CN106443217A - 一种空间电荷密度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计了一种空间电荷密度测量装置，本发明的技术方案综合了离子计数法以及电荷筛选法各自的优点，可在测量装置参数要求低、尺寸小的前提下，实现宽粒径范围电荷密度的精确测量。所述装置包括屏蔽层、绝缘层、离子计数法传感器、电荷筛选法传感器、流量计、离子计数法偏压电源、负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块、电荷测量模块、测量结果处理模块和气体吸入装置。

Description

一种空间电荷密度测量装置
技术领域
本发明涉及测量系统领域，并且更具体地，涉及一种空间电荷密度测量装置
背景技术
直流输电线路下的合成电场是直流输电线路电磁环境的一个重要参数，直流输电线路电晕产生的离子形成的电场作为合成场强的一部分，对合成场强值的影响很大。为研究我国特殊环境下的空间电荷密度与地面合成电场之间的关系，需要对空间分布的电荷密度进行测量。目前电荷密度测量的方法主要有离子计数法、电荷筛选法、法拉第笼法等。其中，离子计数法可捕获粒径小、迁移率大的带电粒子，而电荷筛选法对大粒径的带电粒子有更好的吸附效果，法拉第笼法体积较大，主要用于输电线路走廊外电荷密度的测量。现有成型的仪器主要基于离子计数法针对空气中的负离子密度进行测量，很少涉及直流输电环境中电荷密度的测量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种空间电荷密度测量装置，结合离子计数法、电荷筛选法的优点，实现了宽粒径范围电荷密度的精确测量。
根据本发明的一个方面，提供了一种空间电荷密度测量装置，包括：
所述测量装置包括屏蔽层、绝缘层、离子计数法传感器、离子计数法偏压电源、负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块、电荷筛选法传感器、电荷测量模块、测量结果处理模块、流量计、以及气体吸入装置，其中所述绝缘层的中心轴线与水平面平行放置，所述离子计数法传感器、电荷筛选法传感器、流量计和气体吸入装置在水平方向上依次安装于绝缘层内侧；
其特征在于，所述屏蔽层和绝缘层均为圆筒形结构，且屏蔽层位于绝缘层的外部；所述离子计数法传感器通过离子计数法偏压电源供电形成电场以进行离子的捕获；
所述负离子微弱电流测量模块和正离子微弱电流测量模块用于测量离子计数法传感器捕获离子形成的电流，其中所述负离子微弱电流测量模块串接于离子计数法偏压电源正极与内极板之间，用于测量负离子形成的电流；正离子微弱电流测量模块串接于离子计数法偏压电源负极与外极板之间，用于测量正离子形成的电流；
所述电荷筛选法传感器用于吸附被测气体中的电荷，并通过连接在电荷筛选法传感器的外金属框的电荷测量模块进行吸附材料吸附电荷的测量及吸附材料的放电；
所述测量结果处理模块用于获得负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及电荷测量模块的测量结果，并将该结果进行处理得到空间电荷密度。
优选地，所述离子计数法传感器包括外极板、内极板和极板间绝缘支撑；所述外极板为圆筒形、内极板为圆柱形且外极板与内极板同轴；所述外极板固定于绝缘层上，内极板与外极板间通过绝缘材料进行支撑。
优选地，所述离子计数法传感器的外极板和内极板材料为铜，极板间绝缘材料为聚四氟乙烯。
优选地，所述离子计数法传感器的外极板、内极板和极板间绝缘支撑均使用可拆卸结构方式进行连接。
优选地，所述电荷筛选法传感器包括吸附材料和金属框；所述吸附材料位于金属框内部，通过金属框成型，并通过金属框固定于绝缘层上。
优选地，所述电荷筛选法传感器的吸附材料为钢丝绒。
优选地，所述金属框为双层结构，外层金属框与绝缘层固定，通过信号线连接至电荷测量模块，内层金属框与吸附材料连接。
优选地，所述内外金属框均为圆环形，且内外金属框材料均为铜。
优选地，所述电荷筛选法传感器采用可拆卸结构。
优选地，所述流量计包括流量计A和流量计B；所述流量计A和流量计B对称布置于电荷筛选法传感器与气体吸入装置之间绝缘层同一径向截面上。
优选地，所述流量计A和流量计B均采用热式流量计。
优选地，所述气体吸入装置为轴流风扇。
优选地，所述轴流风扇过PWM方式调节风扇的转速以控制进入所述测量装置的气体体积。
优选地，所述离子计数法偏压电源为可调压低纹波直流电源。
优选地，所述负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块为皮安/纳安级电流测量模块。
