磁响应性（通用4篇）
磁响应性 篇1
TiO2因具有化学性质稳定、耐酸碱性好、无毒性、 氧化能力强的优点,且来源丰富、成本较低、催化性能优异,被认为是 当前最具 推广潜力 的一种光 催化剂[1,2,3,4]。为了进一步改善TiO2的光催化性能,人们已作了很多有益探索,其中之一就是将TiO2与碳基材料(如碳纳米 管)进行复合,取得了较 好的效果[5,6]。 研究[7,8]表明TiO2与碳纳米 管复合后,碳纳米管 和TiO2间产生的协同效应能够促使TiO2产生的光生电子转移到碳纳米管上,不仅降低了光生电子-空穴对复合几率,还使该复合材料具有响应可见光的能力。
石墨烯是2004年发现的二维碳纳米材料[9],其电学性质比碳纳米管更为优异,将其用来代替碳纳米管修饰一些材料可取得更好的效果。张晓艳等[10]通过还原氧化石墨制备石墨烯,在此基础上采用溶胶-凝胶法制备出了TiO2/石墨烯复合材料,并研究了该材料的光催化分解水产氢活性。Zhang等[11]制备了P25-石墨烯复合材料,研究发现由于石墨烯的引入,该复合材料不仅能够很好地吸附有机染料,而且还拓展了可见光响应范围,能够有效分离光生电子和空穴。另外,还有大量关于利用石墨烯提高TiO2光催化性方面的研究工作[12,13,14,15,16,17,18,19],但石墨烯和TiO2复合仍有其不足之处, 如固液分离困难,无法实现循环利用。
解决TiO2固液分离实现循环利用,则可降低光催化剂成本,推动光催化技术在更多领域的应用。采用催化剂负载化,是一种解决光催化剂的分离和回收问题的有效途径。负载型光催化剂主要是通过物理或化学作用将TiO2负载于载体上。常见的固体载体有活性炭[20]、玻璃纤维[21]、沸石[22]等无机材料。本工作通过乳液插层水解法,利用具有层状结构的石墨烯作为模板[23],将磁性Fe3O4超声分散在无水乙醇中,加入钛酸丁酯继续分散为微乳液,该乳液插层于石墨烯的片层间,再加水引 发钛酸丁 酯水解,使Fe3O4和TiO2两种纳米粒子同时插层镶嵌于石墨烯层间,有效地简化了复合材料制备程序,缩短了制备时间,所制备磁响应性的TiO2/石墨烯纳米复合材料具有良好光催化性和磁性,通过磁性分离可实现固液分离。
1 实验
1.1 主要原料
石墨粉(上海中秦化学试剂 有限公司),FeCl3· 6H2O(安阳市兴亚化学试剂有限公司),无水乙酸钠 (天津市化学试剂一厂),钛酸丁酯(国药集团),无水乙醇(国药集团),亚甲基蓝(天津凯通化学试剂有限公司),药品均为分析纯,实验均使用去离子水。
1.2 磁性 Fe3O4粒子的制备
称取0.675g FeCl3·7H2O和1.8g无水乙酸钠在35mL乙二醇中搅拌30min,使其完全溶解。将混合液置于聚四氟乙烯高压反应釜中,在200℃ 下反应8h后得到黑色粉末,反复用二次水和乙醇超声清洗, 洗去表面残 留的乙二 醇,得到均匀 的Fe3O4纳米粒子。
1.3 石墨烯的制备
采用Hummers法制备氧化石墨[24],将5g提纯石墨和3.75g硝酸钠加入1000mL烧杯中,加入60mL浓硫酸,将混合物置于冰水浴中,不断搅拌,随后再逐渐加入22.5g高锰酸钾,整个冰水 浴冷却过 程持续2h。冷却结束后,在常温下继续温和搅拌混合物5天, 得到高黏稠液体。在搅拌的条件下加入到500mL质量分数5%的H2SO4中,搅拌2h后,再向溶液中加入15g质量分数30%的H2O2,继续搅拌2h。用二次去离子水洗涤过滤,然后加入到二次去离子水和无水乙醇的混合溶液中超声1h,静置24h后将沉淀去除,得到氧化石墨烯水溶液。取100mL氧化石墨烯水溶液, 向其中加入1mL水合肼,然后在90℃ 下水浴回 流24h,最后用二次去离子水洗涤过滤,在60℃下烘干, 得到样品石墨烯。
1.4 磁响应 TiO2/石墨烯纳米复合材料制备
