介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
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2008年 9月 第 29卷 第 5期 Sept. 2008 V o.l 29 N o. 5
介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
王 军, 蔡忆昔, 庄凤芝, 王 静
( 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013 )
摘要: 通过建立介质阻挡放电试验系统, 采用 Q - V L issa jous图形法研究了激励电压 V、激励频率 f 对介质阻挡放电电学参量的影响. 试验结果表明: 提高 V, f 可有效提高介质阻挡放电的放电功率 P、电荷传输量 Q; 当介质阻挡放电装置结构参数确定后, V, f 对等效总电容 C 的影响不大, 电介质 层等效电容 Cd 随 V, f 的增大而增大, 放电气隙等效电容 C g 随 V, f 的增大而略有下降; 气隙有效电 场强度 E g 随 V 的升高而增大, f 对 E g 的影响不大; 该介质阻挡放电产生的平均电子能量较高, 可 用于臭氧发生器等设备. 关键词: 介质阻挡放电; Q - V L issa jous图形法; 激励电压; 激励频率 中图分类号: TM 835; TM 215 文献标志码: A 文章编号: 1671- 7775( 2008) 05- 0398- 04
图 5 单周期电荷传输量随激励电压的变化 关系 F ig. 5 Charge transfe r va lue pe r one cy cle as a function of app lied vo ltage
2. 4 气隙有效电场强度 气隙有效电场强度 E g 随激励电压和激励频率
的变化关系如图 6 所示. 从图中可以看出: E g 随 V 的增大而呈线性增加; 试验采用的 10, 14 kH z两种 频率的 E g - V 图形几乎重合, 说明激励频率对 E g 的 影响很小. 另由气隙有效电场强度 E g 公式可知: 要 有效增大 DBD 放电时的 E g, 需采用较 小的放电间 隙, 介电常数大且厚度较薄的介质.
- V L issa jous) 图形法. 目前认为 Q - V L issa jous图 形法测 量 D BD 放电 功率效果 较好 [ 3- 6] , 但 未见对
DBD 放电参量进行系统的分析, 文中利用该方法对 DBD 各放电参量进行较为细致的研究.
电容 C 充电.
1 Q - V L issajous放电功率测量方法
F ig. 2 T ypicalQ - V L issa jous figure and d ischarge vo ltag e w aveform o f DBD
通过求取 Q - V L issajous平行四边形的面பைடு நூலகம் S
及其顶点电压坐标, 可以间接测定 DBD的多个放电 参量, 如放电功率 P、放电熄灭阶段的总电容 C、放
电阶段的介质等效电容 C d 和气隙等效电容 C g、周
期电荷传输量 Q、气隙有效电场强 度 Eg、气隙折合
电场强度 E /n等. 计算公式如下 [ 7, 8] :
T
P=
VIdt
0
T
=
CM T
T
V
0
dVM dt
dt
=
fCM
V dVM
= fCM kS
C=
( Ux3 (Uy3
-
UUyx22))kCM
Cd =
1. 1 介质阻挡放电试验系统 试验采用单介质阻挡放电形式, 试验系统示意
图和试验装置布置图分别如图 1a, b所示. 采用厚 度为 1 mm 的 石英玻 璃作 为放电 介质, 直径为 50 mm 的圆形铜片 作为放电电极, 放电间隙为 2 mm. 放电电压波形通过电容 C1 和 C2 构成的电容分压器 来测量, 分压比 k = 152. 放电空间传输的电荷通过 在放电回路上串联一个 0. 1 F 的电容 CM 间接获 得. 变压变频低温等离子体电源可在 0~ 25 kV (可 调 )、8~ 20 kH z (可调 ) 范围内工作, 通过泰克示波 器 TDS3034B进行 Q - V L issajous放电功率测量. 试 验时, 将示波器 CH1 通道与 CM 两端连接, 将示波器 CH 2 通道与电容分压器中较大电容两端连接.
