基于针-针电极直流高压电晕放电暗电流测量大气相对湿度的研究

姚德新,邹应全,蒋 沛

(南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)



基于针-针电极直流高压电晕放电暗电流测量大气相对湿度的研究

姚德新,邹应全*,蒋 沛

(南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)

为了研究直流高压电晕放电暗电流与大气相对湿度的关系,为大气湿度的测量提供新的方法。采用针-针电极结构的直流高压放电模型,通过气体放电理论推导了暗电流与湿度的理论关系;建立暗电流测量的实验模型,测量不同输入高压和不同湿度下电极外回路放电暗电流。实验结果与理论计算的规律一致,为电晕放电暗电流测量大气湿度的研究提供了理论和实验依据。实验和计算结果表明:电晕放电暗电流随着输入电压的降低和相对湿度的降低而减小;高相对湿度环境中,电晕放电暗电流随着相对湿度的升高而剧烈增大。

湿度传感器;电晕放电;汤逊放电理论;暗电流;气体放电;针-针电极;相对湿度

湿度是影响着人们生活舒适度的一个重要的大气参数,与人体健康有着密切的关系。并且湿度在工农业、社会生产以及科研等领域也有着相当大的影响。但由于湿度受其他因素(如大气压强、温度、环境污染等)的影响很大,测量非常复杂,目前是大气参数中最难准确测量的一个参数[1-3]。因此,对湿度的准确测量是非常重要且有意义的。学术和工程界对大气湿度测量一直有着广泛而深入的研究。

2005年陈文菊等人在《多壁碳纳米管湿敏传感器的研究》[4]中提出了一种基底为Al板电化学氧化成Al2O3绝缘层模板的湿敏传感器,发现室温下测试传感器暴露在不同湿度的电阻变化,吸附了水分子后传感器的导电能力降低,且下降的幅度与被测湿度有良好的梯度关系,同时该多壁碳纳米管上的敏感膜对湿度呈指数级变化。文献[5]中提出了一种基于多壁碳纳米管/聚酰亚胺复合薄膜的新的电阻型相对湿度(RH)传感器。在整个相对湿度范围内该传感器具有很好的正斜率线性度。该传感器湿度灵敏度约0.0047/%RH,线性相关(R2)为0.999 9。文献[6]提出了一种基于直流磁控氧化锌薄膜的高灵敏度湿度传感器。论文提出氧化锌薄膜锌间隙和氧空位可以促进吸水蒸汽,通过阻抗技术控制水蒸汽吸附到传感器薄膜。在相对湿度介于6.3%和84%之间时传感器反应出类似一个四阶变电阻,响应和恢复时间分别为3s和12s。该传感器的高稳定性为开发实用的湿度传感器提供了依据。文献[7]提出了以Si-NPA为衬底分别制备了nc-SiC/Si-NPA和nw-SiC/Si-NPA两种复合纳米体系,对其表面成分、形貌和湿度传感性能进行了表征,并对相应的传感机制进行了分析。结果表明,两类样品均对湿度具有较高的电容响应灵敏度和较快的响应速度,有望作为湿度传感材料而在湿敏传感器的制造中得到应用。Jinesh Mathew等人在文献[8]中提出了基于琼脂糖渗透的光子晶体光纤干涉仪相对湿度传感器。该传感器具有高灵敏度,在相对湿度84%的湿度变化约12 dB的。该传感器在相对湿度30%的响应时间为400 ms。快速的响应时间表明,传感器可以作为在临床情况下监测人的呼吸率。

以上研究表明,现有的湿度测量方法很多,并且在响应时间、精度、测量范围等方面都有相关研究。但现有的湿度测量方法都存在湿度跨度大时无法做到精确测量,湿度变化剧烈时无法做到实时准确测量等问题。本文提出基于高压电晕放电解决高变化率的湿度测量方法,该方法理论在电力系统和高压放电领域已经有了较多研究成果。

