CN109444562B - 一种用于测量沙粒荷电量的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量沙粒荷电量的测量系统，包括由上至下依次设置的：沙尘流制造装置，用于控制沙尘流的启停及荷电沙尘的浓度及粒径；沙尘荷电装置，用于控制实验沙尘的荷电量；相对设置的空气离子滤除平板，用于滤除空气离子对测量结果的干扰；开孔的屏蔽盘，用于屏蔽外界电场并保证荷电沙粒收集；沙粒收集桶，用于收集荷电沙粒；还包括荷电量测量系统，用于高精度测量沙尘荷电量。本发明的目的是提供一种用于测量沙粒荷电量的测量系统，可准确测量沙粒的荷电量，方便用于沙粒荷电特性的研究。

Description

一种用于测量沙粒荷电量的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及输电线路外绝缘技术领域，尤其涉及一种用于测量沙粒荷电量的测量系统及方法。

背景技术

自然环境中的沙粒在发生蠕移、悬移、跃迁运动时的不对称摩擦造成沙粒带电，这些带电沙粒可能会威胁输电线路的安全运行。由于现有的风沙试验装置无法实现如此复杂的沙粒运动形式，实践中常采用电晕荷电的方式使沙粒强制带电。为定量模拟真实的风沙电环境，沙粒荷电量的准确获取显得尤为关键。目前现有的测量颗粒物荷电量的方法有网状目标法，ELPI(静电低压撞击器)测量法，及法拉第筒法。其中网状目标法具有绝缘设计困难，测量影响因素多，试验误差较大等缺点。实践证明，采用网状目标法测量沙粒荷质比，难以实现荷电沙粒的准确收集，且无法排除外界因素(如空气流动、空间电场)对荷质比测量结果的干扰。ELPI静电低压撞击器仅适用于测量粒径在6nm～10μm范围内的颗粒荷电量，沙粒粒径则普遍在10～500μm之间。利用法拉第筒测量带电体电量时，需要保证电场的封闭性，否则会产生测量误差，因此难以实现荷电沙粒的收集。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于测量沙粒荷电量的测量系统及方法，可准确测量沙粒的荷电量，方便用于沙粒荷电特性的研究。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于测量沙粒荷电量的测量系统，包括由上至下依次设置的：

沙尘流制造装置，用于控制沙尘流的启停及荷电沙尘的浓度及粒径；

沙尘荷电装置，用于控制实验沙尘的荷电量；

左右相对设置的空气离子滤除平板，用于滤除空气离子对测量结果的干扰；

开孔的屏蔽盘，用于屏蔽外界电场并保证荷电沙粒收集；

沙粒收集桶，用于收集荷电沙粒；

还包括荷电量测量系统，用于高精度测量沙尘荷电量。

进一步的，所述沙尘流制造装置包括尼龙网、设置于所述尼龙网上的无线远控振动器以及控制所述无线远控振动器的启停动作的沙尘流远控装置。

进一步的，所述沙尘荷电装置包括上、下分布设置的接地网和施加高压的电晕网。

进一步的，所述屏蔽盘上的开孔的直径等于所述沙粒收集桶的直径，且屏蔽盘的开孔与沙粒收集桶完全对齐。

进一步的，两个空气离子滤除平板之间的距离大于或等于所述沙粒收集桶的直径。

进一步的，所述空气离子滤除平板连接直流电源。

进一步的，所述荷电量测量系统包括经屏蔽线与所述沙粒收集桶连接的高阻计，所述高阻计连接电流采集装置，所述电流采集装置连接计算机，所述高阻计为6517b高阻计，电流采集装置为采集卡。