称取一定量的石墨烯,分散在10mL无水乙醇中超声6h形成A液。将一定量的Fe3O4加入30mL无水乙醇中超声1.5h,在超声过程中加入2mL钛酸丁酯。超声30min后,将A液加入其中,在温度在30℃ 下,将上述乳液在超声震荡30min形成B液。将一定量乙酸加水稀释至45mL形成C液。在50℃下将C液以1滴/3s的速率滴入B液,磁力搅拌,滴完后继续搅拌2.5h。冷却后用磁铁提取产物,分别用无水乙醇洗涤多次,干燥后得到产物。
1.5 测试与表征
SEM分析采用JSM-6701F冷场发射扫 描电镜, 加速电压为30kV;TEM采用JEM2100型透射电子显微镜,在加速电压为50~200kV的情况下,观察材料的微观结构。XRD测试采用D/Max-2400型X射线衍射仪,CuKα射线,管电压为40kV,管电流为100mA,扫描范围为10~80°,步速为10(°)/min;磁测量在Model 6000PPMS磁强计上 进行,测量4.2~ 295K温度范围内的零场磁化率χAC随温度的变化,所加驱动场为10A/m,频率为300Hz,在此温度范围内几个不同点测量等温磁化曲线,所加外场0~8×105A/m;采用XPA-7型光催化反应器对光催化材料进行催化性能测试;超声波采用KQ5200B型数控超声波清洗器,频率30~45Hz。
2 结果与讨论
2.1 SEM分析
图1(a),(b)分别为石墨烯和磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料SEM照片,可以观察到清晰的石墨烯片层(图1(a)),磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子均匀分散在石墨烯的片层结构上,且与石墨烯层有机体结合 (图1(b))。乳液插层 水解法使 得磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子同时插入石墨烯层间,形成稳定的体系,同时可以观察到膨胀之后的石墨烯呈现剥离现象。磁性Fe3O4粒子和TiO2粒子在石墨烯片层上均匀分布,而且粒径较小,由此可以认为复合材料的纳 米粒子是 在乳液中 进行,乳液 “微反应器”[25]尺寸小且 均匀分布 在石墨烯 片层上,磁性Fe3O4粒子和TiO2粒子在反应过程中分散均匀,有效地限制了纳米粒子的团聚和生长。通过乳液插层水解法制备出的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料,充分利用TiO2粒子的光催化性能和磁性粒子在外加磁场可提取的优势,结合石墨烯的层状结构,使得复合材料的理化性能得到很好的改善。材料具有良好的光催化性能同时兼具磁性,可通过外加磁场对光催化材料进行靶向定位、分离和重复使用。
2.2 TEM分析
图2为磁响应TiO2/石墨烯纳 米复合材 料的TEM照片,可以看出磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料的层状形态分布特征明显,片层结构清晰可见,磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子均匀分散在石墨烯的片层结构上,以纳米尺寸负载石墨烯片层上,形成了层状结构的纳米复合材料。采用乳液插层水解法制备磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料时,逐滴加入乙酸水溶液控制酞酸丁酯水解,牵制了磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子保持原来分散的状态,限制了纳米粒子的生长空间,使得磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子在反应过程中均匀分散在石墨烯片层上,有效地解决了纳米粒子的团聚问题[26],与传统方法相比优势明显,是一种有效制备磁性光催化复合材料的方法。
2.3 X射线分析