图 4 等效电容随激励电压的变化关系 F ig. 4 Equivalen t capac itance as a function
o f applied vo ltage
由图 4a可以看出, 当 DBD 放电装置结构参数 确定时, 放电熄灭阶段的总电容 C 受 V, f 变化的影 响较小, 其值在一个较小范围内变化, 试验测得其变 化范围为 26. 5 ~ 27. 5 pF. 图 4b 表明: C d 随 V, f 的 升高而增 大, Cg 随 V, f 增 大而 略 有下 降, 其 值在
试验中发现放电熄灭阶段的总电容 C、电介质层 等效电容 C d 与放电气隙等效电容 C g 也会随着激励 电压和激励频率的变化而发生变化, 如图 4a, b所示.
38 3 pF范围内变动. 在试验中还发现: 随着 V, f 的 升高, 放电气隙的微放电由局部区域逐渐扩展为整 个放电空间, 放电逐渐趋于稳定. 2. 3 单周期电荷传输量
( a)
F ig. 1
( b) 图 1 DBD 试验系统示意图和布置图 Sketch m ap and photograph of DBD experim ent system
1. 2 Q - V L issajous放电功率测量方法 DBD放电的典型 Q - V L issajous图形 如图 2a
Abstract: The effects of applied voltage V and frequency f on the m ain param eters of d ischarge w ere studied by Q - V L issajous figures in die lectric barrier discharge ( DBD) experim ent system. T he results show that im prov ing V and f can e ffect ively enhance DBD pow er P and charge transfer value Q. W hen DBD dev ice structure param eters are fixed, the effects o f V and f on the total equivalent capacitance C are sm a l.l W ith V and f increasing d ielectric equ iva lent capac itance Cd increases, and equivalent capacitance of the d ischarge gap C g sligh tly decreases. The effective e lectric fie ld of the discharge gap Eg increases w ith V increasing, and the effects o f f on Eg is sm al.l T he average e lectron energy of the DBD dev ice is high and can be used to the equipm ent such as O3 generator. Key w ord s: die lectric barrier discharge; Q - V L issajous figure; app lied vo ltage; applied frequency
( Ux4 (Uy4
-
UUyx33))kCM
Cg =
C Cd Cd - C
Q = 2( Ux 3 - Ux 4 )CM
Eg =
ld
Vd g + lg
=
d
V
ld
Cg Cd
lg ld
+
lg
=
V
lg
C C
g d
+
lg
2 试验研究
2. 1 放电功率 DBD 放电功率的变化与激励电压和激励 频率
400
第 29卷
图 5为单周期电荷传输量 Q 随激 励电压和激 励频率的变化关系曲线. 从图中可以看出: 频率不变 时, Q 随 V 的提高而近似线性增大; 增大 f 亦可提高 放电功率. 放电空间传输的电荷量增加主要是因为 V和 f 的增加导致放电功率的增大, 从而放电气隙 内形成的放电更加强烈, 放电空间会产生更多随机 分布的放电电流细丝, 宏观上即表现为整个放电空 间传输的电荷总量增加.
介 质 阻 挡 放 电 ( die lectric barr ier discharge DBD) 又称无声放电, 是一种至少有一个电极被绝缘 电介质层所覆盖的非平衡态气体放电. 将频率为几 万到几十万赫兹的交流电加到两电极之间, 当电压 超过 Paschen击穿电压时, 放电空间的气体会被击 穿而形成介质阻挡放电 [ 1] . 介质阻挡放电可在大气 压下或高于大气压下产生大体积、高能量密度的低
所示, 对应的 CH 1 和 CH 2 通道波形如图 2b所示. 从 图可以看出: 在一个放电周期内, A B, C D 为微 放电阶段, A, C 点为 放电起始点, B, D 为放电终止 点; B C, D A 阶段为放电熄灭后, 电源向 DBD总
图 2 DBD 放电典型 Q - V L issajous图形及其放电电压波形
收稿日期: 2007- 12- 25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50776041) ; 江苏省高校自然科学重大基础研究项目 ( 06K JA 47004)
作者简介: 王 军 ( 1980 ) , 男, 内蒙古和林人, 博士研究生 ( w j163w @j tom. com ) , 主要从事发动机工作过程及排放控制的研究.
