CN112485208A - 一种电场下溶液离子迁移的检测方法及系统 - Google Patents

一种电场下溶液离子迁移的检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电场下溶液离子迁移的检测方法及系统，将有色电解质溶液置于电场中；采用激光发射器发射单色光源，单色光源经有色电解质溶液传输，并输出至激光接收器，激光接收器接收光能、并将光信号转为电信号；通过调整各变量因素，获得电解质溶液浓度与输出电位的关系以及研究电场环境中溶液离子迁移规律；所述变量因素包括电解质溶液浓度、电场强度和单色光入射位置中的一种或多种；所述有色电解质溶液的颜色与单色光源的颜色为光学互补色。本发明操作简单且结果直观精确，为直流电场下绝缘子金具腐蚀机理的研究提供理论基础，具有现实意义和良好前景。

Description

一种电场下溶液离子迁移的检测方法及系统
技术领域
本发明涉及离子迁移检测领域，具体涉及一种电场下溶液离子迁移的检测方法及系统。
背景技术
随着我国特高压直流技术的快速发展，国家电网和南方电网相继建成多条特高压直流输电线路，直流输电线路电压等级进一步提高，绝缘子金具腐蚀问题日益突出。对于电场作用下金具表面附水时的电化学腐蚀过程缺乏清楚的认识，需要清晰建立起电场对于溶液中的离子迁移的影响。实验室中模拟离子迁移过程的方法有蒸汽试验法和水溶液试验方法，可以观察离子迁移的物理状态，测得不同时间下绝缘电阻的变化，但是对实验器材的精度要求太高，且不适宜模拟强电场的情况。离子质谱仪则存在离子源效率不高、受大气环境影响较大等问题。
目前所知，中国发明专利申请CN110572128A公开了一种时间分辨电荷抽取和离子迁移的检测装置及方法，根据载流子和离子迁移的时间尺度不同，采用电荷抽取的方法，将光生载流子全部抽取至外电路，以单独研究离子迁移。但是该检测装置及方法仅适用于根据不同的激光照射太阳能电池产生的光电压下迁移离子电荷量的变化，并未考虑强电场作用下的情况。专利CN111007038A提供了一种基于激光光热干涉的水中砷离子定量检测装置和方法，光热效应使溶液吸光后温度变化导致干涉条纹移动，通过测量两束激光的光热信号差值定量检测水中砷离子浓度，但该检测装置对环境温度的要求较高，主要用于离线检测状态。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了解决上述问题的一种电场下溶液离子迁移的检测方法，该检测法基于有色离子对互补色光线的吸收原理，用于探究直流电场对离子溶液局部浓度的影响。
本发明通过下述技术方案实现：
一种电场下溶液离子迁移的检测方法，将有色电解质溶液置于电场中；采用激光发射器发射单色光源，单色光源经有色电解质溶液传输，并输出至激光接收器，激光接收器接收光能、并将光信号转为电信号；通过调整各变量因素，获得电解质溶液浓度与输出电位的关系以及研究电场环境中溶液离子迁移规律；所述变量因素包括电解质溶液浓度、电场强度和单色光入射位置中的一种或多种；所述有色电解质溶液的颜色与单色光源的颜色为光学互补色。
本发明基于有色离子对互补色的光线的吸收原理，即是指有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致，透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。本发明有色电解质溶液可选用硫酸铜溶液，单色光源选用与硫酸铜溶液蓝色互补的红色；硫酸铜溶液呈现蓝色的原因在于Cu2+和水分子形成的配合离子是蓝色的，因此采用红色激光发射器照射均匀的硫酸铜溶液时，经互补色的吸收作用及透明容器的反射光后，光线被激光接收器接收转化为电信号，获得电位变化。因此，由于硫酸铜溶液本身的浓度不同，则透过光强度不同，检测到的电位变化不同；或者基于电场离子迁移的原因，发生离子局部聚集，造成溶液中不同部位的离子浓度不同，因此不同部位处透过光强度不同，检测到的电位变化不同。在平行金属极板加上直流电压后，Cu2+向着阴极方向迁移，随着电压的持续作用，逐渐有更多的Cu2+向阴极方向聚集。用激光照射距离阴极不同位置，由于Cu2+浓度的分布不均匀，经互补色的吸收作用也不同，在不同位置处测得的电位发生变化。
进一步优选，包括以下步骤：
S1.待有色电解质溶液温度稳定后，开启激光发射器，记录激光接收器测得的输出电压；
S2.向有色电解质溶液施加电压；待升压至测试电压，记录激光接收器测得的输出电压；