图3中曲线a~d分别为石墨烯、Fe3O4、TiO2及磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料的XRD图。从图3曲线a中可以看出,2θ位于25.6°为石墨烯无定型状峰,图3曲线b中2θ 分别位于30.3°,35.1°,42.8°, 55.1°,62.9°处为Fe3O4的311,400,422,511,440晶面的特征衍射峰,图3曲线c中2θ位于25.3°,37.9°, 48.0°,53.8°,55.1°和62.7°处出现的 强峰是锐 钛矿TiO2的101,004,200,105,211和204晶面的特征衍射峰。从图3曲线d磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料与各物质XRD图对比分析可以看出,复合材料中各物质的吸收峰都有所体现且比较明显,说明该复合材料中各物质为共存状态(图中方框为石墨烯的衍射峰)。采用Scherrer公式(D=Kλ/βcosθ)对Fe3O4和TiO2的晶粒尺寸进行了计算,其中D为估算的晶粒尺寸,K值取0.89,β为积分半高宽度,θ 为衍射角,λ 为X射线波长 (0.15418nm)[27,28]。结果显示,Fe3O4纳米粒子约为45.5nm,TiO2纳米粒子约为18.8nm, 磁性Fe3O4纳米粒子和TiO2纳米粒子镶嵌于石墨烯片层上并与石墨烯成功复合。
2.4 VSM分析
图4为磁响应TiO2/石墨烯纳 米复合材 料及纯Fe3O4粒子饱和VSM测试曲线。从图4中曲线a,b可知,纯Fe3O4粒子饱和 磁化强度 为60.02A·m2/ kg,磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料的饱和磁化强度为20.13A·m2/kg。二者相比 磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料饱和磁化强度有较大程度的减弱,是由于磁性Fe3O4粒子和TiO2同时负载于石墨烯片层形成磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料后,石墨烯和TiO2对磁性粒子起到包覆作用,使磁响应性降低[29]。 即便如此,如图4中插图所示,复合材料在外加磁场的作用下仍能顺利提取。
图4插图中,左图是复合材料均匀分散在水溶液中形成 均匀的悬 浊液的数 码照片;右图是磁 响应TiO2/石墨烯纳米复合材料在磁场作用磁分离后的数码照片。复合材料均匀分散的悬浊液在外加磁场作用下,复合材料定向移 向磁铁,经过1min,全部移向 磁铁,显示出优异的磁响应性。磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料在磁场作用下可实现固液分离,从溶液中顺利提取,实现磁分离进而重复使用。
2.5 光催化性能测试
图5为磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料光催化性能测试曲线。分别将光催化剂加入浓度为20mg/L的亚甲基蓝溶液中,磁力搅拌和氧气 (流量为0.6~ 1mL/min)曝气下,暗反应搅 拌20min,启动氙灯 (800W))并开始计时,每隔30min取样5mL,离心分离后,测定清液中亚甲基蓝的浓度,并根据反应后清液中亚甲基蓝的浓度和亚甲基蓝初始浓度,计算光催化剂对亚甲基蓝的降解率,并测试亚甲基蓝的光解作为空白。
采用的计算公式如下:
式中:η为亚甲基蓝的降解率;C0为光催化反应前亚甲基蓝的吸光度;C为光催化反应后亚甲基蓝的吸光度。
