文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)11-0057-03
0 引言
介質阻擋放電（DBD）技術在材料、微電子、化工、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生、自來水深度處理等眾多學科領域中有著廣泛的應用[1-2]。目前研究中介質阻擋放電的特征參數(shù)（介質阻擋電容、氣隙放電電容和放電維持電壓）與供電電源的主回路參數(shù)設計、負載特性以及等效模型方面有著密切聯(lián)系[3-4]，因此需要準確地測量介質阻擋放電電路的特征參數(shù)顯得比較困難。許多學者對介質阻擋放電的特征參數(shù)的獲得大多采用幾何計算法，但這種方法自身存在難以克服的缺點，已很少采用?，F(xiàn)階段，李薩如圖形法是在生產(chǎn)實踐中被廣泛采用的一種測量介質阻擋放電電路參數(shù)的方法。這種方法可以同時獲得三個DBD電路放電特征參數(shù)，比幾何計算法更精確，且不需要獲得DBD電路設計參數(shù)[5-6]。但傳統(tǒng)李薩如圖形測量法存在操作復雜、效率低、誤差大和難以在線測量等不足，本文正是基于李薩如圖形測量原理設計了一種在線測量電路，該方法具有實時操作性強，效率高，誤差小等諸多優(yōu)點。
1 傳統(tǒng)李薩如圖形測量法
李薩如圖形測量法能夠測量DBD三個放電參數(shù)，即能根據(jù)測量結果同時計算出放電維持電壓、放電氣隙電容、介質阻擋電容這三個重要的放電特征參數(shù)。
1.1 李薩如圖形原理
傳統(tǒng)李薩如原理圖如圖1所示，從圖中可以得到：點B、D對應著電流變化的時刻點，點M、N對應著電壓變換的時刻點，本文稱之為關鍵點。獲得B、D、M、N關鍵點坐標，為敘述方便，這里設其坐標為B(Bx，By)、D(Dx，Dy)、M(0，My)、N(Nx，0)。
求取A、B、C、D點坐標：
計算直線BA和直線DA在坐標系中交點A的坐標(Ax，Ay)：
不難獲得，直線AB的方程為：
y=kBMx+My(1)
直線AD的方程為：
y=kDN(x-Nx)(2)
聯(lián)立（1）（2）式可得：
同樣可以求得C點坐標：
依據(jù)以上原理可求取B和D點坐標，至此可以重構李薩如圖形，這里不再贅述。
1.2 DBD負載放電參數(shù)的計算
(1)放電功率的計算式
依據(jù)李薩如圖形獲得放電功率一般分為兩步：
?、儆嬎銏D形面積：
式中，S駐BCD為圖1中由Ｂ、Ｃ、Ｄ 3點構成的三角形面積。
?、诮Y合測量儀器的變比，計算放電功率P：
P=SfCm kx ky kN(6)
式中：S為平行四邊形的面積、f為DBD電路工作頻率、Cm為“積分電容”數(shù)值、 kx為示波器橫軸（X軸）靈敏度、 ky為示波器縱軸（Y軸）靈敏度、 k為高壓探頭分壓比、 N為電流互感器TA的變比。
(2)電路氣隙電容與介質阻擋電容計算式
從DBD型負載放電的實際電路可以得到此時放電氣隙電容為：
(3)電路放電維持電壓Uz計算式
y=KDN(x-Bx)+By(10)
式(10)為直線BC在直角坐標系中的方程。
令y=0，可得J的橫坐標為:
由此可得，放電維持電壓的數(shù)值為：
1.3 傳統(tǒng)李薩如圖形測量不足
DBD放電是在數(shù)千伏高壓下發(fā)生的，故對DBD型負載放電參數(shù)的測量比較困難，但可以采用電容分壓電路、電阻分壓電路或者高壓探頭的方法來進行測量。
如圖2給出了電阻分壓電路測量DBD負載兩端電壓的示意圖。
不論采用高壓探頭還是分壓電路來獲得DBD負載兩端的電壓，都存在著明顯的不足，亟待解決：
(1)實驗設備復雜，投資大。在實驗中需要示波器、高壓探頭、電流探頭、隔離變壓器等，這些設備的投入，使得實驗復雜且投資較大。
(2)電阻分壓電路要求電阻具有阻值精密、耐壓高等特性，且未能實現(xiàn)隔離，因此有安全隱患。
(3)對于獲得的李薩如圖形需要人工處理數(shù)據(jù)，費時費力，效率低下，實時性差。
(4)誤差大，人為讀取數(shù)據(jù)會引進人為誤差，是誤差的主要部分。
2 李薩如圖形在線測量系統(tǒng)
基于以上介紹的傳統(tǒng)李薩如圖形測量方法存在的不足，迫切需要設計出一種新的測量系統(tǒng)，使得對該電路參數(shù)測量更加方便。
2.1 在線測量系統(tǒng)分析設計
