CN108283868B - Pdm工作模式下的高压激励电源驱动体积dbd空气净化装置的供电频率调控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统和方法，系统包括控制单元、可编程电源、PDM电源、体积DBD反应器、电气参数检测单元和光谱检测单元；体积DBD反应器的地线上串接有积分电容C _m ；电气参数检测单元检测体积DBD反应器的供电电压信号、放电电流信号、积分电压信号，光谱检测单元检测体积DBD反应器反应区域的发射光谱强度信号，分别传输至控制单元；可编程电源控制PDM电源的供电电压峰值输出，控制单元根据接收到信号计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比，进而根据计算结果控制PDM电源对体积DBD反应器的供电频率，使得体积DBD反应器在PDM电源的激励下放电，并工作在设定的相对光量子产率能效比范围内。

Description

PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的 供电频率调控系统和方法

技术领域

本发明涉及体积介质阻挡放电(dielectric barrier discharge:DBD)反应器控制技术领域，特别是一种功率密度调制(power density modulation:PDM)工作模式的高压电源激励体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统和方法。

背景技术

近几年来，大气压等离子体被广泛应用于环境修复，污染控制，生物医学，流动控制和材料处理等方面。体积DBD是有绝缘介质插入放电空间，并形成一定放电间隙体积的非平衡态气体放电，具有放电稳定和放电面积大等特点，是在常压下产生低温等离子体的有效方法之一，适合于大规模工业生产，具有广阔的应用前景。在实际应用中，DBD的供电电压、供电电流、供电能量等电学参量，是低温等离子体研究和应用中极其重要的参量，在放电过程中它们相互作用，共同影响多重微放电的产生、放电的效果和等离子体的特性。

体积DBD反应器通常采用高压或脉冲高压电源驱动，采用PDM工作模式的高压电源驱动DBD反应器具有功率密度调控方便、放电反应器温度低(等离子体非平衡态高)、工作稳定等优点。在介质阻挡放电中，随着放电过程的进行，DBD反应器的等效电容会发生改变。由于容性的反应器与感性的激励电源之间存在匹配关系，当反应器的等效电容发生变化时，反应器与电源的匹配特性下降。在PDM电源的输入电压相同的情况下，PDM电源产生的高压激励电压峰值会减小，即原本注入到反应器上的供电电压会减小，而只有当电源的供电频率和电极的谐振频率越接近，放电效果才越好。此时就需要调整反应器的供电频率，从而提高DBD反应器的供电电压，提高反应器的放电强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：利用PDM工作模式的高压激励电源对体积DBD反应器进行激励放电，实现DBD反应器的空气净化作用，同时在DBD反应器的运行过程中，通过调整供电频率，达到调整DBD反应器供电能量的目的，保证反应器的放电强度。

本发明采取的技术方案为：一种PDM工作模式的高压激励电源驱动DBD空气净化装置的供电频率调控系统，包括控制单元、可编程电源、PDM高压激励电源、体积DBD反应器、电气参数检测单元和光谱检测单元；

DBD反应器的地线上串接有积分电容C_m；电气参数检测单元包括供电电压检测电路、放电电流检测电路和积分电压检测电路；供电电压检测电路检测体积DBD反应器的激励电源输入端的供电电压信号，放电电流检测电路检测体积DBD反应器的放电电流信号，积分电压检测电路检测积分电容C_m上的积分电压信号，光谱检测单元检测体积DBD反应器反应区域的发射光谱强度信号，分别传输至控制单元；

可编程电源控制PDM电源的供电电压峰值输出，PDM电源的输出端连接体积DBD反应器的激励电压输入端；

控制单元根据接收到的供电电压信号、放电电流信号、积分电压信号和发射光谱强度信号，计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比，进而根据计算结果控制PDM电源对体积DBD反应器的供电频率，使得体积DBD反应器在PDM电源的激励下放电，并工作在设定的最佳相对光量子产率能效比波动范围内。

本发明所述设定的相对光量子产率能效比波动范围即最佳E_er附近的范围，最佳E_er波动范围的端点值利用牛顿爬山算法得到，波动范围的区间长度值为设定值。

进一步的，体积DBD反应器包括进气口和出气口，进气口上设有气体流速调节单元和气体流速传感器，出气口上设有气体质量检测单元；气体流速调节单元的控制输入端连接控制单元，气体流速传感器检测进气口的气体流速信号，气体质量检测单元检测出气口的气体质量信号，分别传输至控制单元；控制单元根据接收到的气体流速信号，通过气体流速调节单元对气体流速进行调节。

优选的，控制单元通过气体流速调节单元控制体积DBD反应器内的初始气体流速为2.5m/s；DBD的运行过程中，当检测到气体流速在2.0m/s～3.5m/s范围之外时，对气体流速进行调节。

优选的，供电电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制单元；分压电路包括串联在DBD激励电源高压端与接地端之间的多个分压电阻，其中一个分压电阻R2的阻值为所有分压电阻阻值之和的1/1000；该分压电阻R2的电压输出端通过电容C1连接电压跟随器的输入端。电容C1用于消除直流分量。供电电压检测电路最终检测到的电压值即为分压电阻R2上的电压，由于R2的阻值为事先设置，因此根据其上电压与供电电压的关系可求供电电压。

优选的，放电电流检测电路包括依次连接的电流互感器、电压跟随器、信号放大器、积分电路、精密整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制单元。

