离子迁移率

产生离子质谱信息的方法

离子迁移率（ionic mobility）是一种产生离子质谱信息的方法，包括下列步骤：产生气态离子团；沿第一轴及时分离气态离子团，形成多个离子组，各离子组具有与其相关的单一离子迁移率；沿垂直于第一轴的第二轴顺序地及时分离至少一些离子组，形成多个离子小组，各离子小组具有与其相关的单一离子质量；和处理至少一些离子小组，由此确定质量的特定信息。

测量方法

直流输电线路电晕放电产生的离子在电场作用下形成电晕离子流场，其地面合成电场和离子流密度是线路电磁环境控制的关键指标。离子迁移率是离子流场计算的关键物理参量。直流输电线路距离较长，沿线气象条件复杂，现有离子迁移率取值未考虑温度、湿度等气象因素的影响，难以准确计算不同环境条件下的离子流场。因此，研究不同温度、湿度条件下的离子迁移率对于提高直流路电晕离子流场的预测精度，实现电磁环境的有效控制具有重要意义。离子迁移率取值研究主要采用试验测量的方法，依据离子来源的不同，测量方法主要分为两大类。一类是自带离子流源的试验方法，包括脉冲Townsend 法、漂移管法、平行平板法等。脉冲Townsend 法是通过测量脉冲激光放电产生的离子电流来计算离子迁移率；漂移管法是测量通过栅电极间的离子漂移时间来计算出离子迁移率；平行平板法是IEEE推荐为产生离子流场并用于校验电场仪的方法，且基于空间电荷限流原理，亦可用于测量空气离子迁移率。上述方法中离子流源与测量系统集成一体，不适用于研究环境温湿度改变对空间离子流场中离子迁移率的影响。另一类是用于空间离子流场中离子迁移率的测量方法，其典型代表有Gerdien 管法。Gerdien 管法是将空气中的离子流抽入同轴电极电场中，离子在电场作用下偏转被电极吸收形成电流，通过分析电流与同轴电极间的偏转电压关系计算出离子迁移率，可适用于直流输电线路下离子流场中离子迁移率的测量。

测控系统设计

风速由控制器输出的数字指令调节。指令由D/A 转换放大器转换为0-12V 的直流电压直接控制风扇的转速，以实现风速的可变调控。分别从传感器前端、后端，以及抽气风扇处等不同位置用风速计对风速进行测量，获取的传感器风速与风扇施加电压的关系。风速与施加电压成线性关系且传感器前后端部的风速恒定。因此，设计的离子传感器对风速的影响可忽略不计，且传感器内部的风速能稳定控制。

数据采集单元主要实现离子电流和偏转电压波形数据的采集和存储。离子电流的波动频率主要受空气中离子浓度的变化影响。理想状态下，离子浓度分布均匀，离子电流为直流信号，考虑实际离子流场空气中离子的迁移、扩散等运动过程速率，离子电流波动时间常数为s级。因此，数据采集单元的采样频率设定为10kHz可满足测量要求。离子电流与偏转电压信号采集及发送工作将在100μs的采集间隔时间内完成。数据采集单元通过光纤与上位机进行采集信号的发送与控制信号的接收，保证通讯信号不受离子流场干扰，实现控制系统与传感器的电气隔离。

不同温度条件下离子迁移率测量

在多平行导线施加正、负极性直流高压分别为−10.0 kV 和11.0 kV。保持人工气候室的绝对湿度不变，约为9 g/m3，改变室内温度，调节范围约为10~40℃。待室内温湿度稳定后，进行离子迁移率测量。

当传感器偏置电压一定时，测量离子电流的时间长度为40s，取离子电流平均值作为1对(U，I)测量点。每组U-I特性曲线包含约8～10个测量点，总的测量时长达约10 min(<20min)量级。可认为在此时间范围内，人工气候室中离子流场近似保持稳定且气候条件不变。对应每个设定的温度条件，进行3次U-I 特性曲线测量，计算得出相同条件下3组离子迁移率值并取平均作为该温度条件下的离子迁移率。

理想条件下正、负极性重离子迁移率分别为1.5×10−2cm2/(V·s)，2.0×10−2cm2/(V·s)；正、负极性轻离子迁移率分别为1.5 cm2/(V·s)，2.0 cm2/(V·s)。若忽略温度对单一组份离子迁移率的影响，当温度自10℃增大至40℃，正极性重离子在空气中所占比例由约12%增大到约28%，负极性重离子在空气中所占比例由约18%增大到约35%。

当温度升高时，离子热运动引起的离子扩散作用增强。轻离子由于质量小，其热运动引起的扩散明显，在电场的作用向下迁移的同时向四周空间扩散，到达测量点附近的轻离子数量减小。而重离子由于质量大，热运动引起的离子扩散相对较弱，测量点附近重离子浓度变化不显著，致使测量点附近的重离子所占比例增大，这是可能是造成平均离子迁移率减小的原因。

不同湿度条件下离子迁移率测量

在多平行导线施加正、负极性直流高压分别为−10.0kV和11.0 kV。保持人工气候室的温度为25℃不变，改变室内绝对湿度，调节范围约为3-25g/m3。待室内温湿度稳定后，每个湿度点测量3组正、负离子迁移率并取平均值。

在温度不变的情况下，正、负离子迁移率均随绝对温度的增大而减小。对于正离子当绝对湿度增大到约23g/m3，平均迁移率趋近于1.2 cm2/(V·s)的饱和值；对于负离子当绝对湿度增大到约12g/m3时，平均迁移率趋近于饱和值1.5cm2/(V·s)。

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