优选地，所述电荷测量模块为皮库级电荷测量模块。
优选地，所述测量结果处理模块利用公式进行处理得到空间电荷密度值，其中Q3为电荷测量模块测得的净电荷数，T为装置的工作时间且所述装置的工作时间由测量结果处理模块的计时器得到，i1为负离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，i2为正离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，M为单位时间内的气体流量瞬时值。
优选地，所述绝缘层采用聚四氟乙烯材料。
优选地，所述屏蔽层采用内层屏蔽层和外层屏蔽层的双层屏蔽结构。
优选地，所述内层屏蔽层为铜屏蔽层，外层屏蔽层为铁屏蔽层。
本发明通过气体吸入装置将被测气体吸进空间电荷密度测量装置，利用离子计数法传感器形成的电场进行粒径小、迁移率大的粒子吸附，同时利用电荷筛选法传感器的吸附材料进行大粒径带电粒子的吸附。本发明利用离子计数法对于小粒径带电粒子的良好吸附效果，同时结合电荷筛选法对大粒径带电粒子有更好的吸附效果的优点，在测量装置参数要求低、尺寸小的前提下，实现宽粒径范围电荷密度的精确测量。且装置的离子计数法传感器、电荷筛选法传感器均为可拆卸结构，维护方便。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施例的空间电荷密度测量装置的装置结构图；
图2为根据本发明优选实施例的离子计数法传感器与负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及离子计数法偏压电源的连接关系图；
图3为根据本发明优选实施例的电荷筛选法传感器的剖面示意图；以及
图4为根据本发明优选实施例的空间电荷密度测量方法的方法流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施例的空间电荷密度测量装置的装置结构图。如图1所示，空间电荷密度测量装置100包括屏蔽层1、绝缘层2、离子计数法传感器、电荷筛选法传感器、流量计、气体吸入装置9、离子计数法偏压电源、负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块、电荷测量模块11和测量结果处理模块12。
优选地，所述屏蔽层1和绝缘层2均为圆筒形结构，且所述绝缘层2的中心轴线与水平面平行放置，所述离子计数法传感器、电荷筛选法传感器、流量计和气体吸入装置9在水平方向上依次安装于绝缘层内侧。应当了解的是，所述绝缘层2采用聚四氟乙烯材料，且所述屏蔽层1采用内层屏蔽层和外层屏蔽层的双层屏蔽结构，且内层屏蔽层为铜屏蔽层，外层屏蔽层为铁屏蔽层。
优选地，所述离子计数法传感器由离子计数法传感器的外极板3、离子计数法传感器的内极板4以及极板间绝缘支撑5组成，且所述外极板3为圆筒形、内极板4为圆柱形且外极板与内极板同轴；所述外极板固定于绝缘层上，内极板4与外极板3间通过绝缘材料进行支撑；所述外极板和内极板材料为铜，极板间绝缘支撑5的材料为聚四氟乙烯。应当了解的是，离子计数法传感器的外极板3、内极板4和极板间绝缘支撑5均为可拆卸结构。
优选地，所述离子计数法传感器在进行电荷密度测量时，离子计数法传感器的内外极板分别经由负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块连接至离子计数法偏压电源的正负极。应当了解的是，图1中模块10即为负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及离子计数法偏压电源的集合，且该部分的具体连接关系图在图2中会具体描述。
优选地，所述电荷筛选法传感器包括吸附材料6和金属框，且所述吸附材料6位于金属框内部，通过金属框成型，并通过金属框固定于绝缘层2上，且所述吸附材料为6钢丝绒。优选地，电荷筛选法传感器的金属框通信号线连接至电荷测量模块11。应当了解的是，图1中只标注出了电荷筛选法传感器的吸附材料6，而电荷筛选法传感器的金属框以及其位置关系等在图3中会具体描述。
优选地，所述流量计分为流量计A7和流量计B8；所述流量计A7和流量计B8对称布置于电荷筛选法传感器与气体吸入装置之间绝缘层同一径向截面上；优选地，所述流量计A7和流量计B8均采用热式流量计。
优选地，所述气体吸入装置9为轴流风扇，用于将被测气体吸入所述测量装置100；且通过PWM方式调节轴流风扇的转速以控制进入所述测量装置100的气体体积。
