介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
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介质阻挡放电特性及其影响因素.
.
图6石英介质厚度对DBD放电特性的影响
Fig .6Comparis on of discharge power with different thickness
of barrier quartz under varied
voltage
图7陶瓷介质厚度对DBD放电特性的影响
Fig .7Comparis on of discharge power with different thickness
图2是常压下空气中以陶瓷为介质的介质阻挡放电形貌,可以看出,大量的微放电无规则地分布在整个放电空间内,均匀、漫散且稳定,接近低气压下的辉光放电,但实际上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的
.
图2常压空气中介质阻挡放电形貌
Fig .2D ielectric barrier discharge i m age in air under nor mal
的能量大小起决定作用.在常压较大气体浓度下,只有通过提高气隙电场强度得到大量高能电子,才能使介质阻挡放电顺利进行.
由图1可知采用单阻挡介质时,气体击穿放电前放电间隙电场强度为:
E g =
V εd
l d εg +l g εd
(2
式中V为外加电压;εd、εg分别为介质及气体的相
对介电常数;l d、l g为介质厚度和气隙宽度.
由式(2可见,增加外加电压V和相对介电常数εd ,减小放电间隙l g和介质厚度l d ,可以获得较强的放电间隙电场强度.
113放电形貌及等离子体空间分布特性
由112可知,微放电是介质阻挡放电的核心.由
于介质的绝缘性质,微放电能够彼此独立地发生在放电气体间隙里的很多随机位置上,每个微放电通道相当于弧光放电中的流光击穿.
图6石英介质厚度对DBD放电特性的影响
Fig .6Comparis on of discharge power with different thickness
of barrier quartz under varied
voltage
图7陶瓷介质厚度对DBD放电特性的影响
Fig .7Comparis on of discharge power with different thickness
图2是常压下空气中以陶瓷为介质的介质阻挡放电形貌,可以看出,大量的微放电无规则地分布在整个放电空间内,均匀、漫散且稳定,接近低气压下的辉光放电,但实际上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的
.
图2常压空气中介质阻挡放电形貌
Fig .2D ielectric barrier discharge i m age in air under nor mal
的能量大小起决定作用.在常压较大气体浓度下,只有通过提高气隙电场强度得到大量高能电子,才能使介质阻挡放电顺利进行.
由图1可知采用单阻挡介质时,气体击穿放电前放电间隙电场强度为:
E g =
V εd
l d εg +l g εd
(2
式中V为外加电压;εd、εg分别为介质及气体的相
对介电常数;l d、l g为介质厚度和气隙宽度.
由式(2可见,增加外加电压V和相对介电常数εd ,减小放电间隙l g和介质厚度l d ,可以获得较强的放电间隙电场强度.
113放电形貌及等离子体空间分布特性
由112可知,微放电是介质阻挡放电的核心.由
于介质的绝缘性质,微放电能够彼此独立地发生在放电气体间隙里的很多随机位置上,每个微放电通道相当于弧光放电中的流光击穿.
氧气常压介质阻挡放电的发射光谱及能量传递机理
+ + 一负带系 O2 (b4Σg -a4Πu)和氧气的 A 带 O2(b1Σg -X3Σg )
三部 分 . 另外 , 增 大测 量 时 间 后 , 在 190-240 nm 之
4 - 4 间还观测到了比较弱的O+ 2 (c Σu-b Σg )的谱线(图3).