一种测量沙粒荷电量的方法，包括如下步骤：

S1：沙尘流远控装置控制无线远控振动器控制沙尘流的启停，调整无线远控振动器的频率及尼龙网的目数改变下落沙尘的浓度及粒径；

S2：调节电晕网的电压以及电晕网与接地网之间的距离调整电晕网与接地网间的电场强度、电晕网的电晕强度以及沙粒的荷电时间，进而控制沙粒的荷电量大小；

S3：调整空气离子滤除平板间的电势差，分离并滤除空气离子；

S4：中心开孔的接地屏蔽盘，屏蔽外界空间电场以保证沙粒收集桶内的荷电沙粒收集；

S5：荷电量测量装置高精度测量沙尘荷电量，计算最终测量到的沙粒荷质比。

进一步的，所述沙粒荷质比的计算步骤如下：

高阻计测量带电沙粒产生的微电流i，并由电流采集装置采集并存储于计算机中，电子天平称量收集到的沙粒质量，最终测量到的沙粒荷质比q_e为：

m₁为试验前沙粒收集筒的质量，m₂为试验后沙粒和沙粒收集桶的总质量，i为电流采集装置采集的电流读数，t为测量时间。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

试验前，沙粒在粘滞阻力的作用下静止于尼龙网上，通过控制无限远控振动器的启停控制沙粒下落的开始与结束，若开启振动器，振动器带动尼龙网振动，沙粒便以弥散的形式下落，通过控制尼龙网的目数以及振动器的震动频率控制沙粒的粒径及流量；

通过调节电晕网的电压，控制电晕网的电晕强度及电晕网与接地网之间的电场强度，进而控制沙粒的荷电量多少，沙粒在重力的作用下下落，而电晕产生的空气离子则在电场力的作用下上行，与下落沙粒对撞进而荷电。

通过空气离子滤除平板，滤除电晕网下方空间中因电晕而产生的空气离子流，防止空气离子迁移至沙粒收集桶，造成测量误差；同时空气离子滤除平板通过外加直流电源使空气离子滤除平板间产生水平方向的偏移电场，空气离子在水平电场的作用下运动至平行平板，而沙粒则在重力及惯性的作用下通过平行平板，继续下落至沙粒收集桶；

通过架设开孔的屏蔽盘实现了在不妨碍沙粒的收集的同时，屏蔽外界电场。其中屏蔽盘的开孔的孔径与沙粒收集桶直径相同，且屏蔽盘的开孔与沙粒收集桶完全对齐；常规屏蔽通常为接地金属网，这种网状结构会与即将落入沙粒收集桶中的沙粒发生接触，造成电荷损失，影响沙粒荷质比测量的准确性。经有限元仿真计算，该开孔屏蔽盘同样具有接地金属网的屏蔽效果，且不会妨碍沙粒的收集，防止了被测沙粒的电荷损失，保证了沙粒荷电量测量的准确性。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明用于测量沙粒荷电量的测量系统的结构示意图；

附图标记说明：1-支架；2-尼龙网；3-接地网；4-电晕网；5-空气离子滤除平板；6-屏蔽盘；7-沙粒收集桶；8-绝缘板；9-高阻计；10-计算机；11-电子天平；12-无线远控振动器；13-双层屏蔽线。

具体实施方式

如图1所示，一种用于测量沙粒荷电量的测量系统，包括支架1，所述支架1内由上至下依次间距设置有尼龙网2、接地网3、电晕网4、相对设置的两个空气离子滤除平板5、屏蔽盘6、沙粒收集桶7，所述沙粒收集桶7位于所述支架1底部，所述沙粒收集桶7底部设置有绝缘板8，所述尼龙网2上设置有无线远控振动器12，所述屏蔽盘6上设置有开孔，所述沙粒收集桶7经双层屏蔽线13连接高阻计9，所述高阻计9连接电流采集装置，所述电流采集装置连接计算机10。

其中，本实施例中还包括电子天平11。所述电晕网4为施加高压的电晕网，通过调节电晕网4的电压，控制电晕网4的电晕强度及电晕网4与接地网3之间的电场强度，进而控制沙粒的荷电量多少，沙粒在重力的作用下下落，而电晕产生的空气离子则在电场力的作用下上行，与下落沙粒对撞进而荷电。所述电流采集装置为采集卡。所述屏蔽盘6上的开孔的直径等于所述沙粒收集桶7的直径，且屏蔽盘6的开孔与沙粒收集桶7完全对齐，实现了在不妨碍沙粒的收集的同时，屏蔽外界电场。相对设置的两个空气离子滤除平板5之间的距离大于或等于所述沙粒收集桶7的直径。所述空气离子滤除平板5连接直流电源。