优选的，放电电流检测电路中，电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，DBD感应器的地线垂直通过电流互感器线圈所在平面；

电流互感器输出至电压跟随器的输出电压e(t)为：

其中，i是流经放电回路(地线)的电流，t是时间，h为环形非磁性骨架高度，N为线圈匝数，μ₀为真空磁导率，R_b、R_a分别为环形非磁性骨架内径和外径；

是一个常数，用互感系数M表示有：

本发明放电电流检测电路的工作原理为：先用电流互感器感应系统中的放电电流，将电流信号转化为电压信号，然后通过电压跟随器对干扰进行隔离，再对电压信号进行放大，将放大的信号进行积分，信号经过积分电路后转变为一个与感应到的电流信号呈正比的电压信号，经精密整流电路和真有效值转换电路输入到内置ADC模块的MCU接口，实现对数据的采集和处理。本发明中的供电电压、放电电流、光谱检测等信号均属于频率较高的信号，相应的信号放大和调整电路的运算放大器均采用电流型运算放大器。

优选的，积分电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；分压电路包括并联在积分电容C_m上的多个分压电阻，其中一个分压电阻R8的阻值为所有分压电阻阻值之和的1/10；该分压电阻R8的电压输出端通过电容C4连接电压跟随器的输入端。

积分电压检测电路的电压检测原理与供电电压检测电路的检测原理相同，由于积分电容两端电压在几十伏范围之内，因此电阻分压部分只需将积分电压衰减10倍，即使得分压电阻R8两端的电压是积分电容电压的1/10。

优选的，光谱检测单元包括依次连接的紫外传感器、电压跟随器、隔离电容、放大电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；紫外传感器的信号接收端上设有对除·OH光谱之外的光谱进行滤除的紫外带通滤光片。

本发明还公开上述PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统和方法的供电频率调控方法，包括步骤：

S1，设定PDM电源的初始供电频率，按照初始供电频率控制体积DBD反应器开始运行；

S2，在体积DBD反应器的运行过程中，检测体积DBD反应器的供电电压、放电电流、积分电容电压和发射光谱强度信号；

S3，根据检测到的信号计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比E_er；

S4，利用牛顿爬山算法确定DDB反应器的最佳E_er、E_er的最佳波动范围以及供电频率的调节范围，包括：

S401，将供电频率的变化作为扰动变量，多次控制PDM电源改变供电频率输出，并利用步骤S2至S3，得到每次供电频率改变后对应的相对光量子产率能效比；

S402，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

根据多次供电频率改变获得的E_er，确定包含最佳E_er值并满足区间长度值

的最佳E_er波动范围；

S403，将最佳E_er波动范围对应的供电频率范围作为供电频率的调节范围

S5，控制PDM电源的供电频率输出在供电频率的调节范围内。

优选的，步骤S4包括步骤：

S411，将当前E_er及其对应的供电频率作为参考点A，控制PDM电源以一设定步长改变供电频率输出，作为参考点A的扰动量，使得E_er增加；计算供电频率改变后的E_er，将该E_er及其对应的供电频率作为第一参考点；

S412，控制PDM电源以设定步长沿步骤S411中供电频率的改变方向，再次改变供电频率输出，作为第二参考点的扰动量；计算供电频率改变后的E_er，若E_er减少则转至步骤S413，若E_er增加，则重复步骤S412，直至E_er减少，转至步骤S413；

S413，定义使得E_er减少的扰动量为加在参考点M上的扰动量，E_er增加到参考点M之前的参考点为参考点C，E_er减少后的参考点为参考点D；以设定步长沿步骤S422中供电频率的相反改变方向，改变供电频率的输出，使得E_er回到参考点M；

S414，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

，将区间(C，D)的范围区间长度与区间长度值

进行比较，若小于或等于

，则将区间(C，D)对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将区间(C，D)对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若区间(C，D)的范围区间长度大于

，则转至步骤S415；

S415，取区间(C，M)对应的E_er范围的中点值作为参考点P1，区间(M，D)对应的E_er范围的中点值作为参考点P2；比较参考点P1和参考点P2对应E_er值的大小，若P1的E_er值大于P2的E_er值，E_er的最大值在区间(P1，M)内，舍去区间(M，P2)；若P1的E_er值小于P2的E_er值，则E_er的最大值在区间(M，P2)内，舍去区间(P1，M)；若P1与P2的E_er值相等，则E_er最大值在区间(P1，P2)内；转至步骤S416；

S416，将当前包含E_er最大值的参考点区间长度值与

比较，若小于或等于

，则将当前参考点区间对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将参考点区间对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若参考点区间的范围区间长度大于

，则利用步骤S415通过取区间中点缩小区间长度的方法，继续缩小当前参考点区间长度，直至当前参考点区间长度值小于或等于

，则将当前参考点区间对应的E_er范围作为最佳E_er波动范围，将当前参考点区间对应的供电频率范围，作为供电频率的调节范围。

有益效果

本发明利用PDM电源作为体积DBD反应器的激励电源，通过可编程电源控制PDM电源的供电电压。在供电电压不变的情况下，本发明通过检测DBD运行过程中的放电参数，计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比，并利用牛顿爬山算法确定最佳E_er波动范围及其对应的供电频率调节范围，进而通过控制供电频率的变化，使得体积DBD反应器始终工作在最佳E_er范围内，保障较高较稳定的供电能量和供电电压，从而使得DBD的反应效率稳定并保持较高水平。