S3.有色电解质溶液的浓度为c1时，记录输出电压为U1；有色电解质溶液的浓度为c2时，记录输出电压为U2，经数据拟合，获得有色电解质溶液浓度与激光接收器测得的输出电压的关系满足以下方程式：
Figure BDA0002790589280000021
其中：k为光电转化率，I0为入射光强，k3为比例系数，R为采样电阻。
进一步优选，采用激光发射器照射距离阴极不同位置的有色电解质溶液部位，记录激光接收器测得的输出电压。
进一步优选，在单色光源传输方向上，通过增加盛放有色电解质溶液的绝缘容器的长度，以延长单色光源穿过有色电解质溶液的光路径长度。如通过设置不同长度的透明绝缘的长方体容器，可以改变激光穿过溶液的光路径，将不易观察的电场作用的微小离子浓度变化对光强的影响放大。
进一步优选，所述有色电解质溶液的颜色为蓝色、或者为红色或橙色中的一种，所述激光发射器发射的单色光源为红色或橙色中的一种、或者为蓝色。
一种电场下溶液离子迁移的检测系统，用于上述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法中，其特征在于，包括绝缘容器、电极板、激光发射器和激光接收器；所述绝缘容器中用于盛放有色电解质溶液；绝缘容器置于两个电极板之间的电场环境中，两个电极板分别用于与电源的正负极连接；所述激光发射器用于向电解质溶液发射单色光源，单色光源的颜色与电解质溶液的颜色为光学互补色；激光接收器用于接收透过电解质溶液的激光，并将光信号转化为电信号；绝缘容器上至少在激光入射的部位、激光透过的部位为透明区域。
进一步优选，所述绝缘容器为长方体容器。
进一步优选，所述长方体容器的前后两端面上分布附着固定两个电极板；长方体容器的左右两端侧，分别布置激光发射器和激光接收器。
进一步优选，还包括显示器，所述激光接收器的输出极与显示器连接，显示器用于显示激光接收器输出的电信号。
进一步优选，还包括滑动部件，所述滑动部件的滑动端与绝缘容器连接，用于带动绝缘容器移动，实现绝缘容器与发生激光发射器相对于位置变化；所述滑动部件的滑动端由步进电机驱动。
本发明具有如下的优点和有益效果：
现有的研究中未能清晰的反映出电场对离子迁移的作用机理，为此，设计了直流电场下激光检测离子迁移的方法，可通过对比有无外加电场下示波器的电位变化，得到直流电场对溶液离子迁移的影响通过改变硫酸铜溶液的浓度，来获取激光照射不同浓度的硫酸铜溶液浓度时，输出电压的变化规律；用激光照射距离阴极不同位置的有色电解质溶液，由于离子浓度的分布不均匀，经互补色的吸收作用也不同，在不同位置处测得的电位发生变化。本发明操作简单且结果直观精确，为直流电场下绝缘子金具腐蚀机理的研究提供理论基础，具有现实意义和良好前景。具体优势如下：
1、本发明基于有色离子对互补色光线的吸收原理，设计了一种电场下溶液离子迁移的检测方法。通过搭建直流电场下有色溶液离子实验模型，在不受外界条件干扰的前提下实时、在线的测量由激光发射器发出的光源经有色电解质溶液传输，到激光接收器接收的光能转化电位的变化。建立高低压隔离区，实时远距离操作调节电压变化，消除了因高电压带来的操作不便问题，且能准确捕捉到直流电场的变化对显示器上反映激光接收器两端电位变化的影响。
2、本发明基于的有色离子对互补色光线的吸收原理是指有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致，溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色，透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。
3、本发明的绝缘容器为长方体透明结构，经光源照射后散射现象弱，通过改变试样容器的长度，使电场作用下局部离子浓度的聚集沿着绝缘容器的长度方向堆积，将不易观察的电场作用的微小离子浓度变化对光强的影响放大。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的离子迁移检测方法流程图；
图2为本发明的离子迁移检测系统俯视图；图中虚线表示激光传输方向；
图3为本发明电场下溶液离子迁移图；绝缘容器长度为A1；
图4为本发明电场下溶液离子迁移图；绝缘容器长度为A2；
图5为本发明电场下溶液离子迁移图；绝缘容器长度为A3；其中A1＜A2＜A3，且此处的容器长度实质绝缘容器内部长度，也是测量方向上有色电解质溶液整体的长度。
