基于低压静电场的大雾检测与消除装置

2015-10-31游克勤刘启雄廖立立郑号染

中国科技纵横 2015年14期

关键词：大雾电离能见度

游克勤　刘启雄　赵　捷　廖立立　郑号染

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

基于低压静电场的大雾检测与消除装置

游克勤刘启雄赵捷廖立立郑号染

（重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

本文对静电除雾这一技术进行了简单介绍，结合静电除尘器和放大器的基本原理，制造出改进后的电离装置，使得放大器具有高电压，低电流等特点。同时应用带电的空金属球能够产生发散性的电场把带电后的雾滴颗粒排到道路两边，提高道路上空的能见度。同时结合激光透雾技术，实现整个装置自动化，使得该装置既能实时监控空气中空气能见度，又能快速降低大雾浓度。

放大器电离静电除雾激光监测能见度

静电除雾技术，国内外均有一些初步的想法和实验。荷兰的发明家恩·罗塞加德利用铜线圈通电制造静电场，从而吸附空气中的颗粒物，达到局部除雾的效果。国内华中科技大学的潘恒院士提出了一项名为“静电催化人工降雨”的技术。这项技术是利用静电场来促进水汽凝聚，实现人工降雨，从而达到消除大雾的效果。综合来看，这些技术都无法从源头上遏制大雾给我们的交通带来的干扰，没有得到实际的运用，因此具有较大的发展空间。本文通过理论推理与数值模拟，具体研究了电场的产生方式和分布情况以及带电粒子在电场中的运动，同时采用激光透雾技术，实现了整个过程的自动化。为今后静电除雾技术的进一步发展提供了新的方向。

1　设计原理

1.1设计思路

由于雾能吸收光线发生散射，致使高速行驶中的驾驶人视物度下降，看不清前方和周边的情况。空气中的水滴和近地灰尘以及路面上的灰尘相混合，附着于轮胎和路面，造成轮胎与路面的附着系数减小，导致轮胎与路面不能产生足够的摩擦力而发生追尾事故。分析在雾天出现的种种现象，可以采用一套自动化装置来实现降低大雾浓度，这样既避免了大雾随时间变化对运行管理的影响，又能快速的降低大雾浓度。我们基于工厂除尘器的基本原理，结合荷兰科学家除雾的方法，做到先检测高速公路周围的大雾浓度，再使雾滴发生电离，最后利用发散性的电场使带电荷的雾滴运动到绿化带和道路的两边，从而起到降低行车道里大雾浓度。该装置起到既能够实时检测空气中大雾浓度，又能够快速恢复交通的作用。

表1　能见度与浓度等级划分

表2　能见度与单位体积雾滴数

1.2研究方法

我们采用的研究方法主要是理论推理法，数值分析法，以及模拟仿真等方法。电压放大器的基本介绍［1］:电压放大器是一个实实在在的模拟信号的放大电路，它的输入端输入一个变化的模拟量，在输出端就输出一个幅度放大的但是其波形完全相同的不失真的信号。所谓关于“:运算”两字；是输出信号是输入信号经某种数学运算的结果；就是输出信号的各个部分是输入信号对应的各个部分的倍数关系；好像是把信号的幅度进行了乘法运算一样。也就是说运算放大器是一个优秀的线性放大电路。我们采用多级放大器可以得到很高的电压，细微的电流就能电离空气中的大雾颗粒，整个装置对人体，交通信号和周边的环境产生的影响较小，并且能达到很好的电离效果。放大器电离装置电路图如图1所示:

其中xscl为电容板电离部分。

设计步骤:本装置分为两部分:大雾检测装置与大雾清除装置。

（1）大雾检测装置；根据雾的能见度划分表1［2］:

大气引起的激光衰减通常用beer公式表示为［3］:

式（1）中:I（R）是波长为λ的激光在大气中传输R距离后的光强，I0为激光发射处的光束强度，u（r，λ）是距离R处的大气衰减系数。

根据上述公式，得到激光器从发射装置到接收装置光线的损失率和大气能见度之间的关系，从而确定出是否开启除雾装置。

大雾检测装置分为激光发射装置和激光接收装置，并连接大雾消除装置。该装置能根据接收激光能量的损失率来判断出大气能见度，从而确定出是否开启除雾装置。当能见度s＜200m时大雾消除装置开始工作，当大气能见度s＞1000m时，关闭清除装置。

