Особенности электроизмерений при электровзрыве в жидкости

1. Введение

2. Общая характеристика разрядного контура

3. Измерение импульсных токов при электровзрыве в жидкости

4. Измерительные шунты

5. Измерение импульсных напряжений с помощью делителей и катодных осциллографов

6. Определение масштабов тока и напряжения

7. Определения сопротивления плазменного канала и его энергетических характеристик

8. Погрешность измерений Вывод Литература

1. Введение

подводный электровзрыв жидкость напряжение Электрические характеристики (ЭХ) подводного электровзрыва (ЭВ) являются важнейшими показателями энергетического блока электрогидравлических установок (ЭГУ). Они позволяют оптимизировать технологические процессы, а в совокупности с другими данными — описывать состояние вещества в плазменном канале, гидродинамические течения и т. д.

Для исследования ЭХ ЭВ можно выделить два основных направления. Первое базируется на измерении временных зависимостей тока и напряжения на межэлектродном промежутке, второе — на анализе состояния вещества в плазме с последующим определением его электрических свойств (электропроводности). Наиболее простым в реализации является первый путь, но при этом ЭХ определяются как среднеинтегральные по сечению канала разряда, хотя современные представления о теплофизических характеристиках плазмы ЭВ показывают, что канал разряда в процессе энерговыделения неоднородный по сечению и, только выполнив сложный комплекс экспериментально-теоретических исследований, можно построить зависимости радиального распределения электропроводности плазмы с учетом ее эволюции во времени. Для этого необходимо воспользоваться вторым из указанных подходов в определении электрических характеристик активного сопротивления плазменного канала.

Отметим, что измерение тока и напряжения в активной стадии разряда являются вполне информативным при всей относительной простоте этого подхода.

Вместе с тем необходима определенная систематизация этих данных и разработка конкретных рекомендаций по организации электроизмерений при ЭВ в жидкости с определенными параметрами разрядного контура. Кроме того, в данное время промышленность не выпускает необходимых для этих целей преобразовательных элементов — делителей напряжения, шунтов тока, поясов

Роговского и т. п. Поэтому существенно важно обобщить и описать принципы расчета и изготовления таких устройств, указать особенности их применения.

В нашей работе изложены основные особенности электроизмерений при электровзрыве в жидкости. Даны примеры расчета делителей напряжений, шунтов тока и поясов Роговского, указаны основные пути проведения измерений с минимальной методической погрешностью, изложены особенности техники эксперимента и его организации.

2. Общая характеристика разрядного контура

Рассмотрим электровзрыв в разрядном контуре с емкостным накопителем энергии.

Разрядная цепь простейшего емкостного накопителя состоит из последовательно соединенных конденсатора емкости С, заряженного до напряжения, индуктивности L, и активного сопротивления R. Индуктивность L складывается из внутренней индуктивности накопителя, индуктивностей нагрузки и соединительных шин. Сопротивление R составляет сопротивление накопителя, соединительных шин и нагрузки.

Переходный процесс в такой схеме описывается известными уравнениями .В зависимости от значения безразмерного параметра, введенного И. П. Кужекиным как соотношение вида:

(2.1)

разряд может быть колебательным (), апериодическим () или критическим (). Последний тип разряда иногда называют согласованным.

При этом отмечено, что наибольшая мощность на сопротивлении R развивается при :

(2.2)

а наибольшая энергия W_max выделяется на сопротивлении R к моменту максимума тока при :

. (2.3)

Крутизна тока в момент включения не зависит от затухания:

(2.4)

Другой подход к анализу режима выделения энергии предложен И. З. Окунем .Им введено понятие о доле энергии, выделившейся в первый полупериод разрядного тока. Е. В. Кривицким на основе анализа подобия электрических и гидродинамических характеристик электровзрыва предложена формула для количественной оценки доли энергии, выделившейся в первый полупериод разрядного тока:

(2.5)

здесь А — искровая постоянная, (В²с)/м² в случае инициирования разряда взрывом микропроводника диаметром несколько микрон; (В²с)/м² при свободном разряде; (В²с)/м² для случая взрыва металлических проволочек;

Ї длина разрядного канала, совпадающая с длиной межэлектродного промежутка при спрямлении канала инициирующим проводником, иначе .

