基于針-針電極直流高壓電暈放電暗電流測量大氣相對濕度的研究

姚德新,鄒應全,蔣 沛

(南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京 210044)

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基于針-針電極直流高壓電暈放電暗電流測量大氣相對濕度的研究

姚德新,鄒應全*,蔣 沛

(南京信息工程大學電子與信息工程學院,南京 210044)

為了研究直流高壓電暈放電暗電流與大氣相對濕度的關系,為大氣濕度的測量提供新的方法。采用針-針電極結(jié)構的直流高壓放電模型,通過氣體放電理論推導了暗電流與濕度的理論關系;建立暗電流測量的實驗模型,測量不同輸入高壓和不同濕度下電極外回路放電暗電流。實驗結(jié)果與理論計算的規(guī)律一致,為電暈放電暗電流測量大氣濕度的研究提供了理論和實驗依據(jù)。實驗和計算結(jié)果表明:電暈放電暗電流隨著輸入電壓的降低和相對濕度的降低而減小;高相對濕度環(huán)境中,電暈放電暗電流隨著相對濕度的升高而劇烈增大。

濕度傳感器;電暈放電;湯遜放電理論;暗電流;氣體放電;針-針電極;相對濕度

濕度是影響著人們生活舒適度的一個重要的大氣參數(shù),與人體健康有著密切的關系。并且濕度在工農(nóng)業(yè)、社會生產(chǎn)以及科研等領域也有著相當大的影響。但由于濕度受其他因素(如大氣壓強、溫度、環(huán)境污染等)的影響很大,測量非常復雜,目前是大氣參數(shù)中最難準確測量的一個參數(shù)[1-3]。因此,對濕度的準確測量是非常重要且有意義的。學術和工程界對大氣濕度測量一直有著廣泛而深入的研究。

2005年陳文菊等人在《多壁碳納米管濕敏傳感器的研究》[4]中提出了一種基底為Al板電化學氧化成Al2O3絕緣層模板的濕敏傳感器,發(fā)現(xiàn)室溫下測試傳感器暴露在不同濕度的電阻變化,吸附了水分子后傳感器的導電能力降低,且下降的幅度與被測濕度有良好的梯度關系,同時該多壁碳納米管上的敏感膜對濕度呈指數(shù)級變化。文獻[5]中提出了一種基于多壁碳納米管/聚酰亞胺復合薄膜的新的電阻型相對濕度(RH)傳感器。在整個相對濕度范圍內(nèi)該傳感器具有很好的正斜率線性度。該傳感器濕度靈敏度約0.0047/%RH,線性相關(R2)為0.999 9。文獻[6]提出了一種基于直流磁控氧化鋅薄膜的高靈敏度濕度傳感器。論文提出氧化鋅薄膜鋅間隙和氧空位可以促進吸水蒸汽,通過阻抗技術控制水蒸汽吸附到傳感器薄膜。在相對濕度介于6.3%和84%之間時傳感器反應出類似一個四階變電阻,響應和恢復時間分別為3s和12s。該傳感器的高穩(wěn)定性為開發(fā)實用的濕度傳感器提供了依據(jù)。文獻[7]提出了以Si-NPA為襯底分別制備了nc-SiC/Si-NPA和nw-SiC/Si-NPA兩種復合納米體系,對其表面成分、形貌和濕度傳感性能進行了表征,并對相應的傳感機制進行了分析。結(jié)果表明,兩類樣品均對濕度具有較高的電容響應靈敏度和較快的響應速度,有望作為濕度傳感材料而在濕敏傳感器的制造中得到應用。Jinesh Mathew等人在文獻[8]中提出了基于瓊脂糖滲透的光子晶體光纖干涉儀相對濕度傳感器。該傳感器具有高靈敏度,在相對濕度84%的濕度變化約12 dB的。該傳感器在相對濕度30%的響應時間為400 ms。快速的響應時間表明,傳感器可以作為在臨床情況下監(jiān)測人的呼吸率。

