Импульсный режим тока отрицательной короны и его применение

14

Размещено на http://www.allbest.ru/

Импульсный режим тока отрицательной короны и его применение

Г.К.Сыдыкова

Кызылординский государственный университет им. Коркыт Ата

Когда ток коронного разряда распределен по всей поверхности микропроволоки (МП), на значительной ее длине появляется механизм импульсного режима отрицательной короны. В этом случае, за исключением начальной стадии разряда, неизбежны накладки и слияния электронных лавин в коронирующем слое, а также возможно одновременное появление их на различных участках поверхности проволоки. На внешней нагрузке цепи разряда возникают импульсы тока короны, хаотически распределенные во времени и представляющие собой функцию дискретного случайного процесса.

Униполярная корона на МП отличается наличием высокой начальной напряженности поля короны. При градиентах поля на поверхности коронирующего электрода свыше 200 кВ/см имеются предпосылки для присутствия процессов автоэлектронной эмиссии /1/. В связи с этим был установлен ряд характерных черт униполярной короны с МП по сравнению с короной на гладких проводах с радиусами свыше 1 мм. Например, для короны в воздухе нормальной плотности при радиусе провода r₀ < 30 мкм начальная напряженность поля отрицательной короны ниже, чем при положительной /2/. Отрицательная корона с МП отличается также прерывистым характером, при этом, ток начальной стадии разряда составлен из нерегулярных импульсов различной амплитуды и частоты. Образование и развитие импульсов тока в разрядном промежутке объясняются наличием микронеровностей (заусеницы, острия, загрязнения и т.п.) на поверхности коронирующей проволоки, вблизи которой появляется «местная» корона из-за резкой неоднородности электрического поля /3/.

Исходя из известных предпосылок, может быть дано качественное объяснение механизмам возникновения и стационарности импульсного режима отрицательной короны. Во-первых, появление и прекращение электронных лавин в области микронеровностей на поверхности описываются по аналогии с природой отрицательной короны с отдельных острий различной формы и размеров. Во-вторых, могут быть рассчитаны электростатические поля вблизи микровыступов с целью определения значения напряженности поля вблизи коронирующей поверхности /4/.

В стационарности импульсного режима тока отрицательной короны значительную роль играют микронеровности (мельчайшие раковины, бугорки и заусеницы) на поверхности коронирующей проволоки, причём разряд в этом случае возникает при напряжении меньшем, чем начальное напряжение коронного разряда на гладкой отполированной проволоке при той же геометрии электродов /5/. В коронирующей системе МП - цилиндр (Д=10мм, d=20-100мкм) в начальной стадии короны появляются одиночные импульсы тока с амплитудой 20мкА и длительность 5мксек. С увеличением суммарного тока короны импульсы разряда имеют регулярный характер, частота которых зависит от радиуса кривизны коронирующей проволоки и от значения тока короны /6/.

Значения амплитуды импульсов тока являются характеристикой разряда более интегральной по сравнению с частотой импульсов. Поэтому, в первом случае амплитуда импульсов (сплошная кривая) постоянна и устойчива, тогда как их частота меняется по времени случайным образом. Во втором случае амплитуда импульсов в два раза уменьшается в течение 0,5 часа, а потом устанавливается постоянной.

Наибольшую информацию о спектре импульсов тока короны можно получить, если использовать амплитудный анализатор (АИ-256) с дифференцирующей цепочкой на входе. Датчик коронного разряда представляет собой цилиндр с диаметром 12мм, соосно которым внутри натянута МП. Дифференцирующее звено состоит из постоянного сопротивления 1мОм и ёмкости 100пФ. Для снятия спектра импульса тока использовали многоканальный амплитудный анализатор АИ-256. На рисунке 50 представлены типичные амплитудно-частотные спектры (гистограммы) импульсов тока, полученные на проволоке из нихрома диаметром 40 мкм при малых токах короны.

Процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул газа, т. е. образование и развитие электронных лавин, в основном, происходит вблизи коронирующего электрода, где значение отношения напряжённости поля к давлению газа Е/р значительно. Кроме того, экспериментально установлено, что амплитуда отдельных импульсов тока короны находится в прямой зависимости от длины разбега и продолжительности развития электронных лавин в коронирующем слое, причём, чем больше размеры микродефектов (радиус закругления), тем значительнее амплитуда импульсов тока разряда, т.е. тем мощнее электронные лавины. Это объясняется медленным спадом напряжённости поля вблизи микродефектов с большим радиусом кривизны, что в конечном итоге расширяет длину разбега лавин и удлиняет время их развития.

Главным отличительным признаком нового предложенного способа является то, что для контроля диаметра МП используется импульсный режим отрицательной короны, который имеет место при коронировании тонкой проволоки диаметром до 100 микрон, причем для повышения помехоустойчивости измерений обеспечивают стабилизированный ток отрицательной короны и измеряют амплитуду импульсов несущей частоты /7/.

Устройство содержит кольцевой электрод, охватывающий контролируемую МП, источник высоковольтного питания с регулируемым стабилизированным током на выходе, нагрузочный резистор, разделительную емкость для снятия импульсных сигналов и импульсный вольтметр. При подаче достаточно высокого напряжения положительной полярности на кольцевой электрод создаются условия для возникновения импульсного режима отрицательной короны и вблизи коронирующей МП протекают процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул газа, которые в свою очередь приводят к образованию многочисленных электронных лавин. Установлено, что при импульсном режиме отрицательной короны амплитуда импульсов находится в прямой зависимости от длины разбега электронных лавин в коронирующем слое, толщина которого и определяется по формуле Пика и равна = 0,3r₀, где r₀ - радиус МП. Отсюда следует, что, измеряя амплитуду импульсов тока при развитой короне (10-50мкА) определяют радиус (r₀) коронирующей МП, причем измеряются именно амплитуды таких импульсов, которые имеют наибольшую плотность (несущая частота) в спектре частот импульсов тока короны. Выходной сигнал снимается с нагрузочного резистора и через разделительную емкость подается на вход импульсного вольтметра. В процессе измерения источник высоковольтного питания работает в режиме стабилизированного тока с установкой его значения на выходе источника: 10, 20, 50мкА.

На рисунке 1 приведена зависимость амплитуды импульсов тока несущей частоты (А) от диаметра (d) коронирующей МП при различных значениях тока отрицательной короны. При этом внутренний диаметр внешнего кольцевого электрода составил 1 см при рабочей длине 3 см, нагрузочное сопротивление равнялось 1,2 кОм, разделительная емкость равна 1 мкФ. Длительность импульсов менялись в зависимости от диаметра МП и лежат в пределах от 30 до 100 мкс.

Опытные измерения показали, что изменение давления атмосферного воздуха в пределах 20 кПа и вибрация проволоки в пределах 2,5мм не оказывают существенного влияния на точность измерения диаметра МП, что составило по этому способу, как у всех известных КП, примерно 0,5-1% от измеряемого диаметра. Существование перелома на градуировочных линиях и место его нахождения определяются соотношением ln D/d (D - диаметр внешнего кольцевого электрода), входящим в формулу вольтамперной характеристики коронного разряда. Поэтому, в случае необходимости изменить диапазон измерений и сдвига точки перелома на градуировочных кривых в ту или другую сторону вопрос решается выбором значения D.

Рисунок 1- Зависимости амплитуды импульсов тока от диаметра МП

Известные методы контроля качества поверхности МП (оптические, дилатометрические и другие) обладают низкой точностью, большой инерцией и непригодны для определения микродефектов на поверхности проволок в процессе её перемещения. В связи с важностью определения качества поверхности и оценки её чистоты и гладкости были разработаны новые типы коронноразрядных измерителей качества /8-10/.

Если не учитывать несплошности внутренней структуры проволоки, принятие решения о пригодности продукции основывается на взаимосвязи прочностных характеристик проволоки с линейными параметрами. В настоящее время вид этой связи не установлен, известно лишь о значительном влиянии шероховатости и разного рода дефектов на прочностные свойства продукции. Стандарт исключает наличие заусениц, расслоений и трещин на поверхности проволок, видимых при 25-х увеличении. Исходя из разрешающей способности глаза и высотных параметров, применяемых для оценки шероховатости, годная проволока соответствует 9-10 классу чистоты, т.е. высотные параметры не превышают 0,2 мкм.