蔡忆昔 ( 1957 ) , 男, 江苏昆山人, 教授, 博士生导师 ( qc001@ u js. edu. cn ), 主要从事发动机工作过程及排放控制的研究.
第 5期
王 军等: 介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
399
量是比较困难的. 目前测量介质阻挡放电功率的方 法主要有 [ 2] : 功率表法、瞬时功率法、电荷 - 电压 (Q
密切相关, 变化关系如图 3所示.
图 3 放电功率随激励电压的变化关系 F ig. 3 D ischarge pow er as a function of applied vo ltage
从图中可以看出: 同一频率下, 放电功率随外加 激励电压的提高而近似线性增大; 相同外加激励电压 时, 增加放电频率可提高放电功率. 当 DBD放电装置 结构参数确定时, 增加放电功率可有效增加放电间隙 的放电细丝数量, 从而有效增加高能电子的数量. 2. 2 等效电容
温等离子体, 且操控简单, 其在臭氧合成、工业废气 处理、空气净化、表面处理、材料改性等领域均获得 了广泛的应用.
表征 DBD 集体效应的电学参量有: 放电气隙等 效电容 Cg、电介质层等效电容 Cd、放电功率 P、放电 电荷量 Q、放电气隙等效电场强度 Eg 等. 由于介质 阻挡放电的电流、电压间的相位失调, 这些参量的测
图 6 气隙有效电场强度随激励电压的变化 关系 F ig. 6 E ffective e lectric field o f discha rge gap as a function of app lied vo ltage
2. 5 气隙折合电场强度 通常用折合电场强度 E /n 来表征电子从 电场
DBD pow er m easurem ent and change of its m ain discharge param eters
WANG Jun, CA I Yi-x i, ZH UANG Feng-zhi, WANG J ing
( Schoo l of A u tom ot ive and Traff ic Engineering, J iangsu U n iversity, Zhen jiang, J iangsu 212013, Ch ina)
介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
王 军, 蔡忆昔, 庄凤芝, 王 静
( 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013 )
摘要: 通过建立介质阻挡放电试验系统, 采用 Q - V L issa jous图形法研究了激励电压 V、激励频率 f 对介质阻挡放电电学参量的影响. 试验结果表明: 提高 V, f 可有效提高介质阻挡放电的放电功率 P、电荷传输量 Q; 当介质阻挡放电装置结构参数确定后, V, f 对等效总电容 C 的影响不大, 电介质 层等效电容 Cd 随 V, f 的增大而增大, 放电气隙等效电容 C g 随 V, f 的增大而略有下降; 气隙有效电 场强度 E g 随 V 的升高而增大, f 对 E g 的影响不大; 该介质阻挡放电产生的平均电子能量较高, 可 用于臭氧发生器等设备. 关键词: 介质阻挡放电; Q - V L issa jous图形法; 激励电压; 激励频率 中图分类号: TM 835; TM 215 文献标志码: A 文章编号: 1671- 7775( 2008) 05- 0398- 04
图 5 单周期电荷传输量随激励电压的变化 关系 F ig. 5 Charge transfe r va lue pe r one cy cle as a function of app lied vo ltage
2. 4 气隙有效电场强度 气隙有效电场强度 E g 随激励电压和激励频率
的变化关系如图 6 所示. 从图中可以看出: E g 随 V 的增大而呈线性增加; 试验采用的 10, 14 kH z两种 频率的 E g - V 图形几乎重合, 说明激励频率对 E g 的 影响很小. 另由气隙有效电场强度 E g 公式可知: 要 有效增大 DBD 放电时的 E g, 需采用较 小的放电间 隙, 介电常数大且厚度较薄的介质.
- V L issa jous) 图形法. 目前认为 Q - V L issa jous图 形法测 量 D BD 放电 功率效果 较好 [ 3- 6] , 但 未见对
DBD 放电参量进行系统的分析, 文中利用该方法对 DBD 各放电参量进行较为细致的研究.
