电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统

摘要

本发明提供了一种电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统，包括：低压续弧模块、高压击穿模块和放电电极模块；放电电极模块包括放电电极，放电电极的电极材料和电极间距可调；低压续弧模块与放电电极模块相连接，用于在放电电极间产生电火花；其中，产生电火花所需的放电能量可调；高压击穿模块与放电电极模块相连接，用于产生击穿能量，以使放电电极间的空气被击穿；其中，击穿能量可调。本发明能够调节低压续弧回路的放电能量以及高压击穿回路的击穿能量，适用于不同放电电极参数工况下的放电。

说明书

技术领域

本发明涉及电火花发生技术领域，尤其是涉及一种电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统。

背景技术

电火花是一种危险的事故隐患，能够造成严重的火灾、爆炸灾害；同时，电火花也是一种重要的点火方式，在能源、动力等领域具有广泛的应用。电火花发生装置是研究电火花安全防治与能量利用的关键手段，基于高压击穿、低压续弧原理的电火花发生装置是目前较为先进、应用较多的一种电火花发生技术。现有的电火花发生装置高压击穿回路的放电能量一般是固定值，无法根据特殊环境和电极材料、电极间距进行调整，低压续弧回路产生的电火花能量测试不准确，电火花能量计算繁琐及处理误差较大，因此，现有的电火花发生装置不适用于放电电极材料或电极间隙等参数需要精确调整的工况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统，能够调节低压续弧回路的放电能量以及高压击穿回路的击穿能量，适用于不同放电电极参数工况下的放电。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种电火花发生装置，包括：低压续弧模块、高压击穿模块和放电电极模块；放电电极模块包括放电电极，放电电极的电极材料和电极间距可调；低压续弧模块与放电电极模块相连接，用于在放电电极间产生电火花；其中，产生电火花所需的放电能量可调；高压击穿模块与放电电极模块相连接，用于产生击穿能量，以使放电电极间的空气被击穿；其中，击穿能量可调。

在一种实施方式中，低压续弧模块包括可调电阻、高压电源单元和多个并联连接的第一电容；低压续弧模块通过接通不同的第一电容和调节高压电源单元的输出电压来调节放电能量，并通过调节可调电阻控制第一电容的放电时间。

在一种实施方式中，高压电源单元用于为低压续弧模块中的第一电容提供充电电能。

在一种实施方式中，高压击穿模块包括升压线圈和多个并联连接的第二电容；高压击穿模块通过接通不同的第二电容调节击穿能量；当启动点火后，接通的第二电容释放的电能经升压线圈后到达放电电极，以使放电电极间的空气被击穿。

在一种实施方式中，电火花发生装置还包括电源模块；电源模块分别与低压续弧模块和高压击穿模块相连接，用于为低压续弧模块的高压电源单元和高压击穿模块提供电能。

第二方面，本发明实施例提供了一种能量测试装置，包括测量模块和计算模块；测量模块与电火花发生装置相连接，用于获取电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值；计算模块与测量模块相连接，用于根据瞬时电压值和瞬时电流值确定电火花能量。

在一种实施方式中，测量模块包括：高压探头、电流探头和示波器；高压探头设置于放电电极的两端，用于获取电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值；电流探头设置于放电电极回路中，用于获取电火花发生瞬间的瞬时电流值；示波器分别与高压探头和电流探头相连接，用于采集并储存瞬时电压值和瞬时电流值。

在一种实施方式中，计算模块包括电子设备，用于从示波器获取瞬时电压值和瞬时电流值，并根据瞬时电压值和瞬时电流值确定电火花能量。

在一种实施方式中，计算模块用于按照以下公式计算电火花能量：

其中，

第三方面，本发明实施例提供了一种电火花发生系统，包括上述第一方面任一项提供的电火花发生装置和上述第二方面任一项提供的能量测试装置。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统，电火花发生装置包括：低压续弧模块、高压击穿模块和放电电极模块；放电电极模块包括放电电极，放电电极的电极材料和电极间距可调；低压续弧模块与放电电极模块相连接，用于在放电电极间产生电火花；其中，产生电火花所需的放电能量可调；高压击穿模块与放电电极模块相连接，用于产生击穿能量，以使放电电极间的空气被击穿；其中，击穿能量可调。上述电火花发生装置中放电电极的电极材料和电极间距均可调节，从而能够适用于不同放电电极参数工况下的放电；同时低压续弧模块的放电能量以及高压击穿模块的击穿能量也可以进行调节，从而能够精准控制电火花能量，减少击穿能量对放电火花能量的影响。