图5中曲线a,b,c分别是TiO2的含量为28%, 31%,33%的配比下制备的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料光催化降解亚甲基蓝的性能曲线,图5中曲线d和e分别为纯的TiO2光催化降解亚甲基蓝的性能曲线和亚甲基蓝光解曲线。由图5可知,暗反应吸附20min后,TiO2的含量为28%,31%,33% 的配比下制备的磁 响应TiO2/石墨烯纳 米复合材 料和纯TiO2的吸附去 除率分别 为38.78%,59.74%, 28.69%,10.56%,光催化反应120min时,TiO2的含量为28%,31%,33% 的配比下制备的磁响应TiO2/ 石墨烯纳米复合材料和纯TiO2对亚甲基蓝的光催化去除率分别为72.72%,92.19%,56.85%,39.9%,亚甲基蓝的自身 光解仅为10%。由图5可知,磁响应TiO2/石墨烯复合材料均较纯TiO2对亚甲基蓝具有更高的吸 附率,其中TiO2含量为31% 的磁响应TiO2/石墨烯复合材料对亚甲基蓝的吸附率最高,达到59.74%,为TiO2吸附率的5倍多,光催化反 应120min时,对亚甲基蓝的去除率达到92.19%。磁响应TiO2/石墨烯复合材料显示良好的光催化活性是由于石墨烯的片层结构使之具有较大的比表面积,使得复合材料对亚甲基蓝显示出良好的吸附性能,同时,石墨烯促进TiO2光催化产生的空穴和电子的分离,使得复合材料的光催化性能有较大的提高。
2.6 重复使用性
图6显示了磁响应TiO2/石墨烯复合材料降解亚甲基蓝的重复使用性能。以磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料作为光催化剂,对初始浓度为20mg/L的亚甲基蓝液进行光催化降解,光催化降解180min后,测定其降解率。用磁铁回收磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料,重复使用,进行光催化剂的重复使用性实验。 从图6可以看出,磁响应TiO2/石墨烯光催化剂重复使用7次后,光照3h,对亚甲基 蓝的降解 率仍大于90%,可见,所制备的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料对亚甲基蓝的降解率无明显下降,显示出良好的重复使用性。
通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、震动样品磁强计(VSM)、光催化性能测试及重复性实验,显示已成功地制备了具有良好光催化活性、可反复使用的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料。
3 结论
(1)利用具有层状结构的石墨烯作为模板,将磁性Fe3O4和钛酸丁酯超声分散在无水 乙醇中形 成微乳液,并将该乳液插层于石墨烯的片层间形成稳定体系后再引发水解,使磁性Fe3O4粒子和TiO2粒子同时插入石墨烯层间,制得一种新型的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料。
(2)该材料的制备过程可有效利用石墨烯片层结构,将Fe3O4粒子和TiO2粒子均匀的分散在层间,形成稳定的体系。
(3)复合材料具有良好的光催化活性,且可通过外加磁场进行靶向定位或磁分离可反复使用,重复使用7次后,光催化降解率仍大于90%,在光催化领域具有良好的应用前景。
摘要：采用乳液插层水解法成功制备了一种层状磁响应性光催化纳米复合材料。首先通过水热法制备磁性Fe3O4纳米粒子,将其超声分散在溶有钛酸丁酯的无水乙醇中,形成钛酸丁酯包裹Fe3O4纳米粒子的微乳液,然后将该微乳液插层于石墨烯中,利用石墨烯的层状结构作为载体形成一种稳定体系,通过控制水解,使TiO2纳米粒子与磁性Fe3O4纳米粒子共同镶嵌于石墨烯层间,形成一种新型的磁响应TiO2/石墨烯纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、震动样品磁强计(VSM)等手段对该复合材料进行表征,并通过模拟太阳光下降解亚甲基蓝(MB)评价复合材料的光催化性能。该复合材料通过磁分离可反复使用,重复使用7次后,对亚甲基蓝的降解率仍大于90%。
