CN202840243U - 一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置，其中离子风气流加速装置包括由电晕极和集电极构成的电极结构，其中，电晕极为针尖放电式电晕极。可见，本实用新型实施例提供的离子风气流加速装置中，电极结构采用针尖放电的形式，放电能力相对于常规放电形式有无比的优越性。此外，本实用新型还公开了一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，其测试过程中对电极结构间电场无扰动、电磁干扰小，可以保持电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度。

Description

一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置

技术领域

本实用新型涉及等离子体领域，特别涉及一种离子风气流加速装置及其电流密度测试装置。

背景技术

离子风的历史可以追溯到1709年，英国科学家Francis Hauksbee首次发现离子风现象。1899年，英国人Chattock通过一对平板电极的实验得出了离子风倾斜平板的压力和电流的简单关系，首次定量分析了离子风现象。

“空气电晕放电”是指在曲率半径大小相差极大的电极之间施加高压，诱导在曲率半径较小的电极附近的空气电离。离子风气流加速装置则是利用空气放电时的离子运动产生的气流实现气流加速的一种装置。离子风发生过程可描述为：空气中存在的自由电子和离子在受到强电场的作用下产生气流加速，从而获得足够的能量。高速运动的离子和电子频繁碰撞中性空气分子诱导其产生新的离子和电子。新的电子和离子在库仑力的作用下获得更大能量撞击空气中性分子，从而产生更多的离子和电子。上述过程循环往复，电流迅速达到饱和，发生“电子雪崩”，产生大量离子和电子。电晕极1与集电极2之间的区域可分为“电离区”和“漂移区”两部分，如图1所示，电晕极1和电离层边界04之间的区域称为“电离区”；集电极2和电离层边界04的区域称为“漂移区”。电离区内存在正离子05和电子02。电子02受电场力作用向电晕极1运动并被吸附中和；正离子05受电场力作用向电离层边界04移动，继而进入漂移区，在继续向集电极2运动的过程中，与中性气体颗粒06碰撞、吸附及中和，进行能量和动量的转移，带动周围中性空气分子运动继而形成持续的离子风。离子风气流加速装置机理的本质是空气分子发生电晕放电，诱导空气中的中性粒子发生电离并产生气流运动的过程。

离子风气流加速装置主要由电极结构、高压电源以及气流通道三部分组成，其相互作用关系可用图2表示为：高压电源为电极结构提供能量及波动电压，气流通道与电极结构之间存在流体边界效应。其中，高压电源为气体分子发生电晕放电和极间离子输运提供能量，电极结构的参数主要涉及电晕极与集电极的几何形状以及两者之间的距离等，气流通道作为气流运动的通道，可提供不同的实验环境，包括空气湿度、气体类型、室内温度、光线等的不同。

离子风气流加速装置机理的复杂性是由于其内部涉及到两电极之间发生电晕放电的电场、空间电荷密度场、气流通道内的流场等多个物理场的耦合。因此，研究并分析每个场量的参数和变化，使其利于气流量的增大，进而提高离子风速，是人们实验研究的主要目的。

由前述，空间电荷密度由电晕放电的电场强度决定。电晕放电产生的空间电荷自身会激发产生新的电场，从而影响原来电场的大小和空间分布。产生离子风的关键在于空气分子发生电晕放电，在电场力作用下加速运动，与周围中性空气分子发生动电能和动能的交换，带动周围空气分子运动从而产生气流。所以，空间电荷密度的大小直接影响气流速度。气流场的速度反过来又影响空间电荷的对流和扩散。气流场不但影响空间电荷分布，还影响着空间电场的分布。