本发明实施例提供的上述能量测试装置，包括测量模块和计算模块；测量模块与电火花发生装置相连接，用于获取电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值；计算模块与测量模块相连接，用于根据瞬时电压值和瞬时电流值确定电火花能量。上述能量测试装置能够通过测量模块高精度采集电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值，并根据采集到的数据计算电火花能量，从而能够减少数据测量产生的误差，提高电火花能量测试的精度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电火花发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种电火花发生装置的线路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种电火花发生装置的线路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种能量测试装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电火花发生系统的结构示意图。

图标：

101-低压续弧模块；102-高压击穿模块；103-放电电极模块；104-电源模块；401-测量模块；402-计算模块；100-电火花发生装置；400-能量测试装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于高压击穿、低压续弧原理的电火花发生装置是目前较为先进、应用较多的一种电火花发生技术。这种电火花发生装置通过高压回路小电容瞬间放电，经升压后使放电电极间空气被击穿形成通路，从而利用低压续弧回路的大电容放电产生电火花。但是，现有的电火花发生装置高压击穿回路的击穿能量一般是固定值，无法根据特殊环境和电极材料、电极间距进行调整，低压续弧回路产生的电火花能量测试不准确，电火花能量计算繁琐及处理误差较大，因此，现有的电火花发生装置不适用于放电电极材料或电极间隙等参数需要精确调整的工况。

基于此，本发明实施例提供的一种电火花发生装置、能量测试装置及电火花发生系统，能够调节低压续弧回路的放电能量以及高压击穿回路的击穿能量，适用于不同放电电极参数工况下的放电。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种电火花发生装置进行详细介绍，参见图1所示的一种电火花发生装置的结构示意图，示意出该装置包括：低压续弧模块101、高压击穿模块102和放电电极模块103；放电电极模块103包括放电电极，放电电极的电极材料和电极间距可调；低压续弧模块101与放电电极模块103相连接，用于在放电电极间产生电火花；其中，产生电火花所需的放电能量可调；高压击穿模块102与放电电极模块103相连接，用于产生击穿能量，以使放电电极间的空气被击穿；其中，击穿能量可调。

在一种实施方式中，低压续弧模块101具有产生电火花的功能，并且产生电火花所需的放电能量可以调节，具体可以通过调节电容容量和电容充电电压来实现调节放电能量的功能；高压击穿模块102主要通过给电容充电，当启动点火后，电容开始放电，电容放电瞬间电压很高，以使放电电极模块103的放电电极间的空气被击穿，形成高压回路。为了保证顺利击穿放电电极两端产生电火花，本实施例中可以通过调节电容来调节高压击穿模块102产生的击穿能量。

放电电极模块103是产生电火花的位置，主要包括放电电极。放点电极由两个导体探针组成，放电电极可以在高压击穿模块102放电瞬间被击穿形成通路，使得低压续弧模块101中的电容放电产生电火花。放电电极的击穿能量与电极材料、电极间距以及环境温度、湿度等参数有关，基于此，为了满足各种不同的工况，同时提高电火花发生装置的放电精度，本发明实施例中放电电极模块103的电极材料、电极间距等参数均可以调节。

本发明实施例提供了一种电火花发生装置包括：低压续弧模块、高压击穿模块和放电电极模块；放电电极模块包括放电电极，放电电极的电极材料和电极间距可调；低压续弧模块与放电电极模块相连接，用于在放电电极间产生电火花；其中，产生电火花所需的放电能量可调；高压击穿模块与放电电极模块相连接，用于产生击穿能量，以使放电电极间的空气被击穿；其中，击穿能量可调。上述电火花发生装置中放电电极的电极材料和电极间距均可调节，从而能够适用于不同放电电极参数工况下的放电；同时低压续弧模块的放电能量以及高压击穿模块的击穿能量也可以进行调节，从而能够精准控制电火花能量，减少击穿能量对放电火花能量的影响。

为了精确控制低压续弧模块的放电能量，提高对低压续弧回路的保护，本发明实施例提供的低压续弧模块包括可调电阻、高压电源单元和多个并联连接的第一电容。在一种实施方式中，第一电容可以是不同规格的电容，也可以是相同规格的电容，高压电源单元的供电电压可以调节，用于为低压续弧模块中的第一电容提供充电电能，向第一电容充电。低压续弧模块可以通过接通不同的第一电容容量和调节高压电源模块的输出电压（即充电电压）来调节放电能量，具体的可以根据所需放电能量的大小选择接通电容的数量和规格以及充电电压；低压续弧模块中还串联有可调电阻，低压续弧模块可以通过调节可调电阻控制第一电容的放电时间，具体的根据电容放电时间

进一步，考虑到现有的装置中，高压击穿模块电容放电产生的击穿能量较小，仅能击穿放电电极两端，并且放电电极能否被击穿还与放电电极的电极材料、电极间距、环境温度和湿度有关，基于此，为了保证顺利击穿放电电极两端，并且使得击穿能量刚好达到击穿电极所需的能量的临界点，减少击穿能量对低压续弧模块放电的干扰，本发明实施例提供的高压击穿模块包括升压线圈和多个并联连接的第二电容；高压击穿模块通过接通不同的第二电容调节击穿能量；当启动点火后，接通的第二电容释放的电能经升压线圈后到达放电电极，以使放电电极间的空气被击穿。