关键词：磁响应,TiO2,石墨烯,复合材料,光催化性能
磁响应性 篇2
1 矿井瞬变电磁法超前探测布置系统
瞬变电磁在井下全空间施工与地面不同, 因受到巷道空间的制约, 在超前探测时, 由于煤岩成层分布、线圈与地层的耦合方式与地面相比发生了变化, 由原来的平行层理变为垂直层理[3], 或者与地层以一定的角度耦合。
1.1 探测频率选择
瞬变电磁探测的最大深度与发射频率存在一定的关系, 选择的频率越高, 其探测的深度就越小, 同样对探测目标体的分辨率越高;频率越低, 探测深度越大, 对探测目标体的分辨率就相对低一些。在井下进行超前探测时, 往往根据矿井的实际情况, 既要保证探测的快速高效, 又要确保掘进的按期进行, 探测的有效距离一般为100 m左右。通常选择的频率为25 Hz (图1) 或8.3 Hz (图2) 。
1.2 天线边长及匝数确定
由于井下测量装置距离异常体更近, 大大提高了测量信号的信噪比, 实践表明:井下测量的信号强度比在地面同样装置和参数设置的信号强10~100倍。因此, 用小回线装置探测是适用可行的。根据煤层沉积的区域性差异及开采规模的不同, 为了满足煤矿探水要求, 一般选择边长小于2 m的重叠回线装置。瞬变电磁早期接受信号的时间道中, 线圈自感信号比有用信号大得多, 衰减得也快, 总存在一个使瞬变电磁无法分辨有用信号的时间范围[4]。所以当线圈匝数增加时, 随之而来线圈本身自感、互感作用也加大, 从而加大探测盲区。因此天线匝数不能随意加大, 在保证勘探深度的条件下, 一般选用发射线圈为10匝、接收线圈为20匝来进行探测。
1.3 超前探测施工方法
瞬变电磁法井下超前探测布置系统一般有3种施工方法:扇形探测、半圆形探测和U型探测。每种探测方法均可以根据实际情况将每一测点探测几个方向, 如顶板45°方向、顺层方向、底板45°方向, 依次测量, 保证数据的连续性。
(1) 扇形探测系统主要用于掘进面上的背景干扰和左右两侧帮相差较大的情况, 可以获得掘进面上下左右区域内的探测数据 (图3) 。
(2) 半圆形探测系统主要用于掘进面与左右两帮衔接处的背景干扰相差不大的情况, 可以获取掘进面左右范围内及两侧帮临近掘进面一部分的探测数据 (图4) 。
(3) U型探测系统是以掘进面前方数据为重点, 侧帮数据为对比辅助的一种侧帮和掘进面兼顾的探测系统 (图5) 。此方法主要是在井下施工条件允许的情况下, 获得侧帮及掘进面的探测数据。由于掘进面受锚网、工字钢等金属体的干扰较小, 而侧帮受到的背景干扰较大, 因此, 使用此方法时要注意侧帮与掘进面数据的对比, 剔除干扰因素。
2 瞬变电磁对不良地质体的响应特征
我国大部分矿区水文地质与构造地质条件十分复杂, 矿井透水主要是由于掘进工作面前方隐伏导水断层、富水陷落柱、含水岩溶和老窑水等突水构造引起的[5,6,7]。目前, 现有研究对断层和陷落柱等导水构造的发育规律、地下水的赋存和运移规律等认识不足。所以, 总结分析瞬变电磁法对这些不良地质体的响应特征, 在煤矿防治水中有着重要的指导意义。
2.1 导水断层
巷道掘进过程中, 断层引发的突水大多是由于断层错动导致的断层与含水层顶界面距离减小甚至对接造成的。通过超前探测布置系统在各煤矿的实际探测效果钻探验证情况相结合, 笔者总结出瞬变电磁对导水断层的响应特征:当掘进面前方有导水断层时, 视电阻率断面图上的等值线不是有规律地变化, 而是在导水断层影响的范围内出现一个低阻异常区, 且该异常区等值线比较稀疏, 在偏离该断层控制范围的一侧视电阻率等值线相对密集, 视电阻率值较大 (图6) ;或者低阻区域附近等值线弯曲较大且向下变尖, 低阻区域为一有规律的几何图形 (图7) 。当断层不导水时, 其为一高阻地质体, 响应特征不明显。
2.2 富水陷落柱