以上研究表明,現(xiàn)有的濕度測量方法很多,并且在響應時間、精度、測量范圍等方面都有相關研究。但現(xiàn)有的濕度測量方法都存在濕度跨度大時無法做到精確測量,濕度變化劇烈時無法做到實時準確測量等問題。本文提出基于高壓電暈放電解決高變化率的濕度測量方法,該方法理論在電力系統(tǒng)和高壓放電領域已經(jīng)有了較多研究成果。

2007年惠建峰等人在《正直流電暈特性隨氣壓和濕度變化的研究》[9]中指出,電暈起始電壓隨氣壓下降、濕度升高而減小,其主要原因分別為有效電離系數(shù)增大導致的電離區(qū)域的擴大和高場強區(qū)域內(nèi)碰撞電離能力的增強。當直流電壓和電暈起始電壓的比值一定時,電暈離子電流也隨氣壓下降、濕度升高而減小。文獻[10]的研究表明,作為陽極的硅基片多層納米管和作為的陰極ITO薄玻璃膜為結(jié)構的新式導電濕度傳感器中,在陽極加足夠的正電壓,使得陽極和陰極之間間隙電離。通過檢測其預擊穿電流可以得到濕度,得到的靈敏系數(shù)是229.4,濕度從53.4%到6.8%得回復時間是10 s。卞星明等人在文獻[11]中指出,流注脈沖電流平均幅值I隨氣壓的降低和濕度的增大而減小。低濕度下,正直流流注電暈放電容易轉(zhuǎn)化為輝光電暈,高濕度下,在較寬的電壓范圍內(nèi)一直存在流注放電,流注脈沖平均頻率隨濕度升高顯著增大。文獻[12]提出了放電電流的增長可能是因為磁場使自由電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者拉莫運動,增加了自由電子和空氣分子的碰撞次數(shù)。放電電流的增長主要是由兩個因素決定,第1個是電暈區(qū)內(nèi)自由電子和空氣分子的碰撞次數(shù),第2個是電暈區(qū)內(nèi)電子的平均能量。

以上研究表明,對于氣壓、溫度對放電電壓的影響結(jié)論比較一致。但針對如何利用放電電壓值測量濕度或大氣壓的研究較少,利用高壓放電暗電流測量濕度的研究也很少。本研究利用針-針電極結(jié)構,建立了直流高壓電暈放電系統(tǒng)與暗電流測量系統(tǒng)的物理模型。研究了不同輸入高壓、相對濕度對電暈放電暗電流的影響規(guī)律,為大氣相對濕度提供新的研究與測量方法,并將高壓電暈放電現(xiàn)象應用到工程應用中提供一定的理論與實驗研究基礎。

1 實驗理論及實驗公式推導

1.1 電暈放電暗電流產(chǎn)生機理

在氣體放電理論[13]中電暈放電分為稍不均勻場和極不均勻場電暈放電。而只有極不均勻場中局部強場區(qū)的放電才能達到自持放電,并維持放電的穩(wěn)定。所以為了獲得更好的研究,文中采用大曲率半徑的針-針電極結(jié)構的極不均勻場電暈放電系統(tǒng)。

電暈放電暗電流主要產(chǎn)生機理[14]如圖1所示。

圖1 電暈放電過程示意圖

1.2 針-針電極放電暗電流公式理論推導

在湯遜放電理論[14-15]中,一個電子沿著電場方向行徑1 cm長度,平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)稱為湯遜第1電離系數(shù)α。一個正離子沿著電場方向行徑1 cm長度,平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)為湯生第2電離系數(shù)β。一個正離子撞擊陰極表面碰撞電離以及放電釋放出的光子引起陰極表面光電離產(chǎn)生的二次自由電子數(shù)為湯生第3電離系數(shù)γ。

假如針-針電極尖端間距為d,電極間距中為空氣,忽略電子擴散造成的損失。

α過程中引起的回路電流[16]可以表示為:

Iα=I0eαd

(1)

其中I0是外界因素引起的起始電流,其大小主要取決于空氣間隙的光電效應和電極尖端電離能力。由于H2O的電離能(12.59 eV)和O2的電離能(12.06 eV)及N2的電離能(15.58 eV)[17]差不多,所以空氣中水分子含量的增加幾乎不會改變I0數(shù)值。因此我們認為空氣中水分子變化時I0為常數(shù)。

