介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律

2008年 9月 Sept .2008 第 29卷 ? 第 5期 Vo. l 29? No . 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 issajous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 Cg随 V, f 的增大而略有下降; 气隙有效电 场强度 Eg随 V的升高而增大, f对 Eg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 Lissajous图形法; 激励电压; 激励频率 中图分类号: TM835 ; TM215? ? 文献标志码: A? 文章编号:1671- 7775( 2008) 05- 0398- 04 DBD powermeasurement and change of itsmain discharge parameters WANG Jun, CAI Yi-xi, ZHUANG Feng-zhi, WANG Jing ( Schoo l ofAutomotive and Traffic Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China) Abstract : The effects of applied voltage V and frequency f on the main parameters of discharge were studied byQ - V Lissajous figures in dielectric barrier discharge ( DBD) experi ment system. The results show that i mproving V and f can effectively enhance DBD powerP and charge transfer valueQ. When DBD device structure parameters are fixed ,the effectsofV andf on the total equivalent capacitanceC are smal.l W ithV andf increasing dielectric equivalent capacitanceCdincreases ,and equivalent capacitance of the discharge gapCgslightly decreases .The effective electric field of the discharge gap Egincreases w ithV increasing ,and the effects off on Egis sm al.l The average electron energy of the DBD device is high and can be used to the equipment such asO3generator . Keywords : dielectric barrier discharge ; Q - V Lissajous figure ;applied voltage ;applied frequency 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 ( 06KJA47004) 作者简介: 王? 军 ( 1980?), 男, 内蒙古和林人, 博士研究生 ( wj163w jtom. 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 ujs . edu . cn), 主要从事发动机工作过程及排放控制的研究. ?介质阻挡放电 ( dielectric barrier 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 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 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 - V L issajous) 图形法. 目前认为 Q - V L issajous图 形法测量 DBD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. 1? Q - V Lissajous放电功率测量方法 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 k H 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 CH2通道与电容分压器中较大电容两端连接. ( a) ( b) 图 1? DBD试验系统示意图和布置图 F ig . 1?Sketchmap and photograph ofDBD experi ment system 1. 2? Q - V Lissajous放电功率测量方法 DBD放电的典型 Q - V Lissajous图形如图 2a 所示, 对应的 CH1和 CH2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 电容 C 充电. 图 2? DBD放电典型 Q - V Lissajous图形及其放电电压波形 F ig . 2? TypicalQ - V L issajous figure and discharge voltagewavefor m ofDBD 通过求取 Q- V L issajous平行四边形的面积 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 Cd和气隙等效电容 Cg、 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: P = ? T 0VIdt T = CM T? T 0V dVM dt dt = fCM ? VdVM= fCMkS C = (Ux3- Ux 2) (Uy3- Uy2)kCM Cd= (Ux4- Ux 3) (Uy4- Uy3)kCM Cg= C? Cd Cd- C Q = 2(Ux 3- Ux 4)CM Eg= V?d ld?g+ lg?d = V ld Cglg Cdld + lg = V lg Cg Cd + 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 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 Fig . 3? D ischarge po wer as a function of applied voltage 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 试验中发现放电熄灭阶段的总电容 C、 电介质层 等效电容 Cd与放电气隙等效电容 Cg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. 图 4? 等效电容随激励电压的变化关系 F ig . 4? Equivalent capacitance as a function of applied voltage 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: Cd随 V, f 的 升高而增大, Cg随 V, f 增大而略有下降, 其值在 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 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. 图 5? 单周期电荷传输量随激励电压的变化关系 Fig . 5?Charge transfer value per one cycle as a function of applied voltage 2 . 4? 气隙有效电场强度 气隙有效电场强度 Eg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: Eg随 V 的增大而呈线性增加; 试验采用的 10 , 14 kHz两种 频率的 Eg- V图形几乎重合, 说明激励频率对 Eg的 影响很小. 另由气隙有效电场强度 Eg公式可知: 要 有效增大 DBD放电时的 Eg, 需采用较小的放电间 隙, 介电常数大且厚度较薄的介质. 图 6? 气隙有效电场强度随激励电压的变化关系 F ig . 6? Effective electric field of discharge gap as a function of applied voltage 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 获取的平均能量值大小, 进而表征气体放电时的平 第 5期? 王 ? 军等: 介质阻挡放电功率测量及各参量变化规律 401? ? 均电子能量. 标准大气状况下 E n = Eg ( 6 . 02 ? 10 23 ) /( 22 . 4 ? 1 000) = 3. 721Eg? 10 - 17 (V ? cm 2 ) = 3 . 721Eg(Td) ? ?可以看出: E /n与 Eg成线性关系, 可根据试验 获得的 Eg值间接估算出E /n的大小, 采用 14 kH z频 率时, 不同激励电压对应的气隙有效电场强度和气 隙折合电场强度值如表 1所示. 表 1? 激励电压、 气隙有效电场强度、 气隙折合电场强度对照表 Tab . 1? Comparison table of V, EgandE /n V /kV13. 6815. 2016 . 7218 . 2419. 7621. 2822 . 80 Eg/( kV / c m) 39. 9449. 3057 . 3463 . 2871. 5581. 1589 . 34 E /n /Td 148. 60183. 45213 . 38235 . 47266. 22301. 96332 . 44 ? 此折合电场强度对应的平均电子能量约为 5 9 eV, 常压下可很好地满足一般气体分子分解、 电离 所需的激励能量, 可以进行一般气体分子的低温等 离子体化学反应. 当前的臭氧发生器大部分都采用 介质阻挡放电作为其工作原理. 3? 结 ? 论 采用 Q- V Lissajous图形法可以较为真实的再 现介质阻挡放电的各个过程, 通过求取其面积及各点 相对电压坐标值, 揭示了介质阻挡放电的放电功率、 等效电容、 电荷传输量、 等效电场强度等参数随放电 激励电压和激励频率的变化关系, 得出如下结论: ( 1)提高放电激励电压和激励频率, 可提高介 质阻挡放电的放电功率和周期电荷传输量, 放电空 间会产生更多的随机分布的放电电流细丝. ( 2) DBD结构参数确定后, 等效总电容只在微 小数值范围内变动, 介质层等效电容随激励电压和 激励频率的升高而增大, 放电气隙等效电容随激励 电压和激励频率的升高而略有减小. ( 3) DBD结构参数确定后, 增大激励电压可提 高放电电场强度, 激励频率对放电电场强度 Eg的影 响不大. 参考文献 (References) 1 ? 徐学基, 诸定昌. 气体放电物理 M . 上海: 复旦大学 出版社, 1996. 2 ? 杨? 波, 王 ? 燕, 初庆东, 等. 测量介质阻挡放电功率 的一种新方法 J. 大连海事大学学报, 2002 , 28( 1): 92- 96 . YANG Bo , WANG Yan ,CHU Q ing -dong ,et a.l Ne w method for power measurement in the dielectric barrier discharges J. Journal of Dalian Maritime University, 2002, 28( 1): 92- 96. ( in Chinese) 3 ?Subrahmanyam Ch, Renken A, K iw- iM insker L . Novel catalytic dielectric barrier discharge reactor for gas -phase abatement of isopropanol J. Plas ma Chemistry and Plasma Processing,2007 , 27( 1): 13- 22. 4 ? M ontie T C, Kelly - W intenberg K, Roth J R. 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