附图中标记及对应的零部件名称：1-绝缘容器，2-电极板，3-激光发射器，4-激光接收器，5-滑动部件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种直流电场下溶液离子迁移的检测方法，将有色电解质溶液置于电场中；采用激光发射器发射单色光源，单色光源经有色电解质溶液传输，并输出至激光接收器，激光接收器接收光能、并将光信号转为电信号；通过调整各变量因素，获得电解质溶液浓度与输出电位的关系以及研究电场环境中溶液离子迁移规律。
变量因素包括电解质溶液浓度、电场强度和单色光入射位置中的一种或多种；所述有色电解质溶液的颜色与单色光源的颜色为光学互补色。
对比有无外加电场下示波器的电位变化，得到直流电场对溶液离子迁移的影响；
通过改变有色电解质溶液的浓度，来获取激光照射不同浓度的有色电解质溶液浓度时，激光接收器输出电压的变化规律。
采用激光发射器照射距离阴极不同位置的有色电解质溶液部位，记录激光接收器测得的输出电压。
在单色光源传输方向上，通过增加盛放有色电解质溶液的绝缘容器的长度，以延长单色光源穿过有色电解质溶液的光路径长度，将不易观察的电场作用的微小离子浓度变化对光强的影响放大。
有色电解质溶液的颜色为蓝色、或者为红色或橙色中的一种，所述激光发射器发射的单色光源为红色或橙色中的一种、或者为蓝色。本实施例中电解质溶液采用蓝色的硫酸铜溶液，激光发射器发射红色光源。
实施例2
基于实施例1提供的一种直流电场下溶液离子迁移的检测方法，进一步优化，具体操作如下所示
步骤1：构建有色电解质溶液离子迁移测试系统：
测试系统包括绝缘容器、电极板、激光发射器、激光接收器、滑动部件和步进电机。
(1)绝缘容器中用于盛放硫酸铜溶液；绝缘容器采用透明的长方体绝缘容器，长方体绝缘容器前后两侧面为20mm*100mm的长方形，下底面为10mm*100mm的长方形，左右侧面为为20mm*10mm的正方形，长方形容器壁采用1mm厚度以下的绝缘材料，其中左右两侧面为高透光度的无色玻璃。
长方体绝缘容器的前后两面各附有一块不小于20mm*100mm的金属极板，分别与直流测试电源的正负极相连，两个金属基板之间形成电场环境。
(2)激光发射器用于向电解质溶液发射单色光源，单色光源的颜色与电解质溶液的颜色为光学互补色，激光发射器采用红色激光二极管；激光接收器用于接收透过电解质溶液的激光，并将光信号转化为电信号，激光接收器采用光电二极管，也可由硅光电池和光电倍增管替代。
长方体绝缘容器的左侧放置一个红色激光二极管，右侧放置光电二极管，激光二极管与光电二极管中心到长方体绝缘容器后面金属极板的距离相等，误差不大于0.1mm；激光二极管与光电二极管中心到长方体容器下底面的距离为5mm，误差不大于0.1mm。
激光的传输方向与电场方向垂直。
(3)激光接收器的输出极与显示器连接，显示器用于显示激光接收器输出的电信号；显示器采用示波器，用于显示光电二极管输出的电压。
(4)包括滑动部件，滑动部件的滑动端与绝缘容器连接，用于带动绝缘容器移动，实现绝缘容器与发生激光发射器相对于位置变化；滑动部件的滑动端由步进电机驱动。
以长方体绝缘容器的左右方向为x轴，以长方体绝缘容器的前后方向为y轴，以长方体绝缘容器的上下方向为z轴；则电场方向与y轴方向同向，激光传输方向与y轴方向同向；如采用直线导轨构成至少是二维运动机构，滑动部件能够实现长方体绝缘容器沿y轴和z轴移动，以检测硫酸铜溶液中在不同电场位置部位的离子浓度分布情况。
步骤2，溶液离子迁移的检测：
(1)在长方体绝缘容器内部放置0.01mol/l的硫酸铜溶液，溶液高度不小于10mm。
(2)待硫酸铜溶液温度达到稳定后，打开激光二极管电源，记录光电二极管测得的输出电压。
(3)在长方体绝缘容器前后的平行金属极板上施加直流电压，快速升压到所需的测试电压。
(4)记录光电二极管输出电压。
(5)通过改变硫酸铜溶液的浓度，来获取激光照射不同浓度的硫酸铜溶液浓度时，光电二极管输出电压的变化规律。根据比尔定律，若单色光通过溶液的厚度不变，溶液的浓度越大，光强减弱越显著。则光强的减少量与光强和浓度的增加量成正比，设I0为入射光强，Ia为吸收光强，It为透过光强。硫酸铜溶液浓度为c1时，记录光电二极管连接的示波器电位为U1；硫酸铜溶液浓度为c2时，记录示波器电位为U2。
则满足：
I0＝Ia+It
-dI＝k1Idc
Figure BDA0002790589280000061
等式两边同时积分
Figure BDA0002790589280000062
透光率：
Figure BDA0002790589280000063
0＜T＜1
Figure BDA0002790589280000064
lnT＝-k2c＝k3c(k3＜0)
Figure BDA0002790589280000065