2007年惠建峰等人在《正直流电晕特性随气压和湿度变化的研究》[9]中指出,电晕起始电压随气压下降、湿度升高而减小,其主要原因分别为有效电离系数增大导致的电离区域的扩大和高场强区域内碰撞电离能力的增强。当直流电压和电晕起始电压的比值一定时,电晕离子电流也随气压下降、湿度升高而减小。文献[10]的研究表明,作为阳极的硅基片多层纳米管和作为的阴极ITO薄玻璃膜为结构的新式导电湿度传感器中,在阳极加足够的正电压,使得阳极和阴极之间间隙电离。通过检测其预击穿电流可以得到湿度,得到的灵敏系数是229.4,湿度从53.4%到6.8%得回复时间是10 s。卞星明等人在文献[11]中指出,流注脉冲电流平均幅值I随气压的降低和湿度的增大而减小。低湿度下,正直流流注电晕放电容易转化为辉光电晕,高湿度下,在较宽的电压范围内一直存在流注放电,流注脉冲平均频率随湿度升高显著增大。文献[12]提出了放电电流的增长可能是因为磁场使自由电子发生偏转或者拉莫运动,增加了自由电子和空气分子的碰撞次数。放电电流的增长主要是由两个因素决定,第1个是电晕区内自由电子和空气分子的碰撞次数,第2个是电晕区内电子的平均能量。

以上研究表明,对于气压、温度对放电电压的影响结论比较一致。但针对如何利用放电电压值测量湿度或大气压的研究较少,利用高压放电暗电流测量湿度的研究也很少。本研究利用针-针电极结构,建立了直流高压电晕放电系统与暗电流测量系统的物理模型。研究了不同输入高压、相对湿度对电晕放电暗电流的影响规律,为大气相对湿度提供新的研究与测量方法,并将高压电晕放电现象应用到工程应用中提供一定的理论与实验研究基础。

1 实验理论及实验公式推导

1.1 电晕放电暗电流产生机理

在气体放电理论[13]中电晕放电分为稍不均匀场和极不均匀场电晕放电。而只有极不均匀场中局部强场区的放电才能达到自持放电,并维持放电的稳定。所以为了获得更好的研究,文中采用大曲率半径的针-针电极结构的极不均匀场电晕放电系统。

电晕放电暗电流主要产生机理[14]如图1所示。

图1 电晕放电过程示意图

1.2 针-针电极放电暗电流公式理论推导

在汤逊放电理论[14-15]中,一个电子沿着电场方向行径1 cm长度,平均发生的碰撞电离次数称为汤逊第1电离系数α。一个正离子沿着电场方向行径1 cm长度,平均发生的碰撞电离次数为汤生第2电离系数β。一个正离子撞击阴极表面碰撞电离以及放电释放出的光子引起阴极表面光电离产生的二次自由电子数为汤生第3电离系数γ。

假如针-针电极尖端间距为d,电极间距中为空气,忽略电子扩散造成的损失。

α过程中引起的回路电流[16]可以表示为:

Iα=I0eαd

(1)

其中I0是外界因素引起的起始电流,其大小主要取决于空气间隙的光电效应和电极尖端电离能力。由于H2O的电离能(12.59 eV)和O2的电离能(12.06 eV)及N2的电离能(15.58 eV)[17]差不多,所以空气中水分子含量的增加几乎不会改变I0数值。因此我们认为空气中水分子变化时I0为常数。

β过程中,由于电子迁移率比离子迁移率大两个数量级,正离子只有当它获得相当于几千电子伏的能量时,才能有效的电离原子,而正离子在自由程内获得这种能量的概率非常小,因而和电子相比,正离子在间隙中造成的空间电离过程不可能具有显著的作用。因此,在工程计算中常忽略β过程引起的电流变化。

α过程和γ过程同时引起的回路电流为:

(2)

又eαd≫1,则

(3)

γ和电极材料的逸出功有关,也与电极间场强与气压比值有关,因为离子和光子的动能决定于这个比值。但在工程实际计算中,γ通常看作常数[18],因为放电电压对γ的反映不灵敏。工程上:ln(1/γ)=20,即γ=1/exp(20)。

α的值与空气分子的碰撞截面和电离几率相关。

(4)

(5)

式中,h表示空气中含水分子的浓度。在气压和温度不变时,将式(5)代入式(3)得到:

Iα+γ=I0[ehkd/(1-γehkd)]

(6)

即

lnIα+γ=lnI0+hkd-ln(1-γehkd)

(7)

2 实验测量系统与实验方法

2.1 实验测量系统

实验装置如图2所示:采用的直流高压电源为HB-Z103-1C高压电源,其输入电压为DC (12±1)V,可控输出直流高压为0～10 kV,通过滑动变阻器调整高压的输出。R1、R2分别为5 MΩ和100 MΩ的耐高压电阻,R3为100 kΩ的金属膜电阻,通过示波器测量R3上的电压可以计算得到加在放电电极两端的高压。采用YGM-C180镜面露点仪参控的温湿度鉴定系统对放电装置进行温湿度控制。放电电极采用耐放电、放电性能好的钨电极,电极间距为2 mm。R4为1 M的采样电阻,其串联在放电电极与地之间。采集器采用的是NI USB-6281采集器,其与计算机结合能实时、有效的采集、记录R4两端的电压信号。