优选地，所述电荷测量模块11为皮库级电荷测量模块，用于吸附材料6吸附的电荷的测量及吸附材料6的放电；且所述电荷测量模块11通过信号线与电荷筛选法传感器的外金属框相连。
优选地，所述测量结果处理模块12用于获得负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及电荷测量模块11的测量结果，并将该结果进行处理得到空间电荷密度值。
优选地，测量结果处理模块12利用如下公式计算空间电荷密度，
其中Q3为电荷测量模块11测得的净电荷数，T为装置的工作时间且所述装置的工作时间由测量结果处理模块的计时器得到，i1为负离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，i2为正离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，M为单位时间内的气体流量瞬时值。
优选地，所述公式通过得来，其中Q1为负离子微弱电流测量模块测得的负离子电荷数，Q2为正离子微弱电流测量模块测得的正离子电荷数，Q3为电荷测量模块11测得的净电荷数，V为装置100工作时间内经过装置的被测气体体积。
图2为根据本发明优选实施例的离子计数法传感器与负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及离子计数法偏压电源的连接关系图。如图2所示，其中3为离子计数法传感器的外极板、4为离子计数法传感器的内极板、5为极板间的绝缘支撑、13为负离子微弱电流测量模块、14为正离子微弱电流测量模块以及15为离子计数法偏压电源，且图2为离子计数法传感器的横截面图。优选地，所述负离子微弱电流测量模块13串接于离子计数法偏压电源15正极与内极板4之间，用于测量负离子形成的电流；正离子微弱电流测量模块14串接于离子计数法偏压电源15负极与外极板3之间，用于测量正离子形成的电流。
图3为根据本发明优选实施例的电荷筛选法传感器的剖面示意图。如图3所示，电荷筛选法传感器由吸附材料6以及金属框组成，且所述金属框为双层结构，外层金属框16与绝缘层2固定，通过信号线连接至电荷测量模块11，内层金属框17与吸附材料6连接。应当了解的是，内外金属框均为圆环形，且内外金属框材料均为铜。
图4为根据本发明优选实施例的空间电荷密度测量方法的方法流程图。如图4所示，空间电荷密度测量方法400从步骤401开始。步骤401中，利用空间电荷密度测量装置中的气体吸入装置进行被测气体的吸入，所述气体吸入装置为轴流风扇，并调节风扇的转速来调节吸入装置的气体体积。
优选地，在步骤402中，用负离子微弱电流测量模块测量离子计数法偏压电源正极与内极板之间的负离子形成的电流，与此同时，用正离子微弱电流测量模块测量离子计数法偏压电源负极与外极板之间的正离子形成的电流，并将测量结果输出至测量结果处理模块。
优选地，在进行离子计数法测量电流的同时，用电荷测量模块测量吸附在电荷筛选法传感器的吸附材料上的净电荷数，并将测量结果输出至测量结果处理模块。
优选地，在步骤402中，还同时利用流量计测量在装置工作时间内的某一时刻的被测气体的流量瞬时值。
优选地，当上述测量全部完成且测量结果均输出至测量结果处理模块后，进行步骤403，测量结果处理模块利用公式
进行处理得到空间电荷密度值，其中Q1为负离子微弱电流测量模块测得的负离子电荷数，Q2为正离子微弱电流测量模块测得的正离子电荷数，Q3为电荷测量模块测得的净电荷数，V为装置工作时间内经过装置的被测气体体积，T为装置的工作时间且所述装置的工作时间由测量结果处理模块的计时器得到，i1为负离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，i2为正离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，M为单位时间内的气体流量瞬时值。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (20)

1.一种空间电荷密度测量装置，包括：
所述测量装置包括屏蔽层、绝缘层、离子计数法传感器、离子计数法偏压电源、负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块、电荷筛选法传感器、电荷测量模块、测量结果处理模块、流量计、以及气体吸入装置，其中所述绝缘层的中心轴线与水平面平行放置，所述离子计数法传感器、电荷筛选法传感器、流量计和气体吸入装置在水平方向上依次安装于绝缘层内侧；
