基于低壓靜電場的大霧檢測與消除裝置

游克勤　劉啟雄　趙　捷　廖立立　鄭號染

（重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

基于低壓靜電場的大霧檢測與消除裝置

游克勤劉啟雄趙捷廖立立鄭號染

（重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

本文對靜電除霧這一技術(shù)進行了簡單介紹，結(jié)合靜電除塵器和放大器的基本原理，制造出改進后的電離裝置，使得放大器具有高電壓，低電流等特點。同時應(yīng)用帶電的空金屬球能夠產(chǎn)生發(fā)散性的電場把帶電后的霧滴顆粒排到道路兩邊，提高道路上空的能見度。同時結(jié)合激光透霧技術(shù)，實現(xiàn)整個裝置自動化，使得該裝置既能實時監(jiān)控空氣中空氣能見度，又能快速降低大霧濃度。

放大器 電離 靜電除霧 激光監(jiān)測 能見度

靜電除霧技術(shù)，國內(nèi)外均有一些初步的想法和實驗。荷蘭的發(fā)明家恩·羅塞加德利用銅線圈通電制造靜電場，從而吸附空氣中的顆粒物，達到局部除霧的效果。國內(nèi)華中科技大學的潘恒院士提出了一項名為“靜電催化人工降雨”的技術(shù)。這項技術(shù)是利用靜電場來促進水汽凝聚，實現(xiàn)人工降雨，從而達到消除大霧的效果。綜合來看，這些技術(shù)都無法從源頭上遏制大霧給我們的交通帶來的干擾，沒有得到實際的運用，因此具有較大的發(fā)展空間。本文通過理論推理與數(shù)值模擬，具體研究了電場的產(chǎn)生方式和分布情況以及帶電粒子在電場中的運動，同時采用激光透霧技術(shù)，實現(xiàn)了整個過程的自動化。為今后靜電除霧技術(shù)的進一步發(fā)展提供了新的方向。

1　設(shè)計原理

1.1設(shè)計思路

由于霧能吸收光線發(fā)生散射，致使高速行駛中的駕駛?cè)艘曃锒认陆?，看不清前方和周邊的情況?？諝庵械乃魏徒鼗覊m以及路面上的灰塵相混合，附著于輪胎和路面，造成輪胎與路面的附著系數(shù)減小，導致輪胎與路面不能產(chǎn)生足夠的摩擦力而發(fā)生追尾事故。分析在霧天出現(xiàn)的種種現(xiàn)象，可以采用一套自動化裝置來實現(xiàn)降低大霧濃度，這樣既避免了大霧隨時間變化對運行管理的影響，又能快速的降低大霧濃度。我們基于工廠除塵器的基本原理，結(jié)合荷蘭科學家除霧的方法，做到先檢測高速公路周圍的大霧濃度，再使霧滴發(fā)生電離，最后利用發(fā)散性的電場使帶電荷的霧滴運動到綠化帶和道路的兩邊，從而起到降低行車道里大霧濃度。該裝置起到既能夠?qū)崟r檢測空氣中大霧濃度，又能夠快速恢復交通的作用。

表1　能見度與濃度等級劃分

表2　能見度與單位體積霧滴數(shù)

1.2研究方法

我們采用的研究方法主要是理論推理法，數(shù)值分析法，以及模擬仿真等方法。電壓放大器的基本介紹［1］:電壓放大器是一個實實在在的模擬信號的放大電路，它的輸入端輸入一個變化的模擬量，在輸出端就輸出一個幅度放大的但是其波形完全相同的不失真的信號。所謂關(guān)于“:運算”兩字；是輸出信號是輸入信號經(jīng)某種數(shù)學運算的結(jié)果；就是輸出信號的各個部分是輸入信號對應(yīng)的各個部分的倍數(shù)關(guān)系；好像是把信號的幅度進行了乘法運算一樣。也就是說運算放大器是一個優(yōu)秀的線性放大電路。我們采用多級放大器可以得到很高的電壓，細微的電流就能電離空氣中的大霧顆粒，整個裝置對人體，交通信號和周邊的環(huán)境產(chǎn)生的影響較小，并且能達到很好的電離效果。放大器電離裝置電路圖如圖1所示:

其中xscl為電容板電離部分。

設(shè)計步驟:本裝置分為兩部分:大霧檢測裝置與大霧清除裝置。

（1）大霧檢測裝置；根據(jù)霧的能見度劃分表1［2］:

大氣引起的激光衰減通常用beer公式表示為［3］:

式（1）中:I（R）是波長為λ的激光在大氣中傳輸R距離后的光強，I0為激光發(fā)射處的光束強度，u（r，λ）是距離R處的大氣衰減系數(shù)。

根據(jù)上述公式，得到激光器從發(fā)射裝置到接收裝置光線的損失率和大氣能見度之間的關(guān)系，從而確定出是否開啟除霧裝置。

大霧檢測裝置分為激光發(fā)射裝置和激光接收裝置，并連接大霧消除裝置。該裝置能根據(jù)接收激光能量的損失率來判斷出大氣能見度，從而確定出是否開啟除霧裝置。當能見度s＜200m時大霧消除裝置開始工作，當大氣能見度s＞1000m時，關(guān)閉清除裝置。

當大霧消除裝置開始工作Vb=200m 時，此時，得大氣衰減系數(shù)56.19=u，激光發(fā)射裝置與激光裝置分別位于公路對稱兩側(cè)距離md22=。由（1）式得

在航空氣象部門，在定義能見度時使用較高的對比感閾值（ε=0.05），這時能見度和消光系數(shù)間的關(guān)系為:式中:V為能見度；exK為消光系數(shù)。

采用霧滴大小相同的能見度計算，如果每立方厘米大氣中含有N個霧滴，即霧滴的數(shù)密度為N。散射是互不相關(guān)的，霧滴的平均半徑為假設(shè)N個霧滴大小相同，不考慮吸收則消光系數(shù)為:

式（2）中:exQ為消光效率因子。每單位空間體積中霧滴的總體積，也就是霧滴的含水量為:

式（3）中:ρ為水的密度.