2 分析与讨论
2.1 发射光谱辨析 2.1.1 氧原子谱线分析 从 氧气放电的发射光谱 ( 见 图 2) 中可以 看到 , 在 500-950 nm 范围 内 , 出 现 了 多 条 氧原子谱 线 , 产
May [Article]
Acta Phys. -Chim. Sin., 2008, 24(5)： 827-832
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)
827
氧气常压介质阻挡放电的发射光谱及能量传递机理
谢维杰 1,2
3
李龙海 1,3
周保学 1
200240;
在等离子体区域 , 各 种 粒子 间进 行着 激 烈 的碰 撞、 分子解离、 激发和电离等过 程 , 并 有部 分 被 激 发 激 的原子、分子和离子跃迁产生发射光谱. 在碰撞、 发、 解离和电离等过程中, 各种粒子间的相互作用总 是以能量的转换和转递为主要特征. 但是, 对介质阻 挡放电过程中能量传递机理和化学动力学过程的认 识还不一致. 大多数人认为, 等离子体中的能量传递 电子与分子 (原子)的碰撞, 原子与 存在着以下过程： 分子间的碰撞, 以及电子 、 原子 和 分子间 的 三 体碰 撞, 其中电子与分子(原子)的碰撞是引起分子激发、 电离 和解 离的 主要 原 因 . 这 种观 点 在等离子体中
1 3 o 3 3 o 生这些辐射跃迁的原子谱项包括: 1D、 F、 S、 P、 D、 3 5 o 5 5 o “ o” D、 S、 P、 D (右 上 标 意 为 odd, 表示 奇宇称 ) 等 ,
测量介质阻挡放电功率的一种新方法
文章编号：1006- 7736（2002 ）01- 0092- 05
测量介质阻挡放电功率的一种新方法"
杨 波，王 燕，初庆东，张芝涛，白希尧
（大连海事大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116026 ）
摘要：为了解决传统的用于测量介质阻挡放电功率消耗的功率表法、高压侧电流电压测量法、C- V 轨迹 Lis-
1 几种功率测量方法的比较
1 .1 功率表测量法 用这种方法测量介质阻挡放电功率消耗，其
误差是很大的. 一种原因是高压变压器的损耗是 非线性的，它随着传输功率的不同而变化，并且整 个能耗占相当大的比例，而且不同的变压器其损 耗也不同；另一种原因是该方法只适用于测量低 频正弦交流功率，而目前用于产生高浓度臭氧的 发生器的工作频率通常为5 !30 k ~z ，远远高于 功率表的使用频率，且工作波形多种多样，自然会
第l 期
杨 波，等：测量介质阻挡放电功率的一种新方法
93
为了提高测量的精确度、方便性和可靠性，本 文提出一种新的测量放电装置功率的方法：高压 电桥 Lissaj Ous 波形图法（以下简称高压电桥法）. 实际上，利用高压电桥法测量局部放电能量的方 法已经在固体绝缘材料试验中应用很广，美国的 材料与试验学会（ASTM）已经把这种方法作为测 量固体绝缘材料局部放电能量试验的标准方 法［ll ］，只是还没有人将这一方法引入到介质阻挡 放电装置功率损耗的测量中去. 它的原理与C- V 轨迹法相同，只是在测量电路中增加一只参考臂 和一个信号转换变压器，就可以利用电桥平衡原 理在放电发生之前将电桥调节平衡，从而排除了 间隙等效电容引起的测量误差，所得到的波形图 是上下两边平行于坐标轴的平行四边形，这给测 量和计算带来了极大的方便，从而提高了测量的 准确度.
介质阻挡放电工作原理
介质阻挡放电工作原理
介质阻挡放电是一种高压电场下的放电现象，其工作原理可以分
为以下几个步骤：
1. 电场作用下的电子加速：在高电压电极的作用下，电子会受
到电场的加速作用，从而获得能量，速度逐渐增加。
2. 离子化：当电子速度增加到一定程度时，它们会与气体原子
或分子碰撞，使其失去一个或多个电子，产生正离子和自由电子。
这
个过程称为离子化。
3. 自由电子的碰撞电离：自由电子会继续与气体分子碰撞，进
一步逐渐增加离子化的程度，使得正离子和自由电子的数量不断增加。
4. 电压峰值达到阻挡层击穿电压：当电场的电压峰值逐渐增加，最终会达到阻挡层的击穿电压。
此时，在阻挡层内会形成一个高强度
的电场引起"诱导电流"。
5. 放电：当电场的电压峰值达到阻挡层击穿电压时，电子和正
离子会被大量产生并猛烈碰撞，从而在该区域内产生放电现象。
放电
同时产生的光，声，热，电磁场等现象可以被检测到。