Таким образом, типы разряда, характеризующиеся величиной з, можно классифицировать так: — колебательный; - апериодический; в промежуточной области реализуются разряды, близкие к согласованным, они названы критическими.

Отметим, что с ростом величины з разряд становится менее бризантным, максимумы тока, мощности, скорости расширения канала, давления смещаются в область больших времен .

Существенным фактором канальной стадии есть нестабильность разряда. Но введение в канал разряда инициирующего микропроводника сводит на нет нестабильность разряда, а потери в предпробойной стадии при этом сводятся к минимуму.

Нормирующим множителем для тока разряда становится величина, обратная максимально возможной в контуре амплитуде тока,, для сопротивления — величина, обратная характеристическому сопротивлению цепи,, для времени — период колебаний тока,, для мощности — произведение максимально возможной амплитуды разрядного тока на максимально возможное значение напряжения, то есть напряжение заряда конденсаторной батареи,

.

Таким образом, использование безразмерного параметра з, с учетом подобия электрических характеристик, разрешает свести их семейство к безразмерным кривым, которые отличаются лишь значением з, что значительно облегчает проведение электроизмерений, сравнение полученных при разных значениях параметров разрядного контура, C, L, данных по току, напряжению и сопротивлению на плазменном промежутке.

3. Измерение импульсных токов при электровзрыве в жидкости

При измерении импульсных токов необходимо регистрировать его форму и определять его амплитуду как функцию времени. Это производится только с помощью катодных осциллографов, на вход которых подается сигнал, пропорциональный измеряемому току. Сигнал поступает от специальных датчиков, индуктивно или непосредственно связанных с контуром измеряемого тока. В первом случае датчиками являются воздушные трансформаторы тока (пояса Роговского), во втором — активные сопротивления, которые называются шунты.

Разработаны принципиально новые виды датчиков тока с использованием эффекта Холла или эффекта Фарадея, а также системы с оптической передачей сигнала, в которых преобразование электрического сигнала, снимаемого с шунта, в световой происходит с помощью диода, а обратное преобразование — с помощью фоторезистора. Основное преимущество оптических способов измерения тока заключается в полном электрическом развязывании измерительных цепей с контуром измеряемого тока .Но каким бы ни было устройство для измерений тока, к нему должны предъявляться следующие основные требования:

1. Устройство должно обеспечивать воспроизведение первичного тока во вторичной измерительной цепи как по форме, так и по значению с погрешностью, не превышающей заданную.

2. Устройство должно быть помехозащищенным.

3. Устройство должно выдавать стабильные показатели.

4. Измерительные шунты

Шунтом называется сопротивление, предназначенное для измерения импульсных токов, сигнал от которого по коаксиальному кабелю передается непосредственно на осциллограф.

Для того, чтобы шунт не оказывал влияния на измерительную цепь, его внутреннее сопротивление должно быть малым (порядка 0,1…10 мОм). Кроме того, при таких значениях сопротивления шунт незначительно прогревается при протекании по нему тока. При проектировании шунта необходимо обеспечить малость постоянной времени (на порядок меньше, чем характерное время электровзрыва). В этом случае лучше всего использовать коаксиальный шунт (рис. 3.1), иначе называемый малоиндуктивним.

Рис. 3.1. Коаксиальный шунт. Общий вид Ток протекает по нейтральному зажиму I через внутренний цилиндр 2, изготовленный из тонкого металлического материала с большим удельным сопротивлением, и возвращается через коаксиальный цилиндр 3. Отпайка 4 и коаксиальный разъем 5 позволяют передать сигнал на осциллограф.

Строго говоря, шунт нелинеен, так как при возрастании тока шунт нагревается и его сопротивление изменяется. Выбор материала с малым температурным коэффициентом сопротивления разрешает сохранить эту нелинейность на низком уровне.

