本發(fā)明涉及測量系統(tǒng)領(lǐng)域，并且更具體地，涉及一種空間電荷密度測量裝置

背景技術(shù)：

直流輸電線路下的合成電場是直流輸電線路電磁環(huán)境的一個重要參數(shù)，直流輸電線路電暈產(chǎn)生的離子形成的電場作為合成場強的一部分，對合成場強值的影響很大。為研究我國特殊環(huán)境下的空間電荷密度與地面合成電場之間的關(guān)系，需要對空間分布的電荷密度進行測量。目前電荷密度測量的方法主要有離子計數(shù)法、電荷篩選法、法拉第籠法等。其中，離子計數(shù)法可捕獲粒徑小、遷移率大的帶電粒子，而電荷篩選法對大粒徑的帶電粒子有更好的吸附效果，法拉第籠法體積較大，主要用于輸電線路走廊外電荷密度的測量?，F(xiàn)有成型的儀器主要基于離子計數(shù)法針對空氣中的負離子密度進行測量，很少涉及直流輸電環(huán)境中電荷密度的測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種空間電荷密度測量裝置，結(jié)合離子計數(shù)法、電荷篩選法的優(yōu)點，實現(xiàn)了寬粒徑范圍電荷密度的精確測量。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種空間電荷密度測量裝置，包括：

所述測量裝置包括屏蔽層、絕緣層、離子計數(shù)法傳感器、離子計數(shù)法偏壓電源、負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊、電荷篩選法傳感器、電荷測量模塊、測量結(jié)果處理模塊、流量計、以及氣體吸入裝置，其中所述絕緣層的中心軸線與水平面平行放置，所述離子計數(shù)法傳感器、電荷篩選法傳感器、流量計和氣體吸入裝置在水平方向上依次安裝于絕緣層內(nèi)側(cè)；

其特征在于，所述屏蔽層和絕緣層均為圓筒形結(jié)構(gòu)，且屏蔽層位于絕緣層的外部；所述離子計數(shù)法傳感器通過離子計數(shù)法偏壓電源供電形成電場以進行離子的捕獲；

所述負離子微弱電流測量模塊和正離子微弱電流測量模塊用于測量離子計數(shù)法傳感器捕獲離子形成的電流，其中所述負離子微弱電流測量模塊串接于離子計數(shù)法偏壓電源正極與內(nèi)極板之間，用于測量負離子形成的電流；正離子微弱電流測量模塊串接于離子計數(shù)法偏壓電源負極與外極板之間，用于測量正離子形成的電流；

所述電荷篩選法傳感器用于吸附被測氣體中的電荷，并通過連接在電荷篩選法傳感器的外金屬框的電荷測量模塊進行吸附材料吸附電荷的測量及吸附材料的放電；

所述測量結(jié)果處理模塊用于獲得負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊以及電荷測量模塊的測量結(jié)果，并將該結(jié)果進行處理得到空間電荷密度。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法傳感器包括外極板、內(nèi)極板和極板間絕緣支撐；所述外極板為圓筒形、內(nèi)極板為圓柱形且外極板與內(nèi)極板同軸；所述外極板固定于絕緣層上，內(nèi)極板與外極板間通過絕緣材料進行支撐。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法傳感器的外極板和內(nèi)極板材料為銅，極板間絕緣材料為聚四氟乙烯。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法傳感器的外極板、內(nèi)極板和極板間絕緣支撐均使用可拆卸結(jié)構(gòu)方式進行連接。

優(yōu)選地，所述電荷篩選法傳感器包括吸附材料和金屬框；所述吸附材料位于金屬框內(nèi)部，通過金屬框成型，并通過金屬框固定于絕緣層上。

優(yōu)選地，所述電荷篩選法傳感器的吸附材料為鋼絲絨。

優(yōu)選地，所述金屬框為雙層結(jié)構(gòu)，外層金屬框與絕緣層固定，通過信號線連接至電荷測量模塊，內(nèi)層金屬框與吸附材料連接。

優(yōu)選地，所述內(nèi)外金屬框均為圓環(huán)形，且內(nèi)外金屬框材料均為銅。

優(yōu)選地，所述電荷篩選法傳感器采用可拆卸結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述流量計包括流量計A和流量計B；所述流量計A和流量計B對稱布置于電荷篩選法傳感器與氣體吸入裝置之間絕緣層同一徑向截面上。

優(yōu)選地，所述流量計A和流量計B均采用熱式流量計。

優(yōu)選地，所述氣體吸入裝置為軸流風(fēng)扇。

優(yōu)選地，所述軸流風(fēng)扇過PWM方式調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以控制進入所述測量裝置的氣體體積。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法偏壓電源為可調(diào)壓低紋波直流電源。

優(yōu)選地，所述負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊為皮安/納安級電流測量模塊。

優(yōu)選地，所述電荷測量模塊為皮庫級電荷測量模塊。

優(yōu)選地，所述測量結(jié)果處理模塊利用公式進行處理得到空間電荷密度值，其中Q₃為電荷測量模塊測得的凈電荷數(shù)，T為裝置的工作時間且所述裝置的工作時間由測量結(jié)果處理模塊的計時器得到，i₁為負離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，i₂為正離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，M為單位時間內(nèi)的氣體流量瞬時值。

