Измерения напряжений в условиях электромагнитных помех от аппаратуры физической установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерения напряжений в условиях электро-магнитных помех от аппаратуры физической установки

Курсовая работа

Содержание

1. Введение

2. Экспериментальная установка

3. Экспериментальная часть

4. Подведение итогов

5.Список литературы

1.Введение

Плазма -- частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Потенциалом плазмы называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности -- плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов при условии отсутствие внешнего электрического поля. Из этого следует, что потенциал, создаваемый плазмой в пространстве, должен быть нулевым. Но, в результате флуктуаций, потенциал принимает ненулевое значение. Колебания потенциала в плазме сопровождаются токами внутри плазмы и наведенными ими токами по поверхности установки. Измерив токи по поверхности установки можно получить информацию о поведении плазмы.

Одна из главных проблем определения параметров плазмы подобным образом - электромагнитные помехи, «фон», создаваемый установкой, вакуумными насосами, системы питания. Так как уровень помех может быть соизмерим с уровнем токов, наведенных плазмой, то задачами курсовой будут измерения напряжений между участками на корпусе установки, оценка уровней помех в измерениях, демонстрация возможности выделения сигнала от плазмы..

По требованиям безопасности осциллограф заземлен через шнур питания. Корпус установки также заземлен. При соединении осциллографа с корпусом мы выравниваем потенциалы, пропуская уравнивающие токи через измерительные цепи и получая шумовой сигнал. При измерении мы соединяем один контакт на корпусе с землей и измеряем разность потенциалов между 2 контактами на корпусе.

Цели курсовой:

1) Измерить поведение разности потенциала между точками корпуса установки. Вычислить токи.

1) Измерить уровень помех на установке ГДЛ и выяснить их характер.

2) Выделить сигнал, связанный с колебаниями плазмы.

2. Экспериментальная установка

Эксперименты проводились на газодинамической ловушке (ГДЛ), расположенной в 20 корпусе Института Ядерной Физики.

Рис.1. Схема газодинамической ловушки.

На корпусе установлено 3 контакта таким образом, чтобы регистрировать токи, текущие перпендикулярно линиям магнитного поля, и вдоль них.

.

Фото 1. Контакты на корпусе установки.

Рис. 3 Схема установки.

Работа выполнена на осциллографе LECROY WJ334A кафедры физики плазмы, приобретенном на средства ПНР-3. На первый вход поступал сигнал с контактов на поверхности установки. На второй - сигнал, улавливаемый на петлю, созданную проводами, шедшими вплотную с измеряющими. Петля используется для компенсации помех с измеряющего провода. Оба провода изготовлены мной из проводников, разъемов, крокодилов.

Петля имеет контакт с измеряющим проводом, который находиться на месте спая провода с зажимом типа крокодил. Этот контакт является землей измеряющего провода. Уравнивающие токи текут по землям петли и измеряющего провода параллельно и практически при одинаковых условиях.

Начало записи осциллограммы происходит от внешнего сигнала в момент включения магнитного поля (-60 мс от включения плазменной пушки). Внешний сигнал входит через RC-цепь для уменьшения вероятности случайного запуска.

Фото 2. Осциллограф с подключенными проводами.

3.Экспериментальная часть

1) Азимутальное подключение. Запуск без плазмы.

На осциллограф подается 2 сигнала. Первый состоит из помех и показаний разницы потенциалов, второй - только из помех. Отсюда следует логичное предположение, что мы может получить напряжение, используя меню математики, вычитая из показаний первого входа показания второго.

Но это не реализовывается, так как провода имеют небольшое отличие в собственной индуктивности и емкости, что приводит к сдвигу фазы.

2) Азимутальное подключение. Запуск без плазмы.

Для уменьшения помех используем ферритовые бочонки. Ферритовые бочонки действуют аналогично катушкам индуктивности. Из-за высокого импеданса они работают как «сопротивление» для высокочастотного шума. Устанавливаются «бочонки», как правило, максимально близко к устройству-источнику помех, чтобы уменьшить эффективную длину провода-антенны с высокочастотным шумом. Поскольку через «бочонок» проходят вместе как прямой, так и возвратный ток, то такая конструкция работает как фильтр синфазной составляющей шума и не подавляет дифференциальную.

Фото 3. Ферритовые бочонки.

Сравнение до и после подключения ферритов:

Амплитуда осталась без видимых изменений, но заметно уменьшение падения амплитуды.

Видно, что Tшума составляет около 20 мс. Uшума = 80 мВ - до включение инжекторов. Uшума=50мВ - после включение инжекторов.

3) Азимутальное подключение. Запуск без плазмы.

Система питания инжекторов выключается на время выстрела и включается после выстрела. Таким образом, по изменению уровня помех виден вклад системы питания инжекторов в помехи. При разнесении контактов на 25 см получаем следующие разности потенциалов:

Uпд?80мВ - Разность потенциалов до пуска.

Uпп?50мВ - Разность потенциалов после пуска.

4) Азимутальное подключение. Пуск с плазмой.

На следующих осциллограммах показаны два разных выстрела с разными параметрами магнитного поля.