附图说明

图1所示为本发明调控系统原理示意框图；

图2所示为体积DBD反应器的结构示意图；

图3所示为体积DBD反应器的剖面结构示意图；

图4所示为本发明一种实施例的数据采集与控制功能实现示意图；

图5所示为供电电压检测电路结构示意图；

图6所示为放电电流检测电路结构示意图；

图7所示为积分电压检测电路结构示意图；

图8所示为光谱强度检测电路结构示意图；

图9所示为功率密度调制电源供电波形示意图；

图10所示为牛顿爬山算法示意图；

图11所示为供电频率调节原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

参考图1所示，本实施例PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统和方法，包括控制单元(数据采集与控制)、可编程电源(可编程AC/DC电源)、PDM电源、体积DBD反应器、电气参数检测单元和光谱检测单元；

图2和图3所示为体积DBD反应器的结构示意图。反应器具体结构如图3所示，由两个电介质阻挡层，固定于电介质阻挡层两侧的电极，固定两块电介质阻挡层和电极的固定块，形成两块电介质阻挡层与固定块之间的放电通道。作为一种优选实施例，电介质阻挡层为石英电介质阻挡层，电极为铜板电极。图2中，L1为介质阻挡层的长度，约为180到200mm，L2为电极的长度，约为160到180mm，D1为介质阻挡层的宽度，约为40到60mm，D2为电极的宽度，约为60到80mm，H为反应器的高度，约为2到7mm。

结合图1，本实施例中，体积DBD反应器的地线上串接有积分电容C_m；电气参数检测单元包括供电电压检测电路、放电电流检测电路和积分电压检测电路；供电电压检测电路检测体积DBD反应器的激励电源输入端的供电电压信号，放电电流检测电路检测体积DBD反应器的放电电流信号，积分电压检测电路检测积分电容C_m上的积分电压信号，光谱检测单元检测体积DBD反应器反应区域的发射光谱强度信号，分别传输至控制单元；

可编程电源控制PDM电源的供电电压峰值输出，PDM电源的电压输出端连接体积DBD反应器的激励电压输入端；

控制单元根据接收到的供电电压信号、放电电流信号、积分电压信号和发射光谱强度信号，计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比，进而根据计算结果控制PDM电源对体积DBD反应器的供电频率，使得体积DBD反应器在PDM电源的激励下放电，并工作在设定的最佳相对光量子产率能效比波动范围内。

本发明所述设定的相对光量子产率能效比波动范围即最佳E_er附近的范围，最佳E_er波动范围的端点值利用牛顿爬山算法得到，波动范围的区间长度值为设定值。

体积DBD反应器包括进气口和出气口，进气口上设有气体流速调节单元和气体流速传感器，出气口上设有气体质量检测单元；气体流速调节单元的控制输入端连接控制单元，气体流速传感器检测进气口的气体流速信号，气体质量检测单元检测出气口的气体质量信号，分别传输至控制单元；控制单元根据接收到的气体流速信号，通过气体流速调节单元对气体流速进行调节。

气体流速调节单元可采用电磁阀，控制器芯片通过调节电磁阀的开度控制气体流速，为现有技术。气体流速调节单元可配合气体流速传感器实现流速的反馈控制，气体流速传感器设置于气体流速调节单元之后的DBD进气口内。气体质量检测单元可采用现有用于检测空气质量的传感器。

本实施例中，控制单元通过气体流速调节单元控制体积DBD反应器内的初始气体流速为2.5m/s；DBD的运行过程中，当检测到气体流速在2.0m/s～3.5m/s范围之外时，对气体流速进行调节。

参考图4所示，控制单元可采用现有集数据采集与控制功能于一体的微控制单元芯片，如STC公司的STC12C、STM32、STC89系列单片机芯片。推荐使用封装为SOP-20，单片机内置了8位ADC和通用I/O口，速度均可达到100kHZ，8路ADC模块可以用作电压检测、电流检测、光谱检测等。信号采集并传送到MCU的ADC接口，之后MCU根据内部设定的模型判断放电装置是否工作在最佳放电状态，从而控制整个系统运行时供电频率输出。

为了实现使用过程的可视化，本实施例系统还设置显示单元，显示单元的输入端连接控制器，用于各种检测数据以及计算结果数据的显示。显示单元可采用现有显示屏，如LCD1602，LCD12864，LCD16864，LCD12232等型号，显示屏与MCU的I/O口连接。

参考图4所示的端口连接，本发明对供电频率调节的原理为：PDM电源内部是通过图11所示的电路的输出方波信号改变供电周期控制信号的频率。施密特触发器U10用于脉冲波形的产生，MCU产生直流信号V_DAC作为施密特触发器的直流偏置，可以改变电容Ct的充放电时间，从而改变施密特触发器生成的方波频率。将施密特触发器生成的脉冲波形通过D触发器U11产生一个稳定的占空比为50％的方波。Voc口输出的信号即为PDM电源内部高压逆变电路的控制信号，从而改变PDM电源输出的供电电压频率。所以，改变V_DAC，供电周期控制信号的频率发生改变，就可以调节PDM高压激励电源输出供电频率，达到改变电路的匹配状态，改变放电效果的目的。