6. 放电结束：当放电过程中的能量耗尽，或者阻挡层内的介质
不能继续支持大电流和高电压时，放电过程即结束。
介质阻挡放电电气参数与反应器参数的测量
ｄｓ ｈ ｒ ｅ ｆｉｉ ｎ ｙ． Ｗ ｉｈ ｎ ｘ ｅ ｉ ｎｔ ｌ ｐ ａ ａ ｕ ， ｔ ｅ ｉｃ ａ ｇ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｓ ＤＢＤ ｔ ｔ － ｉｃ ａ ｇ ｅ ｆｃｅ ｃ ｔ ａ ｅ ｐ ｒ ｍｅ ａ ａ ｐ ｒ ｔ ｓ ｈ ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ｏｆ ａ ａ ｍｏ ｓ ｈ ｒ ｃ ｉ ａ ｅ ｔ ｄ ｅ ｐ ｅ ｉ ａｒ ｒ ｓ ｕ ｉ ｄ， ａ ｄ ｈ ｖ ｔ ｇ ・ｕ ｒ ｔ ａ ｅ ｏ ｍ ， ｄ ｓ ｈ ｒ ｅ ｈ ｏ ｒ ｐ ａ ｖ ｌａ ｅ ｃ ａ ｇ ｎ ｔ ｅ ｏｌａ ｅｃ ｒ ｅｎ ｗ ｖ ｆ ｒ ｉｃ ａ ｇ ｐ ｏｔ ｇ ａ ｈ ｎｄ ｏ ｔ ｇ － ｈ ｒ ｅ
ｐ ａ ｍ ａ ｔ ｔ ｓ ｈｅ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｌｓ ａ ａ ｍｏ ｐ ｒ ｃ ｒ ｓ ｕ ｅ． ａ ｄ ｔ ｓ ｆ ｒ ａ ｉ ｔ ｒ ｓ ｔ ｍ ｅ ｓ ｒ ｉｓ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ａ ａ ｅ ｅ ｓ ｎ ｎ ｉ ｉ ｏ ｇ ｅ ｔ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏ ａ ｕ ｅ ｔ ｅ ｅ ｔ ｉａ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ａ ｄ
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绝缘材料
２ ０ ，０ ４ ０ ７４ （ ）
章
程 等 ：介 质 阻 挡放 电 电气 参 数 与反 应 器 参数 的 测 量
５ ３
介 质 阻 挡 放 电 电 气 参 数 与反 应 器参 数 的 测量
章 程 。 方 志。 胡 杭 ， 赵 龙 章 建
Ｚ ＨＡＮＧ Ｃ ｅ ｇ Ｆ ＮＧ Ｚ ｉ ＨＵ Ｊａ － ａ ｇ，Ｚ Ｏ Ｌ ｎ －ｈ ｎ ｈ ｎ ， Ａ ｈ， ｉｎｈ ｎ ＨＡ ｏ ｇｚ ａ ｇ
（ ｃ ｏ ｌｏ ｔｍａ ｉｎ Ｎａ ｊ ｎ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ， Ｎａ ｊｎ １ ０ ９ Ｃｈ ｎ Ｓ ｈ ｏ ｆ Ａｕ ｏ ｔｏ ， ｎｉｇ Ｕｎ ｖｒｉ ｆ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ ｔ ｎ ｉｇ ２ ０ ０ ， ｉａ）
ｐ ａ ｍ ａ ｔ ｔ ｓ ｈｅ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｌｓ ａ ａ ｍｏ ｐ ｒ ｃ ｒ ｓ ｕ ｅ． ａ ｄ ｔ ｓ ｆ ｒ ａ ｉ ｔ ｒ ｓ ｔ ｍ ｅ ｓ ｒ ｉｓ ｌ ｃ ｒｃ ｌ ａ ａ ｅ ｅ ｓ ｎ ｎ ｉ ｉ ｏ ｇ ｅ ｔ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏ ａ ｕ ｅ ｔ ｅ ｅ ｔ ｉａ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ ａ ｄ
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绝缘材料
２ ０ ，０ ４ ０ ７４ （ ）
章
程 等 ：介 质 阻 挡放 电 电气 参 数 与反 应 器 参数 的 测 量
５ ３
介 质 阻 挡 放 电 电 气 参 数 与反 应 器参 数 的 测量
章 程 。 方 志。 胡 杭 ， 赵 龙 章 建
Ｚ ＨＡＮＧ Ｃ ｅ ｇ Ｆ ＮＧ Ｚ ｉ ＨＵ Ｊａ － ａ ｇ，Ｚ Ｏ Ｌ ｎ －ｈ ｎ ｈ ｎ ， Ａ ｈ， ｉｎｈ ｎ ＨＡ ｏ ｇｚ ａ ｇ
（ ｃ ｏ ｌｏ ｔｍａ ｉｎ Ｎａ ｊ ｎ ｉｅ ｓ ｙ ｏ ｃ ｎ ｌｇ ， Ｎａ ｊｎ １ ０ ９ Ｃｈ ｎ Ｓ ｈ ｏ ｆ Ａｕ ｏ ｔｏ ， ｎｉｇ Ｕｎ ｖｒｉ ｆ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ ｔ ｎ ｉｇ ２ ０ ０ ， ｉａ）