在离子风气流加速装置中，只有当电压、电流满足一定条件才能产生稳定的气流继而产生离子风。理论研究表明电晕放电只有在辉光放电条件下才能在电晕极和集电极之间形成稳定的电流密度，即电流值大于0.5mA/m时才有较大的离子风产生，但电流值达到1A时，将会有火花放电现象产生，从而极间电压迅速下降，此时离子风速极其微弱甚至无离子风。影响离子风气流加速装置的电压和电流的因素除了电极形状、电极材料、电晕电极结构性（正电晕还是负电晕），还包括放电气体所处的实验环境的温度、压强、湿度等，另外，空气中的悬浮的固体颗粒也会影响电压或电流变化。因此，对气流加速装置内部电场特性的研究是离子风速特性的一个方向。两电极间的不同位置的电流密度分布的均匀程度对气流加速装置的转换效率具有明显影响，研究离子风气流加速装置的集电极上的电流密度波形能够对离子风特性进行深入的探讨。

以往的离子风气流加速装置以及其电波密度测试装置，具有如下局限：

a、以往的气流加速装置大多采用线-筒式、线-板式等，放电能力特别低，产生的风速比较小；

b、将电流密度计直接接到集电极上，，测试点不够多，测量不够精确；

c、用指针式电流表来测量某一点的电流值，而电流变化的周期往往小于1/10秒，所以，传统的指针式电流表无法测量电流波形（电流波形是指在同一时刻的各个测试点的电流值形成的波形）；

d、传统的指针式电流表，进行电流测试时容易引起火花放电、电磁干扰，造成电场内的电流瞬间发生变化，对离子风速的稳定性造成影响。

e、传统的测试装置，没有设置保护电路，电流表容易受到电冲击而损坏。

因此，如何提供一种放电能力较高的离子风气流加速装置，以及如何提供一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，避免测试过程中影响电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而可以更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种离子风气流加速装置，其放电能力相对于传统的放电形式具有无比的优越性；本实用新型还提供了一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，其测试过程对电极结构间电场无扰动、电磁干扰小，可以保持电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种离子风气流加速装置，包括由电晕极和集电极构成的电极结构，所述电晕极为针尖放电式电晕极。

优选地，在上述离子风气流加速装置中，所述集电极具有彼此绝缘的金属网孔。

一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，包括所述离子风气流加速装置，以及用于采集所述集电极上的电流密度数据的计算机数据采集系统。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述计算机数据采集系统包括数字万用表和计算机，所述数字万用表测量所述集电极上的电流密度，并发送给所述计算机进行显示和记录。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述集电极具有彼此绝缘的金属网孔，所述计算机数据采集系统包括至少一条采集线路，且每条所述采集线路仅与一个所述金属网孔连接。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述计算机数据采集系统还包括数字开关，所述数字开关将同一时间测得的多个所述采集线路中的信号，依次接到所述数字万用表中。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述数字开关和所述数字万用表放置在PXI机箱内，所述计算机的主机通过电缆连接到所述PXI机箱来控制所述数字开关和所述数字万用表。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述PXI机箱和所述计算机主机放置在屏蔽电场的屏蔽柜内。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，还包括设置于所述集电极与所述数字万用表之间的过压保护电路。

优选地，在上述离子风气流加速装置电流密度测试装置中，所述过压保护电路由压敏电阻和气体放电管组成两级保护。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的离子风气流加速装置中，电极结构采用针尖放电的形式，放电能力相对于常规放电形式有无比的优越性。并且，本实用新型实施例提供的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其测试过程中对电极结构间电场无扰动、电磁干扰小，可以保持电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为电晕极与集电极之间的区域划分示意图；

图2为离子风气流加速装置中电极结构、高压电源和气流通道三部分之间的相互关系；

图3为本实用新型实施例提供的电极结构的结构示意图；

图4为本实用新型的第二实施例提供的离子风气流加速装置电流密度测试装置的结构示意图；

图5为本实用新型的第三实施例提供的离子风气流加速装置电流密度测试装置的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种离子风气流加速装置，其放电能力相对于传统的放电形式具有无比的优越性；本实用新型还提供了一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，其测试过程可以保持电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-图5，图1为电晕极与集电极之间的区域划分示意图，图2为离子风气流加速装置中电极结构、高压电源和气流通道三部分之间的相互关系，图3为本实用新型实施例提供的电极结构的结构示意图，图4为本实用新型的第二实施例提供的离子风气流加速装置电流密度测试装置的结构示意图，图5为本实用新型的第三实施例提供的离子风气流加速装置电流密度测试装置的结构示意图。