陷落柱是华北石炭、二叠系煤田中一种重要的地质现象, 它不同程度地贯穿了奥灰以上的地层, 当其贯穿煤系地层时, 便有可能成为奥灰水进入矿井的通道[8,9]。当巷道掘进面前方存在富水陷落柱构造时, 其在视电阻率断面图上反映的特征为:低阻区域两边的视电阻率值明显高于低阻区, 其周边的等值线分别向两侧弯曲、密集 (图8) 。距离陷落柱越远, 视电阻率值越大。通过低阻区和等值线密集带展布形态, 大致可以判断出富水陷落柱的位置和影响范围。当陷落柱本身富水性较差或者不含水时, 在视电阻率断面图上的特征反映不明显, 等值线变化规律没有被打破, 因此, 从图上识别比较困难。
2.3 老空水
当掘进巷道接近或沟通采空区时, 极易发生老空水水害。近年来, 老空水水害严重威胁着煤矿的安全生产。因此, 研究矿井瞬变电磁对老空水水害的响应特征, 可以为治理老空水提供一些技术保障。当掘进巷道前方存在采空区积水时, 该地质构造在视电阻率断面图上所表现的特征为:接近低阻异常区之前, 等值线按一定规律变化, 弯曲度较小, 基本为一直线, 且视电阻率值随深度的增加而减小;当接近低阻异常区时, 等值线展布规律被打破, 弯曲度变大, 或为一较大的不规则几何体, 且视电阻率值也出现随深度增加由小变大的现象 (图9) 。
使用瞬变电磁在井下巷道超前探测时, 由于受断层的断距、倾角、走向、富水性、断面与线框间的距离, 陷落柱的形状、大小、富水性、距线框的距离, 老空水含水量、采空区的位置及与掘进面距离等因素的影响, 它们在视电阻率断面图上的展布形态也比较复杂。同时, 在探测同一不良地质体时, 因为探测方向的不同, 其在视电阻率断面图上的展布形态也不同, 这也需要对其进行综合分析。
3 结语
(1) 瞬变电磁井下超前探测时, 不同不良地质体反映在视电阻率断面图上的等值线变化规律不同, 可以基于这一特征判断该构造的性质及影响范围。
(2) 同一属性的不良地质体富水性不同时, 在视电阻率断面图上的表现完全不一样:富水性好时, 特征明显;富水性差时, 很难识别。断层构造由于展布形态复杂, 归纳总结出2种展布特征, 对造成这种差异性的因素需进一步研究。
(3) 由于影响地质体空间展布的因素较多, 实际超前探测时系统噪声的存在, 对探测结果会造成一定的影响, 所以在对成果分析时一定要结合实际地质资料和钻探资料, 以提高物探的准确率。
参考文献
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磁响应性 篇3
巷道内其他金属体都可以在矿井瞬变电磁法探测之前人为移动,而锚网支护为防止破碎岩石掉落具有不可移动性。笔者依据物理模拟相似性准则,采用物理实验和矿井试验相结合的方法,研究巷道内锚网支护矿井瞬变电磁响应特征,并提出了新的数据处理技术以剔除锚网支护金属干扰。
1 物理模拟相似准则
物理模拟的Maxwell方程如下:
式中: δ、ε、μ 分别为探测系统的电导率、介电常数和磁导率; P为几何因子; a、b分别为电场和磁场的比例因子; C为时间缩比因子。
由于忽略位移电流,假设井下及模拟系统的特征长度分别为d、q,则P = d /q,式( 3) 可以转化成:
式( 4) 中t1、t分别为物理系统和矿井系统的时间参数。而式( 4) 就是瞬变电磁法物理模拟的“相似性基本准则”。在实际物理模拟过程中,满足式( 4) 即可,不要求 δ1/ δ = P的比例关系。
笔者主要模拟矿井巷道内锚网金属支护条件下造成的瞬变电磁响应特征,对发射和接收装置的边长和锚网金属支护进行等比例模拟,为保证物理模拟结果与井下实测情况一致,选取比例因子P = 10。装置类型为发射和接收线圈分别采用20 cm × 20 cm× 40 匝和20 cm × 20 cm × 60 匝重叠回线,由直径为0. 2 mm的漆包线制成; 直径为1 mm的铁丝网模拟锚网金属支护; 直径为50 mm、长度为30 cm的铜棒模拟赋含水低阻异常体[2,3,4]。
2 锚网影响下瞬变电磁响应特征