介质阻挡放电的气体参量和电学参量
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第３卷 第１ ２ 期 ２０ 年 ２月 ０６
东华大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ０Ｆ ＤｏＮＧＨＵＡ ＵＮ１ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
Ｖｏ．３ ．Ｎｏ １ １ ２ ．
Ｆｅ ． ２ ０ ｂ ０６
介质阻挡放 电的气 体参 量和 电学参量 ＊
任 忠夫 邱 高 刘贵勤 康 永香 ， ， ，
（．济宁医学院基础部 ， １ 山东济宁 ，７０ ０２ 东华大学理学院 ， ２２０ ；． 上海 ，００ １ ２０５）
摘要 在 １ Ｈｚ ０ｋ 频率级上， 用李 萨茹图形法测量 了介质 阻挡放 电连 续处理装置 的放 电功率； 分析 了低频介质阻挡放
７ ７
（ １ ）
（） ２
一
Ｐ ｙ一ＣＶ Ｍ —ｗ ￣ ｄ ＇ Ｖ ４
实验中看到的李萨茹图形。
（ ８ ）
Ｃ
一
一
一
ｌ ｇ
根据式 （ ） 介质 阻挡放 电 的功率 可 以通过 测量 ８， 李萨茹图形面 积的方 法进行测量。图 ３ 为
式中 ｅ和 ｅ分别为介质电容率和气 隙内气体的电 容率 ， ｓ为极板面 积， 为两介质板 厚度之和 ， 为 ｆ ｄ
２ 电压 分布 和 功 率测 量
图２ 是低频介 质阻挡放 电的等效 电路和功率
测量电路图， Ｍ是 为测量 放电功率而串联的测量 ｃ 电容 ，ｄ Ｃ 表示介质电容 ， 表示气隙电容，
放 电， 并系统测量分析 了上述各 气体参 量与各 电 学参量之间的相互关系。
电极
介质
织物
介质阻挡放电是常压下产生低温等 离子体的 有效方法 ， 与低气压 条件下 产生等 离子体 的方 法 相比 ， 它具有生产 成本低 、 能量 密度大等 优点 ， 适
第３卷 第１ ２ 期 ２０ 年 ２月 ０６
东华大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊ ＯＵＲＮＡＩ ０Ｆ ＤｏＮＧＨＵＡ ＵＮ１ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
Ｖｏ．３ ．Ｎｏ １ １ ２ ．
Ｆｅ ． ２ ０ ｂ ０６
介质阻挡放 电的气 体参 量和 电学参量 ＊
任 忠夫 邱 高 刘贵勤 康 永香 ， ， ，
（．济宁医学院基础部 ， １ 山东济宁 ，７０ ０２ 东华大学理学院 ， ２２０ ；． 上海 ，００ １ ２０５）
摘要 在 １ Ｈｚ ０ｋ 频率级上， 用李 萨茹图形法测量 了介质 阻挡放 电连 续处理装置 的放 电功率； 分析 了低频介质阻挡放
７ ７
（ １ ）
（） ２
一
Ｐ ｙ一ＣＶ Ｍ —ｗ ￣ ｄ ＇ Ｖ ４
实验中看到的李萨茹图形。
（ ８ ）
Ｃ
一
一
一
ｌ ｇ
根据式 （ ） 介质 阻挡放 电 的功率 可 以通过 测量 ８， 李萨茹图形面 积的方 法进行测量。图 ３ 为
式中 ｅ和 ｅ分别为介质电容率和气 隙内气体的电 容率 ， ｓ为极板面 积， 为两介质板 厚度之和 ， 为 ｆ ｄ
２ 电压 分布 和 功 率测 量
图２ 是低频介 质阻挡放 电的等效 电路和功率
测量电路图， Ｍ是 为测量 放电功率而串联的测量 ｃ 电容 ，ｄ Ｃ 表示介质电容 ， 表示气隙电容，
放 电， 并系统测量分析 了上述各 气体参 量与各 电 学参量之间的相互关系。
电极
介质
织物
介质阻挡放电是常压下产生低温等 离子体的 有效方法 ， 与低气压 条件下 产生等 离子体 的方 法 相比 ， 它具有生产 成本低 、 能量 密度大等 优点 ， 适
介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律
０ ｔ ａ ｎ ｄ ｓ ｈａ ｇ ａ ａ ｅ ｅ ｓ ｆ ｉｓ ｍ ｉ ｉｃ ｒ ｅ ｐ ｒ ｍ ｔ ｒ
Ｗ ＮＧ ｊ ｎ，Ｃ ＩＹ—ｉ ＺＨＵ ＮＧ Ｆ ｎ — ｉ Ａ ｕ Ａ ｉ ， ｘ Ａ ｅ ｇ ｚ ，ＷＡ ｉｇ ｈ ＮＧ Ｊｎ
～
．— 靴Ⅵ一 —— ＿Ｌ
９
（ （ Ｉｌ ｔ ｕｏ ｏｉ ｎ ｒｆｃ Ｅ ｇｎ ｅｉｇ ｉ ｇ ｕＵ ｉｅｓ ｙ ｈ ｎｉ ｇ Ｊ ｎ ｓ １ ０ ３， ｈｎ ） Ｓ． ） ｔ ｔ ｅ ａ ｄＴ ａｆ ｎ ｉｅ ｒ ，Ｊ ｎ ｓ ｎｖ ｒｉ ，Ｚ ｃ ｊ ｎ ， ｉ ｇ ｕ２ ２ １ Ｃ ｉａ ｝ｏ ｏ Ａ ｍ ｖ １ ｉ ｎ ａ ｔ ａ ａ