本实用新型第一实施例提供的离子风气流加速装置，包括由电晕极1和集电极2构成的电极结构，以及在电晕极1与集电极2之间施以高压电的高压电源，为了保证测试环境的稳定性，还包括将电极结构封闭其中的气流通道07，其中，集电极2用高压电源支座11支撑，并且，电晕极1为针尖放电式电晕极。电极结构采用针尖放电的形式，放电能力更强，相对于常规放电形式有无比的优越性。

在本实施例中，集电极2具有彼此绝缘的金属网孔，且每个金属网孔分别为矩形金属片。可见，集电极2被分成一个个彼此绝缘的矩形区域，在对离子风气流加速装置进行实验研究时，仅需对集电极2上的金属网孔进行数据采集即可，省去了传统的极板分割方法。

本实用新型第二实施例还提供了一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，该测试装置包括上述离子风气流加速装置，以及用于采集集电极2上的电流密度数据的计算机数据采集系统，该数据采集系统通过数据采集卡采集集电极2上的电流密度数据。

作为一优选方案，如图4所示，左边的虚线框内设置合适的电阻，通过电阻把从集电极2上采集到的电流密度转化成适合数据采集系统量程的电压值，即此测试系统通过电阻把电流转化成电压进行测量，再发送给计算机进行显示和记录。

作为一优选方案，该计算机数据采集系统包括数字万用表14和计算机，数字万用表14测量集电极2上的电流密度，并传给计算机显示和记录。其测试过程中对电极结构间的电场无扰动，且电磁干扰小，可以保持电极结构间的电场和离子风速的稳定性，从而更精确地测得离子风气流加速装置的电流密度。

为了进一步优化上述技术方案，在本实施例中，集电极2具有彼此绝缘的金属网孔，且每个金属网孔均为长度和宽度分别为2cm矩形金属片（这样一个测试面积，可以代表主流离子风气流加速器内部电场的典型电场特性），此外，计算机数据采集系统包括至少一条采集线路，且每条所述采集线路仅与一个所述金属网孔连接，即单个采集线路与单个金属网孔（即测试点）一一对应连接。

基于本实用新型提供的第二实施例，本实用新型还提供了第三实施例，即当计算机数据采集系统对集电极2上的多个金属网孔进行数据采集时，则有多个采集线路，且每个采集线路分别与每个金属网孔连接，分别测量出每一个矩形金属网孔区域的电流值，省去了传统的极板分割方法，方便有效地测量矩形金属网孔区域的电流密度值。同时，计算机数据采集系统还包括数字开关13，其具有多路自动切换功能。计算机控制数字开关13，使其将同一时间测得的多个采集线路中的信号，依次接到数字万用表14中，即计算机数据采集系统的多个采集线路在同一时间分别测得与其对应的金属网孔处传来的电流密度的信号，并由数字开关13接收，数字开关13再自动选择其一地将接收到的信号依次接到数字万用表14中，数字万用表14再传给计算机显示和记录。

可见，本实施例在测试过程中，不仅对电极结构间的电场无扰动、电磁干扰小，而且，基于计算机数据采集系统和计算机虚拟仪器编程，其操作性强，采样速度快，可以突破传统测试装置的缺陷，测得集电极2的电流密度波形，进而对离子风气流加速装置的特性进行进一步的理论实验和实验分析。

为了进一步优化上述技术方案，在本实施例中，数字开关13和数字万用表14放置在PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展，其中PCI是指外部控制器接口，即Peripheral Component Interconnect)机箱7内，计算机的主机10通过电缆连接到PXI机箱7来控制数字开关13和数字万用表14。此外，为了防止外界干扰，还将PXI机箱7和计算机主机10放置在用于屏蔽电场的屏蔽柜6内。并且，计算机的显示器8为不易受实验电场干扰的LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）显示器，LCD显示器和键盘等放在电脑桌上。为了实验时接线方便，在连接各控制柜的线路上采用快速连接件9。

