CN111024761B - 基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法。该方法中的高压放电峰值检测装置包含高压衰减网络、峰值采样保持电路、泄放控制电路和高速数据采集电路，其中泄放控制电路对高压衰减网络输出信号进行微分，将微分信号与零电平、高压衰减网络输出信号与零电平分别进行比较，比较结果相与后用于控制峰值检波电路中采样电容的泄放与否，同时由微分信号与零电平的比较结果控制对峰值电压是否进行模数转换。点火能量测量方法利用高压放电峰值检测装置所测量的放电波形的每个峰值时刻和对应的峰值推算放电波形，进而计算点火能量。本发明可自动对高压放电峰值进行采样和泄放，自动计算点火能量，具有高集成度和高自动化特点。

Description

基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，主要用于粉尘云最小点火能测试仪的点火能量测量，可在降低硬件成本的同时，实现精确的点火能量测量。

背景技术

粉尘云最小点火能测试仪是从能量角度反映粉尘点燃敏感程度的测试装置，在评价粉尘云潜在***危险性上被广泛应用。粉尘云最小点火能测试仪所测量的最小点火能数据直接关系到待测粉尘的危险性等级，若所测量的最小点火能值偏大，则危险性定级偏低，可能带来不可估量的严重隐患；若所测量的最小点火能值偏小，则危险性定级偏高，给相关生产场所的防爆抑爆设计增加额外成本。因此，准确的点火能量测量非常有必要。

根据标准GB/T 16428-1996，电容充电能量值E取决于充电电容C和充电电压U，即E＝0.5CU²。然而，由于充电电容所存储的能量放电不充分以及放电过程中的能量损失，点火能量并不等于充电能量。

为求得更准确的点火能量，当前普遍做法是使用高压探头和电流探头测量放电时的电压U和电流I随时间的变化曲线，将电压、电流的放电曲线从数字示波器导出至电脑端，利用积分式

计算出点火能量。但该方法增加了高压探头、电流探头和数字示波器，额外增加了许多硬件成本，同时还需将数据从数字示波器导出至电脑端再做积分计算，步骤较为繁琐，且需专业的数学知识。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，旨在提高点火能量测量精度的同时，降低高压放电检测装置的硬件成本，便于将高压放电检测装置集成至粉尘云最小点火能测试仪，以提高测试仪器的自动化水平，提高测试效率。

为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供一种基于高压放电峰值的点火能量测量方法，高压放电波形符合标准的欠阻尼震荡衰减曲线，利用所述高压放电峰值检测装置所检测的高压放电波形的若干峰值及峰值间的时间间隔，推算电极间的放电波形，进而通过积分式

计算出点火能量，达到自动测量点火能量的目的。

作为本发明的另外一个方面，本发明还提供了一种高压放电峰值检测装置，包括：高压衰减网络、峰值采样保持电路、泄放控制电路、高速数据采集电路和电磁屏蔽装置，其中所述高压衰减网络通过分压方式将10KV量级的放电高压降为采样保持电路可接受的范围；所述峰值采样保持电路对高压衰减网络输出信号进行峰值检测，并通过采样电容对峰值保持；所述泄放控制电路将微分信号与零电平、高压衰减网络输出信号与零电平分别进行比较，比较结果相与用于控制峰值采样保持电路中采样电容的泄放与否，同时由微分信号与零电平的比较结果控制对峰值电压是否进行模数转换，进行实现峰值采样保持和数据采集的自动控制；所述高速数据采集电路对峰值电压进行模数转换，并将转换结果输出；所述电磁屏蔽装置与所述高压衰减网络的地线相连，以抑制电极放电瞬间的高频电磁信号对衰减后的信号造成的干扰。

所述高压衰减网络由高压无感电阻R1、R2构成的电阻分压网络、补偿电容C1和电压跟随器组成，所述高压衰减网络的输入端，即所述电阻分压网络的输入端，连接至粉尘云最小点火能测试仪高压电极，所述电阻分压网络的输出端连接至所述电压跟随器的输入端，所述电压跟随器的输出端，即所述高压衰减网络的输出端，分为两路，一路连接至所述采样保持电路的输入端，一路连接至所述泄放控制电路的输入端。

其中，分压比例取决于所述高压无感电阻R1、R2的比例，根据所述峰值采样保持电路的电压输入范围，可对分压比例进行调节。

其中，所述补偿电容C1的值取决于高压无感电阻R1、R2的设置，用于调节电阻分压网络的带宽，以适应不同的高压放电频率。

所述峰值采样保持电路由运算放大器、运算放大器、采样电容C2及必要的电容电阻和二极管组成，所述运算放大器的输入端连接至所述电压跟随器输出端，用于对输入信号进行积分并将积分结果施加至所述采样电容C2和所述运算放大器的输入端。所述运算放大器将所述采样电容C2的电压转换为低阻输出。