Другим требованием, предъявляемым к материалу рабочего элемента шунта, является его высокое удельное сопротивление. При очень высоких частотах () появляется эффект вытеснения тока на поверхность, при этом она сильно разогревается, а середина остается холодной. Этот эффект называется скин-эффектом.

Глубина проникновения от частоты зависит таким образом:

(3.1)

здесь — электрическая проводимость;

— магнитная проницаемость в вакууме;

— магнитная проницаемость, Г/м.

В табл. 1 приведены данные для материалов, имеющих приемлемые для шунта параметры, обговоренные выше.

Таблица 3.1. Основные характеристики материалов с высоким удельным сопротивлением.

Приведенные в таблице 1 материалы имеют значение магнитной проницаемости .

Можно предложить следующую процедуру расчета параметров шунта.

1. Сопротивление шунта определим отношением:

(3.2)

где U_осц — амплитуда напряжения, которое будет подаваться на клеммы осциллографа;

I_min — амплитуда значения тока, который протекает через шунт.

2. Толщина рабочего элемента шунта определится из следующих условий:

а) постоянная времени шунта

должна быть на порядок меньше времени нарастание фронта импульса, тогда:

; (3.3)

б) для сведения к минимуму амплитудных и фазовых погрешностей шунта должно выполняться условие:

(3.4)

Целесообразно величину выбирать с небольшим запасом.

3. Радиус окружности цилиндра r рабочего элемента определим из условия:

(3.5)

где — длина окружности цилиндра.

Объем цилиндрического рабочего элемента:

(3.6)

где — площадь поперечного сечения;

— высота цилиндра;

— толщина стенки.

Заметим, что сопротивление рабочего элемента:

где — удельное сопротивление элемента (см. табл.1).

Тогда:

.

В тоже время значение и должны обеспечивать объем элемента, который выдерживает перегрев шунта, а именно:

(3.7)

где ;

— удельное сопротивление материала, Ом•м;

С — удельная теплоемкость Дж/(кгК);

— плотность, кг/м³;

— превышение температуры токовой цепи над температурой окружающей среды, К. Значение определяется разностью максимальной рабочей температуры материала (табл. 1) и температуры окружающей среды;

I — ток, который проходит через шунт, на котором падает разность потенциалов U;

t — время действия импульса.

4. Для трубчатого коаксиального шунта значение тока I определим по условию электродинамической устойчивости из соотношения для амплитуды предельного допустимого тока. Опуская промежуточные выкладки, это соотношение запишем в виде:

(3.8)

где E — модуль Юнга;

— коэффициент Пуассона (для манганина Па,; для константана Па,);

a и b — соответственно, внутренний и внешний диаметры цилиндра.

Таким образом, по приведенным выше формулам можно рассчитать размеры и материал рабочего элемента шунта.

При постановке шунта в измерительный контур необходимо помнить, что заземляться он должен в одной точке на токовом выводе силовой цепи.

Измерение импульсных напряжений с помощью делителей и катодных осциллографов

Современные катодные осциллографы разрешают с достаточной степенью точности воссоздавать амплитудно-временную характеристику сигнала, который подается на его вход. Естественно, использование делителей высокого напряжения позволит наблюдать на экране осциллографа кроме максимального значения измеренного напряжения его амплитудно-временную зависимость U = U(t).

Делитель напряжения — это измерительное устройство, предназначенное для уменьшения измеряемого напряжения в некоторое число раз, называемое коэффициентом деления.

Делитель напряжения (ДН) содержит низковольтное плечо, которое подсоединяется к осциллографу, и высоковольтное плечо.

ДН должен удовлетворять следующему основному требованию: напряжение на низковольтном плече ДН должно по форме в точности повторять измеряемое напряжение. Это значит, что коэффициент деления ДН не должен зависеть от частоты и уровня измеряемого напряжения, на него не должны влиять ни внешние электростатические и электромагнитные поля, ни корона, ни утечки изоляции и т. д.

Отметим, что в настоящее время существующие разработки ДН, позволяют измерять напряжения в несколько миллионов вольт длительностью фронта 0,5 мкс .В целом задача создания ДН сводится к выбору параметров, при которых отклонение импульса, регистрируемого осциллографом, от импульса измеренного напряжения находится в допустимых пределах.