ｈ ｇ ｎ ａ ｅ ｕ ｅ ｏ ｔ ｅ ｅ ｕ ｐ ｎ ｕｃ ｓ Ｏ３ｇ ｎ ｒ ｔｒ ｉｈ ａ ｄ ｃ ｎ ｂ ｓ ｄ ｔ ｈ ｑ ｉ ｍｅ ｔｓ ｈ ａ ｅ ｅ ａ ｏ ．
Ｋｅ ｏｄ ： ｉ ｅ ｔｃｂｒ ｅ ｉ ｈ ｒｅ ｙ ｗ ｒ ｓ ｄｅ ｃ ｉ ａｒ ｒｄｓ ａｇ ；Ｑ—ＶＬｓ ｊｕ ｇｒ ； ｐ ｌ ｄｖｌ ｇ ；ａｐｉｄｆ ｑ ｅｃ ｌ ｒ ｉ ｃ ｉ ａｏ ｓ ｕｅ ａ ｐｉ ｏ ａｅ ｐ ｌ ｅｕ ｎ ｙ ｓ ｉ ｆ ｅ ｔ ｅ ｒ
Ｄ Ｄ ｄｖｅ ｔ ｃｕｅｐｒｍｅ ｒ ａｅ ｘｄ ｔｅ ｆ ｃｓ ｆ ｄ ｎｔｅｔ ａ ｅ ｕｖｌ ｔ ａ ａｉ ｎ ｅＣａｅ Ｂ ｅｉ ｓ ｕ ｔ ａａ ｔ ｓ ｒ ｆ ｅ ， ｈ ｆ ｔ ｏ ａ ｆｏ ｔ ｑ ｉ ｅ ｐｃｔ ｃ ｒ ｅ ｒ ｒ ｅ ｉ ｅｅ Ｖ ｎ ｈ ｏｌ ａｎｃ ａ
ｓ（ ｈｔ ｍ ｒｖ ｇ Ｖａ ｄ ｌｅ ｅｔ ｅｙｅｈ ｎ ｅＤ Ｄ ｐｗ ｒ ｎ ｈ ｒｅｔ ｎｆｒ ａｕ ．Ｗｈ ｎ ｈｗ ｔａ ｉ ｐｏ ｉ ｎ ｃ ｌ ｆ ｃ ｖｌ ｎ ａ ｃ Ｂ ｏ ｅ Ｐ ａｄ ｃａｇ ａ ｓ ｌｅＱ ） ｎ ｆ ａ ｆ ｉ ｒ ｅｖ ｅ
大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析
质层 。 直径 为 ４ Ｉ ７ｉ ｎ的环 形 电极 分别 浸入水 中并与 高压 电 ｎ 源 ＨＶ两极相接 ， 从而水可 以充 当电极 。放 电气 隙间距 可用 不 同厚度 的玻璃作垫片来调节（ 本实验 中 一１ ５ｍｍ） ． 。电源 的电压调节范 围为 Ｏ Ｏｋ 频率调节范围为 ３ ￣６ Ｈｚ ～１ Ｖ， ０ ０ｋ ；
果表明壁电荷 主要是在放 电电流脉冲持续 期间积累的 ， 但电流脉冲结束 后 ，由于气隙电压 没有改变极性 ，壁
电荷还会 逐渐 积累，气隙电压改 变极性后 ，壁电荷量 随时间减小 。这些结果对 壁电荷在介质阻挡辉光放电中 作用的深 入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义 。 关键词 介质 阻挡放 电；大气压辉光放 电；壁电荷
样 测 量 的放 电 电流 一 般 叠 加 在 正 弦 波 形 的 位 移 电流 上 。因 此
尾气中的有害气体 ， 从而也表现 了很好 的环保效 益ｌ 。 对 ２ 但 ］ 于大规模工业生产而言，使用低气压放 电产生等离子体存在
着致命 的弱点 ： 电必须维持在低气压状 态 ， 以实现流水 放 难 线 连续生产 。 显然 ， 工业 应用角度 而言 ，人们更需 要在 大 从 气 压条件产生低温等离子体 。在高气压下 放电一般会过渡 到 弧 光放 电或者电火花 ， 这样 产 生的等离 子体也 是不均匀 的， 因而如何实现在大气 压下 的均匀辉 光放 电（ 即大气 压辉光放
课题开展 了更为广泛 的理论和实验研究工作Ｌ ６。 ５ ］ ．
目前利用介质 阻挡放 电装置 已经在 氦气 、氖气 、氮 气 、
收稿 日期：２ ０～９０ 。修订 日期 ： ０ ６１—６ ０ ６０ —２ ２ ０—２１
基金项 目：国家 自然科 学基金项 目（ Ｏ ４ １３ ，河北省教育厅项 目（ ０ ６０ ） １ ６ ７ ２） ２０ １ ６和河北大 学 自然科学基金项 目（０ ６６ ） ２０ ０ １资助 作者简介：李雪 辰，１ ７ 年生 ， ９６ 河北大学物理科学与技术学 院副教授 ｅｍａ ： ｄ ｍａｌｈ ｕ ｅｕ ｃ － ｉｘ囝 ｌ ｉ ｂ ．ｄ ．ｎ ．
果表明壁电荷 主要是在放 电电流脉冲持续 期间积累的 ， 但电流脉冲结束 后 ，由于气隙电压 没有改变极性 ，壁
电荷还会 逐渐 积累，气隙电压改 变极性后 ，壁电荷量 随时间减小 。这些结果对 壁电荷在介质阻挡辉光放电中 作用的深 入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义 。 关键词 介质 阻挡放 电；大气压辉光放 电；壁电荷
样 测 量 的放 电 电流 一 般 叠 加 在 正 弦 波 形 的 位 移 电流 上 。因 此
尾气中的有害气体 ， 从而也表现 了很好 的环保效 益ｌ 。 对 ２ 但 ］ 于大规模工业生产而言，使用低气压放 电产生等离子体存在