Коронноразрядный преобразователь с коаксиальной системой электродов представлен на рисунке 2. Информацию снимали с участка МП, определяемого только шириной основного электрода 1, разрезанного на 8 частей, причём благодаря применению охранных электродов 4 в нём создаётся поле без краевых эффектов. Распределение амплитуды и частоты импульсов, пропорциональных диаметру и шероховатости МП, регистрировали амплитудным анализатором 5 (АИ-256). Переключатель 6 позволяет оценить изменение шероховатости по секторам поперечного сечения МП, когда к регистратору 5 подключается последовательно отдельные элементы электрода 1, а также позволяет оценить интегральную шероховатость МП, в случае закорачивания контрольных точек.

Рисунок 2 - Функциональная схема КП с коаксиальной системой электродов

Перемоточное устройство 2 протягивает контролируемую проволоку 3 через КП. На разрядный промежуток подаётся напряжение от источника 7. При этом возможны несколько режимов работы. При ждущем режиме благодаря применению балластного сопротивления R₂ с большим номиналом (10⁹Ом) независимо от диаметра МП в промежутке поддерживается минимальный ток разряда. В этом случае разряд развивается только с микронеровностей, имеющих максимальную высоту. Наблюдается также регулярность повторения импульсов, и в качестве информативного параметра кроме амплитуды импульсов можно принять частоту их следования.

При промежуточном режиме на КП подаётся линейно нарастающее напряжение, позволяющее как бы сканировать микронеровности различной формы и размеров. Ток разряда подбором R₂ изменяется от 0 до 5мкА. Режим квазиразвитой короны (ток 5-10мкА) характеризуется параллельным развитием целой серии электронных лавин со всей поверхности МП, что, в свою очередь, несёт информацию о спектре размеров и формах всех микронеровностей.

С целью градуировки преобразователя шероховатости для одновременного определения неравномерности диаметра по длине газоразрядный микрометр включается последовательно с преобразователем качества поверхности. Равномерные участки по длине МП служат для градуировки анализатора амплитуд по диаметру. Для равномерных по диаметру участков характерен нормальный закон распределения амплитуд импульсов, причём минимальной дисперсии соответствуют участки с лучшим качеством поверхности. Таким образом, градуировка АИ-256 заключалась в фиксировании номера его канала, в котором находится центр распределения амплитуды импульсов с минимальной дисперсией согласно диаметру контролируемой МП.

Приближённая оценка качества поверхности образцов на приборе МИИ-4 лишь в некоторой степени отразила высотные параметры неровностей поверхности, тогда как структурные параметры их, например, строение, форма и шаг неровностей, характеризующие класс чистоты поверхности, остались не выявленными. Между тем полученные параметры позволяют определить приближённо число потенциальных источников (“пятен”), с которых развиваются микроразряды отрицательной короны.

Метод измерения качества поверхности, основанный на применении импульсного режима отрицательной короны адекватен вероятностной модели объекта измерений, что соответствует одному из основных требований статистических измерений. Математическое ожидание текущего радиуса кривизны поверхности проволоки становится одномерной функцией, зависящей от угла обхода поверхности проволоки, если локализовать коронный разряд на ультракоротких участках проволоки (порядка 0,1 мм). В этом случае принципиально возможно создание многоцелевого первичного преобразователя линейных параметров проволоки.

Импульсный характер информации, получаемый от первичного преобразователя, более приемлем для дальнейшей обработки из-за своей помехоустойчивости и большей точности, чем аналогичный сигнал от преобразователя диаметра, применяемого в настоящее время.

В работе /11/ была рассмотрена другая возможность использования характеристик коронного разряда для контроля концентраций озона в воздухе. В этом случае на основе импульсного режима отрицательного коронного разряда получена зависимость частоты импульсов Тричеля от концентрации озона в воздухе. Между тем, в этом способе контроля озона не учитывается влияние на результаты измерения несущей частоты импульсов Тричеля, которая в первую очередь зависит от значения радиуса кривизны коронирующего электрода, а также не оговорены меры, которые приняты для стабилизации разрядных параметров промежутка с целью повышения точности контроля концентрации озона. Поэтому, данный способ не обеспечивает достаточную точность измерения, надежность и достоверность полученных результатов.

