一种用于场强测试的电极选型方法、记录媒体及系统

技术领域

本发明属于电场测试技术领域，公开了一种用于场强测试的电极选型方法、记录媒体及系统。

背景技术

直流合成电场测量基本是通过屏蔽电极片和感应电极片的相对运动，使得传感面周期性交替暴露于直流电场中，通过暴露面积的变化使得接收的电场信号交变，通过信号调理获得正弦交流信号与场强的关系。由于交流信号获得需要通过面积暴露，即间隙设计实现，因此，间隙形状直接决定了电流信号的正弦程度。现有场磨式合成场测量采用的基于旋转扇片式结构，测量时扇片转动形成表面风，对离子流的扰动导致测量信号带有直流信号，严重影响测量的准确性。

屏蔽电极片和感应电极片相对运动选择怎样的型式才能改善离子流扰动对测量信号的影响，屏蔽电极片的形状如何设计，才能使得检测场强设备中的电极造成的场强畸变更小一直是场强测试人员所面临的技术问题。

发明内容

针对上述问题及多数情况下高压直流输电形成的电场方向为竖直方向，本发明提供一种用于场强测试的电极选型方法，具体方案包括：包括将感应电极片置于外表面包括带有一列条状镂空栅格的屏蔽电极片的金属壳内，使所述感应电极片和屏蔽电极片均垂直于电场线方向。所述条状镂空栅格的长度是宽度的两倍以上，宽度为排列方向，设置所述感应电极片在所处平面内相对于所述感应电极片沿所述排列方向振动，一个振动周期内完成对所述条状镂空栅格的完全遮闭至完全通透；

所述屏蔽电极片的选型包括设置不同的屏蔽电极片的外廓形状、所述条状镂空栅格的形状和相邻所述条状镂空栅格的间距，调整所述外廓形状、条状镂空栅格的形状和相邻所述条状镂空栅格的间距，并对所述屏蔽电极片的条状镂空栅格两端及中部的场强变化进行测量，选择对待测直流电场产生最小畸变的所述屏蔽电极片的型式。

上述方法能快速判别出怎样设计电极片的型式才能改善离子流扰动对测量信号的影响，且使得检测场强设备中的电极造成的场强畸变更小。

优选的，所述外廓形状的备选设置为矩形或圆形；单个所述条状镂空栅格形状的备选设置为矩形、矩形端头倒圆的条形或椭圆形。

这样就由2种所述外廓形状和3种单个所述条状镂空栅格形状排列组合形成2×3＝6种备选型式。从经验上看这种规则的形状较其他形状更易配合感应电极的运动行成交变感应电流，从而避免了对其余各种形状排列方式的测试，节省了测试时间和计算资源。

优选的，一列所述条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为矩形或圆形。

进一步的，一列所述条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置仅为矩形。

进一步的，一列所述条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为圆形时，单个所述条状镂空栅格形状备选设置仅为矩形端头倒圆的条形。

进一步筛选方案后，对应整列条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为矩形时存在上述的6种备选型式；

而对应所述条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为圆形时，则因为单个所述条状镂空栅格形状备选设置只有1种“矩形端头倒圆的条形”，与所述外廓形状备选设置为矩形或圆形排列组合，共有1×2＝2种备选型式。

更进一步的，设置每个所述条状镂空栅格等宽且宽度与各相邻所述条状镂空栅格的间距相同。

优选的，各相邻所述条状镂空栅格的间距设置为3mm、5mm、10mm、15mm中的任一项。

经过对方案的前期筛选，能够大幅降低没有意义的数据冗余，能较快的检索出我们需要的且易于加工的屏蔽电极片的结构型式。

本发明的另一方案在于提供一种非暂态可读记录媒体，用以存储包含多个指令的一个或多个程序，当执行指令时，将致使处理电路执行上述的一种用于场强测试的电极选型方法。

本发明的又一方案在于提供一种用于场强测试的电极选型系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述一种用于场强测试的电极选型方法。

附图说明

图1为本发明实施例中一列条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为矩形时存在6种备选型式的屏蔽电极片结构示意图；

图2为本发明实施例中一列条状镂空栅格的外轮廓形状备选设置为圆形时存在2种备选型式的屏蔽电极片结构示意图；

图3为本发明实施例中作为电极的金属片置于电场内的仿真模型图；

图4为本发明实施例中作为电极的金属片置于电场内的表面场强云图；

图5为本发明实施例中场强仿真分析曲线坐标系的选取示意图；

图6为本发明实施例中选取不同栅格间距时在栅格长度方向的场强分布图；

图7为本发明实施例中一个周期内电场线穿过感应电极片的面积曲线；

图8为本发明实施例中单个所述条状镂空栅格形状设置为椭圆形所产生的感应电流时域和频域图；

图9为本发明实施例中原有场磨式测量装置产生的感应电流时域和频域图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新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。