供电电压检测电路

参考图5所示，本实施例供电电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制器；分压电路包括串联在DBD激励电源高压端与接地端之间的多个分压电阻，其中一个分压电阻R2的阻值远小于其它分压电阻的阻值之和；该分压电阻R2的电压输出端通过电容C1连接电压跟随器的输入端。电容C1用于消除直流分量。供电电压检测电路最终检测到的电压值即为分压电阻R2上的电压，由于R2的阻值为事先设置，因此根据其上电压与供电电压的关系可求供电电压。

供电电压检测检测电路中，分压电路还包括保护TVS管，保护TVS管并接在分压点与接地端之间。可导入大电压，吸收浪涌功率，防止出现瞬时高压尖峰通过分压电路，造成检测电路短路，损坏元器件情况，从而保护测试电路。

分压电阻R2的阻值为供电电压的1/1000。即R1/R2＝999/1，一方面使得供电电压信号衰减1000倍，另一方面方便后续的计算。

参考图5所示，由于PDM电源输出的供电电压峰-峰值在20到40kV，不方便直接将供电电压信号送入示波器中读取。因此，本发明采用的测量供电电压的方法是电阻分压器法，即将高电压波形转换成低电压波形，分压电路由高压臂和低压臂组成，R1、R2分别代表高电压臂和低电压臂的电阻。反应器供电端电压加在整个分压电路上，而输出电压则取自其中的低压电阻R2，在此，我们将供电电压信号衰减1000倍，即R2两端的电压是反应器供电端电压的1/1000。将R2两端的电压信号通过电容C₁，起到消除直流分量的作用。另外，由于该电路检测的是高压信号，为了防止出现瞬时高电压造成检测电路元器件损坏，在C₁后端并联一个TVS管D₁，用于导入大电压，吸收浪涌功率，保护测试电路。然后将采集到的信号送入电压跟随器U1，电压跟随器的作用为：使R2两端的电压信号不会受后级测量系统的阻抗影响，所以后级测量系统应为高阻抗状态，由于电压跟随器具有输入高输入阻抗，低输出阻抗的特点，在采集电路与测量系统之间接入电压跟随器，一方面可以对采集电路的影响，另一方面也降低了对测量系统的影响。采集到的电压信号经过精密整流电路进行整流，再通过真有效值(RMS)转换电路对交流信号进行真有效值(RMS)转换。真有效值转换芯片可选择AD637、AD736、AD737等。之后将交流信号变为直流信号，然后输入到图4所示的内置ADC模块的MCU的GP1/ADC1，进行信号的处理。

图5中，假定被测电压为U，R2两端电压为U_R2。根据电流连续性原理，被测电压为：

放电电流检测电路

参考图6所示，本实施例放电电流检测电路包括依次连接的电流互感器、电压跟随器、信号放大器、积分电路、精密整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制器。

放电电流检测电路中的电压跟随器都采用电流型运算放大器。

放电电流检测电路中，电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，DBD感应器的地线垂直通过电流互感器线圈所在平面；电流互感器的输出电压正比于被测电流随时间的变化率，因此电流互感器输出至电压跟随器的输出电压e(t)为：

其中，i是流经放电回路(地线)的电流，t是时间，h为环形非磁性骨架高度，N为线圈匝数，μ₀为真空磁导率，R_b、R_a分别为环形非磁性骨架内径和外径；

是一个常数，用互感系数M表示有：

由于电流互感器的输出电压与被测电流的微分成正比，所以需要对其输出的电压信号进行积分处理才能得到与回路电流成正比的输出电压。电流互感器输出的电压信号先经过一个电压跟随器U2再进行后续处理，电压跟随器的作用是降低后续电路对采集信号的干扰。另外，由于互感器感应到的电压信号很小，因此将其输出的电压信号先经过一个放大电路(包括U3)进行信号的放大，再经过积分电路(包括U4以及C2)。信号经过积分电路后已转变为一个与感应到的电流信号呈正比的电压信号，再经整流电路和真有效值转换电路输入到图4所示内置ADC模块的MCU的GP3/ADC3接口，实现对数据的采集和处理。

本发明放电电流检测电路的工作原理为：先用电流互感器感应系统中的放电电流，将电流信号转化为电压信号，然后通过电流型电压跟随器对干扰进行隔离，再对电压信号进行放大，将放大的信号进行积分，信号经过积分电路后转变为一个与感应到的电流信号呈正比的电压信号，再经精密整流电路和真有效值转换电路输入到图4所示内置ADC模块的MCU的GP3/ADC3接口，实现对数据的采集和处理。

图6中，U4与周围器件构成的电路起到对电流互感器输出电压进行积分的作用，此电路中，积分电路原理及公式如下：

u_4o＝-u_c(4)

u_4o为运放U4的输入端电压，u_c为积分电容C₂上的积分电压；

将(3)代入(5)可得积分电路的输出电压为：

根据公式(6)，电流互感器输出的电压信号经过积分电路后，得到的电压信号与其感应到的电流信号呈一次函数关系。将此信号送到MCU中，可以设置感应电流与电压的关系，进而得到放电回路中的放电电流。

积分电压检测电路

参考图7所示，积分电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；分压电路包括并联在积分电容C_m上的多个分压电阻，其中一个分压电阻R8的阻值远小于其它分压电阻的阻值之和；该分压电阻R8的电压输出端通过电容C4连接电压跟随器的输入端。再经整流电路和真有效值转换电路输入到图2所示内置ADC模块的MCU的GP2/ADC3接口，实现对数据的采集和处理。