優(yōu)選地，所述絕緣層采用聚四氟乙烯材料。

優(yōu)選地，所述屏蔽層采用內(nèi)層屏蔽層和外層屏蔽層的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述內(nèi)層屏蔽層為銅屏蔽層，外層屏蔽層為鐵屏蔽層。

本發(fā)明通過氣體吸入裝置將被測氣體吸進空間電荷密度測量裝置，利用離子計數(shù)法傳感器形成的電場進行粒徑小、遷移率大的粒子吸附，同時利用電荷篩選法傳感器的吸附材料進行大粒徑帶電粒子的吸附。本發(fā)明利用離子計數(shù)法對于小粒徑帶電粒子的良好吸附效果，同時結(jié)合電荷篩選法對大粒徑帶電粒子有更好的吸附效果的優(yōu)點，在測量裝置參數(shù)要求低、尺寸小的前提下，實現(xiàn)寬粒徑范圍電荷密度的精確測量。且裝置的離子計數(shù)法傳感器、電荷篩選法傳感器均為可拆卸結(jié)構(gòu)，維護方便。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空間電荷密度測量裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的離子計數(shù)法傳感器與負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊以及離子計數(shù)法偏壓電源的連接關(guān)系圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的電荷篩選法傳感器的剖面示意圖；以及

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空間電荷密度測量方法的方法流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的示例性實施方式，然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發(fā)明，并且向所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術(shù)語并不是對本發(fā)明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標(biāo)記。

除非另有說明，此處使用的術(shù)語(包括科技術(shù)語)對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術(shù)語，應(yīng)當(dāng)被理解為與其相關(guān)領(lǐng)域的語境具有一致的含義，而不應(yīng)該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空間電荷密度測量裝置的裝置結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，空間電荷密度測量裝置100包括屏蔽層1、絕緣層2、離子計數(shù)法傳感器、電荷篩選法傳感器、流量計、氣體吸入裝置9、離子計數(shù)法偏壓電源、負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊、電荷測量模塊11和測量結(jié)果處理模塊12。

優(yōu)選地，所述屏蔽層1和絕緣層2均為圓筒形結(jié)構(gòu)，且所述絕緣層2的中心軸線與水平面平行放置，所述離子計數(shù)法傳感器、電荷篩選法傳感器、流量計和氣體吸入裝置9在水平方向上依次安裝于絕緣層內(nèi)側(cè)。應(yīng)當(dāng)了解的是，所述絕緣層2采用聚四氟乙烯材料，且所述屏蔽層1采用內(nèi)層屏蔽層和外層屏蔽層的雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，且內(nèi)層屏蔽層為銅屏蔽層，外層屏蔽層為鐵屏蔽層。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法傳感器由離子計數(shù)法傳感器的外極板3、離子計數(shù)法傳感器的內(nèi)極板4以及極板間絕緣支撐5組成，且所述外極板3為圓筒形、內(nèi)極板4為圓柱形且外極板與內(nèi)極板同軸；所述外極板固定于絕緣層上，內(nèi)極板4與外極板3間通過絕緣材料進行支撐；所述外極板和內(nèi)極板材料為銅，極板間絕緣支撐5的材料為聚四氟乙烯。應(yīng)當(dāng)了解的是，離子計數(shù)法傳感器的外極板3、內(nèi)極板4和極板間絕緣支撐5均為可拆卸結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述離子計數(shù)法傳感器在進行電荷密度測量時，離子計數(shù)法傳感器的內(nèi)外極板分別經(jīng)由負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊連接至離子計數(shù)法偏壓電源的正負極。應(yīng)當(dāng)了解的是，圖1中模塊10即為負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊以及離子計數(shù)法偏壓電源的集合，且該部分的具體連接關(guān)系圖在圖2中會具體描述。

優(yōu)選地，所述電荷篩選法傳感器包括吸附材料6和金屬框，且所述吸附材料6位于金屬框內(nèi)部，通過金屬框成型，并通過金屬框固定于絕緣層2上，且所述吸附材料為6鋼絲絨。優(yōu)選地，電荷篩選法傳感器的金屬框通信號線連接至電荷測量模塊11。應(yīng)當(dāng)了解的是，圖1中只標(biāo)注出了電荷篩選法傳感器的吸附材料6，而電荷篩選法傳感器的金屬框以及其位置關(guān)系等在圖3中會具體描述。

優(yōu)選地，所述流量計分為流量計A7和流量計B8；所述流量計A7和流量計B8對稱布置于電荷篩選法傳感器與氣體吸入裝置之間絕緣層同一徑向截面上；優(yōu)選地，所述流量計A7和流量計B8均采用熱式流量計。