当大雾消除装置开始工作Vb=200m 时，此时，得大气衰减系数56.19=u，激光发射装置与激光装置分别位于公路对称两侧距离md22=。由（1）式得

在航空气象部门，在定义能见度时使用较高的对比感阈值（ε=0.05），这时能见度和消光系数间的关系为:式中:V为能见度；exK为消光系数。

采用雾滴大小相同的能见度计算，如果每立方厘米大气中含有N个雾滴，即雾滴的数密度为N。散射是互不相关的，雾滴的平均半径为假设N个雾滴大小相同，不考虑吸收则消光系数为:

式（2）中:exQ为消光效率因子。每单位空间体积中雾滴的总体积，也就是雾滴的含水量为:

式（3）中:ρ为水的密度.

由于散射效率因子Qex以波动的方式变化，并最后趋于2，对于可见光来说，大部分雾滴都相当大，作为一个很好的近似，在不考虑吸收的条件下消光效率因子为:Qex=2

联立式（2）式（4）可得:

（2）大雾消除装置；大雾消除装置分为放大器电离部分与静电场部分，放大器的作用在于使导线传输的正常电压变为可使雾滴电离的气晕电压:

T0P0—标准状态下的气体绝对温度与压力；T P—实际状态下的气体绝对温度与压力；R—放电导线半径，m（米）；R2—集尘圆管半径，m（米）；式（5）中m放电性表面系数，对于实际放电线表面较为粗糙，m=0.5～0.9 在此取0.8计算。为了方便我们考虑实际情况接近于标准情况下进行计算取δ=1，导线选用常用截面面积s=4mm2的输电线路，取R2=2.5 R1。将数据代入（5）式可得起晕电压Vc=1828.945V 。

由于放大器电离的空气产生的离子与雾滴相互碰撞使其带电，随雾滴上电荷的增加，在雾滴周围形成一个与周围相反的电场，其场强越来越强，最后导致离子无法到达雾滴面，此时雾滴上电荷已饱和，在饱和状态下尘粒荷电量按下式计算:

ε0—真空介电常数取为8.85×10-12C/N·m2dc—粒径m；Ef—放电周围电场强度，V/m εp—水相对介电常量81；雾气直径dc=15um；代入数据可得饱和电荷量q=1.23026E-14

下一步我们将使带电的雾滴在向外发散的电场下做远离路面的运动。假设此时为浓雾，单位体积内雾气小水滴为500个/cm3。以双向回车道高速为例:路宽d=22m。首先我们在路下埋置导线，导线上设置许多分支，在分支一端连接一半球形金属球，整个装置的布置如下图2所示:

由于导线上为220V电压所以会致使半球型金属球表面产生电势并附加电荷，上部为球面有利于产生散发的电场，使电荷向路外移动，我们在半球体表面设置了绝缘薄膜，且认为球体埋藏很浅，可以忽略大地对路面以上电场强度的影响。

首先取单个半金属空心铁球进行研究，取其直径D=50cm，研究其影响范围，其在空间激发的电场

其中k为阻力比例系数，与相对大气密度ρ，阻力系数DC，受力面积S相关。即:其中球体风阻系数DC≈0.5可计算得。联立可得带电雾滴在一个半金属球影响下的运动状态。

由此可以知道电场在地面上空间分布基本上是各向同性的，求得一个方向的雾滴运动路径与长度便可以知道单个半金属球的影响距离因此方程（7）（8）可化简为

2　计算及其仿真

这是一个二阶微分方程可用MATLAB中的得到其数值解，其得结果如图3-4:

由图3-4可知雾滴运动约7m左右停止运动，速度在约26s时达到最大。由此可得半金属球最大影响半径约为7m。实际情况下空气中是由大量雾滴组成，在此不考虑雾滴之间的相互作用影响，各雾滴距金属球距离不一样，雾滴直径为10～20um之间，导致各雾滴运动路径与距离各不相同。由于在计算中我们进行了简化，未考虑到电场力的叠加。实际上带电雾滴受许多半金属球产生的电场影响，所受电场力大于计算电场力，因此实际效果将会比计算更好。