积分电压检测电路中的电压跟随器都采用电流型运算放大器。

积分电压检测电路的电压检测原理与供电电压检测电路的检测原理相同，由于积分电容两端电压在几十伏范围之内，因此电阻分压部分只需将积分电压衰减10倍，即使得分压电阻R8两端的电压是积分电容电压的1/10。积分电压检测电路的电压检测原理与供电电压检测电路的检测原理相同，由于积分电容两端电压在几十伏范围之内，因此电阻分压部分只需将积分电压衰减10倍，即使得分压电阻R8两端的电压是积分电容电压的1/10。

光谱检测单元

参考图8所示，光谱检测单元包括依次连接的紫外传感器、电压跟随器、隔离电容、放大电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；紫外传感器的信号接收端上设有对除·OH光谱之外的光谱进行滤除的紫外带通滤光片。

光谱检测单元中的电压跟随器采用电流型运算放大器。

由于本发明使用PDM高压电源驱动介质阻挡放电结构，在高压电场的作用下，物质吸收能量发生电离。气体中的原子或分子与电子之间的碰撞，原子与原子之间碰撞，光与原子或分子的相互作用等，会产生各种各样的放电生成物，包括高能电子、正负离子、自由基、臭氧(O₃)和紫外线(UV)，以及少量的氮氧化物(NO_x)等，使废气中的有机物分子、重金属元素、病菌等有毒害物种，发生强氧化反应，最终达到降解、杀菌、消毒等目的。

气体在介质阻挡放电的作用下吸收电能，发生电子跃迁，产生的激发态的活性物种，活性物种在由激发态变回基态的过程中会发出特定波长的光，因此产生活性物种的浓度可以通过发射光谱的强度来表示。在本装置的放电中产生紫外辐射，紫外线的波长范围为180-400nm，具体分为UVC辐射(180-280nm)、UVB辐射(280-320nm)、UVA辐射(320-400nm)。由于人眼看不见紫外辐射，放电产生的紫外线等原子和分析光谱成分和辐射强度需要通过专门的光学探测器件测量。使用半导体紫外光学探测器，可以将光学信号的强度通过电压信号显现出来，可选用以下型号传感器，如GS-AB-0603E(检测范围300-370nm)、GS-ABC-2835(检测范围210-370nm)、GT-UVV-L(检测范围200-440nm)等，在DBD通道中观察到一系列光谱，其来自一些活性物种如羟基(·OH)、氧自由基(·O)和氮氧化物(NO_x)。

本发明重点关注放电产生的·OH光谱(309-318nm)，因此为了测量放电区域的活性物质种类和浓度，本发明利用紫外传感器探测反应器放电区域的活性物中的光谱强度，将光学信号转化为电信号，用紫外传感器输出的电压信号表示活性物种产生的相对浓度。由于介质阻挡放电过程中产生的活性物种会发出多种波长的光谱，而本发明中主要关注·OH的光谱，因此在紫外传感器前放置滤光片对光谱进行初步滤除。紫外带通型滤光片可以选择ET313/25BP(中心波长313nm，带宽25nm)，ET325/20BP(中心波长325nm，带宽20nm)，XBPA310，ZBPA310(中心波长310nm，带宽10nm)。

将紫外传感器的电压信号通过电压跟随器U7进行隔离，由于紫外传感器输出的信号的频率较高，所以U7使用响应时间较快的电流型运算放大器用作电压跟随器。由于后级运算放大器的输入阻抗无穷大，造成电荷的积累，因此需要与大地之间接一个电阻R12作为能的释放通道，为了防止高压振荡，R12与R13进行匹配，阻值相等。紫外传感器输出的电压信号含有直流分量，如果将其直接通过后级的放大电路，可能会造成放大饱和失真，因此使用电容C6隔离传感器输出信号中的直流分量。下一步使用反相放大电路U8对取得的信号幅值进行放大。之后经过精密整流电路对将交流信号变为直流信号，将真有效值转换后的信号输入如图4所示的内置ADC模块的MCU的GP0/ADC0接口，实现对数据进行采集和显示。

放大电路U8对应的方程式为：

式中，V表示紫外传感器输出的电压信号经过电压跟随器的电压值，U_8o表示放大电路输出的电压值。

实施例2

本发明还公开上述PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统和方法的供电频率调控方法，包括步骤：

S1，设定PDM电源的初始供电频率，按照初始供电频率控制体积DBD反应器开始运行；

S2，在体积DBD反应器的运行过程中，检测体积DBD反应器的供电电压、放电电流、积分电容电压和发射光谱强度信号；

S3，根据检测到的信号计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比E_er；

S4，利用牛顿爬山算法确定DDB反应器的最佳E_er、E_er的最佳波动范围以及供电频率的调节范围，包括：

S401，将供电频率的变化作为扰动变量，多次控制PDM电源改变供电频率输出，并利用步骤S2至S3，得到每次供电频率改变后对应的相对光量子产率能效比；

S402，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

，根据多次供电频率改变获得的E_er，确定包含最佳E_er值并满足区间长度值

的最佳E_er波动范围；

S403，将最佳E_er波动范围对应的供电频率范围作为供电频率的调节范围

S5，控制PDM电源的供电频率输出在供电频率的调节范围内。

优选的，步骤S4包括步骤：

S411，将当前E_er及其对应的供电频率作为参考点A，控制PDM电源以一设定步长改变供电频率输出，作为参考点A的扰动量，使得E_er增加；计算供电频率改变后的E_er，将该E_er及其对应的供电频率作为第一参考点；

