靜電電荷量傳感器標(biāo)定技術(shù)研究

李曉青 袁亞飛 楊 銘 季啟政

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100094)

1 引 言

靜電電荷量傳感器是一種基于靜電感應(yīng)原理的傳感器，它主要應(yīng)用于氣固兩相流的檢測(cè)過(guò)程中。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，靈敏度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力，冶金，化工，環(huán)保，醫(yī)藥，國(guó)防建設(shè)，航空航天等領(lǐng)域。目前其最熱門的應(yīng)用是基于靜電電荷量傳感器的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的油路及氣路磨粒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

上世紀(jì)六七十年代國(guó)外已經(jīng)開始了對(duì)靜電電荷量傳感器的相關(guān)研究，Mathur和Klinzing最早將靜電傳感器和相關(guān)信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了管道中固體顆粒速度的測(cè)量[1～3]；Xie等人采用兩個(gè)四分之一環(huán)狀電極實(shí)現(xiàn)了自由落體狀態(tài)下固體顆粒速度的測(cè)量；Yan帶領(lǐng)的研究小組應(yīng)用不同形狀的靜電傳感器對(duì)煤粉，生物質(zhì)顆粒和煙道粉塵等的參數(shù)測(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[4]；目前國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出多套商業(yè)化的靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如國(guó)外ABB公司的PFMaster、TR-Tech公司的ECT Star煤粉流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、Smith公司的EDMS(The Engine Distress Monitoring System)系統(tǒng)和EODM(Electrostatic Oil Debris Monitor)系統(tǒng)[5]。國(guó)內(nèi)的目前應(yīng)用主要集中在管道中氣固兩相流的狀態(tài)監(jiān)控和飛機(jī)重要零部件如發(fā)動(dòng)機(jī)，縫翼滑軌的監(jiān)測(cè)，且正在研發(fā)基于靜電電荷量傳感器的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]。

靜電電荷量傳感器標(biāo)定工作是研究傳感器輸入輸出關(guān)系的基礎(chǔ)，是傳感器定量化應(yīng)用的前提與保證。靜電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在軍事上廣泛應(yīng)用的保密性，國(guó)外關(guān)于靜電電荷量傳感器的標(biāo)定方法無(wú)從得知，國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段還沒有成型的標(biāo)定裝置，更沒有相關(guān)的靜電電荷量傳感器的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[7]。這對(duì)于靜電電荷量傳感器提高精度、以及更廣泛的應(yīng)用造成了制約。因此，開展靜電電荷量傳感器的標(biāo)定技術(shù)研究，搭建靜電電荷量傳感器標(biāo)定裝置，就具有相當(dāng)?shù)谋匾院推惹行浴?/p>

2 靜電電荷量傳感器標(biāo)定裝置

傳感器的標(biāo)定是檢驗(yàn)傳感器設(shè)計(jì)的正確性，確定傳感器的基本性能的必要步驟，傳感器的標(biāo)定是將傳感器的輸出量與已知的輸入量進(jìn)行比較，進(jìn)而分析傳感器的鐵性指標(biāo)。

基于以上的要求，設(shè)計(jì)了靜電電荷量標(biāo)定裝置。標(biāo)定裝置由支撐定位模塊、油滴荷電模塊、電荷量測(cè)量模塊、直流高壓模塊和平行電極模塊組成。其中支撐定位模塊是為了調(diào)節(jié)和固定金屬針頭、環(huán)狀電極、傳感器、平行電極模塊之間的相對(duì)位置。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)改變油滴下落軌跡與傳感器中心軸線的相對(duì)位置，可以對(duì)傳感器的空間靈敏度以及靜態(tài)靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。

直流高壓模塊是為了給環(huán)狀電極和平行電極提供直流高壓。該模塊可以輸出0到2000V的連續(xù)可調(diào)的直流高壓。

油滴荷電部分如圖1所示由三部分組成，分別為油槽、環(huán)狀電極和金屬針頭。其中環(huán)狀電極與高壓模塊相連，金屬針頭接地。

在工作時(shí)，將環(huán)狀電極上施加高壓，油滴從油槽通過(guò)閥門進(jìn)入到由環(huán)狀電極和金屬針頭組成的高壓電場(chǎng)中。在高壓電場(chǎng)的作用下，油滴所攜帶的正負(fù)電荷將發(fā)生定向移動(dòng)，部分電荷將通過(guò)金屬針頭流向接地端，油滴則攜帶著與環(huán)狀電極上極性相反的電荷。

