的乘積在時間軸上積分得出電弧的總能量； (3) 利用橫電磁波??Μ小室測量電弧的電磁輻射能量； (4) 將電弧的總能量減去電弧的電磁輻射能得到電弧的熱能。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法，其特征在于:所述步 驟(2)中，電弧的總能量計算公式：β = U 式中：E是電弧放電產(chǎn)生的總能量，u是電 弧兩個末端之間的電壓，I是電弧的電流，to是電弧產(chǎn)生的初始時刻，t是電弧熄滅的結(jié)束時 刻。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用橫電磁波小室測量電弧熱能的方法，其特征在于:所述步 驟(3)中，利用橫電磁波TEM小室測量電弧的電磁輻射能量的過程如下:將TEM小室的一個端 口端接匹配負(fù)載，另一個端口與示波器連接，示波器將會接收到電弧一半的電磁輻射能，通 過示波器測量獲得的電壓值就能計算得出電弧的電磁輻射能& = 2 ·扣//?()，式中，Ue是示 波器測量獲得的電壓均方根值，R〇是端接匹配負(fù)載的大小。4. 一種利用橫電磁波小室測量電弧熱能裝置，其特征在于包括:TEM小室、放電電極、50 Ω匹配負(fù)載、一臺示波器與支持設(shè)備正常工作的各種線纜和電源等;試驗(yàn)過程中，將放電電 極置于TEM小室當(dāng)中，通過電源給兩個放電電極提供能量;示波器的一路通過高壓探頭與兩 個電極的末端相連，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;TEM小室的一端連接大小為50 Ω的匹配 負(fù)載，另一端則與示波器相連，這樣電極放電產(chǎn)生的高頻電磁場輻射能量分為兩半被??Μ小 室的兩端接收，便可以通過示波器測量得到的電壓大小，計算得到電弧的輻射能數(shù)值；最 后，結(jié)合測量得到的電弧總能量與輻射能，可以代入公式:E h = E-Ee中計算得到電弧熱能的 具體數(shù)值。
【文檔編號】G01R31/00GK105866603SQ201610453503
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】戴飛, 馮驍堯, 符新凱, 王順鑫
【申請人】北京航空航天大學(xué)