示波器外电路的电压电流方程为：
Figure BDA0002790589280000066
Figure BDA0002790589280000067
左右两边同时求偏导
Figure BDA0002790589280000068
Figure BDA0002790589280000069
设光电二极管的光电转化率为k，
Figure BDA00027905892800000610
Figure BDA0002790589280000071
连立方程式得：
Figure BDA0002790589280000072
Figure BDA0002790589280000073
本检测方法中溶液浓度与光电二极管输出电压的关系满足以下方程式：
Figure BDA0002790589280000074
其中：k为光电转化率；I0为入射光强；k3为比例系数；R为采样电阻。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场下溶液离子迁移的检测方法，其特征在于，将有色电解质溶液置于电场中；采用激光发射器发射单色光源，单色光源经有色电解质溶液传输，并输出至激光接收器，激光接收器接收光能、并将光信号转为电信号；通过调整各变量因素，获得电解质溶液浓度与输出电位的关系以及研究电场环境中溶液离子迁移规律；
所述变量因素包括电解质溶液浓度、电场强度和单色光入射位置中的一种或多种；所述有色电解质溶液的颜色与单色光源的颜色为光学互补色。
2.根据权利要求1所述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.待有色电解质溶液温度稳定后，开启激光发射器，记录激光接收器测得的输出电压；
S2.向有色电解质溶液施加电压；待升压至测试电压，记录激光接收器测得的输出电压；
S3.有色电解质溶液的浓度为c1时，记录输出电压为U1；有色电解质溶液的浓度为c2时，记录输出电压为U2，经数据拟合，获得有色电解质溶液浓度与激光接收器测得的输出电压的关系满足以下方程式：
Figure FDA0002790589270000011
其中：k为光电转化率，I0为入射光强，k3为比例系数，R为采样电阻。
3.根据权利要求1所述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法，其特征在于，采用激光发射器照射距离阴极不同位置的有色电解质溶液部位，记录激光接收器测得的输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法，其特征在于，在单色光源传输方向上，通过增加盛放有色电解质溶液的绝缘容器的长度，以延长单色光源穿过有色电解质溶液的光路径长度。
5.根据权利要求1所述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法，其特征在于，所述有色电解质溶液的颜色为蓝色、或者为红色或橙色中的一种，所述激光发射器发射的单色光源为红色或橙色中的一种、或者为蓝色。
6.一种电场下溶液离子迁移的检测系统，用于权利要求1至5任一项所述的一种电场下溶液离子迁移的检测方法中，其特征在于，包括绝缘容器、电极板、激光发射器和激光接收器；
所述绝缘容器中用于盛放有色电解质溶液；绝缘容器置于两个电极板之间的电场环境中，两个电极板分别用于与电源的正负极连接；
所述激光发射器用于向电解质溶液发射单色光源，单色光源的颜色与电解质溶液的颜色为光学互补色；激光接收器用于接收透过电解质溶液的激光，并将光信号转化为电信号；绝缘容器上至少在激光入射的部位、激光透过的部位为透明区域。
7.根据权利要求6所述的一种电场下溶液离子迁移的检测系统，其特征在于，所述绝缘容器为长方体容器。
8.根据权利要求7所述的一种电场下溶液离子迁移的检测系统，其特征在于，所述长方体容器的前后两端面上分布附着固定两个电极板；长方体容器的左右两端侧，分别布置激光发射器和激光接收器。
9.根据权利要求6所述的一种电场下溶液离子迁移的检测系统，其特征在于，还包括显示器，所述激光接收器的输出极与显示器连接，显示器用于显示激光接收器输出的电信号。
10.根据权利要求9所述的一种电场下溶液离子迁移的检测系统，其特征在于，还包括滑动部件，所述滑动部件的滑动端与绝缘容器连接，用于带动绝缘容器移动，实现绝缘容器与发生激光发射器相对于位置变化；所述滑动部件的滑动端由步进电机驱动。
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