圖1 油滴荷電原理圖Fig.1 Schematic diagram of oil droplet charge

在對(duì)油滴進(jìn)行感應(yīng)充電的時(shí)候，環(huán)狀電極與油液之間的空氣為二者之間的絕緣介質(zhì)，可將其視為并聯(lián)一個(gè)較大的電阻[8]。因此可得其電學(xué)模型如圖2所示。

圖2 電學(xué)模型Fig.2 Electrical model

因此油滴的帶電量Q與施加電壓U的關(guān)系可以用Q=CU表示，其中C為油滴的電容。可見油滴的帶電量與電壓的大小成正比關(guān)系[9]。因此對(duì)于相同的油滴而言，可以通過(guò)改變高壓模塊輸出電壓的大小來(lái)改變油滴所攜帶的電荷量的多少。

對(duì)于靜電電荷量傳感器標(biāo)定的輸入量即油滴所攜帶的電荷量的確定有兩個(gè)方案。一是通過(guò)靜電計(jì)和法拉第筒組成的電荷量測(cè)量模塊來(lái)獲取油滴所攜帶的電荷量，二是通過(guò)油滴在平行電極間的偏轉(zhuǎn)的距離來(lái)確定油滴所攜帶的電荷量[10]。

圖3 法拉第筒電荷量測(cè)量模塊Fig.3 Faraday tube charge measurement module

如圖3所示電荷量測(cè)量模塊是由法拉第杯和靜電計(jì)組成，該模塊能夠準(zhǔn)確的測(cè)量油滴中所帶的電荷量，測(cè)量分辨率可達(dá)0.01pC。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)油滴荷電模塊與電荷量測(cè)量模塊之間的垂直相對(duì)距離，可以得到油滴在下落過(guò)程中油滴攜帶的電荷的消散情況。

圖4 偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)電荷量測(cè)量模塊Fig.4 Deflection electric field charge measurement module

如圖4所示首先使用卷尺測(cè)出長(zhǎng)度L0、L1，同時(shí)使用高速攝像機(jī)獲取油滴通過(guò)平行電極時(shí)的水平位移量△d，油滴在平行電極中的下落時(shí)間為

(1)

式中：Δt——油滴在平行電極中下落的時(shí)間，s;L0——環(huán)形電極的中心到平行電極上部的高度，m;L1——平行電極的高度，m;g——重力加速度，m/s2。

(2)

式中：a——油滴在水平方向的加速度，m/s2。

(3)

設(shè)油滴的質(zhì)量為m,平行電極的電場(chǎng)強(qiáng)度是已知的并且是可以控制的，則設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度為E，則有公式

(4)

式中：f——油滴在平行電極中收到的水平電場(chǎng)力，N。

f=Eq

(5)

式中：q——油滴所帶的電荷量，C。

(6)

因此可以推出靜電電荷量傳感器標(biāo)定所需的輸入值的表達(dá)式為

(7)

由此可知靜電電荷量傳感器標(biāo)定所需的輸入值與油滴的質(zhì)量m，電場(chǎng)強(qiáng)度E，油滴在開始下落的位置到平行電極上端的距離L0，平行電極豎直的高度L1以及油滴電荷在平行電極中的偏移量△d有關(guān)。

靜電電荷量傳感器標(biāo)定所需的輸入值的主要影響因素是油滴的質(zhì)量m以及偏移量△d的確定。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

油滴的帶電量Q與施加電壓的關(guān)系可以用Q=CU表示，因此可知當(dāng)電容一定時(shí)油滴的帶電量與施加電壓的大小成正比關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，油滴的大小是通過(guò)針頭的孔徑大小來(lái)控制的，油滴與油滴之間的下落時(shí)間間隔是通過(guò)控制閥門的大小來(lái)控制的。為了獲取油滴的帶電量和施加電壓之間的關(guān)系，所以應(yīng)保持油滴的電容不發(fā)生改變。因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的油的種類應(yīng)完全相同。在同一組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，閥門開啟的大小、環(huán)境溫度以及濕度應(yīng)保持不變。通過(guò)使用不同孔徑的針頭來(lái)改變油滴的質(zhì)量的大小。