图2 高压电晕放电实验装置图

2.2 实验方法

按照实验装置连接好电路后,打开温湿度参控仪,调整好温度、湿度,温度固定为20 ℃,湿度调整范围控制在15%～95%。待温湿度参控仪中温湿度稳定后,调节高压电源输入高压,通过示波器测量R3两端电压并计算放电电极电压;通过采集器与计算机测量、记录R4两端电压,其中采集器采样率设置为1 kHz,连续采集3 min的放电数据。然后对数据进行处理得到放电暗电流实验值。

3 实验结果及分析

放电电流的增长取决于电晕区内自由电子和空气分子的碰撞次数以及电晕区内电子的平均能量。实验分别研究了输入直流高电压和相对湿度对放电暗电流的影响。

3.1 不同输入直流高电压对暗电流的影响

电极间输入电压的变化,直接影响电极间自由电子的动能和电子发生碰撞电离的概率。当气压、温度和相对湿度不变时,电极回路放电暗电流受输入电压影响明显。图3和图4分别对应了高相对湿度与低相对湿度下放电暗电流随输入电压的变化关系。

图3反应了湿度分别为70%、75%、80%、85%、90%、95%时,输入电压2 kV、2.5 kV、3 kV、3.2 kV、3.5 kV和3.8kV对应的暗电流值。可以看出,相同湿度时,放电暗电流随着输入电压的升高而增大,并且湿度越高这种变化趋势越明显。

图3 高湿度下不同输入直流高压与暗电流的关系

图4反应了湿度分别为20%、30%、40%、50%时,输入电压1.5 kV、2 kV、2.2 kV、2.5 kV、2.8 kV和3.0 kV对应的暗电流值。湿度不变时,放电暗电流随着输入电压的升高而增大,但没有高湿度时明显,并且湿度越低这种变化趋势越小。

图4 低湿度下不同输入直流高压与暗电流的关系

3.2 不同相对湿度对暗电流的影响

图5 高湿度范围湿度与暗电流关系

气压、温度、输入电压不变时,相对湿度的增加使得电子碰撞空气分子以及水分子的次数增多,且水分子的电离能小于空气分子,所以更容易被电离,增加了带电电荷的浓度。图5和图6分别对应高湿度和低湿度对暗电流的影响。可以看出,同一电压,随着湿度的增大,暗电流增大,并且湿度越大暗电流增大的越剧烈,湿度越小暗电流增大的越缓慢。这是由于随着相对湿度的增加空气分子的电离系数增加速度大于附着系数,湿度越高差距越大,所以暗电流就呈上升趋势。

图6 低湿度范围湿度与暗电流关系

3.3 大范围相对湿度与暗电流的关系

温度、气压不变,直流输入高压为3.2 kV时,相对湿度与暗电流的实验值如图7点图所示,其规律与3.2节分析的一致,通过湿度15%～95%范围暗电流的变化可以看出:暗电流与相对湿度呈指数关系,湿度越高,变化越明显。

通过随机抽取3组实验值对式(6)进行MATLAB拟合分析,得到图7中的理论曲线。可知,实验曲线与理论曲线的变化趋势以及取值非常相近。这对通过高压放电暗电流测量大气湿度具有很强的指导意义。

图7 大范围相对湿度与放电暗电流的关系(3.2 kV输入直流高压)

4 结论

本文对针-针电极直流高压电晕放电暗电流与大气相对湿度的关系进行了研究,结果表明:①暗电流随着输入高压的增大而增大:高湿度范围内变化明显;低湿度范围内变化不明显。②暗电流随着湿度的增大而呈指数趋势增大,并且湿度越高变化越剧烈。③实验规律与理论得到的规律一致,实验关系曲线与理论推导得到的曲线非常相近。④直流高压电晕放电暗电流测量大气湿度具有可行性。

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姚德新(1987-),男,南京信息工程大学信息与通信专业在读研究生,主要研究方向为智能信息采集与处理,yaodexin08@126.com;

邹应全(1976-),男,博士,副教授,主要研究方向为智能信息采集与处理、高速数据采集、现场总线及短程通信,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