其特征在于，所述屏蔽层和绝缘层均为圆筒形结构，且屏蔽层位于绝缘层的外部；所述离子计数法传感器通过离子计数法偏压电源供电形成电场以进行离子的捕获；
所述负离子微弱电流测量模块和正离子微弱电流测量模块用于测量离子计数法传感器捕获离子形成的电流，其中所述负离子微弱电流测量模块串接于离子计数法偏压电源正极与内极板之间，用于测量负离子形成的电流；正离子微弱电流测量模块串接于离子计数法偏压电源负极与外极板之间，用于测量正离子形成的电流；
所述电荷筛选法传感器用于吸附被测气体中的电荷，并通过连接在电荷筛选法传感器的外金属框的电荷测量模块进行吸附材料吸附电荷的测量及吸附材料的放电；
所述测量结果处理模块用于获得负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块以及电荷测量模块的测量结果，并将该结果进行处理得到空间电荷密度。
2.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述离子计数法传感器包括外极板、内极板和极板间绝缘支撑；所述外极板为圆筒形、内极板为圆柱形且外极板与内极板同轴；所述外极板固定于绝缘层上，内极板与外极板间通过绝缘材料进行支撑。
3.根据权利要求2所示的装置，其特征在于，所述离子计数法传感器的外极板和内极板材料为铜，极板间绝缘材料为聚四氟乙烯。
4.根据权利要求2所示的装置，其特征在于，所述离子计数法传感器的外极板、内极板和极板间绝缘支撑均使用可拆卸结构方式进行连接。
5.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述电荷筛选法传感器包括吸附材料和金属框；所述吸附材料位于金属框内部，通过金属框成型，并通过金属框固定于绝缘层上。
6.根据权利要求5所示的装置，其特征在于，所述电荷筛选法传感器的吸附材料为钢丝绒。
7.根据权利要求5所示的装置，其特征在于，所述金属框为双层结构，外层金属框与绝缘层固定，通过信号线连接至电荷测量模块，内层金属框与吸附材料连接。
8.根据权利要求7所示的装置，其特征在于，所述内外金属框均为圆环形，且内外金属框材料均为铜。
9.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述电荷筛选法传感器采用可拆卸结构。
10.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述流量计包括流量计A和流量计B；所述流量计A和流量计B对称布置于电荷筛选法传感器与气体吸入装置之间绝缘层同一径向截面上。
11.根据权利要求10所示的装置，其特征在于，所述流量计A和流量计B均采用热式流量计。
12.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述气体吸入装置为轴流风扇。
13.根据权利要求12所示的装置，其特征在于，所述轴流风扇过PWM方式调节风扇的转速以控制进入所述测量装置的气体体积。
14.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述离子计数法偏压电源为可调压低纹波直流电源。
15.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述负离子微弱电流测量模块、正离子微弱电流测量模块为皮安/纳安级电流测量模块。
16.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述电荷测量模块为皮库级电荷测量模块。
17.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述测量结果处理模块利用公式进行处理得到空间电荷密度值，其中Q3为电荷测量模块测得的净电荷数，T为装置的工作时间且所述装置的工作时间由测量结果处理模块的计时器得到，i1为负离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，i2为正离子微弱电流测量模块测得的瞬时电流，M为单位时间内的气体流量瞬时值。
18.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述绝缘层采用聚四氟乙烯材料。
19.根据权利要求1所示的装置，其特征在于，所述屏蔽层采用内层屏蔽层和外层屏蔽层的双层屏蔽结构。
20.根据权利要求19所示的装置，其特征在于，所述内层屏蔽层为铜屏蔽层，外层屏蔽层为铁屏蔽层。
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