采用物理方法模拟的二次感应电位随时间衰减曲线见图1,分别测量只有锚网、只有赋水异常体和锚网、赋水异常体同时存在3 种情况的感应电位。在有锚网支护的情况下,由于前期( 10 ms以内) 受锚网金属体的影响感应信号明显大于无锚网情况,最大幅值超过1 个数量级,因此可以看出锚网支护对于前期的感应电位影响比较大; 随着时间推移,后期( 10 ms以后) 锚网影响逐渐变弱,当存在低阻异常体时,后期电磁感应信号得到明显加强,电位值明显高于只有锚网情况下的电位值,最大幅值为1 个数量级,而只有锚网无低阻异常体存在时,二次感应信号迅速衰减。
矿井巷道内有无锚网支护存在情况下测得的二次感应电位随时间衰减曲线见图2,可以看出,前期( 10ms以内) 存在锚网支护要比无锚网支护的二次感应电位幅值大1 个数量级,后期( 10 ms以后) 存在锚网支护情况下感应电位始终大于无锚网支护的情况。
综上所述,感应信号前期受锚网的影响比较大,后期受锚网的影响逐渐减小,但有锚网存在的情况下总体上会导致二次感应电位明显增大,尤其前期影响更为明显。因此,对于前期和后期应该采用不同的校正方法,以避免反演解释出现假异常。
3 锚网干扰下的瞬变电磁响应数据处理技术及应用
根据文献[2]矿井瞬变电磁法视电阻率的计算公式:
式中: A为井下与地面装置比例系数; B为全空间响应系数; μ0为真空磁导率; t为二次场衰减时间; S、s为发射、接收回线面积; N、n为发射、接收线圈匝数;V / I为归一化感应电位值,V为电位,I为电流。
相同的装置类型,巷道内有无锚网支护情况下的视电阻率分别为 ρ0和 ρ1,归一化感应电位分别为V0/ I0和V1/ I1,则:
令V0/I0=B0,V1/I1=B1,根据矿井实测结果计算出校正系数:
由式( 7) 可以计算出每个时间窗口的校正系数,对锚网影响下的数据进行校正,得到更为准确的反演信息,避免假异常的出现[4,5]。
图3 为在某矿Ⅲ62 采区回风巷道探测的瞬变电磁视电阻率等值线拟断面图。该巷道内共设21 个测点,测点间距为5 m,0 ~ 10 m是侧帮位置无任何金属支护,10 ~ 100 m为锚网支护。在横坐标50 ~70 m,纵坐标45 ~ 80 m位置是已知水仓位置。
由图3( a) 可以看出,横坐标0 ~ 10 m位置无锚网支护影响,视电阻率值沿探测方向由10 Ω·m开始逐渐变小,而深部的视电阻率值都在3Ω·m左右; 横坐标20 ~ 100 m位置因锚网金属支护的影响,视电阻率值沿探测深度由8Ω·m开始逐渐变小,而深部的视电阻率值在2 Ω·m左右,水仓位置对应的视电阻率值更是小于1. 5 Ω·m。如果根据小于2 Ω·m为低阻异常区域来推断的话,难以准确确定异常区域的位置。
图3( b) 为校正后的视电阻率等值线拟断面图,可以看出,探测浅部经校正后视电阻率值增大,和无锚网影响下基本一致; 探测深部的视电阻率值经校正之后趋于正常,而对应水仓位置的视电阻率值增大为2 Ω·m,依旧为低阻异常反应区域。校正之后,根据视电阻率值的变化可以准确地确定水仓位置,剔除锚网金属体支护干扰的影响,避免了资料解释中假异常的出现,为矿井安全生产提供了可靠的数据资料[6,7,8,9,10,11]。
4 结论
1) 物理模拟实验和矿井实际应用结果表明: 锚网支护影响下测得的二次感应电位明显增大,对采集信号的前期影响远大于后期,反演出的视电阻率值变小。
2) 由锚网支护存在与否的瞬变电磁响应特征和矿井瞬变电磁法视电阻率计算公式推导出锚网支护校正的数学模型。
磁响应性 篇4
磁阀式可控电抗器成本低、控制方便,在电力系统无功补偿、抑制电压闪变等方面有着广阔的应用前景。但MVCR响应速度过慢,在实际应用中考虑到MVCR的有功损耗,响应时间大约在0.19～0.66s。另外,在抑制电压闪变、自动调谐消弧线圈、动态无功补偿等方面则要求可控电抗器具有很快的响应速度,在几个工频周期,甚至一个工频周期内达到额定工作状态。不采取任何改进措施,MVCR的最快响应时间为0.19s,难以满足动态要求。