其测量方法如下：

S1：沙尘流远控装置控制无线远控振动器12控制沙尘流的启停，调整无线远控振动器12的频率及尼龙网2的目数改变下落沙尘的浓度及粒径；

S2：调节电晕网4的电压以及电晕网4与接地网3之间的距离调整电晕网4与接地网3间的电场强度、电晕网4的电晕强度以及沙粒的荷电时间，进而控制沙粒的荷电量大小；

S3：调整空气离子滤除平板5间的电势差，分离并滤除空气离子；

S4：中心开孔的接地屏蔽盘6，屏蔽外界空间电场以保证沙粒收集桶7内的荷电沙粒收集；

S5：荷电量测量装置高精度测量沙尘荷电量，计算最终测量到的沙粒荷质比。

上述沙粒荷电量测量系统涉及的所有电器原件均为本领域常规选择，其涉及的具体电路结构也为本领域的常规技术手段。

上述沙粒荷电量测量系统，其特性是通过控制无限远控振动器的启停控制沙粒下落的开始与结束。试验前，沙粒在粘滞阻力的作用下静止于尼龙网上，若开启振动器，振动器带动尼龙网振动，沙粒便以弥散的形式下落。通过控制尼龙网的目数以及振动器的震动频率控制沙粒的粒径及流量。

上述沙粒荷电量测量系统，其特性是通过调节电晕网的电压，控制电晕网的电晕强度及电晕网与接地网之间的电场强度，进而控制沙粒的荷电量多少。沙粒在重力的作用下下落，而电晕产生的空气离子则在电场力的作用下上行，与下落沙粒对撞进而荷电。

上述沙粒荷电量测量系统，其特性是通过空气离子滤除平板，滤除电晕网下方空间中因电晕而产生的空气离子流，防止空气离子迁移至沙粒收集桶，造成测量误差。通过外加直流电源使空气离子滤除平板间产生水平方向的偏移电场，空气离子在水平电场的作用下运动至平行平板，而沙粒则在重力及惯性的作用下通过平行平板，继续下落至沙粒收集桶。

上述沙粒荷电量测量系统，其特性是通过架设开孔屏蔽盘实现了在不妨碍沙粒的收集的同时，屏蔽外界电场。其中开孔屏蔽盘的孔径与沙粒收集桶直径相同，且屏蔽盘的开孔与沙粒收集桶完全对齐。常规屏蔽通常为接地金属网，这种网状结构会与即将落入沙粒收集桶中的沙粒发生接触，造成电荷损失，影响沙粒荷质比测量的准确性。经有限元仿真计算，本专利设计的开孔屏蔽盘同样具有接地金属网的屏蔽效果，且不会妨碍沙粒的收集，防止了被测沙粒的电荷损失，保证了沙粒荷电量测量的准确性。

上述沙粒荷电量测量系统，其特性是通过沙粒收集桶收集带电沙粒，其中沙粒收集桶为纯铜制造并与地网形成回路。试验时，高阻计测量带电沙粒产生的微电流i，并由采集卡采集存储于计算机中。实验结束后，通过电子天平称量收集到的沙粒质量，最终测量到的沙粒荷质比q_e为：