当电场内存在金属体时，空间场强将会受到影响而发生畸变。在设计测量装置探头(即包括下文中提到的屏蔽电极片、感应电极片和附属运动机构)结构时，应当尽量减小探头本身对场强的影响。当探头对所处电场的场强的影响在可接受范围内，则可将该处视为均匀场强，测量的数据进行标定后即可得到准确场强；但若探头使所处地点的原始场强发生局部畸变，场强不再均匀，则探头所测的数据与实际场强的数值的离散程度将增加。为减小这方面的影响，对屏蔽电极片进行仿真分析，选择合适的结构，使得屏蔽电极附近场强畸变程度尽可能小。

在仿真时采用静电场模型。在电极片所处的区域内为无源场，电位函数

由边界条件决定金属片所处场强，边界条件满足下式：

其中

在图1、图2的8种结构型式中，取屏蔽电极片外廓为边长为200mm的正方形、一列条状镂空栅格外轮廓为矩形，单个所述条状镂空栅格为长60mm，宽5mm矩形框，各相邻所述条状镂空栅格的间距相同为5mm的结构作为进行仿真实验的实施例。对其施加恒定场强的方式为，搭建垂直距离为2m的平行极板，上极板电位为10kV，下极板接地，则屏蔽电极片所处场强为5kV/m，上下极板均为3m×3m的正方形，该轮廓远大于金属片的边长，因此金属片所处空间可视为无限大，且为均匀场强。屏蔽电极片模型之一搭建如图3所示。图中大立方体为仿真区域，上表面与下表面分别加压控制，屏蔽电极片距离地面(电势为0的下表面)20mm，屏蔽电极片区域表面场强云图分布如图4所示。

设置每个所述条状镂空栅格等宽且宽度与各相邻所述条状镂空栅格的间距相同，通过控制变量法，对不同的宽度值仿真(即模拟试验)。

参见图5、图6，由于场强畸变程度受多种因素影响，为探究气隙宽度与间距对畸变的影响，有必要控制其余因素不变。结合实际情况，金属板的空气间隙(即上述条状镂空栅格的宽度)与间隙间距相同。以矩形空气间隙为例，在屏蔽电极片外廓为矩形和圆形两种型式下，分别将空隙间距为3mm，5mm，10mm，15mm，分析金属表面空隙两端、空隙中部(包括x轴与y轴方向)的场强变化曲线。可看出条状镂空栅格越宽，则两端的场强畸变越大，但条状镂空栅格过窄，则中间部分的场强畸变较大，综合来看条状镂空栅格的宽度设置为5mm比较适合。在此基础上对前述图1-2的8种不同屏蔽电极片的选型进行仿真，仿真结果参见表1：

在不同空隙形状下，金属外壳对畸变程度的影响表，如表1所示，在这里采用畸变系数k进行分析。k由下式给出：

式中E

表中组合体的选型代表一列条状镂空栅格的外轮廓形状为圆形时，单个所述条状镂空栅格形状为矩形端头倒圆的条形，其余选型均属一列条状镂空栅格的外轮廓形状为矩形。

通过该表统计得出结论，屏蔽电极片的外廓形状为矩形、一列条状镂空栅格的外轮廓形状为矩形且单个所述条状镂空栅格形状为椭圆形时的选型对场强畸变影响最小，这时椭圆的短轴和相邻椭圆的间距均为5mm，而椭圆的长轴可以设置为大于10mm至190mm区间内的任意值，为方便后续分析，我们将椭圆长轴长度设置为固定值60mm。

表1不同结构下场强畸变系数表

将上述选型试验中获得的结果做下面的数理分析：

以任一条状镂空栅格的质心为坐标原点在屏蔽电极片所在平面上建立二维坐标系，x方向为振动方向，也即条状镂空栅格的宽度方向。设电机振动频率为f，电机驱动传感器水平匀速振动，则传感器振动一次周期为1/f，初始时刻感应电极曝露于电场中的面积为0，则当时间满足

因此，

在半个周期内，感应电极曝露于电场的面积表达式为：

若被测直流场强为、介电常数为，则感应极上感应电荷为：

Q(t)＝ε

感应电荷产生的电流为：

当振动频率为50Hz时，一个周期内的面积曲线如图7所示。利用数学软件进行傅里叶分析，采样频率为1kHz，数据点为1024。得到一个周期内的电流时域和频域图(图8)，与常规场模式检测装置获得的方波信号的时域和频域图(图9)进行比较可知，目前这种选型所获的电流波形的基波含量更少，更加不受周期性运动的干扰，优化效果较好。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机、可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

将上述方法步骤汇编成程序再存储于硬盘或其他非暂态存储介质就构成了本发明的“一种非暂态可读记录媒体”技术方案；而将该存储介质与计算机处理器电连接，通过数据处理能完成用于场强测试的电极选型，则构成本发明的“一种用于场强测试的电极选型系统”技术方案。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。