增大抽头比虽然可以提高电抗器的响应速度,但必将增加电抗器的有功损耗,按抽头比的典型取值,并根据MVCR有功损耗公式,有功损耗为(1.94%～6.70%)Q。而有功损耗过大不是我们所希望的。
1 基于2倍抽头比的控制方式
本文提出将抽头比增大为额定抽头比的倍方法。控制回路电流公式为:
式中,Id为MVCR控制回路整流后的偏置电流;Ek为控制回路交流电压有效值。抽头比增大后,电抗器额定磁饱和度不变,即偏置直流Id不变,将代入式(1),α值变为90°,即晶闸管触发角的范围变为90～180°。
增大MVCR抽头比、减小晶闸管触发角,既可以在一定程度上提高MVCR的响应速度,又不增加有功损耗,且其它特性维持不变。下面对增大抽头比的电抗器特性进行分析。
2 控制特性分析
Matlab对MVCR模型的仿真分析表明,2Ek下工作电流基波分量与触发角之间的曲线关系如图1中曲线A所示,图1中曲线B为额定抽头比下的特性曲线。与近似余弦的控制特性曲线B相比,在90～180°触发范围内,MVCR的控制特性呈线性化趋势(两者触发角的范围不同,因此归算到同一坐标系下)。特性曲线B起始阶段的触发角度变化了约60°,而输出电流仅减少了10%,线性度很差;而在2Ek控制方式下相当于选取了曲线B中线性度较好的后90°,这有利于MVCR的控制及反馈调节。
3 谐波特性分析
2Ek下的谐波含量如图2所示,以触发角133°(磁饱和度β=π)为轴左右对称,最大次数的谐波仍为3次谐波,其最大值为6.8%;各次谐波分别有n-1个极点、n个零点(n为谐波次数),谐波最大值靠近β=π处。这与用额定控制电压下的谐波含量公式推导的结果完全相同,最大谐波量仍小于7%。由于仿真分析的采样数据量不大,图2中的曲线不够光滑。
4 有功损耗分析
当抽头比变为原抽头比的倍、触发角为90°时,有功损耗为:
在相同的控制电压下,触发角为90°时,有功电流(直流)为0°触发角时的1/2;而在2倍控制电压下触发角为90°时,则与额定控制电压下0°触发角的有功电流相等。通过比较相关文献可知,抽头比变为原先的倍后有功损耗并没有发生变化。
5 响应特性分析
对于要求输出工作电流为MVCR额定值的情况,可以通过计算出响应时间(n为工频周期数)。对非额定工作状态,提出一种新的控制方法:以0°触发角触发晶闸管[倍控制电压],当工作电流达到要求输出值时改触发角为常态值。这与根据工作电流直接使用常态触发角度相比,可提高响应速度数倍。
由于MVCR晶闸管采用移相控制,一旦本周期导通,就只能通过下个触发周期来调节输出电流,因此对不同的输出电流,响应时间是分段的。下面以一个实例进行分析。已知Urms=27.5kV,Q=4mVA,Irms=145.5A,δ=0.03,采用上述控制方式仿真得出的工作电流与响应时间的关系见表1,可见对于12.3～28.9A的工作电流,其响应时间皆为0.04s。
图3中的曲线1为本文提出的控制方式下的仿真波形,输出电流为33A,常态触发角为145°。开始时触发角为0°,当检测到工作电流有效值为33A时,控制触发角被修正为145°。从图3可以看出,总的响应时间大约为0.06s,大为缩短;曲线2为额定控制电压下的响应过程,这个过程非常缓慢;曲线1中的工作电流最大值超过33A,这是移相控制引起的电流过冲。
6 结束语
从以上仿真分析可以看出,提高直流控制电压(抽头比)可以提高响应速度,使用2倍的控制电压可以获得较为理想的效果。进一步分析可知,继续提高控制绕组的电压,还可以缩短响应时间,但是晶闸管的触发角范围也将随之减小。如采用4倍的直流控制电压,则触发角只有40～50°的调节范围。而调节范围变小,就要求提高控制触发角的精度,会增加控制难度。
综合分析,采用2倍抽头比的控制方式,至少可以提高响应速度1倍,同时可以使晶闸管的触发角度保持在90～180°这个比较合理的控制范围内,而且与额定抽头比相比,控制特性的线性度较好,谐波含量及有功损耗不变。
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