β過程中,由于電子遷移率比離子遷移率大兩個數(shù)量級,正離子只有當它獲得相當于幾千電子伏的能量時,才能有效的電離原子,而正離子在自由程內(nèi)獲得這種能量的概率非常小,因而和電子相比,正離子在間隙中造成的空間電離過程不可能具有顯著的作用。因此,在工程計算中常忽略β過程引起的電流變化。

α過程和γ過程同時引起的回路電流為:

(2)

又eαd?1,則

(3)

γ和電極材料的逸出功有關,也與電極間場強與氣壓比值有關,因為離子和光子的動能決定于這個比值。但在工程實際計算中,γ通常看作常數(shù)[18],因為放電電壓對γ的反映不靈敏。工程上:ln(1/γ)=20,即γ=1/exp(20)。

α的值與空氣分子的碰撞截面和電離幾率相關。

(4)

(5)

式中,h表示空氣中含水分子的濃度。在氣壓和溫度不變時,將式(5)代入式(3)得到:

Iα+γ=I0[ehkd/(1-γehkd)]

(6)

即

lnIα+γ=lnI0+hkd-ln(1-γehkd)

(7)

2 實驗測量系統(tǒng)與實驗方法

2.1 實驗測量系統(tǒng)

實驗裝置如圖2所示:采用的直流高壓電源為HB-Z103-1C高壓電源,其輸入電壓為DC (12±1)V,可控輸出直流高壓為0～10 kV,通過滑動變阻器調(diào)整高壓的輸出。R1、R2分別為5 MΩ和100 MΩ的耐高壓電阻,R3為100 kΩ的金屬膜電阻,通過示波器測量R3上的電壓可以計算得到加在放電電極兩端的高壓。采用YGM-C180鏡面露點儀參控的溫濕度鑒定系統(tǒng)對放電裝置進行溫濕度控制。放電電極采用耐放電、放電性能好的鎢電極,電極間距為2 mm。R4為1 M的采樣電阻,其串聯(lián)在放電電極與地之間。采集器采用的是NI USB-6281采集器,其與計算機結(jié)合能實時、有效的采集、記錄R4兩端的電壓信號。

圖2 高壓電暈放電實驗裝置圖

2.2 實驗方法

按照實驗裝置連接好電路后,打開溫濕度參控儀,調(diào)整好溫度、濕度,溫度固定為20 ℃,濕度調(diào)整范圍控制在15%～95%。待溫濕度參控儀中溫濕度穩(wěn)定后,調(diào)節(jié)高壓電源輸入高壓,通過示波器測量R3兩端電壓并計算放電電極電壓;通過采集器與計算機測量、記錄R4兩端電壓,其中采集器采樣率設置為1 kHz,連續(xù)采集3 min的放電數(shù)據(jù)。然后對數(shù)據(jù)進行處理得到放電暗電流實驗值。

3 實驗結(jié)果及分析

放電電流的增長取決于電暈區(qū)內(nèi)自由電子和空氣分子的碰撞次數(shù)以及電暈區(qū)內(nèi)電子的平均能量。實驗分別研究了輸入直流高電壓和相對濕度對放電暗電流的影響。

3.1 不同輸入直流高電壓對暗電流的影響

電極間輸入電壓的變化,直接影響電極間自由電子的動能和電子發(fā)生碰撞電離的概率。當氣壓、溫度和相對濕度不變時,電極回路放電暗電流受輸入電壓影響明顯。圖3和圖4分別對應了高相對濕度與低相對濕度下放電暗電流隨輸入電壓的變化關系。

圖3反應了濕度分別為70%、75%、80%、85%、90%、95%時,輸入電壓2 kV、2.5 kV、3 kV、3.2 kV、3.5 kV和3.8kV對應的暗電流值。可以看出,相同濕度時,放電暗電流隨著輸入電壓的升高而增大,并且濕度越高這種變化趨勢越明顯。