На основе импульсов Тричеля предложена новая модификация рассмотренного способа контроля озона, когда в разрядном промежутке производится стабилизация силы тока разряда и в процессе измерения исключается несущая частота импульсов Тричеля с помощью амплитудного дискриминатора /12/. электронный лавина импульс ток

Новая модификация способа реализуется в устройстве, которое содержит стабилизатор тока в цепи разрядного тока и амплитудный дискриминатор в измерительной цепи, служащий для исключения несущей частоты импульсов Тричеля. С целью существенного уменьшения влияния на точность измерения колебаний разрядных параметров используется стабилизатор тока, который стабилизирует разрядный ток при возможных изменениях напряжения источника питания, давления и температуры воздуха. Стабилизация тока разряда, в свою очередь, приводит к устойчивости амплитуды и частоты импульсов Тричеля, тогда как, зависимость их от примеси озона в воздухе остается прежней.

Установлено, что из всех импульсов Тричеля самым подавляющим по плотности (несущая частота) и амплитуде являются те импульсы, которые получили свое начало от электронных лавин первого эшелона, возникшие и получившие развитие с самой поверхности коронирующего электрода.

Для исключения несущей частоты импульсов Тричеля используется амплитудный дискриминатор в измерительной цепи устройства, который, ограничивая по амплитуде и, отсекая импульсы Тричеля несущей частоты, пропускает для измерения только такие импульсы, которые являются результатом электронных лавин второго эшелона, возникающие на границе коронирующего слоя разряда. Теперь в процессе измерения будут принимать участие только те импульсы Тричеля, которые образовались от вторичных электронных лавин в коронирующем слое разряда.

На рисунке 3 представлен импульсный озонометр для контроля концентрации озона в атмосферном воздухе.

1- внешний электрод; 2 - коронирующая МП; 3 - держатели МП из фторопласта; 4 - частотомер;

2- RC - разделительная цепочка, U - напряжение источника питания; R_б - балластное сопротивление;

R_н - нагрузочное сопротивление; D - диод амплитудного дискриминатора; U₀ - опорное напряжение

Рисунок 3 - Импульсный озонометр

Устройство представляет собой электроды в виде металлического цилиндра (5-10мм) и натянутой по ее оси МП из вольфрама (50-100микрон), на которую подается постоянное напряжение отрицательной полярности (5-10кВ). В качестве стабилизатора тока в цепи разрядного тока как обычно используется балластное сопротивление достаточной величины (до 100мОм). Амплитудный дискриминатор подключается к сигнальному входу частотомера и в упрощенном виде представляет собой диод с опорным напряжением. При подаче достаточно высокого напряжения отрицательной полярности на МП, между ней и цилиндром возникает униполярный разряд в импульсном режиме (импульсы Тричеля), что характерно для отрицательной короны с МП /13/. Напряжение источника питания при балластном сопротивлении 100 мОм составило 10 кВ (цилиндр - 10мм, МП - 50 микрон). Средняя частота импульсов Тричеля при отсутствии примесей озона в воздухе составила 140 кГц, сила разрядного тока - 40 мкА.

В виду отсутствия калиброванного генератора озона градуировка устройства по концентрации озона не была произведена. Между тем, анализ полученных данных и расчеты электрических характеристик устройства показывают, что предлагаемый способ по сравнению с известными обеспечивает повышение точности измерения в несколько раз.

Количественные измерения показывают, что по токсичности озон приближается к сильным отравляющим веществам (он превосходит, например, синильную кислоту). Смертельная доза для мышей (после 4-х часового пребывания) соответствует всего 4х10^-4 %. Характерной особенностью озона является появление иммунитета к нему. Наибольшее влияние озон оказывает на органы дыхания человека. Длительное пребывание людей в атмосфере, содержащей 10^-5 % озона, может вызвать головные боли, а также раздражение дыхательных путей и глаз. Эта концентрация может считаться предельно допустимой. Уже при этих условиях озон обладает резким, раздражающим запахом, который отчетливо ощущается и при гораздо более низком содержании его в атмосфере. Наличие запаха является лучшим сигналом присутствия озона в рабочем помещении. По видимому, простейшие приемы герметизации аппаратуры, исключение утечек газа и частое проветривание помещений, где находятся люди, является надежной гарантией сохранения здоровья персонала. Санитарная норма (ПДК) содержания озона в атмосфере помещения установлена 0,1 мг/м³ /14/.