其中，所述采样电容C2的可取值范围在1nF～100nF。通过调节采样电容C2的值，可适应不同的高压放电频率。

所述泄放控制电路由微分电路、第一高速比较器、第二高速比较器、与门和高速CMOS开关组成，所述电压跟随器的输出端分别连接至所述第一高速比较器的负相输入端和所述微分电路的同相输入端。所述第一高速比较器的同相输入端接地，所述第一高速比较器的输出端连接至所述与门的一个输入端。所述第二高速比较器的负相输入端连接至微分电路的输出端，同相输入端接地，输出端连接至所述与门的另一个输入端。所述与门的输出连接至所述高速CMOS开关的栅极。所述高速CMOS开关的源极通过电阻R3连接至地，漏极连接至所述采样电容C2。

其中，所述第一高速比较器的输出高电平时间对应放电波形从波谷至波峰的时间，即所述采样电容C2的充电时间，所述第二高速比较器的输出高电平时间对应放电波形从零点至波谷再至零点的时间，因此所述与门的输出高电平时间即放电波形从波谷至零点的时间，在所述与门的输出高电平时间内，所述高速CMOS开关导通，所述采样电容C2通过所述电阻R3连接至地，即在放电波形从零点至波峰的时间内对采样电容C2充电，在放电波形从波峰至波谷的时间内采样电容C2峰值保持，在放电波形从波谷至零点的时间对采样电容C2泄放，从而实现对高压放电波形的自动采样。

其中，所述第一高速比较器和第二高速比较器并不限于上述连接方法，也可以将所述第一高速比较器的同相输入端连接至所述电压跟随器的输出端，所述第二高速比较器的反相输入端接地，同时将所述第二高速比较器的同相输入端连接至所述电压跟随器的输出端，所述第一高速比较器的反相输入端接地。改变所述高速比较器和高速比较器的连接方法时，输出高电平时间与放电波形的对应时间亦随之发生改变。

其中，所述与门的两个输入端并不限定上述接线顺序，即所述与门的任一输入端可连接至所述第一高速比较器的输出端，另一端则连接所述第二高速比较器的输出端。

其中，所述高速CMOS开关并不限定于上述连接方法，也可以将漏极通过电阻R3连接至地，源极连接至所述采样电容C2。

其中，所述电阻R3的取值不高于10Ω。

所述高速数据采集电路由运算放大器、高速模数转换器组成，所述运算放大器的输入端连接至所述运算放大器的输出端，所述运算放大器将峰值电压信号进行衰减后，施加至所述高速模数转换器的输入端，所述高速模数转换器将衰减后的峰值电压转换为数字信号，以用作下一步的数据处理。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种基于高压放电峰值检测的点火能量计算方法，包括以下步骤：

1)获取放电波形达到第一个波峰、第二个波峰、第三个波峰、第n个波峰的时间，即所述高速比较器12的输出第一次下降沿、第二次下降沿、第三次下降沿、第n次下降沿的对应时间t₁、t₂、t₃、t_n。

2)获取所述峰值采样保持电路在t₁、t₂、t₃时刻的输出电压值V₁、V₂、V₃。

3)获得所述高压放电峰值检测装置的衰减倍数G。

4)计算放电周期T，T＝(t_n–t₁)/(n-1)。

5)计算衰减系数t，

6)计算比例系数A，

7)通过t和A推算高压放电的电压波形U和电流波形I，

8)对电压波形U和电流波形I积分，计算点火能量

上述步骤中，不限于获取第一、第二、第三个波峰的时间和电压，也可以是第二、第三、第四个波峰的时间和电压，或第三、第四、第五个波峰的时间和电压。由于放电波形为欠阻尼震荡衰减曲线，波峰值大小将随着时间增加而减小，当波峰值过小时，已不利于数据处理。

从上述技术方案可以看出，本发明的高压放电峰值检测装置及基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法具有以下有益效果：可自动对高压放电波形进行采样，并获得方波波形峰值出现的时间、幅度，利用该时间、幅度计算放电电压波形和电流波形，进而实现对点火能量的准确积分计算；低成本、小型化的硬件电路便于集成至现有的粉尘云最小点火能测试仪，实现在放电完成的极短时间内即可由测试仪自动计算出点火能量，显著提高测试仪的集成度和智能化水平。