由于散射效率因子Qex以波動的方式變化，并最后趨于2，對于可見光來說，大部分霧滴都相當大，作為一個很好的近似，在不考慮吸收的條件下消光效率因子為:Qex=2

聯(lián)立式（2）式（4）可得:

（2）大霧消除裝置；大霧消除裝置分為放大器電離部分與靜電場部分，放大器的作用在于使導線傳輸?shù)恼ｋ妷鹤優(yōu)榭墒轨F滴電離的氣暈電壓:

T0P0—標準狀態(tài)下的氣體絕對溫度與壓力；T P—實際狀態(tài)下的氣體絕對溫度與壓力；R—放電導線半徑，m（米）；R2—集塵圓管半徑，m（米）；式（5）中m放電性表面系數(shù)，對于實際放電線表面較為粗糙，m=0.5～0.9 在此取0.8計算。為了方便我們考慮實際情況接近于標準情況下進行計算取δ=1，導線選用常用截面面積s=4mm2的輸電線路，取R2=2.5 R1。將數(shù)據(jù)代入（5）式可得起暈電壓Vc=1828.945V 。

由于放大器電離的空氣產(chǎn)生的離子與霧滴相互碰撞使其帶電，隨霧滴上電荷的增加，在霧滴周圍形成一個與周圍相反的電場，其場強越來越強，最后導致離子無法到達霧滴面，此時霧滴上電荷已飽和，在飽和狀態(tài)下塵粒荷電量按下式計算:

ε0—真空介電常數(shù) 取為8.85×10-12C/N·m2dc—粒徑m；Ef—放電周圍電場強度，V/m εp—水相對介電常量81；霧氣直徑dc=15um；代入數(shù)據(jù)可得飽和電荷量q=1.23026E-14

下一步我們將使帶電的霧滴在向外發(fā)散的電場下做遠離路面的運動。假設(shè)此時為濃霧，單位體積內(nèi)霧氣小水滴為500個/cm3。以雙向回車道高速為例:路寬d=22m。首先我們在路下埋置導線，導線上設(shè)置許多分支，在分支一端連接一半球形金屬球，整個裝置的布置如下圖2所示:

由于導線上為220V電壓所以會致使半球型金屬球表面產(chǎn)生電勢并附加電荷，上部為球面有利于產(chǎn)生散發(fā)的電場，使電荷向路外移動，我們在半球體表面設(shè)置了絕緣薄膜，且認為球體埋藏很淺，可以忽略大地對路面以上電場強度的影響。

首先取單個半金屬空心鐵球進行研究，取其直徑D=50cm，研究其影響范圍，其在空間激發(fā)的電場

其中k為阻力比例系數(shù)，與相對大氣密度ρ，阻力系數(shù)DC，受力面積S相關(guān)。即:其中球體風阻系數(shù)DC≈0.5可計算得。聯(lián)立可得帶電霧滴在一個半金屬球影響下的運動狀態(tài)。

由此可以知道電場在地面上空間分布基本上是各向同性的，求得一個方向的霧滴運動路徑與長度便可以知道單個半金屬球的影響距離因此方程（7）（8）可化簡為

2　計算及其仿真

這是一個二階微分方程可用MATLAB中的得到其數(shù)值解，其得結(jié)果如圖3-4:

由圖3-4可知霧滴運動約7m左右停止運動，速度在約26s時達到最大。由此可得半金屬球最大影響半徑約為7m。實際情況下空氣中是由大量霧滴組成，在此不考慮霧滴之間的相互作用影響，各霧滴距金屬球距離不一樣，霧滴直徑為10～20um之間，導致各霧滴運動路徑與距離各不相同。由于在計算中我們進行了簡化，未考慮到電場力的疊加。實際上帶電霧滴受許多半金屬球產(chǎn)生的電場影響，所受電場力大于計算電場力，因此實際效果將會比計算更好。

3　創(chuàng)新特色及應(yīng)用前景

3.1創(chuàng)新特色

（1）利用空氣中的粉塵與水相互交融形成的霧滴混合物具有良好的導電性，它能很好的使導電率差的小霧滴荷電。（2）采用放大器實現(xiàn)高電壓、低電流，這既能使霧滴電離又消除了安全隱患。（3）裝置可以實現(xiàn)全自動化工作，使該裝置既能實時監(jiān)控大氣濃度，又能快速降低大霧濃度，減少了高速公路的交通管理費用。

3.2應(yīng)用前景（結(jié)語）

（1）實用性強，由于該裝置的影響因素為霧的濃度，因此可將其運用到霧濃度較大的各種高速公路上。（2）經(jīng)濟而言:材料簡單易得，價格便宜。相對于現(xiàn)有的封路處理方法，裝置的使用可以免去了現(xiàn)場恢復的時間，減少經(jīng)濟損失。

［1］王澤忠，金玉生，盧斌先.工程電磁場［M］.清華大學出版社，2011：56-108.

［2］國家標準.霧的等級［GB-5768］.

［3］楊瑞科，馬春林，韓香娥，等.激光在大氣中傳輸衰減特性研究［J］.紅外與激光工程學報，2007（S2）：415-418.

［4］李素娟，蔣維安.霧對能見度的影響估算［J］.中國民航大學學報，2010（6）：1-3.

［5］郭文正，陳躍敏.考慮空氣阻力時的拋體運動計算機數(shù)值求解［J］.河南電大，1998（2）：135-138.