S412，控制PDM电源以设定步长沿步骤S411中供电频率的改变方向，再次改变供电频率输出，作为第二参考点的扰动量；计算供电频率改变后的E_er，若E_er减少则转至步骤S413，若E_er增加，则重复步骤S412，直至E_er减少，转至步骤S413；

S413，定义使得E_er减少的扰动量为加在参考点M上的扰动量，E_er增加到参考点M之前的参考点为参考点C，E_er减少后的参考点为参考点D；以设定步长沿步骤S422中供电频率的相反改变方向，改变供电频率的输出，使得E_er回到参考点M；

S414，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

，将区间(C，D)的范围区间长度与区间长度值

进行比较，若小于或等于

，则将区间(C，D)对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将区间(C，D)对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若区间(C，D)的范围区间长度大于

，则转至步骤S415；

S415，取区间(C，M)对应的E_er范围的中点值作为参考点P1，区间(M，D)对应的E_er范围的中点值作为参考点P2；比较参考点P1和参考点P2对应E_er值的大小，若P1的E_er值大于P2的E_er值，E_er的最大值在区间(P1，M)内，舍去区间(M，P2)；若P1的E_er值小于P2的E_er值，则E_er的最大值在区间(M，P2)内，舍去区间(P1，M)；若P1与P2的E_er值相等，则E_er最大值在区间(P1，P2)内；转至步骤S416；

S416，将当前包含E_er最大值的参考点区间长度值与

比较，若小于或等于

，则将当前参考点区间对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将参考点区间对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若参考点区间的范围区间长度大于

，则利用步骤S415通过取区间中点缩小区间长度的方法，继续缩小当前参考点区间长度，直至当前参考点区间长度值小于或等于

，则将当前参考点区间对应的E_er范围作为最佳E_er波动范围，将当前参考点区间对应的供电频率范围，作为供电频率的调节范围。

本发明的调控思想和调控标准为：整个系统中，随着放电条件的改变，放电特性会有很大不同，因此我们要通过调节的放电条件使整个系统工作在最佳的放电状态。随着放电条件的改变，活性物种产生的浓度、反应器供电能量、相对光量子产率能效比会跟着改变。这些参量随着放电条件的改变都具有变化规律，随着放电强度的增加，活性物种的浓度和反应器的供电能量都相应增加，但是并不意味着相对光量子产率能效比也是这个趋势。根据放电过程中的因变量(活性物种的浓度、反应器供电能量、相对光量子产率能效比)随自变量(PDM电源的供电频率)的变化情况，设计一种评估方法，判断在何种放电条件下得到最佳的放电效果。

在系统运行过程中，通过调节PDM电源的供电频率，可以改变激励电源与反应器的匹配效果，因此，反应器的供电电压峰值，放电强度等会发生改变，影响放电效果。根据反应器的供电能量和放电产生活性物种的光谱强度，获得此时反应器相对光量子产率能效比(E_er)，根据牛顿爬山算法改变供电频率，使反应器的工作条件在最佳E_er附近震荡。

结合图9所示的典型供电波形图可以看出，PDM电源是通过改变一个调功周期内的放电时间T_on,j来调整功率密度，因此采用以下计算方法获得供电能量：

公式(8)是单个供电周期供电能量的计算公式，采用李萨如图形算法时，可表示为积分电容和李萨如图形面积的乘积即E_d,i＝C_mS_d,i，C_m为积分电容的电容值，S_d,i为相应供电周期对应的李萨如图形面积。其中，E_d,i是单个供电周期的供电能量，T_d,i表示单个供电周期的时间，u(t)是供电电压，i(t)是供电电流，此外，下标d,i表示供电周期的次数。

PDM高压激励电源的供电频率f表示为：

一个调功周期T_m,j中供电时间的占空比是供电持续时间与调功周期的比值，通过下式表示：

下标m,j表示功率密度调整的周期次数，占空比调整范围为D_j＝0～1。

当DBD系统工作在连续状态时，运行时间内总供电周期个数可以表示为：

T_t是放电系统的运行总时间，其中n_dm,j是第j个调功周期的供电周期个数，

系统运行时间内的总供电能量E_T表示如下：

PDM高压激励电源与反应器的匹配关系如下：

PDM电源和体积DBD反应器组成串联谐振回路。假设高压激励电源中的谐振电感值为L，体积DBD反应器的等效电容值为C，回路的阻抗Z为：

其中R为回路的电阻值，ωL为电源中的感抗，

为反应器的容抗。当满足下列条件时，电路呈现纯电阻性，达到串联谐振。

由于：

ω₀＝2πf₀ (15)

f₀表示谐振频率:

在介质阻挡放电中，随着放电过程的进行，体积DBD反应器的等效电容会发生改变。由于容性的反应器与感性的激励电源之间存在匹配关系，当反应器的等效电容发生变化时，反应器与电源的匹配特性下降。在PDM电源的输入电压相同的情况下，PDM电源产生的高压激励电压峰值会减小，即原本注入到反应器上的供电电压减小，而只有当电源的供电频率和电极的谐振频率越接近，放电效果才越好。此时就需要MCU调节PDM电源的供电频率，从而提高体积DBD反应器的供电电压，提高反应器的放电强度。