3.1 電荷量與施加電壓之間的關(guān)系

表1中的五組實(shí)驗(yàn)都是在高度為73.2cm、溫度23℃到24℃之間、相對(duì)濕度為44%條件下進(jìn)行的，五組實(shí)驗(yàn)除使用的針頭不同之外，其與的條件均相同。

表1 不同電壓下油滴攜帶的電荷量Tab.1 Amount of charge carried by oil droplets at different voltages

圖5 施加電壓與油滴電荷量的關(guān)系Fig.5 Relationship between the applied voltage and the amount of oil droplet charge

表2中的數(shù)據(jù)做出折線圖后如圖5所示，圖5中一共使用了5個(gè)不同的針頭進(jìn)行試驗(yàn)，其使用針頭的內(nèi)徑及每滴油滴的質(zhì)量分別如表2所示。

表2 不同內(nèi)徑針頭對(duì)應(yīng)的油滴質(zhì)量Tab.2 Quality of oil droplets corresponding to the needles with different inner diameters

通過(guò)對(duì)上邊5條曲線的分析，可知對(duì)于相同大小的油滴，油滴所帶的電荷量與施加電壓之間成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的理論分析相符合。同時(shí)通過(guò)對(duì)圖5中五條曲線的比較可以得知，使用不同的針頭，油滴所帶的電荷量與電壓的比值是不相同的，也就是說(shuō)不同的針頭產(chǎn)生的油滴大小不相同，進(jìn)而油滴的電容也會(huì)有所不同。但無(wú)論使用哪個(gè)針頭，電壓與油滴所帶的電荷量都是線性關(guān)系。

3.2 油滴大小與油滴初始荷電量的關(guān)系

從表2中可以看出，隨著油滴質(zhì)量的減小，對(duì)環(huán)狀電極施加相同的電壓油滴的帶電量將會(huì)隨之減小。

表3 油滴質(zhì)量與油滴荷電量Tab.3 Droplet mass and droplet charge

3.3 油滴荷電量下落過(guò)程中的消散

分析油滴荷電量下落過(guò)程中的消散，需要使用相同的針頭、環(huán)狀電極中施加的電壓應(yīng)相同。因此對(duì)環(huán)狀電極施加1000V的電壓，使用金屬針頭4，使油滴從不同的高度滴落，測(cè)得具體數(shù)據(jù)如表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可知，使用相同的金屬針頭，對(duì)環(huán)狀電極施加相同的電壓，使油滴從不同的高度滴落，法拉第筒測(cè)得的油滴攜帶的電荷量有所不同。在靜電電荷量傳感器標(biāo)定的過(guò)程中帶電油滴的下落距離也是一個(gè)重要的影響因素。

表4 油滴荷電量下落過(guò)程的消散Tab.4 Dissipation of the droplet charge as it falls

3.4 油滴電荷在不同濕度下的消散

表5 不同濕度下相同油滴帶電量Tab.5 Under different humidity, the same oil droplet has electric quantity

本次對(duì)比試驗(yàn)中使用的均為針頭4，溫度都為23.7℃，高度均為73.2cm,通過(guò)相對(duì)濕度為分別為44%和81%時(shí)，在不同電壓下，油滴所帶電荷量的比較可知，相對(duì)濕度越高，則油滴在下落過(guò)程中油滴的電荷消散的越快。因此為了使得標(biāo)定結(jié)果更加的準(zhǔn)確，靜電電荷量傳感器與法拉第筒之間的距離應(yīng)該盡可能的接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)靜電電荷量傳感器使用油滴荷電的方法實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定了并建立了相應(yīng)的標(biāo)定裝置，通過(guò)對(duì)油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)可以得出以下結(jié)論：

(1)油滴電荷量在下落過(guò)程中產(chǎn)生消散，濕度越高，油滴電荷量消散的速度越快。

(2)使用不同內(nèi)徑的針頭獲得的油滴大小有所不同，針頭內(nèi)徑大的獲得的油滴質(zhì)量也大，對(duì)不同質(zhì)量大小的油滴施加相同的電壓，質(zhì)量大的油滴所攜帶的電荷量也大。

(3)對(duì)于相同大小的油滴，在相同的溫濕度環(huán)境條件下，從相同的高度落下，油滴荷電量的大小與環(huán)狀電極上施加的電壓大小有關(guān)，并成線性關(guān)系。

(4)搭建的靜電電荷量傳感器標(biāo)定裝置符合實(shí)驗(yàn)要求，可以用于對(duì)靜電電荷量傳感器的標(biāo)定。