阅读说明：本技术 直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置和方法 (Device and method for measuring ion concentration on surface of electrode under action of direct current electric field ) 是由 曹晓斌 李瑞芳 何玉峰 杨世松 李涛 高晨霞 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置和方法,装置包括：升压回路和测量回路；所述升压回路通过电源,变压器,整流装置和限流电阻从左到右依次串联形成；测量回路通过试样溶液倒入玻璃器皿内,铁棒电极插入试样溶液内,铁棒电极一端连接升压回路中的高压端,另一端连接示波器正极；铁板电极一端连接升压回路中的低压端并接地,另一端连接示波器负极。根据电容分压原理,可知试样溶液的电压分布的量级大小与外加电场相差不大,检测电压相对于检测电流会产生一个较大的放大效果。本发明在去除外加电场,并短接放电之后,又对棒板电极两端重新短接了两次,根据电位的变化回复过程,更加清晰的观察到在电极表面的残余电荷变化。(The invention discloses a device and a method for measuring the ion concentration on the surface of an electrode under the action of a direct current electric field, wherein the device comprises: a boost circuit and a measurement circuit; the boosting loop is formed by sequentially connecting a power supply, a transformer, a rectifying device and a current-limiting resistor in series from left to right; the measurement loop is poured into a glass vessel through a sample solution, an iron rod electrode is inserted into the sample solution, one end of the iron rod electrode is connected with a high-voltage end in the boosting loop, and the other end of the iron rod electrode is connected with the anode of an oscilloscope; one end of the iron plate electrode is connected with the low-voltage end in the boosting loop and is grounded, and the other end of the iron plate electrode is connected with the negative electrode of the oscilloscope. According to the principle of capacitance partial pressure, the magnitude of the voltage distribution of the sample solution is not greatly different from the external electric field, and the detection voltage can generate a large amplification effect relative to the detection current. According to the invention, after the external electric field is removed and short-circuit discharge is carried out, the two ends of the rod plate electrode are short-circuited again twice, and the change of residual charges on the surface of the electrode is observed more clearly according to the change recovery process of the electric potential.)

直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及金具表面附水腐蚀技术领域，特别涉及一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置和方法。

背景技术

绝缘子金具腐蚀现象在超特高压直流输电线路中广泛存在，严重影响输电线路的安全运行。国内外相关学者开展了直流输电线路金具腐蚀问题的研究工作，认为泄漏电流引起的电解腐蚀是造成金具腐蚀的主要原因，但是随着直流输电线路的运行年限以及运行电压的升高，直流电场已经成为绝缘子金具腐蚀的重要因素，绝缘子金具表面吸附水滴后造成电化学腐蚀是绝缘子金具腐蚀的重要原因，但直流电场加速金具腐蚀的原理尚不明确。

事实上，溶液内部离子迁移很难直接测量，溶液内部在没有外力影响下也会存在无规则的布朗运动。在外加电场的作用下，阴阳离子会朝向相反的电位方向移动，在电极电解质界面离子的堆积效应会更加明显，空间电荷的积累伴随着自由电荷反复的入陷与脱陷，该过程造成的能量损失会导致宏观上电压的跌落，因此基于去极化电位检测法测量电极两端残压的变化，对于研究金具表面附水状态下固液接触面的离子迁移随直流电场的变化规律很有必要。

目前关于绝缘子金具表面吸附水的腐蚀主要集中于电解腐蚀，而关于直流电场影响下的金具腐蚀研究较少，主要从直流电场作用下铁锌腐蚀生成物的微观结构的角度进行研究，不仅对于在电场作用下离子迁移的过程机理缺乏解释，而且需要使用扫描电镜，X射线光谱仪等仪器进行后处理，成本造价过高，且时间周期长。