根据式(16)：当反应器等效电容C发生改变时，系统的固有谐振频率f₀发生改变，此时需调节电源的供电频率，当PDM电源的供电频率与系统的谐振频率相同时，供电电压最大，供电能量最大。为了评估是否达到谐振匹配，定义PDM高压激励电源输出端能量与输入端能量的比值为PDM高压激励电源的能量效率p＝E_T/E_IN。其中，E_IN是可编程电源提供给PDM电源输入端的能量，E_T是PDM电源提供给体积DBD反应器的供电能量。当能量效率p最高时，系统达到谐振匹配。在本系统中，供电频率的改变可以直接通过T_d,i的变化观察到，因此，当C发生改变时，通过图4所示的GP4和GP5端口调控图11所示V_DAC接口的信号，即可改变PDM高压激励电源的供电频率，即改变T_d,i，就可以改变电源的匹配效果，从而改变放电状态。

相对光量子产率能效比计算

本发明利用光谱检测电路对体积DBD反应器的光谱进行分析，以紫外光电传感器探测到的·OH的相对光谱强度为标准。因此，来自放电区域的活性物质的相对光量子产率能效比(E_er)可以通过下式求出：

其中I是放电区域内·OH发射光谱的相对强度，E_m,j为单个调功周期的供电能量：

等离子体区域中活性物质的相对浓度与其发射光谱的相对强度呈正相关。因此，可以通过相对光量子产率的E_er来评价反应物质产率。

相对光量子产率随着供电能量的改变而改变，供电能量与供电电压有关。供电电压幅值是随着PDM电源与反应器的匹配特性改变的，PDM电源供电周期T_d,i决定了系统的匹配特性。本发明中，根据相对光量子产率能效比，确定供电频率的最佳调节范围。

本发明通过牛顿爬山算法得到最佳的E_er波动范围和供电频率范围，通过不断调节放电反应系统的供电频率来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，再根据E_er的变化来调整T_d,i，即供电频率。

如图10所示为一种实施例的牛顿爬山算法的XX-E_er图，横轴表示一个调功周期的供电能量E_m,j，纵轴表示相对光量子产率E_er。牛顿爬山法又称扰动观察法，本文中是通过不断调节放电反应系统的供电频率来比较调整前后DBD产生E_er的变化情况，再根据变化情况来调整供电频率，使放电反应器工作在最佳能效比波动范围内。

图10所示的牛顿爬山算法具体步骤为：

(1)在A点加一个扰动变量，改变供电频率，使反应器的E_er达到B点；

(2)此时检测到供电能量的提高使得反应器的相对光量子产率能效比增加，则继续原来的方向增加扰动变量，使反应器工作在C点；

(3)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在M点；

(4)继续原来的方向加扰动变量，使反应器工作在D点；

(5)此时检测到(4)加的扰动变量使得反应器的相对光量子产率能效比减小，则改变原来的方向继续加扰动变量，使反应器的E_er重新达到M点；反应器可在C点，M点，D点三个工作点间波动。

上述扰动量的改变方向即增加或者减少。C点、D点对应的供电频率可作为供电频率调节范围的端点值，区间(C，D)可成为较佳调节范围。

在牛顿爬山算法中，根据扰动变量的步长所确定的M点不一定是E_er的最高点，在确定了较佳参数调节范围C到D后，再用优选法对调节范围进行重新设定，根据下列步骤找出Eer的最高点：

(1)在(C,M)区间内取中点P1(E_er值的中间值对应的点)，(M,D)区间内取中点P2；

(2)当P1对应的E_er值大于P2对应的E_er值时，相对光量子产率能效比的极大值在(P1,M)区间内，(M,P2)的区间舍去；

(3)反之，极大值在(M,P2)区间内，舍去(P1,M)区间；

(4)当P1和P2对应的函数值相等时，极大值在(P1,P2)范围内，舍去(C,P1)和(P2,D)的区间；

(5)在剩余的区间内重新取中点，找到P3，P4，……，Pn，Pn+1。以步骤(1)到(4)的方式进行迭代计算；直到剩余区间范围小于设定值

时，算法结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统，其特征是，包括控制单元、可编程电源、PDM电源、体积DBD反应器、电气参数检测单元和光谱检测单元；

体积DBD反应器的地线上串接有积分电容C_m；电气参数检测单元包括供电电压检测电路、放电电流检测电路和积分电压检测电路；供电电压检测电路检测体积DBD反应器的激励电源输入端的供电电压信号，放电电流检测电路检测体积DBD反应器的放电电流信号，积分电压检测电路检测积分电容C_m上的积分电压信号，光谱检测单元检测体积DBD反应器反应区域的发射光谱强度信号，分别传输至控制单元；

可编程电源控制PDM电源的供电电压峰值输出，PDM电源的电压输出端连接体积DBD反应器的激励电压输入端；

控制单元根据接收到的供电电压信号、放电电流信号、积分电压信号和发射光谱强度信号，计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比，进而根据计算结果控制PDM电源对体积DBD反应器的供电频率，使得体积DBD反应器在PDM电源的激励下放电，并工作在设定的相对光量子产率能效比范围内；

供电电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制单元；分压电路包括串联在DBD激励电源高压端与接地端之间的多个分压电阻，其中一个分压电阻R2的阻值为所有分压电阻阻值之和的1/1000；该分压电阻R2的电压输出端通过电容C1连接电压跟随器的输入端；