優(yōu)選地，所述氣體吸入裝置9為軸流風(fēng)扇，用于將被測氣體吸入所述測量裝置100；且通過PWM方式調(diào)節(jié)軸流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速以控制進入所述測量裝置100的氣體體積。

優(yōu)選地，所述電荷測量模塊11為皮庫級電荷測量模塊，用于吸附材料6吸附的電荷的測量及吸附材料6的放電；且所述電荷測量模塊11通過信號線與電荷篩選法傳感器的外金屬框相連。

優(yōu)選地，所述測量結(jié)果處理模塊12用于獲得負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊以及電荷測量模塊11的測量結(jié)果，并將該結(jié)果進行處理得到空間電荷密度值。

優(yōu)選地，測量結(jié)果處理模塊12利用如下公式計算空間電荷密度，

其中Q₃為電荷測量模塊11測得的凈電荷數(shù)，T為裝置的工作時間且所述裝置的工作時間由測量結(jié)果處理模塊的計時器得到，i₁為負離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，i₂為正離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，M為單位時間內(nèi)的氣體流量瞬時值。

優(yōu)選地，所述公式通過得來，其中Q₁為負離子微弱電流測量模塊測得的負離子電荷數(shù)，Q₂為正離子微弱電流測量模塊測得的正離子電荷數(shù)，Q₃為電荷測量模塊11測得的凈電荷數(shù)，V為裝置100工作時間內(nèi)經(jīng)過裝置的被測氣體體積。

圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的離子計數(shù)法傳感器與負離子微弱電流測量模塊、正離子微弱電流測量模塊以及離子計數(shù)法偏壓電源的連接關(guān)系圖。如圖2所示，其中3為離子計數(shù)法傳感器的外極板、4為離子計數(shù)法傳感器的內(nèi)極板、5為極板間的絕緣支撐、13為負離子微弱電流測量模塊、14為正離子微弱電流測量模塊以及15為離子計數(shù)法偏壓電源，且圖2為離子計數(shù)法傳感器的橫截面圖。優(yōu)選地，所述負離子微弱電流測量模塊13串接于離子計數(shù)法偏壓電源15正極與內(nèi)極板4之間，用于測量負離子形成的電流；正離子微弱電流測量模塊14串接于離子計數(shù)法偏壓電源15負極與外極板3之間，用于測量正離子形成的電流。

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的電荷篩選法傳感器的剖面示意圖。如圖3所示，電荷篩選法傳感器由吸附材料6以及金屬框組成，且所述金屬框為雙層結(jié)構(gòu)，外層金屬框16與絕緣層2固定，通過信號線連接至電荷測量模塊11，內(nèi)層金屬框17與吸附材料6連接。應(yīng)當(dāng)了解的是，內(nèi)外金屬框均為圓環(huán)形，且內(nèi)外金屬框材料均為銅。

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的空間電荷密度測量方法的方法流程圖。如圖4所示，空間電荷密度測量方法400從步驟401開始。步驟401中，利用空間電荷密度測量裝置中的氣體吸入裝置進行被測氣體的吸入，所述氣體吸入裝置為軸流風(fēng)扇，并調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)吸入裝置的氣體體積。

優(yōu)選地，在步驟402中，用負離子微弱電流測量模塊測量離子計數(shù)法偏壓電源正極與內(nèi)極板之間的負離子形成的電流，與此同時，用正離子微弱電流測量模塊測量離子計數(shù)法偏壓電源負極與外極板之間的正離子形成的電流，并將測量結(jié)果輸出至測量結(jié)果處理模塊。

優(yōu)選地，在進行離子計數(shù)法測量電流的同時，用電荷測量模塊測量吸附在電荷篩選法傳感器的吸附材料上的凈電荷數(shù)，并將測量結(jié)果輸出至測量結(jié)果處理模塊。

優(yōu)選地，在步驟402中，還同時利用流量計測量在裝置工作時間內(nèi)的某一時刻的被測氣體的流量瞬時值。

優(yōu)選地，當(dāng)上述測量全部完成且測量結(jié)果均輸出至測量結(jié)果處理模塊后，進行步驟403，測量結(jié)果處理模塊利用公式

進行處理得到空間電荷密度值，其中Q₁為負離子微弱電流測量模塊測得的負離子電荷數(shù)，Q₂為正離子微弱電流測量模塊測得的正離子電荷數(shù)，Q₃為電荷測量模塊測得的凈電荷數(shù)，V為裝置工作時間內(nèi)經(jīng)過裝置的被測氣體體積，T為裝置的工作時間且所述裝置的工作時間由測量結(jié)果處理模塊的計時器得到，i₁為負離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，i₂為正離子微弱電流測量模塊測得的瞬時電流，M為單位時間內(nèi)的氣體流量瞬時值。

已經(jīng)通過參考少量實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，正如附帶的專利權(quán)利要求所限定的，除了本發(fā)明以上公開的其他的實施例等同地落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

通常地，在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語都根據(jù)他們在技術(shù)領(lǐng)域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準(zhǔn)確的順序運行，除非明確地說明。