现有技术中，极化去极化电流法主要适用于诊断变压器，电缆等设备的老化状态，当撤除外加电场后，极化极子会由有序变为无序，从瞬时极化到新极化平衡，此为去极化过程，电介质达到新极化平衡的时间，称为松弛时间。通过极化、去极化电流的变化获得电荷量的变化，进而诊断绝缘材料的老化状态。但是利用这种方法检测的极化去极化电流存在两方面的问题。第一，由于电源的功率和能够流经电流测量模块的电流大小是有限的，绝缘体电容的充放电过程不能瞬时完成，使得测量结果存在很大误差。第二，由于所测试样为电解质而溶液非电介质，溶液内部的离子在电场作用下迁移机理不同于固体电介质，所测的小电流很容易受到外界干扰的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置和方法。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置，包括：升压回路和测量回路；

所述升压回路包括：电源，变压器，整流装置、限流电阻和稳压电容；

所述电源，变压器，整流装置和限流电阻从左到右依次串联；

其中电源为220V，整流装置采用半波整流回路，稳压电容并联连接在输出端口两端，为测量回路提供稳定的直流电压。

所述测量回路包括：玻璃器皿，试样溶液，铁棒电极，铁板电极和示波器。试样溶液倒入玻璃器皿内，玻璃器皿厚度为3mm,玻璃器皿的下底面与铁板电极直接接触，铁棒电极插入试样溶液内，铁棒电极一端连接升压回路中的高压端，另一端连接示波器的1：1000的衰减探头正极；

铁板电极一端连接升压回路中的低压端并接地，另一端连接示波器的1：1000的衰减探头负极。通过半波整流回路将220V市电整流为直流电源，电压输出范围为0～10kV。

作为优选，铁棒的直径为12mm，长度为12cm,放置于玻璃器皿之中，铁棒和铁板间距保持20mm。

作为优选，试样溶液类型为Nacl或Kcl溶液。

本发明还公开了一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量方法，包括以下几个步骤：

步骤一，以220V市电作为激励源，通过变压器和整流装置将220V交流电转换为直流电，最大输出直流电位幅值为10kV,控制输出直流电压在0～10kV内按需调节。

步骤二，通过对铁棒电极施加正极性电压，而铁板电极接地，达到对试样两端施加直流电压且不形成电解反应的效果，维持该直流电压一段时间后，使用放电棒降压，降压时间保持一致。

步骤三，降压后，去除稳压电容和铁棒、铁板电极两端的电气连接线，使试样溶液不再承受稳压电容的残余电压，降低干扰，并用1：1衰减探头连接试样溶液和示波器后，开始记录示波器上的电位变化。对铁棒电极和铁板电极短接两次，测量铁棒电极和铁板电极两端电压的衰减过程。

步骤四，根据电压变化曲线和式(1)(2)推导出电荷量的衰减过程，再根据不同加压强度以及加压时间得到外加电压对试样溶液内部极化时间的影响，界定极化特性。

Q＝nzF＝Nze (2)

其中U为棒板两端电压，Q为吸附在电极上的电荷，C为棒板两端电容值，N为粒子数，z为电荷价数，F为法拉第常数，e为元电荷。

步骤五，改变铁棒电极两端正负极性，重新试验，分析去极化电位曲线的差异性。

步骤六，改变施加直流电压的幅值和时间，测量溶液内电位的时间曲线分布，研究不同电位梯度和加压时间下电极表面集聚离子的分布。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

能够更加清晰的解释外加直流电场下电极表面的离子集聚效应，并通过测量电极表面残余电位推导出电荷量的变化规律，并且测量的误差很小，只有示波器内部的零飘。该方法能够通过测量电极去极化电位的恢复时间，比较分析电极表面吸附不同离子的变化规律。

附图说明

图1是本发明实施例测量装置电路图；

图2是本发明实施例0.01mol/L Kcl溶液内的去极化电位曲线图；

图3是本发明实施例去除外加电场后离子初始状态图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量装置，包括：升压回路和测量回路；