在一种实施方式中，第二电容可以是不同规格的电容，也可以是相同规格的电容，在实际应用中可以根据所需的击穿能量选择接通不同数量的电容，从而能够达到调节电容以改变击穿能量的功能，实现电火花发生装置的放电能量精确控制；当接通的第二电容充电完成，启动点火控制后，第二电容开始放电，经升压线圈升压后，能够产生较高的电压，以使放电电极间的空气被击穿。

进一步，在图1的基础上，本发明实施例还提供了另一种电火花发生装置，参见图2所示的另一种电火花发生装置的结构示意图，示意出该装置还包括电源模块104；电源模块104分别与低压续弧模块101和高压击穿模块102相连接，用于为低压续弧模块101和高压击穿模块102提供电能。在一种实施方式中，电源模块可以为低压续弧模块的高压电源单元和高压击穿模块提供电能。具体的，电源模块包括供电电源，供电电源经整流电路整流后分别为高压电源单元和高压击穿模块提供电能，进而高压电源单元可以为低压续弧模块的第一电容提供充电电能。

为了便于理解，本发明实施例还提供了一种电火花发生装置的线路原理图，参见图3所示。供电电源（如图3中的220V电源）经过整流电路变为直流电，为电容C7、C8、C9、C10中接通的电容进行充电，具体的可以通过开关S26至S28调节接通的电容，以实现调节击穿能量的功能；接通高压电源单元（0～+1600V（DC）可调），闭合高压电容充电开关S13，为电容C2、C3、C4、C5、C6中接通的电容进行充电，具体的可以通过充电开关S14至充电开关S18调节接通的电容，以实现调节放电能量的功能。

假设根据放电能量与击穿能量的大小，选择接通的电容为电容C7、电容C8、电容C6和电容C5。具体应用中，首先闭合充电开关S18、S17和放电开关S22、S21，然后闭合高压电容充电开关S13，调节高压电源单元的充电电压，给电容C6、C5充电，充电后断开S13；同时闭合组合开关S28给电容C7、C8充电。充电完成后，接着闭合放电开关S25，电容C7、C8通过放电回路使放电电极（如图3中的点火针）击穿形成通路；接着电容C5和电容C6放电，在放电电极间产生电火花。

此外，为了防止电容放电瞬间产生的高压对回路造成损坏，本发明实施例中提供的电火花发生装置中可以通过高压硅堆对电路进行保护，具体的，如图3所示，高压击穿回路中还包括高压硅堆D3，低压续弧回路中还包括高压硅堆D4。高压硅堆是一种硅高频高压整流二极管，当高压击穿回路中电容放电时，高压硅堆D3可以阻止电容放电时产生的高电流流入低压续弧回路中，使低压续弧回路中的元器件损坏；同时，当低压续弧回路中电容放电时，高压硅堆D4也可以阻止电容放电时产生的高电流流入高压击穿回路中，使高压击穿回路中的元器件损坏。

综上所述，与现有的电火花发生装置相比，本发明实施例提供的电火花发生装置，不仅低压续弧模块的放电能量和放电时间可调，而且高压击穿模块的击穿能量以及放电电极的电极材料和电极间距也可调，从而能够适用于不同电极参数工况下，用以击穿放电电极，使得击穿能量最低，减少对放电火花能量影响，提高电火花发生装置放电能量的精度。

考虑到，现有的电火花发生装置的电火花能量仅通过电容放电能量公式进行计算：

基于此，本发明实施例还提供了一种能量测试装置，参见图4所示的一种能量测试装置的结构示意图，示意出该能量测试装置包括：测量模块401和计算模块402；测量模块401与电火花发生装置相连接，用于获取电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值；计算模块402与测量模块401相连接，用于根据瞬时电压值和瞬时电流值确定电火花能量。

本发明实施例提供的上述能量测试装置能够通过测量模块高精度采集电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值，并根据采集到的数据计算电火花能量，从而能够减少数据测量产生的误差，提高电火花能量测试的精度。

在一种实施方式中，测量模块，也即电压电流测量模块包括：高压探头、电流探头和示波器；高压探头设置于放电电极的两端，用于获取电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值；电流探头设置于放电电极回路中，用于获取电火花发生瞬间的瞬时电流值；示波器分别与高压探头和电流探头相连接，用于采集并储存瞬时电压值和瞬时电流值。

