dbd放電反應(yīng)器放電功率的測(cè)量方法

dbd放電反應(yīng)器放電功率的測(cè)量方法

1氣體放電功率測(cè)量難度介質(zhì)阻抗輻射源（dap）廣泛應(yīng)用于許多生產(chǎn)和研究領(lǐng)域。放電負(fù)荷的大小對(duì)工作的狀態(tài)和運(yùn)行的效果有重要影響。在動(dòng)態(tài)機(jī)制、工藝研究和實(shí)施過(guò)程中動(dòng)態(tài)控制的應(yīng)用中，準(zhǔn)確、快速地測(cè)量放電負(fù)荷是必須解決的問(wèn)題之一。然而，由于氣體壓電壓和電流相位的不均勻性，很難確定電壓和電流之間的相位誤差，并且很難計(jì)算和測(cè)量功率。本文即在明確DBD放電反應(yīng)器工作原理的基礎(chǔ)上,對(duì)幾種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,并介紹了在線測(cè)量系統(tǒng)的組成和實(shí)際測(cè)量結(jié)果。2氣體推動(dòng)等離子體盡管DBD等離子體反應(yīng)器的種類(lèi)很多,但是放電的機(jī)理和過(guò)程是基本相同的。兩電極之間有絕緣介質(zhì),給電極施加一定頻率和電壓的交流電,當(dāng)達(dá)到氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),工作氣體會(huì)放電。通過(guò)放電間隙的電流是由大量叫做微放電的納秒級(jí)快脈沖電流細(xì)絲組成,這些微放電在時(shí)間和空間上無(wú)規(guī)則地分布在整個(gè)放電空間,在微放電中平均電子能量較高(1—10eV),而離子能量不高,即非平衡態(tài)的低溫等離子體。在這樣的等離子體氛圍下,再配加其他一些工藝條件,如選擇合適的工作氣體、氣壓以及電氣參數(shù)等,即可達(dá)到化學(xué)合成、分解等不同的工作目的。3功率近似質(zhì)量忽略介質(zhì)損耗,放電反應(yīng)器的放電功率近似等于有功功率。測(cè)量的途徑可以有:功率表法、定義法(由瞬時(shí)功率曲線得到)、電壓/電荷利薩如圖形法。3.1放電功率測(cè)量的誤差及測(cè)量偏差這種測(cè)量方法是在交流高壓電源的低壓側(cè)放置功率表進(jìn)行測(cè)量,功率表讀取的數(shù)值包括電源所消耗的功率,放電反應(yīng)器的放電功率應(yīng)為功率表的讀數(shù)減去電源(含變壓器)的功耗。該法簡(jiǎn)便易行,實(shí)踐中應(yīng)用的比較廣泛,但是對(duì)反應(yīng)器放電功率測(cè)量的準(zhǔn)確性較低,引起測(cè)量偏差的主要原因有:放電反應(yīng)器工作時(shí)引起的高壓電源(變壓器)初級(jí)的波形畸變和變壓器的功耗在不同的工作狀態(tài)(電壓、電流)下呈明顯的非線性;在實(shí)際測(cè)量時(shí)一般把空載時(shí)電源的損耗看作和放電反應(yīng)器工作時(shí)的情況是一致的。3.2計(jì)算放電功率曲線利用電壓探頭、電流探頭直接取得等離子體反應(yīng)器工作時(shí)的電壓、電流波形(信號(hào)),利用數(shù)字示波器求得瞬時(shí)功率曲線,根據(jù)功率曲線,求得放電功率。該方法測(cè)量原理清晰易懂,測(cè)量的準(zhǔn)確度依賴(lài)于探頭的參數(shù)和示波器的性能,最大問(wèn)題是在測(cè)量的反應(yīng)器放電功率較小時(shí),即放電電流小,信號(hào)較弱(一般在mV級(jí)),電磁噪聲的干擾較大,會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的精度。2.3放電功率測(cè)量的測(cè)量該方法的測(cè)量原理為:在放電反應(yīng)器的接地側(cè)串進(jìn)測(cè)量電容CM,CM兩極的的電壓為VM,若放電輸送的電荷為Q,則流過(guò)回路的電流為I=dQ/dt=d(CMVM)/dt=CMdVM/dt,所以放電功率P為:P=1T∫T0VIdt=CMT∫T0dVmdtdt=fCΡ=1Τ∫0ΤVΙdt=CΜΤ∫0ΤdVmdtdt=fCM∮VdVM如果把VM和由高壓探頭測(cè)得的電壓V分別加到示波器的X—Y,可以得到一條閉合曲線,由于VM正比于電荷Q,所以通常稱(chēng)作電壓—電荷利薩如圖形,閉合曲線內(nèi)所圍的面積A同一個(gè)周期放電所消耗的能量成正比,這樣可得到放電功率(P=fA)。該法在實(shí)際運(yùn)用時(shí),要注意測(cè)量電容CM的選取,要以不影響放電反應(yīng)器工作和方便測(cè)量CM的電壓為原則。但是,該法需要人工求取面積,測(cè)量費(fèi)時(shí),增加了測(cè)量誤差。4荷利薩的測(cè)量通過(guò)以上討論,可以看出各種測(cè)量方法都存在明顯的優(yōu)缺點(diǎn),其中電壓/電荷利薩如圖形法從測(cè)量原理上是比較合適用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量反應(yīng)器在各種工作狀態(tài)下的放電功率,但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,不能及時(shí)準(zhǔn)確獲得反應(yīng)器工作時(shí)的放電功率。針對(duì)這些情況,研究開(kāi)發(fā)基于PC的放電功率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。4.1硬件部分4.2反應(yīng)器內(nèi)放電功率p的測(cè)量基于PC的功率在線測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分主要要完成的功能是:計(jì)算電壓、電荷(取樣電容兩端的電壓)軌跡所圍成的面積,具體如下:得到一個(gè)周期內(nèi)反應(yīng)器的能耗W,乘以供電波形的頻率,得到反應(yīng)器工作時(shí)的放電功率P輸出。圖形面積的計(jì)算,采用辛普生公式近似計(jì)算。5放電過(guò)程測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方案在典型的DBD等離子體反應(yīng)器——無(wú)聲放電型管狀臭氧發(fā)生器工作時(shí),進(jìn)行實(shí)際測(cè)量,如圖2～4所示。試驗(yàn)用的放電管有效電極長(zhǎng)度1m,外接地電極直徑50mm,電極間氣隙為2.5mm,玻璃介質(zhì)厚度為1.5mm。圖2為利用脈沖高壓探頭(日本IWATSUELECTRIC的HV-P60)、脈沖電流探頭(美國(guó)Tektronix的TM6303)和HP54810A數(shù)字示波器獲得的放電反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生放電時(shí)的電壓、電流和瞬時(shí)功率曲線。圖3為電壓/電荷利薩如圖形。圖4是根據(jù)示波器所獲得的利薩