电容 C 充电.
1 Q - V L issajous放电功率测量方法
F ig. 2 T ypicalQ - V L issa jous figure and d ischarge vo ltag e w aveform o f DBD
通过求取 Q - V L issajous平行四边形的面பைடு நூலகம் S
及其顶点电压坐标, 可以间接测定 DBD的多个放电 参量, 如放电功率 P、放电熄灭阶段的总电容 C、放
电阶段的介质等效电容 C d 和气隙等效电容 C g、周
期电荷传输量 Q、气隙有效电场强 度 Eg、气隙折合
电场强度 E /n等. 计算公式如下 [ 7, 8] :
T
P=
VIdt
0
T
=
CM T
T
V
0
dVM dt
dt
=
fCM
V dVM
= fCM kS
C=
( Ux3 (Uy3
-
UUyx22))kCM
Cd =
1. 1 介质阻挡放电试验系统 试验采用单介质阻挡放电形式, 试验系统示意
图和试验装置布置图分别如图 1a, b所示. 采用厚 度为 1 mm 的 石英玻 璃作 为放电 介质, 直径为 50 mm 的圆形铜片 作为放电电极, 放电间隙为 2 mm. 放电电压波形通过电容 C1 和 C2 构成的电容分压器 来测量, 分压比 k = 152. 放电空间传输的电荷通过 在放电回路上串联一个 0. 1 F 的电容 CM 间接获 得. 变压变频低温等离子体电源可在 0~ 25 kV (可 调 )、8~ 20 kH z (可调 ) 范围内工作, 通过泰克示波 器 TDS3034B进行 Q - V L issajous放电功率测量. 试 验时, 将示波器 CH1 通道与 CM 两端连接, 将示波器 CH 2 通道与电容分压器中较大电容两端连接.
图 4 等效电容随激励电压的变化关系 F ig. 4 Equivalen t capac itance as a function
o f applied vo ltage
由图 4a可以看出, 当 DBD 放电装置结构参数 确定时, 放电熄灭阶段的总电容 C 受 V, f 变化的影 响较小, 其值在一个较小范围内变化, 试验测得其变 化范围为 26. 5 ~ 27. 5 pF. 图 4b 表明: C d 随 V, f 的 升高而增 大, Cg 随 V, f 增 大而 略 有下 降, 其 值在
试验中发现放电熄灭阶段的总电容 C、电介质层 等效电容 C d 与放电气隙等效电容 C g 也会随着激励 电压和激励频率的变化而发生变化, 如图 4a, b所示.
38 3 pF范围内变动. 在试验中还发现: 随着 V, f 的 升高, 放电气隙的微放电由局部区域逐渐扩展为整 个放电空间, 放电逐渐趋于稳定. 2. 3 单周期电荷传输量
( a)
F ig. 1
( b) 图 1 DBD 试验系统示意图和布置图 Sketch m ap and photograph of DBD experim ent system
1. 2 Q - V L issajous放电功率测量方法 DBD放电的典型 Q - V L issajous图形 如图 2a
Abstract: The effects of applied voltage V and frequency f on the m ain param eters of d ischarge w ere studied by Q - V L issajous figures in die lectric barrier discharge ( DBD) experim ent system. T he results show that im prov ing V and f can e ffect ively enhance DBD pow er P and charge transfer value Q. W hen DBD dev ice structure param eters are fixed, the effects o f V and f on the total equivalent capacitance C are sm a l.l W ith V and f increasing d ielectric equ iva lent capac itance Cd increases, and equivalent capacitance of the d ischarge gap C g sligh tly decreases. The effective e lectric fie ld of the discharge gap Eg increases w ith V increasing, and the effects o f f on Eg is sm al.l T he average e lectron energy of the DBD dev ice is high and can be used to the equipm ent such as O3 generator. Key w ord s: die lectric barrier discharge; Q - V L issajous figure; app lied vo ltage; applied frequency
( Ux4 (Uy4
-
UUyx33))kCM
Cg =
C Cd Cd - C
Q = 2( Ux 3 - Ux 4 )CM
Eg =
ld
Vd g + lg
=
d
V
ld
Cg Cd
lg ld
+
lg
=
V
lg
C C
g d
+
lg
2 试验研究
2. 1 放电功率 DBD 放电功率的变化与激励电压和激励 频率
400
第 29卷
图 5为单周期电荷传输量 Q 随激 励电压和激 励频率的变化关系曲线. 从图中可以看出: 频率不变 时, Q 随 V 的提高而近似线性增大; 增大 f 亦可提高 放电功率. 放电空间传输的电荷量增加主要是因为 V和 f 的增加导致放电功率的增大, 从而放电气隙 内形成的放电更加强烈, 放电空间会产生更多随机 分布的放电电流细丝, 宏观上即表现为整个放电空 间传输的电荷总量增加.