具体的，高压探头可以是Tektronix P6015A高压探头，具备75 MHz以上的测量采集频率，用以测量电火花发生瞬间放电电极两端的瞬时电压值；电流探头可以是PINTECH-PT720型线圈式无感电流测试仪，在放电电极放电瞬间测量电路的瞬时电流值，本实施例中电流测试仪采用线圈式，不接入放电回路，从而能够减少测试造成的干扰和误差；示波器可以是Tektronix MSO 2024B型数字存储示波器，与高压探头和电流探头连接，采集并储存瞬时电压值和瞬时电流值以及电压和电流数据波形。

进一步，计算模块，也即能量计算模块包括电子设备，用于从示波器获取瞬时电压值和瞬时电流值，并根据瞬时电压值和瞬时电流值确定电火花能量。在一种实施方式中，电子设备可以是计算机，计算机中安装有LABVIEW上位软件。示波器与计算机之间可以通过USB连接线连接，将示波器采集到的瞬时电压值和瞬时电流值传输至LABVIEW上位软件中；或者计算模块还可以包括通讯线，利用通讯线将示波器与计算机通讯连接，将示波器采集到的瞬时电压值和瞬时电流值传输至LABVIEW上位软件中。LABVIEW上位软件可以对采集到的数据进行处理、分析和计算，得到电火花能量。

考虑到，电极放电产生电火花是在极短时间内完成的，且电压和电流瞬时变化较大，由于瞬时电压值

其中，

此外，还可以直接采用积分法计算电火花能量，计算公式如下：

其中，

综上所述，本发明实施例提供的能量测试装置，利用高精度的高压探头和线圈式无感电流探头，能够高精度测试电火花发生瞬间的电压和电流数值，并且通过LABVIEW上位软件对采集数据进行滤波平滑处理、采样积分计算得到高精度的电火花能量测试值。

本发明实施例还提供了一种电火花发生系统，参见图5所示的一种电火花发生系统的结构示意图，包括电火花发生装置100和能量测试装置400。其中，电火花发生装置100包括：电源模块104、高压击穿模块102、低压续弧模块101和放电电极模块103；能量测试装置400包括：测量模块401和计算模块402。

本发明实施例提供的上述电火花发生系统，电火花发生装置中的放电电极的电极材料和电极间距均可调节，从而能够适用于不同放电电极参数工况下的放电；同时低压续弧模块的放电能量以及高压击穿模块的击穿能量也可以进行调节，从而能够精准控制电火花能量，减少击穿能量对放电火花能量的影响；能量测试装置能够通过测量模块高精度采集电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值和瞬时电流值，并根据采集到的数据计算电火花能量，从而能够减少数据测量产生的误差，提高电火花能量测试的精度。

为了便于理解，本发明实施例还提供了一种电火花发生系统的具体实施流程，主要包括以下步骤1至步骤5：

步骤1：调节放电电极的电极材料和电极间距。

步骤2：接通低压续弧模块，调节高压电源单元的输出电压和可调电阻的阻值，并接通第一电容进行充电。

具体的，在接通供电电源之前，需要确定放电能量的大小以及放电时间，即确定预设放电能量及预设放电时间；根据预设放电时间调节可调电阻的阻值和确定接通的第一电容的数量，同时根据预设放电能量接通相应数量的第一电容，并将高压电源单元的输出电压调整到预设放电能量所需的充电电压；然后接通低压续弧模块（低压续弧回路）的高压电源单元给第一电容进行充电。

步骤3：接通高压击穿模块，接通第二电容进行充电。

具体的，可以根据击穿放电电极所需的击穿能量选择所需的第二电容，接通高压击穿模块的电源对选择接通的第二电容进行充电。

步骤4：低压续弧模块和高压击穿模块充电完成后，关闭低压续弧模块的高压电源单元，调试能量测试装置，使能量测试装置处于待触发状态。

在一种实施方式中，能量测试装置的调试包括以下步骤41至步骤43：

步骤41：将高压探头安装在放电电极的两端。

步骤42：将电流探头至于放电电极回路中。

步骤43：将高压探头与电流探头分别与示波器的数据采集通道1和数据采集通道2相连接。

步骤5：启动点火，采集电火花发生瞬间的电压和电流数据，并计算电火花能量。

在一种实施方式中，启动点火后，高压击穿模块的第二电容放电，经过升压线圈在放电电极两端形成瞬间高压，使放电电极击穿形成通路；低压续弧模块的第一电容放电，在放电电极间产生电火花，完成放电。同时，高压探头采集电火花发生瞬间放电电极的瞬时电压值，电流探头采集瞬时电流值，示波器与计算机之间通过数据线（通讯线）通讯连接，将示波器采集的电压和电流数据（瞬时电压值和瞬时电流值）传输至计算机上LABVIEW软件中，LABVIEW上位软件对电压和电流数据进行滤波平滑处理，然后进行间隔采样，根据公式

本发明实施例所提供的系统，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例相同，为简要描述，系统实施例部分未提及之处，可参考前述装置实施例中相应内容。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。