为了进一步优化上述技术方案，在本实施例中，测试装置还包括设置于计算机数据采集系统上的过压保护电路5，其中，过压保护电路5由压敏电阻和气体放电管组成两级保护。作为一优选方案，如图5中所示，从测试点，即集电极2上的金属网孔，引出的导线接到过压保护电路5上，过压保护电路5集中放置在一个控制柜4内。

请参阅图4，左边的虚线框内设置电阻，通过电阻把从集电极2上采集到的电流密度转化成适合数据采集系统量程的电压值，即此测试系统通过电阻把电流转化成电压进行测量。因此，在本实施例中，计算机数据采集系统如采用型号为NI DMM 4070的数字万用表，它对电压的最大分辨率为22位，也就是说读数误差为1/2²²，小于400万分之一，这是传统的指针式仪表不可能达到的精度。此外，型号为NI DMM 4070的数字万用表具有最大每秒180万次的采样速度，能够准确地取得每个测试点随时间变化的电流波形。再结合高压电源二次电压的波形，可以对电晕极1和具有金属网孔的集电极2所形成的电场的特性进行研究。在一个实施例中，高压电源的额定电压为20KV，最大电流为5mA。在高压电源供电的状态下，在电晕极1和集电极2之间的空气中将产生电场，此时，电晕极1和集电极2之间将会产生微小电流，集电极2上测试点，即金属网孔，的电流就是本实验测试的对象。

正常状态下，对于每个集电极2上的每一个测试点，由数据采集卡进行采集，由计算机对采集的数据进行记录，通过软件编程形式对其进行显示。

特殊情况下电晕极1和集电极2之间的空气层被击穿，测试点的瞬时电流可能增至5mA。通过过压保护电路5的实施，减少对数据采集设备的危害。

压敏电阻在20V电压下导通，气体放电管在500V下击穿，而数据采集系统能经受840V达5秒。在测试回路中加入压敏电阻和气体放电管组成两级保护，以防止火花的发生对于数据采集系统的冲击。所以，测量回路对电场放电特性的影响是可以忽略不计的，这是测试准确性的前提。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种离子风气流加速装置，包括由电晕极（1）和集电极（2）构成的电极结构，其特征在于，所述电晕极（1）为针尖放电式电晕极。

2.根据权利要求1所述的离子风气流加速装置，其特征在于，所述集电极（2）具有彼此绝缘的金属网孔。

3.一种离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的离子风气流加速装置，以及用于采集所述集电极（2）上的电流密度数据的计算机数据采集系统。

4.根据权利要求3所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述计算机数据采集系统包括数字万用表（14）和计算机，所述数字万用表（14）测量所述集电极（2）上的电流密度，并发送给所述计算机进行显示和记录。

5.根据权利要求4所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述集电极（2）具有彼此绝缘的金属网孔，所述计算机数据采集系统包括至少一条采集线路，且每条所述采集线路仅与一个所述金属网孔连接。

6.根据权利要求5所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述计算机数据采集系统还包括数字开关（13），所述数字开关（13）将同一时间测得的多个所述采集线路中的信号，依次接到所述数字万用表（14）中。

7.根据权利要求6所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述数字开关（13）和所述数字万用表（14）放置在PXI机箱（7）内，所述计算机的主机（10）通过电缆连接到所述PXI机箱（7）来控制所述数字开关（13）和所述数字万用表（14）。

8.根据权利要求7所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述PXI机箱（7）和所述计算机主机（10）放置在屏蔽电场的屏蔽柜（6）内。

9.根据权利要求3所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，还包括设置于所述集电极（2）与所述数字万用表（14）之间的过压保护电路（5）。

10.根据权利要求9所述的离子风气流加速装置电流密度测试装置，其特征在于，所述过压保护电路（5）由压敏电阻和气体放电管组成两级保护。

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