着致命 的弱点 ： 电必须维持在低气压状 态 ， 以实现流水 放 难 线 连续生产 。 显然 ， 工业 应用角度 而言 ，人们更需 要在 大 从 气 压条件产生低温等离子体 。在高气压下 放电一般会过渡 到 弧 光放 电或者电火花 ， 这样 产 生的等离 子体也 是不均匀 的， 因而如何实现在大气 压下 的均匀辉 光放 电（ 即大气 压辉光放
课题开展 了更为广泛 的理论和实验研究工作Ｌ ６。 ５ ］ ．
目前利用介质 阻挡放 电装置 已经在 氦气 、氖气 、氮 气 、
收稿 日期：２ ０～９０ 。修订 日期 ： ０ ６１—６ ０ ６０ —２ ２ ０—２１
基金项 目：国家 自然科 学基金项 目（ Ｏ ４ １３ ，河北省教育厅项 目（ ０ ６０ ） １ ６ ７ ２） ２０ １ ６和河北大 学 自然科学基金项 目（０ ６６ ） ２０ ０ １资助 作者简介：李雪 辰，１ ７ 年生 ， ９６ 河北大学物理科学与技术学 院副教授 ｅｍａ ： ｄ ｍａｌｈ ｕ ｅｕ ｃ － ｉｘ囝 ｌ ｉ ｂ ．ｄ ．ｎ ．
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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
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
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
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
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 =
( 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
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
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
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
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
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)
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
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.
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
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
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
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
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 =
( 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
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
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
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
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
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)
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
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.