基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法
技术领域
1.本发明涉及一种静电火花能量自动计算方法，具体是一种基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法。
背景技术：2.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，在评价粉尘云潜在爆炸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。
3.根据标准gb/t 16428，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，由于充电电容存储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，甚至远低于充电能量。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极两端的电压差u和放电电流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。但通常放电电压u和放电电流i之间存在相位差，需手动对放电电压和电流曲线进行相位调整，否则将导致积分计算结果中存在量级上的差异。而放电电压和放电电流之间的相位差随放电频率而变化，极难对相位差进行统一校准，这导致该方法难以通过程序进行自动计算。人工手工校准的方法导致计算效率低下，且容易产生较大的人为偏差。
技术实现要素：4.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种静电火花能量自动计算方法，旨在提高火花能量计算精度的同时，实现静电火花能量的自动计算，以集成至粉尘云最小点火能测试仪，提高测试仪器的自动化水平，提高测试效率。
5.为实现上述目的，本发明根据静电火花放电波形符合欠阻尼振荡衰减特征这一现象，将静电放电回路等效为lcr电路，提供一种基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法，该方法包括以下步骤：
6.s1、去除放电电流波形i(t)中存在的直流偏置和高频噪声；
7.s2、根据预设判别条件自动获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻，并将振荡波形起始时刻设置为时间零点；
8.s3、根据放电周期计算振荡角频率、系统固有电感和第一峰值电流；
9.s4、计算第一峰值电流计算值与放电电流最大峰值之间的偏差，若计算偏差优于设定偏差，则执行步骤s5；否则返回步骤s2，调节预设判别条件，重新获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻；
10.s5、计算对数衰减率、阻尼比、回路电阻、火花电阻rs和火花电感ls；
11.s6、拟合放电电流曲线，计算拟合度，若拟合度优于设定阈值，则进入步骤s7；否则
返回步骤s5，调节火花电阻rs和火花电感ls中指数项的比例系数；
12.s7、计算静电火花放电能量es，es＝∫i(t)2rsdt。
13.本发明的有益效果：本发明仅通过放电电流波形数据实现对火花电阻的自动求解，并通过对放电电流波形拟合效果判断火花电阻求解的有效性，进而实现火花放电能量的自动计算。相对于常规对放电电压和放电电流进行积分的做法，该方式避免了调整放电电压和放电电流之间的相位差，减小了工作量和人为读数误差，可在提升工作效率的同时提高了计算准确性，可集成至粉尘云最小点火能测试仪计算软件，有效提高测试仪器的自动化水平。
附图说明
14.图1为根据本发明实施例的放电火花能量计算流程图。
15.图2为根据本发明实施例的放电火花电流拟合波形示意图。
具体实施方式
16.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。
17.本发明涉及一种基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法，主要用于粉尘云最小点火能测试仪、20l球形爆炸测试仪及静电感度仪等包含静电火花发生功能的仪器设备，可提高静电火花能量计算准确性，同时提升测试仪器的自动化水平，提升测试效率。lcr模型认为静电火花击穿空气后形成稳定的火花通道，该火花通道可等效为火花电阻，静电火花回路可等效为lcr电路。但静电火花放电具有一定随机性，在电路参数完全相同情况下，依然可产生不同的火花电阻，且火花电阻随着放电进行而变化，因此通过es＝∫i(t)2rsdt方式可实现更准确的火花能量计算。
18.本发明提供的一种基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
19.s1、去除放电电流波形i(t)中存在的直流偏置和高频噪声。