m₁为试验前沙粒收集筒的质量，m₂为试验后沙粒和沙粒收集桶的总质量。i为采集卡采集的电流读数，t为测量时间。

通过对电晕网4施加高压，使得电晕网4与接地网3之间形成强烈的压差，电晕网3起晕，因电晕产生的空气离子朝向接地网3运动。开启无线远控振动器12后，原本静止于尼龙网2的沙粒开始以弥散的形式下落，并与朝向接地网3运动的空气离子对撞进而荷电。通过对空气离子滤除平板5施加直流电源，使得空气离子滤除平板间产生水平方向上的偏移电场，空气离子偏移至平板，而下落沙粒则由于其自身的惯性和重力得以继续下落被沙粒收集桶7收集，滤除了因空气离子迁移至沙粒收集桶造成的测量误差。通过设置开孔的屏蔽盘6实现了不妨碍沙粒收集的同时屏蔽外界空间电场。沙粒收集桶7位于绝缘板8的上方，并通过双层屏蔽线13与(6517b)高阻计9相连。带电沙粒落入沙粒收集桶7中，将电荷转移至沙粒收集桶7，由双层屏蔽线13导出并由高阻计9以电流i的形式测量，由采集卡采集并通过软件存储于计算机10中。沙粒收集桶7的净重m₁及试验后沙粒和沙粒收集桶7的总重m₂由电子天平11测量，将m₁、m₂、i及测量时间t代入公式(1)中即得到带电沙粒的荷质比。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于，包括由上至下依次设置的：

沙尘流制造装置，用于控制沙尘流的启停及荷电沙尘的浓度及粒径；

沙尘荷电装置，用于控制实验沙尘的荷电量；

左右相对设置的空气离子滤除平板，用于滤除空气离子对测量结果的干扰；

开孔的屏蔽盘，用于屏蔽外界电场并保证荷电沙粒收集；

沙粒收集桶，用于收集荷电沙粒；

还包括荷电量测量系统，用于高精度测量沙尘荷电量；

所述沙尘荷电装置包括上、下分布设置的接地网和施加高压的电晕网；所述接地网和所述电晕网平行设置，产生电场为匀强电场；

所述屏蔽盘上的开孔的直径等于所述沙粒收集桶的直径，且屏蔽盘的开孔与沙粒收集桶完全对齐；所述开孔屏蔽盘具有接地金属网的屏蔽效果，且不会妨碍沙粒的收集，防止被测沙粒的电荷损失，保证沙粒荷电量测量的准确性。

2.根据权利要求1所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于：所述沙尘流制造装置包括尼龙网、设置于所述尼龙网上的无线远控振动器以及控制所述无线远控振动器的启停动作的沙尘流远控装置。

3.根据权利要求1所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于：两个空气离子滤除平板之间的距离大于或等于所述沙粒收集桶的直径。

4.根据权利要求1或3所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于：所述空气离子滤除平板连接直流电源。

5.根据权利要求1所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于：所述荷电量测量系统包括经屏蔽线与所述沙粒收集桶连接的高阻计，所述高阻计连接电流采集装置，所述电流采集装置连接计算机。

6.根据权利要求5所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统，其特征在于：所述屏蔽线为双层屏蔽线，所述高阻计为6517b高阻计，所述电流采集装置为采集卡。

7.根据权利要求1所述的用于测量沙粒荷电量的测量系统的测量沙粒荷电量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：沙尘流远控装置控制无线远控振动器控制沙尘流的启停，调整无线远控振动器的频率及尼龙网的目数改变下落沙尘的浓度及粒径；

S2：调节电晕网的电压以及电晕网与接地网之间的距离调整电晕网与接地网间的电场强度、电晕网的电晕强度以及沙粒的荷电时间，进而控制沙粒的荷电量大小；

S3：调整空气离子滤除平板间的电势差，分离并滤除空气离子；

S4：中心开孔的接地屏蔽盘屏蔽外界空间电场以保证沙粒收集桶内的荷电沙粒收集；

S5：荷电量测量装置高精度测量沙尘荷电量计算最终测量到的沙粒荷质比。

8.根据权利要求7所述的测量沙粒荷电量的方法，其特征在于，所述沙粒荷质比的计算步骤如下：

高阻计测量带电沙粒产生的微电流i，并由电流采集装置采集并存储于计算机中，电子天平称量收集到的沙粒质量，最终测量到的沙粒荷质比q_e为：

m₁为试验前沙粒收集筒的质量，m₂为试验后沙粒和沙粒收集桶的总质量，i为电流采集装置采集的电流读数，t为测量时间。

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