升压回路包括：电源，变压器1，整流装置2、限流电阻3和稳压电容4；

所述电源，变压器1，整流装置2和限流电阻3从左到右依次串联；

其中电源为220V，整流装置2采用半波整流回路，稳压电容4并联连接在输出端口两端，为测量回路提供稳定的直流电压。

测量回路包括：玻璃器皿9，试样溶液6，铁棒电极5，铁板电极7和示波器8。试样溶液6倒入玻璃器皿9内，玻璃器皿9厚度为3mm,玻璃器皿的下底面与铁板电极直接接触，而铁板和溶液不直接接触，铁棒电极5插入试样溶液6内，铁棒电极5一端连接升压回路中的高压端，另一端连接示波器8的1：1000的衰减探头正极；

铁板电极7一端连接升压回路中的低压端并接地，另一端连接示波器8的1：1000的衰减探头负极。通过半波整流回路将220V市电整流为直流电源，电压输出范围为0～10kV。本实施例的试品采用棒板加压的方式，铁棒电极5连接直流电源的高压端，底部铁板电极7连接直流电源的负极并接地。铁棒的直径为12mm，长度为12cm,放置于玻璃器皿9之中，铁棒和铁板间距保持20mm不变。溶液类型依次采用Nacl,,Kcl溶液，且每次实验开始前，保持溶液体积一致，并在实验后测量溶液体积，前后误差不超过5％,忽略水分因空气蒸发造成的损失。

本实施例采用去极化电位检测法测量电极两端残压的变化，研究金具表面附水状态下固液接触面的离子迁移随直流电场的变化规律。去极化电位检测法近似于极化去极化电流检测法。

其中：1为变压器；2为整流装置；3为限流电阻；4为稳压电容；5为铁棒电极；6为试样溶液；7为铁板电极；8为示波器，9为玻璃器皿。

一种直流电场作用下电极表面离子集聚的测量方法，包括以下几个步骤：

第一，以220V市电作为激励源，通过变压器1和整流装置2将220V交流电转换为直流电，最大输出直流电位幅值为10kV,控制输出直流电压在0～10kV内按需调节。

第二，通过对铁棒电极5施加正极性电压，而铁板电极7接地，达到对试样两端施加直流电压且不形成电解反应的效果，维持该直流电压一段时间后，使用放电棒降压，降压时间保持一致。

第三，降压后，去除稳压电容4和铁棒、铁板电极两端的电气连接线，使试样溶液不再承受稳压电容的残余电压，降低干扰，并用1：1衰减探头连接试样溶液6和示波器8后，开始记录示波器8上的电位变化。对铁棒电极5和铁板电极7短接两次，测量铁棒电极5和铁板电极7两端电压的衰减过程。

第四，根据电压变化曲线和式(1)(2)推导出电荷量的衰减过程，再根据不同加压强度以及加压时间得到外加电压对试样溶液6内部极化时间的影响，界定极化特性。

Q＝nzF＝Nze (2)

其中U为棒板两端电压，Q为吸附在电极上的电荷，C为棒板两端电容值，N为粒子数，z为电荷价数，F为法拉第常数，e为元电荷。

第五，改变铁棒电极5两端正负极性，重新试验，分析去极化电位曲线的差异性。

第六，改变施加直流电压的幅值和时间，测量溶液内电位的时间曲线分布，研究不同电位梯度和加压时间下电极表面集聚离子的分布。

在本实施例中，对0.01mol/L Kcl溶液施加电压，在试样中再添加一个辅助电极，测量溶液内电位的时间曲线分布图，如图2所示：

去除外加直流电场之后，由于松弛极化的作用，棒板电极两端仍然吸附有电荷，与原电场反方向，如图3所示。图2中在0～20s内对棒板电极短接两次，在20～600s为溶液内离子自恢复过程。

针对现有技术的缺陷，本发明通过采用测量去极化电位的检测方法，根据电容分压原理，可知试样内部溶液的电压分布的量级大小与外加电场相差不大，而且由于溶液内阻的存在，检测电压相对于检测电流会产生一个较大的放大效果。本发明在去除外加电场，并短接放电之后，又对棒板电极两端重新短接了两次，根据电位的变化回复过程，更加清晰的观察到在电极表面的残余电荷变化。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。