放电电流检测电路包括依次连接的电流互感器、电压跟随器、信号放大器、积分电路、精密整流电路和真有效值转换电路，真有效值转换电路的输出端连接控制单元；

积分电压检测电路包括依次连接的分压电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；分压电路包括并联在积分电容C_m上的多个分压电阻，其中一个分压电阻R8的阻值为所有分压电阻阻值之和的1/10；该分压电阻R8的电压输出端通过电容C4连接电压跟随器的输入端。

2.根据权利要求1所述的PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统，其特征是，体积DBD反应器包括进气口和出气口，进气口上设有气体流速调节单元和气体流速传感器，出气口上设有气体质量检测单元；气体流速调节单元的控制输入端连接控制单元，气体流速传感器检测进气口的气体流速信号，气体质量检测单元检测出气口的气体质量信号，分别传输至控制单元；控制单元根据接收到的气体流速信号，通过气体流速调节单元对气体流速进行调节。

3.根据权利要求2所述的PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统，其特征是，控制单元通过气体流速调节单元控制体积DBD反应器内的初始气体流速为2.5m/s；体积DBD反应器的运行过程中，当检测到气体流速在2.0m/s～3.5m/s范围之外时，对气体流速进行调节。

4.根据权利要求1所述的PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统，其特征是，放电电流检测电路中，电流互感器为均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管，体积DBD反应器的感应器的地线垂直通过电流互感器线圈所在平面；

电流互感器输出至电压跟随器的输出电压e(t)为：

其中，i是流经放电回路(地线)的电流，t是时间，h为环形非磁性骨架高度，N为线圈匝数，μ₀为真空磁导率，R_b、R_a分别为环形非磁性骨架内径和外径；

是一个常数，用互感系数M表示有：

5.根据权利要求1所述的PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统，其特征是，光谱检测单元包括依次连接的紫外传感器、电压跟随器、隔离电容、放大电路、电压跟随器、整流电路和真有效值转换电路；紫外传感器的信号接收端上设有对除·OH光谱之外的光谱进行滤除的紫外带通滤光片。

6.权利要求1-5任一项所述PDM工作模式下的高压激励电源驱动体积DBD空气净化装置的供电频率调控系统的供电频率调控方法，其特征是，包括步骤：

S1，设定PDM电源的初始供电频率，按照初始供电频率控制体积DBD反应器开始运行；

S2，在体积DBD反应器的运行过程中，检测体积DBD反应器的供电电压、放电电流、积分电容电压和发射光谱强度信号；

S3，根据检测到的信号计算体积DBD反应器的供电能量和相对光量子产率能效比E_er；

S4，利用牛顿爬山算法确定体积DDB反应器的最佳E_er、E_er的最佳波动范围以及供电频率的调节范围，包括：

S401，将供电频率的变化作为扰动变量，多次控制PDM电源改变供电频率输出，并利用步骤S2至S3，得到每次供电频率改变后对应的相对光量子产率能效比；

S402，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

根据多次供电频率改变获得的E_er，确定包含最佳E_er值并满足区间长度值

的最佳E_er波动范围；

S403，将最佳E_er波动范围对应的供电频率范围作为供电频率的调节范围

S5，控制PDM电源的供电频率输出在供电频率的调节范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，步骤S4包括步骤：

S411，将当前E_er及其对应的供电频率作为参考点A，控制PDM电源以一设定步长改变供电频率输出，作为参考点A的扰动量，使得E_er增加；计算供电频率改变后的E_er，将该E_er及其对应的供电频率作为第一参考点；

S412，控制PDM电源以设定步长沿步骤S411中供电频率的改变方向，再次改变供电频率输出，作为第二参考点的扰动量；计算供电频率改变后的E_er，若E_er减少则转至步骤S413，若Eer增加，则重复步骤S412，直至E_er减少，转至步骤S413；

S413，定义使得E_er减少的扰动量为加在参考点M上的扰动量，E_er增加到参考点M之前的参考点为参考点C，E_er减少后的参考点为参考点D；以设定步长沿步骤S422中供电频率的相反改变方向，改变供电频率的输出，使得E_er回到参考点M；

S414，设定E_er的最佳波动范围的区间长度值

将区间(C，D)的范围区间长度与区间长度值

进行比较，若小于或等于

则将区间(C，D)对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将区间(C，D)对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若区间(C，D)的范围区间长度大于

则转至步骤S415；

S415，取区间(C，M)对应的E_er范围的中点值作为参考点P1，区间(M，D)对应的E_er范围的中点值作为参考点P2；比较参考点P1和参考点P2对应E_er值的大小，若P1的E_er值大于P2的E_er值，E_er的最大值在区间(P1，M)内，舍去区间(M，P2)；若P1的E_er值小于P2的E_er值，则E_er的最大值在区间(M，P2)内，舍去区间(P1，M)；若P1与P2的E_er值相等，则E_er最大值在区间(P1，P2)内；转至步骤S416；

S416，将当前包含E_er最大值的参考点区间长度值与

比较，若小于或等于

则将当前参考点区间对应的E_er范围值作为最佳E_er波动范围，将参考点区间对应的供电频率范围值作为供电频率的调节范围；若参考点区间的范围区间长度大于

则利用步骤S415通过取区间中点缩小区间长度的方法，继续缩小当前参考点区间长度，直至当前参考点区间长度值小于或等于

则将当前参考点区间对应的E_er范围作为最佳E_er波动范围，将当前参考点区间对应的供电频率范围，作为供电频率的调节范围。

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