附图说明

图1为根据本发明实施例的高压放电峰值检测装置安装示意图。

图2为高压放电峰值检测装置的高压衰减网络原理图。

图3为高压放电峰值检测装置的峰值采样保持电路原理图。

图4为高压放电峰值检测装置的泄放控制电路原理图。

图5为泄放控制电路关键部件输出波形示意图。

图6为高压放电峰值检测装置输入输出波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用高压放电波形符合标准的欠阻尼震荡衰减曲线这一事实，提供一种高压放电峰值检测装置，如图1所示，所述高压放电峰值检测装置的输入端与放电电极1相连。当在放电电极1和放电电极2之间加载高压时，则在放电电极1和放电电极2的尖端间产生放电火花。所述放电峰值检测装置捕获高压放电波形，检测放电波形的若干峰值及峰值间的时间间隔并输出。本发明还提供一种基于高压放电峰值检测的点火能量计算方法，可利用所述高压放电峰值检测装置输出的若干峰值及峰值间的时间间隔，推算电极间的放电电压U和电流I波形，进而通过积分式

计算出点火能量，达到自动测量点火能量的目的。

本发明的高压放电峰值检测装置包括：高压衰减网络、峰值采样保持电路、泄放控制电路、高速数据采集电路和电磁屏蔽装置。其中高压衰减网络通过分压方式将10KV量级的放电高压降为采样保持电路可接受的范围；峰值采样保持电路对高压衰减网络输出信号进行峰值检测，并通过采样电容对峰值保持；泄放控制电路将微分信号与零电平、高压衰减网络输出信号与零电平分别进行比较，比较结果相与用于控制峰值检波电路中采样电容的泄放与否，同时由微分信号与零电平的比较结果控制对峰值电压是否进行模数转换，进行实现峰值采样保持和数据采集的自动控制；高速数据采集电路对峰值电压进行模数转换，并将转换结果输出；电磁屏蔽装置与所述高压衰减网络的地线相连，以抑制电极放电瞬间的高频电磁信号对衰减后的信号造成的干扰。本发明以图2～6所示的检测装置为例对高压放电峰值检测装置进行说明。

如图2所示，高压衰减网络主要由高压无感电阻R1、R2构成的电阻分压网络、补偿电容C1和电压跟随器3组成，放电电极1所产生的高压信号借助输入导体5，传输至高压无感电阻R1一端，R1另一端与高压无感电阻R2一端相连，R2的另一端则接地。补偿电容C1与高压无感电阻R2并联，以改善电阻分压网络的高频特性。高压无感电阻R1、R2的比值取决于峰值采样保持电路的输入范围，R1、R2的比值包括但不限定于10000，R1取值包括但不限定于10MΩ，R1取值包括但不限定于1KΩ。

高压无感电阻R1和高压无感电阻R2的公共端借助导体4连接至电压跟随器3的同相输入端，电压跟随器3实现电阻分压网络和峰值采样保持电路输入端之间的阻抗匹配。

如图3所示，峰值采样保持电路主要由积分器7、电压跟随器8、采样电容C2及必要的电容电阻和二极管组成，电压跟随器3输出信号由导体6施加至积分器7的同相输入端，积分器7输出端经过二极管9连接至采样电容C2的一端和电压跟随器8的同相输入端，采样电容C2的另一端接地。采样电容C2的可取值范围在1nF～100nF，通过调节采样电容C2的值，可适应不同的高压放电频率。必要的电容电阻和二极管为本领域人员常用，本发明对此不再赘述。

如图4所示，泄放控制电路主要由微分器11、高速比较器12、高速比较器13、与门14和高速CMOS开关15组成。电压跟随器3输出信号由导体6分两路分别施加至微分器11的同相输入端和高速比较器12的反相输入端，微分器11的输出接入高速比较器13的反向输入端。高速比较器12和高速比较器13的输出端分别接入与门14的两个输入端，与门14的输出信号用于控制高速CMOS开关15的开断，高速CMOS开关15的一端通过电阻R3接地，另一端与导体10相连。

图5中的a、b、c、d分别为高压放电波形、高速比较器13的输出波形、高速比较器12的输出波形、与门14的输出波形，高速比较器12的输出高电平时间对应放电波形从波谷至波峰的时间，即所述采样电容C2的充电时间，高速比较器13的输出高电平时间对应放电波形从零点至波谷再至零点的时间，因此与门14的输出高电平时间即放电波形从波谷至零点的时间，在与门14输出高电平时间内，高速CMOS开关15导通，采样电容C2通过电阻R3连接至地，即在放电波形从零点至波峰的时间内对采样电容C2充电，在放电波形从波峰至波谷的时间内采样电容C2峰值保持，在放电波形从波谷至零点的时间对采样电容C2泄放，从而实现对高压放电波形的自动采样。