以正半周期電流電壓為參考方向，不難得到李薩如圖形中點B對應DBD電路負半周期內(nèi)電流從負到正的變換時刻；點M對應積分電容端電壓從負到正的變換時刻；D對應正半周期電流從正到負的變換時刻；N對應發(fā)生器兩端電壓從負到正的變換時刻。
在線測量系統(tǒng)需完成：
(1)捕捉電壓電流過零信號；
(2)測量電壓電流過零時的電氣參數(shù)；
(3)進行數(shù)據(jù)處理，完成放電參數(shù)求解。
由以上分析，在線測量系統(tǒng)主要包括信號檢測回路、采樣電路、數(shù)據(jù)處理單元和結果輸出，有軟件系統(tǒng)和硬件電路兩部分，其結構示意圖如圖3所示。
2.2 信號檢測與采樣電路
在所述的信號檢測回路中，包含有電容分壓電路、“電荷積分”電路、逆變電路、電流過零檢測電路、電壓檢測回路及電壓過零檢測電路。參數(shù)檢測裝置利用串聯(lián)諧振逆變電路主電流過零、“電荷積分”回路電壓、電容分壓回路電壓、過零檢測電路形成采樣電路的采樣控制信號。
電容分壓電路是由兩個無極性電容串聯(lián)構成，這兩個電容上電壓與介質阻擋放電電路承受的電壓存在比例關系，通過合理配置這兩個電容的電容值，實現(xiàn)介質阻擋電路上電壓的降壓檢測；“電荷積分”電路由一個電流互感器和與其相連的無極性電容構成，該電路對通過流過介質阻擋放電電路的電流進行積分運算。通過電容分壓和“電荷積分”回路上的電壓形成重構李薩如圖形所需的原始數(shù)據(jù)。采用單片機與AD采樣模塊即可完成對關鍵點數(shù)據(jù)的采集。
2.3 數(shù)據(jù)處理單元與結果輸出
數(shù)據(jù)處理單元包括硬件單片機和軟件程序，對數(shù)據(jù)的處理包括根據(jù)采樣數(shù)據(jù)完成李薩如圖形的重構，完成參數(shù)計算，求得放電功率、介質阻擋電容、氣隙電容和放電維持電壓。結果在液晶模塊中顯示出來，形成可視化結果。按照本文DBD參數(shù)求解思路，用C語言編程即可實現(xiàn)。
3 在線測量系統(tǒng)實驗
本文在理論分析的基礎上，通過對相關理論知識的分析之后搭建了DBD在線測量系統(tǒng)實物平臺。
3.1 試驗系統(tǒng)
該實驗平臺由DBD系統(tǒng)和DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)組成。在試驗中的DBD系統(tǒng)包括臭氧產(chǎn)量為10 g/h的DBD型臭氧發(fā)生器一臺，可調(diào)變壓器一臺，賽米控公司skyper32全橋逆變控制器一臺。在試驗中的DBD在線測量系統(tǒng)包括電壓電流采樣電路、電容積分電路與電容分壓電路、單片機板。
3.2 實驗結果
本文在相同的實驗條件下，分別采用傳統(tǒng)李薩如圖形測量法和在線測量系統(tǒng)獲取DBD放電參數(shù)。圖4為傳統(tǒng)李薩如圖形法獲得的李薩如圖形，在該李薩茹圖形中設置相應的坐標點進行手工計算。表1給出了采用傳統(tǒng)李薩如圖形測量法和本文提出的在線測量法獲得的DBD放電參數(shù)的結果。
兩種方式都能求取DBD負載放電參數(shù)。從表1的結果對比中，能夠得出傳統(tǒng)李薩如圖形獲得地實驗數(shù)據(jù)浮動比較大；而在線測量系統(tǒng)在相同實驗條件下獲得數(shù)據(jù)基本相同。因此可以得出：(1)本文提出設計的DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)正確；(2)采用本文提出的在線測量系統(tǒng)獲得的結果更加可靠準確。
4 結論
本文從對DBD負載放電參數(shù)測量的傳統(tǒng)李薩如圖形測量法原理出發(fā)，分析設計了DBD負載放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)，并對其進行了實驗驗證，簡單歸納如下：
(1)本文提出的DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)正確，結果更加可靠準確；
(2)DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)李薩如圖形測量法的諸多不足，具有高效、經(jīng)濟、準確和操作簡單等優(yōu)點。
參考文獻
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