圖3 高濕度下不同輸入直流高壓與暗電流的關系

圖4反應了濕度分別為20%、30%、40%、50%時,輸入電壓1.5 kV、2 kV、2.2 kV、2.5 kV、2.8 kV和3.0 kV對應的暗電流值。濕度不變時,放電暗電流隨著輸入電壓的升高而增大,但沒有高濕度時明顯,并且濕度越低這種變化趨勢越小。

圖4 低濕度下不同輸入直流高壓與暗電流的關系

3.2 不同相對濕度對暗電流的影響

圖5 高濕度范圍濕度與暗電流關系

氣壓、溫度、輸入電壓不變時,相對濕度的增加使得電子碰撞空氣分子以及水分子的次數(shù)增多,且水分子的電離能小于空氣分子,所以更容易被電離,增加了帶電電荷的濃度。圖5和圖6分別對應高濕度和低濕度對暗電流的影響。可以看出,同一電壓,隨著濕度的增大,暗電流增大,并且濕度越大暗電流增大的越劇烈,濕度越小暗電流增大的越緩慢。這是由于隨著相對濕度的增加空氣分子的電離系數(shù)增加速度大于附著系數(shù),濕度越高差距越大,所以暗電流就呈上升趨勢。

圖6 低濕度范圍濕度與暗電流關系

3.3 大范圍相對濕度與暗電流的關系

溫度、氣壓不變,直流輸入高壓為3.2 kV時,相對濕度與暗電流的實驗值如圖7點圖所示,其規(guī)律與3.2節(jié)分析的一致,通過濕度15%～95%范圍暗電流的變化可以看出:暗電流與相對濕度呈指數(shù)關系,濕度越高,變化越明顯。

通過隨機抽取3組實驗值對式(6)進行MATLAB擬合分析,得到圖7中的理論曲線。可知,實驗曲線與理論曲線的變化趨勢以及取值非常相近。這對通過高壓放電暗電流測量大氣濕度具有很強的指導意義。

圖7 大范圍相對濕度與放電暗電流的關系(3.2 kV輸入直流高壓)

4 結(jié)論

本文對針-針電極直流高壓電暈放電暗電流與大氣相對濕度的關系進行了研究,結(jié)果表明:①暗電流隨著輸入高壓的增大而增大:高濕度范圍內(nèi)變化明顯;低濕度范圍內(nèi)變化不明顯。②暗電流隨著濕度的增大而呈指數(shù)趨勢增大,并且濕度越高變化越劇烈。③實驗規(guī)律與理論得到的規(guī)律一致,實驗關系曲線與理論推導得到的曲線非常相近。④直流高壓電暈放電暗電流測量大氣濕度具有可行性。

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姚德新(1987-),男,南京信息工程大學信息與通信專業(yè)在讀研究生,主要研究方向為智能信息采集與處理,yaodexin08@126.com;

鄒應全(1976-),男,博士,副教授,主要研究方向為智能信息采集與處理、高速數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線及短程通信,zouyingq@home.swjtu.edu.cn。

AStudyonMeasurementofRelativeHumidityofAtmosphereBasedonDarkCurrentfromDCHigh-VoltageCoronaDischargeofaNeedle-NeedleElectrode

YAODexin,ZOUYingquan*,JIANGPei

(School of electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

To examine relationships between dark current from DC high-voltage corona discharge and relative humidity of atmosphere and make new methods available for measuring atmospheric humidity,a high-voltage DC needle-needle electrode was applied for discharging electricity. Meanwhile,theoretical relationships between dark current and humidity were deduced according to gas discharge theory. Then,an experimental model was built for measuring dark current,so as to measure the dark current discharged from the circuit outside the electrode in case of different input high voltage and humidity. Consistent with the rules of theoretical calculation,the results provided theoretical and experimental evidences for examining the measurement of atmospheric humidity based on the dark current from corona discharge. The results of experiment and calculation suggested that dark current from corona discharge declined with the decrease of input voltage and relative humidity. Under conditions of high relative humidity,dark current from corona discharge drastically increased with the rise of relative humidity.

humidity sensor;corona discharge;theory of Townsend discharge;dark current;gas discharge;Needle-Needle electrode;relative humidity

2014-06-27修改日期:2014-10-28

TP212

:A

:1004-1699(2014)12-1716-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.024