На осциллограмме видны сигналы разности потенциала между двумя точками корпуса во много раз больше уровня шумов. Сигналы возникают в момент включения системы формирования магнитного поля установки. Поле направленно вдоль установки и индуцирует токи по азимуту корпуса установки. Эти токи противодействуют проникновению магнитного поля в установку.

На периоде 2, примерно при 60ms, появляются скачки разности потенциалов. Так как изменение наблюдается и на петле, можно заключить, что включилось магнитное поле. Период 2 длиться около 10ms.

На периоде 3 ток производная индукции становиться отрицательной, возникает ток, текущий в противоположную сторону относительно тока на периоде 1.

На второй осциллограмме конденсаторы были не полностью заряжены, отсюда видна разница на 2 периоде. Форма сигнала разная из-за того, что не сработали быстрые катушки, они срабатывают с другим временем.

Зная расстояние между контактами, толщину стенки корпуса и удельное сопротивление металла, из которого сделан корпус, оценим плотность тока. Так как ток течет в азимутальном направлении, сопротивлением будет являться полоска нержавеющей стали. Ширина полоски равна ширине крокодила (? 0,5см).

с=0,6·10-6 Ом·ммІ/м

d=6 мм -толщина стенки.

R?6*10-2 Щ

Umax?1,3 В

jmax?5 А/см

Этот ток создается на тонкой относительно длины всей установки пластине. Оценим общий ток, который индуцируется на всей установки. Представим, что корпус установки - одна из обмоток трансформатора, состоящая из одного витка. Второй обмоткой, по которой бежит ток, будет являться обмотка магнита. Обмотка состоит из 5 витков. По обмотке течет ток порядка 23кА. Значит по всей длине установке будет создаваться ток порядка 115кА. Так как у нас радиус установке не одинаков, то и распределение тока по корпусу будет неодинаков. Для оценки будем считать, что ток равномерно распределяется по всей длине установке. Длина установки - 10 м. Тогда ток по установке будет течь порядка 115 А/см. Такой точности для оценки вполне достаточно.

Характерное время скин-эффекта определяется длительностью периода 4 и составляет ?80мс. Эта характеристика показывает за сколько ток, наведенный полем, рассеивается в тепловую энергию.

5) Азимутальное подключение. Пуск с плазмой.

Докажем, что измерили потенциал вызванный падением напряжения на сопротивлении корпуса, а не потенциал, наведенный на контур измерительной цепи переменным магнитным полем. Создадим петлю, подключив оба выхода к одному контакту.

Осциллограмма показывает, что разность потенциалов в прошлом эксперименте была создана током на поверхности. Сигналы с петли и измерительного провода слегка различаются. Но разница меньше шума помех(?40мВ).

6) Продольное подключение. Пуск с плазмой.

Видно, что осциллограмма отличается от осциллограмм, полученных для азимутального подключение. В момент напуска плазмы видно отклонение напряжение. Это говорит о том, что возник ток. Индуцированные токи соизмеримы с уровнем помех.

4.Подведение итогов

плазма потенциал пространство

В работе исследовано влияние помех на результаты измерений разницы потенциалов реальной физической установки.

Выяснено, что ток, созданный плазмой, соизмерим с уровнем помех.

В ходе эксперимента возникла проблема запуска осциллографа от случайных сигналов, созданных при работе оборудования. Проблема с ложным запуском осциллографа устранена путем применение CR-цепи.

Так как и корпус, и осциллограф заземлены, был получен простой прибор измерения уровня помех. Но такой прибор не дает достаточной точности, так как будет измеряться ток, бегущий между землями. Если же не подключать осциллограф к земле, возникнет опасность поражения электрическим током при работе на установке. Лучший вариант подключения каналов - развести каждый провод по отдельному осциллографу.

Определено, что в установке, части которой соединены массивными металлическими проводниками, может возникнуть разность потенциалов.

Анализируя каждую помеху, её период и время возникновения, можно установить источник помехи.

Не удалось использовать компенсирующую петлю. Обработка сдвига фазы и разности формы сигнала не удалась в связи с большими затратами времени на каждую осциллограмму.

Для определения вклада тока, наведенного плазмой, требуется подготовить алгоритм обработки данных и провести большое количество экспериментов, так как характер помех случайный, в отличие от характера поведения плазмы.

В работе определено:

1) Поверхность установки в азимутальном направлении не эквипотенциальна. При разнесении контактов на 25 см возникает разность потенциалов до 1,3В.

2) Уровень шумов до пуска - 80мВ, после пуска - 50мВ.

3) Средний выброс при срабатывании инжекторов составляет 300мВ

4) Плотность индуцированного тока, текущего по азимутальному направлению, достигает 5А/см.

5) Ток, возникающий в продольном направлении, соизмерим с уровнем шумов. В связи с трудностью компенсации показаний с щупа и с петли подробнее узнать о токе не представляется возможным.

5. Список литературы

1. И.Е. Тамм. Основы теории электричества.

2. Википедия. http://ru.wikipedia.org

3. К. С. Демирчян , Л. Р. Нейман. Теоретические основы электротехники. Том 1: Учебник для вузов. 4-е изд.

Размещено на Allbest.ru