20.s2、根据预设判别条件自动获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻，并将振荡波形起始时刻设置为时间零点。
21.s3、根据放电周期计算振荡角频率、系统固有电感和第一峰值电流。
22.s4、计算第一峰值电流计算值与放电电流最大峰值之间的偏差，若计算偏差优于设定偏差，则执行步骤s5，否则返回步骤s2，调节预设判别条件，重新获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻。
23.s5、计算对数衰减率、阻尼比、回路电阻、火花电阻rs和火花电感ls。
24.s6、拟合放电电流曲线，计算拟合度，若拟合度优于设定阈值，则进入步骤s7，否则返回步骤s5，调节火花电阻rs和火花电感ls中指数项的比例系数。
25.s7、计算静电火花放电能量es，es＝∫i(t)2rsdt。
26.上述步骤s1中去除放电电流波形存在的直流偏置可通过多种方法实现，包括但不限于：对放电振荡波形起始前若干数据点求算术平均，将放电振荡波形整体减去该平均值，即去除放电电流波形i(t)中存在的直流偏置；或对放电振荡波形进行高通滤波。去除放电电流波形存在的直流偏置可实现s5步骤中更准确的阻尼比计算。
27.上述步骤s1中去除放电电流波形存在的高频噪声可通过多种方法实现，包括但不限于：采用低通滤波方式，截止频率取决于振荡角频率。去除放电电流波形存在的高频噪声可实现s2步骤中更准确的最大峰值检测。
28.上述步骤s2中检测波峰值和波峰所对应的时刻可通过多种方法实现，包括但不限于：一阶差分判别法或二阶差分判别法。为提高抗干扰性能，避免虚假极值，上述步骤s2其特征在于，根据静电火花放电波形符合欠阻尼振荡衰减特征，通过周期检测判断所检出的极值点是否为虚假极值，包括以下步骤：
29.s2-1、通过一阶差分或二阶差分方法判别局部极值，将所有局部极值按时间顺序排列，计算相邻极值之间的时间间隔。
30.s2-2、将连续时间间隔相等的极值点标记为真实极值，其平均时间间隔的两倍即为放电周期t。
31.s2-3、以真实极值点为基础寻找时间间隔为t/2的极值点，剔除时间间隔显著低于t/2的极值点，所保留的极值中正数值即为波峰，负数值即为波谷，振荡波形起始时刻即为时间零点。
32.上述步骤s3包括以下步骤：
33.s3-1、计算角频率ω，
34.s3-2、计算系统固有电感lc，其中c为储能电容，为已知量；
35.s3-3、计算第一峰值电流i
p1
，其中u为储能电容充电电压，为已知量。
36.其中，步骤s3-1和步骤s3-2先后执行顺序不影响计算结果。
37.上述步骤s4中计算第一峰值电流i
p1
与与放电电流最大峰值之间的偏差δi，若δi/i
p1
优于设定偏差，则执行步骤s5，否则返回步骤s2，调节一阶差分判别法或二阶差分判别法中的预设判别条件。
38.上述步骤s5包括以下步骤：
39.s5-1、计算对数衰减率δ，δ＝ln|i
pn
/i
p(n+1)
|，其中i
pn
为第n个波峰值；
40.s5-2、计算阻尼比ζ，
41.s5-3、计算系统电阻r
t
，
42.s5-4、计算火花电阻rs的常数项c，c＝r
t-rc，其中rc为回路电阻，取决于火花放电系统，为已知量；
43.s5-5、计算火花电阻rs的指数项ae
bt
，其中系数a的范围在0～1；
44.s5-6、计算火花电感ls，ls＝me
nt
，其中系数m的范围在0～0.1。
45.上述步骤s6包括以下步骤：
46.s6-1、拟合放电电流波形i'(t)，其中β为衰减因子，β＝(rc+rs)/2(lc+ls)；
47.s6-2、计算电流数据的离差平方和sst，sst＝(i
1-i
avg
)2+(i
2-i
avg
)2+
…
+(i
m-i
avg
)2，其中i1、i2、im分别为电流波形的第1、2、m个数据点的电流值，i
avg
为电流波形数据的算术平均值；
48.s6-3、计算拟合电流的残差平方和sse，sse＝(i
1-i'1)2+(i
2-i'2)2+
…
+(i
m-i'm)2，其中i'1、i'2、i'm分别为拟合放电电流波形的第1、2、m个数据点的电流值；
49.s6-4、计算拟合度r-squared，r-squared＝1-sse/sst，若r-squared≥设定阈值，则放电电流拟合结果优，继续下一步计算，若r-squared《设定阈值，则放电电流拟合不通过，返回步骤s5，调整系数a、b值，并重复步骤s5～s6，若重复最大计算次数仍不能满足r-squared《设定阈值，则选择拟合度最优一次结果呈现。其中，优选地，拟合度设定阈值0.90～0.95，最终的放电电流拟合波形效果如图2所示。
50.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。