介 质 阻 挡 放 电 ( die lectric barr ier discharge DBD) 又称无声放电, 是一种至少有一个电极被绝缘 电介质层所覆盖的非平衡态气体放电. 将频率为几 万到几十万赫兹的交流电加到两电极之间, 当电压 超过 Paschen击穿电压时, 放电空间的气体会被击 穿而形成介质阻挡放电 [ 1] . 介质阻挡放电可在大气 压下或高于大气压下产生大体积、高能量密度的低
所示, 对应的 CH 1 和 CH 2 通道波形如图 2b所示. 从 图可以看出: 在一个放电周期内, A B, C D 为微 放电阶段, A, C 点为 放电起始点, B, D 为放电终止 点; B C, D A 阶段为放电熄灭后, 电源向 DBD总
图 2 DBD 放电典型 Q - V L issajous图形及其放电电压波形
收稿日期: 2007- 12- 25 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50776041) ; 江苏省高校自然科学重大基础研究项目 ( 06K JA 47004)
作者简介: 王 军 ( 1980 ) , 男, 内蒙古和林人, 博士研究生 ( w j163w @j tom. com ) , 主要从事发动机工作过程及排放控制的研究.
蔡忆昔 ( 1957 ) , 男, 江苏昆山人, 教授, 博士生导师 ( qc001@ u js. edu. cn ), 主要从事发动机工作过程及排放控制的研究.
第 5期
王 军等: 介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
399
量是比较困难的. 目前测量介质阻挡放电功率的方 法主要有 [ 2] : 功率表法、瞬时功率法、电荷 - 电压 (Q
密切相关, 变化关系如图 3所示.
图 3 放电功率随激励电压的变化关系 F ig. 3 D ischarge pow er as a function of applied vo ltage
从图中可以看出: 同一频率下, 放电功率随外加 激励电压的提高而近似线性增大; 相同外加激励电压 时, 增加放电频率可提高放电功率. 当 DBD放电装置 结构参数确定时, 增加放电功率可有效增加放电间隙 的放电细丝数量, 从而有效增加高能电子的数量. 2. 2 等效电容
温等离子体, 且操控简单, 其在臭氧合成、工业废气 处理、空气净化、表面处理、材料改性等领域均获得 了广泛的应用.
表征 DBD 集体效应的电学参量有: 放电气隙等 效电容 Cg、电介质层等效电容 Cd、放电功率 P、放电 电荷量 Q、放电气隙等效电场强度 Eg 等. 由于介质 阻挡放电的电流、电压间的相位失调, 这些参量的测
图 6 气隙有效电场强度随激励电压的变化 关系 F ig. 6 E ffective e lectric field o f discha rge gap as a function of app lied vo ltage
2. 5 气隙折合电场强度 通常用折合电场强度 E /n 来表征电子从 电场
DBD pow er m easurem ent and change of its m ain discharge param eters
WANG Jun, CA I Yi-x i, ZH UANG Feng-zhi, WANG J ing
( Schoo l of A u tom ot ive and Traff ic Engineering, J iangsu U n iversity, Zhen jiang, J iangsu 212013, Ch ina)