进一步说明如图6所示，其中，图6a、b分别为高压放电波形、峰值采样保持电路输出波形，在放电波形从零点至波峰的时间内，峰值采样保持电路输出波形与放电波形保持一致；在放电波形从波峰至波谷的时间内，峰值采样保持电路输出波形保持不变；在放电波形从波谷至零点的时间内，因高速CMOS开关15导通对采样电容C2泄放，峰值采样保持电路输出为零。

由高速比较器12的输出波形的下降沿可触发高速数据采集电路的外部中断，激发高速数据采集电路在此刻开始采集数据，由此可获得推算高压放电波形的关键参数，即放电波形每个峰值的时刻t₁、t₂、t₃……t_n和对应的峰值电压V₁、V₂、V₃……V_n。

本发明的另一方面，基于高压放电峰值检测的点火能量计算方法，即利用上述放电波形每个峰值的时刻t₁、t₂、t₃……t_n和对应的峰值电压V₁、V₂、V₃……V_n计算点火能量。点火能量计算分为两大步骤：(1)推算放电电压U和电流I波形；(2)利用积分式

计算出点火能量。第二步骤为本领域人员常用，本发明对此不再赘述，下面阐述第一步骤的具体实施方式。

1)计算放电周期T，T＝(t_n–t₁)/(n-1)；

2)计算衰减系数t，

3)计算比例系数A，

4)通过t和A推算高压放电的电压U和电流I波形，

其中，R为电压至电流的转换系数，根据不同的电路设置而有所不同，对于同一电路，该值为固定值；G为高压衰减网络的衰减倍数。

至此，实现了对高压放电波形的峰值检测、关键参数获取和点火能量的计算。整个过程无需人工操作，实现了仪器对点火能量的自动化测量和计算。硬件电路体积小巧，成本较低，便于集成至最小点火能测试仪。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，利用高压放电峰值检测装置捕获高压放电波形，检测高压放电波形的峰值及峰值间的时间间隔，利用若干峰值及峰值间的时间间隔，推算电极间的放电电压和电流波形，进而通过积分式计算出点火能量，达到自动测量点火能量的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：所述的高压放电峰值检测装置，包括：

高压衰减网络，通过分压方式将10KV量级的放电高压降为采样保持电路可接受的范围；

峰值采样保持电路，对高压衰减网络输出信号进行峰值检测，并通过采样电容对峰值保持；

泄放控制电路，对高压衰减网络输出信号进行微分，将微分信号与零电平、高压衰减网络输出信号与零电平分别进行比较，比较结果相与之后用于控制峰值采样保持电路中采样电容的泄放与否，同时由微分信号与零电平的比较结果控制对峰值电压是否进行模数转换；

高速数据采集电路，对峰值电压进行模数转换，并将转换结果输出。

3.根据权利要求2所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：所述泄放控制电路包括：

微分器，对放电波形进行90°相移；

第一高速比较器，将放电波形与零比较；

第二高速比较器，将微分器输出与零电平比较；

与门，将放电波形与零电平比较结果、微分器输出与零电平比较结果进行与操作；

高速CMOS开关，由与门输出结果控制高速CMOS开关的关断，高速CMOS开关的一端通过电阻接地，另一端连接至采样电容。

4.根据权利要求3所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：所述第二高速比较器的输出用于高速数据采集电路的外部中断触发，通过外部中断触发的时间获得放电的每个波峰时刻。

5.根据权利要求3所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：与门输出结果用于控制高速CMOS开关的关断，当高速CMOS开关断开时，采样电容对放电波形采样并保持峰值，当高速CMOS开关闭合时，采样电容通过电阻接地，采样电容进行电荷泄放。

6.根据权利要求4所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：高速数据采集电路的外部中断被触发时，高速数据采集电路采集峰值采样保持电路输出电压。

7.根据权利要求1所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：利用高压放电波形获得每个峰值的时刻t₁、t₂、t₃……t_n和对应的峰值电压V₁、V₂、V₃……V_n计算点火能量，包括以下步骤：

1)计算放电周期T，T＝(t_n–t₁)/(n-1)；

2)计算衰减系数τ，

3)计算比例系数A，

4)通过τ和A推算高压放电的电压U和电流I波形，

其中G为高压放电峰值检测装置的衰减倍数，w为高压放电波形的角速度，t为时刻，R为电压至电流的转换系数。

8.根据权利要求7所述的一种基于高压放电峰值检测的点火能量测量方法，其特征在于：所述的放电周期T、衰减系数τ、比例系数A的计算数据来自于任取的相邻三个波峰的峰值和时刻。

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