技术特征：1.基于lcr等效模型的静电火花能量自动计算方法，其特征在于包括以下步骤：s1、去除放电电流波形中存在的直流偏置和高频噪声；s2、根据预设判别条件自动获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻，并将振荡波形起始时刻设置为时间零点；s3、根据放电周期计算振荡角频率、系统固有电感和第一峰值电流；s4、计算第一峰值电流计算值与放电电流最大峰值之间的偏差；若计算偏差优于设定偏差，则执行步骤s5；否则返回步骤s2，调节预设判别条件，重新获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻；s5、计算对数衰减率、阻尼比、回路电阻、火花电阻和火花电感；s6、拟合放电电流曲线，计算拟合度，若拟合度优于设定阈值，则进入步骤s7；否则返回步骤s5，调节火花电阻和火花电感中指数项的比例系数；s7、利用放电电流波形和火花电阻计算静电火花放电能量。2.根据权利要求1所述的静电火花能量自动计算方法，其特征在于，步骤s1中去除放电电流波形存在的直流偏置具体是：对放电振荡波形起始前若干数据点求算术平均，将放电振荡波形整体减去该平均值，即去除放电电流波形中存在的直流偏置；或，对放电振荡波形进行高通滤波。3.根据权利要求1所述的静电火花能量自动计算方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：s2-1、通过一阶差分或二阶差分方法判别局部极值，将所有局部极值按时间顺序排列，计算相邻极值之间的时间间隔；s2-2、将连续时间间隔相等的极值点标记为真实极值，其平均时间间隔的两倍即为放电周期t；s2-3、以真实极值点为基础，寻找时间间隔为t/2的极值点，剔除时间间隔显著低于t/2的极值点，所保留的极值中正数值即为波峰，负数值即为波谷；振荡波形起始时刻即为时间零点。4.根据权利要求3所述的静电火花能量自动计算方法，其特征在于，步骤s3具体包括以下步骤：s3-1、计算角频率ω，s3-2、计算系统固有电感l
c
，其中c为储能电容；s3-3、计算第一峰值电流i
p1
，其中u为储能电容充电电压。5.根据权利要求1所述的静电火花能量自动计算方法，其特征在于，步骤s5具体包括以下步骤：s5-1、计算对数衰减率δ，δ＝ln|i
pn
/i
p(n+1)
|，其中i
pn
为第n个波峰值；s5-2、计算阻尼比ζ，
s5-3、计算系统电阻r
t
，其中c为储能电容；s5-4、计算火花电阻r
s
的常数项c，c＝r
t-r
c
，其中r
c
为回路电阻，取决于火花放电系统；s5-5、计算火花电阻r
s
的指数项ae
bt
，其中系数a的范围在0～1；s5-6、计算火花电感l
s
，l
s
＝me
nt
，其中系数m的范围在0～0.1。6.根据权利要求1所述的静电火花能量自动计算方法，其特征在于，步骤s6其特征在于包括以下步骤：s6-1、拟合放电电流波形i'(t)，其中β为衰减因子，β＝(r
c
+r
s
)/2(l
c
+l
s
)；l
c
为系统固有电感，l
s
为火花电感，u为储能电容充电电压，ω为角频率s6-2、计算电流数据的离差平方和sst，sst＝(i
1-i
avg
)2+(i
2-i
avg
)2+
…
+(i
m-i
avg
)2，其中i1、i2、i
m
分别为电流波形的第1、2、m个数据点的电流值，i
avg
为电流波形数据的算术平均值；s6-3、计算拟合电流的残差平方和sse，sse＝(i
1-i
′1)2+(i
2-i
′2)2+
…
+(i
m-i
′
m
)2，其中i
′1、i
′2、i
′
m
分别为拟合放电电流波形的第1、2、m个数据点的电流值；s6-4、计算拟合度r-squared，r-squared＝1-sse/sst，若r-squared≥设定阈值，则放电电流拟合结果优，继续下一步计算，若r-squared<设定阈值，则放电电流拟合不通过，返回步骤s5，调整系数a、b值，并重复步骤s5～s6，若重复最大计算次数仍不能满足r-squared<设定阈值，则选择拟合度最优一次结果呈现。
技术总结本发明公开了一种基于LCR等效模型的静电火花能量自动计算方法。该方法主要流程为：去除放电电流中存在的直流偏置和高频噪声；根据预设判别条件自动获取放电电流波形的波峰值和波峰所对应的时刻；根据放电周期计算振荡角频率、系统固有电感和第一峰值电流；计算对数衰减率、阻尼比、回路电阻、火花电阻和火花电感；拟合放电电流曲线，计算拟合度，若拟合度优于设定阈值，则执行后续操作，否则返回调整火花电阻和火花电感中指数项的比例系数；计算静电火花放电能量。本发明仅通过放电电流波形数据实现对火花电阻的自动求解，并通过对放电电流波形拟合效果判断火花电阻求解的有效性，进而实现火花放电能量的自动计算。而实现火花放电能量的自动计算。而实现火花放电能量的自动计算。
技术研发人员：王志宇 杨遂军 叶树亮
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.05.20
技术公布日：2022/7/5