Следует отметить еще исключительно высокую эффективность озона при воздействии на микроорганизмы типа споры, амебы, вирусы, различные микробы. Все это создало возможность широкого применения озона для дезинфекции и санации воздуха в помещениях, для стерилизации медицинского инструментария и продуктов питания и для обеззараживания и очистки питьевых и сточных вод. //

В связи с вышеизложенным и с продолжающим расширением применения озона в химической технологии, медицине, пищевой промышленности и в сельском хозяйстве, вопросы непрерывного контроля концентраций озона и определения содержания его в различных веществах и объектах, подвергшихся озонной обработке, являются актуальными и важными на сегодняшний день.

Разработанный озонометр выгодно отличается от других: прост по конструкции, питается от одного источника питания с озонатором и мобильный при эксплуатации. При обеспечении стабильности напряжения питания и точности измерения выходных сигналов предложенные озонометры могут быть использованы как индикаторы озона во многих бытовых и хозяйственных условиях. В любом случае необходимо произвести их градуировку и выбор диапазона измерений с помощью стандартного озонометра более высокой точности анализа озона.

Список литературы

1.Попков В.И. Особенности коронного разряда при высоких напряженностях поля //Изв.АН СССР. Энергетика и транспорт.-1965.-№4.-С.69-85.

2Бахтаев Ш.А. Исследование коронного разряда на микропроволоке.- Дисс.канд.физ.-мат.наук.-Алма-Ата:1968.-164с.

3. Бахтаев Ш.А., Досбаев С.Р., Бочкарёва Г.В. Начальные стадии отрицательной короны на микропроволоке //Известия АН КазССР.Сер.физ.- мат.- 1975.-36.-С.55-58.

4. Башаров Р.Б., Бахтаев Ш.А., Бочкарёва Г.В. О влиянии шероховатости проволоки на характеристики отрицательной короны //Физика:Межвузовский сб. Минпроса КазССР.-Алма-Ата: 1977, вып.4. - С.71-74.

5.Богданова Н.Б. Начальные напряжения короны на проводах //Электроэнергетика: Сб.научных работ.-М.:1963.вып.7.-С.3-15.

6 Бахтаев Ш.А., Досбаев С.Р., Бочкарёва Г.В. Импульсный режим тока отрицательной короны //Известия АН КазССР.Сер.физ.-мат.-1975.-№6.- С.69-70.

7. Патент РК №5070. Способ контроля диаметра микропроволоки /Бахтаев Ш.А., Бочкарёва Г.В., Бокова Г.И. //Офиц.бюл.-Пром.собств.-1998.-№10.

4.А.С.№369384. СССР.Устройство для контроля качества поверхности микропроволоки /Бахтаев Ш.А., Бавлаков В.Н., Досбаев С.Р. Опубл. Бюлл. №10, 1973.

8. А.с.879268. СССР. Устройство для измерения шероховатости микропроволоки /Ш.А.Бахтаев, Г.В.Бочкарёва. Опубл. Бюлл. №41,1981.

9. А.с. 1033857. СССР. Способ контроля качества поверхности микропроволоки /Ш.А.Бахтаев, Г.В.Бочкарёва, В.Н.Бавлаков. Опубл.Бюлл. №29,1983.

10. Предпатент РК №8712. Способ контроля озона /Бахтаев Ш.А., Кожаспаев Н.К.,Сыдыкова Г.К., Опубл.Бюлл.№3, 15.03.2000.

11. McDaniel E.W., Mason E.A. The mobility and diffusion of ionis in gases.-N.Y.-London-Sydney,1973.-p/372/

12. Предпатент РК №8712. Способ контроля озона /Бахтаев Ш.А., Кожаспаев Н.К.,Сыдыкова Г.К., Опубл.Бюлл.№3, 15.03.2000.

13. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов.-М.:Наука,1980.-416 с.

14.Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме.-М.-Л.:Гостехиздат,1950.-836 с.

Размещено на Allbest.ru