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)的過程中，通過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，可以通過改變高壓模塊輸出電壓的大小來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。一是通過靜電計(jì)和法拉第筒組成的電荷量測(cè)量模塊來獲取油滴所攜帶的電荷量，二是通過油滴在平行電極間的偏轉(zhuǎn)的距離來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)過程中通過調(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)過程中，油滴的大小是通過針頭的孔徑大小來控制的，油滴與油滴之間的下落時(shí)間間隔是通過控制閥門的大小來控制的。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。通過使用不同孔徑的針頭來改變油滴的質(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 油滴荷電量下落過程中的消散

分析油滴荷電量下落過程中的消散，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。