Традиционно импульсные напряжения измеряются с помощью четырех типов делителей (рис. 4.1).

а) б)

в) г)

Рис. 4.1. Схема замещения омического (а), емкостного (б), смешанного (в) и экранированного омического делителей (г) Омический делитель состоит из одного или нескольких включенных последовательно на высокое напряжение резисторов, которые имеют маленькую индуктивность, и резистора нижнего плеча. Емкость делителя относительно земли — C₃, которая должна быть пренебрежительно мала. Для него коэффициент деления определяется отношением:

. (4.1)

Емкостной делитель состоят из верхнего плеча — (результирующей емкости последовательно соединенных конденсаторов с малой индуктивностью), а также из нижнего плеча (емкости и емкости делителя относительно земли С₃). Здесь можно записать:

. (4.2)

Смешанный делитель получают путем параллельного соединения омического и емкостного делителя, причем постоянные времени верхнего и нижнего плеч должны иметь одинаковые значения:

.

Причем и в этом случае С₃ должна быть пренебрежительно мала.

Для экранированного омического делителя характерно согласование распределения напряжения по резисторам верхнего плеча и емкостного распределения потенциалов между выводами делителя, выполненного в виде тороидов.

На практике оказалось, что в емкостных делителях возникают его собственные колебания. Их подавление осуществляется включением в цепь продольного демпфирующего резистора (это так называемый, емкостной демпфированный делитель).

Величину в этом случае можно оценить из соотношения:

. (4.3)

Принципиальное отличие демпфированного емкостного делителя от чисто омического в разнице их сопротивлений. В первом случае мало и необходимо лишь для демпфирования сигнала, хотя у него есть определенный вклад и в величину .

В принципе, при конструировании любого делителя необходимо применять высококачественные конденсаторы и резисторы, выполнять их с малой индуктивностью, сам делитель должен быть компактным, желательно цилиндрической формы, с емкостью относительно Земли пренебрежительно малой.

Величину С₃ можно оценить по формуле :

пФ, (4.4)

где Н — высота цилиндра, см;

Д — его диаметр, см.

Общая схема замещения делителя представлена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Общая схема замещения делителя Значение параметров L, R_C, С, R_Р, представлены для разных типов делителей.

Как видно из рис. 4.2 для делителя характерно то, что его емкостной принцип более целесообразно использовать для измерений высокочастотных сигналов, омический — для импульсов, в спектре которых присутствуют частоты не столь больших значений.

На практике целесообразно использовать емкостно-омические ДН (смешанные). Они обладают свойством, присущим как омическому, так и емкостному делителю. На низких частотах они работают как омические, на средних и высоких — как емкостные.

6. Определение масштабов тока и напряжения

Масштаб напряжения сначала оценивается с помощью ДН и генератора импульсов ГИ-60. Подав через ДН сигнал заданной формы с генератора на осциллограф, можно оценить качественные искажения, которые вносит ДН в измерительную цепь. Кроме того, можно оценить и величину изготовленного делителя:

. (5.1)

Тогда масштаб напряжения определяется простым соотношением:

(5.2)

где A_Г — количество делений на осциллографе между нулевой линией и линией максимального значения U_осц.

Точное определение масштаба напряжения производится в импульсном режиме при максимально возможном значении длины межэлектродного промежутка, исключающего пробой. При этом вольт-секундная характеристика является практически прямой линией, параллельной нулевой.

Тогда:

(5.3)

где A — число делений между нулевой линией и линией U(t).

Для измерения масштаба тока реализуют режим КЗ, полученную осциллограмму отцифровывают. Опустив выкладки, приведем окончательную формулу:

(5.4)

где

другие обозначения представлены на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Режим короткого замыкания, реализованный при электровзрыве

Другой путь в определении — с помощью рассчитанного, а затем измеренного значения сопротивления шунта и подаваемого напряжения на межэлектродный промежуток. Отметим, что на практике его считают равным падению напряжения на обкладках конденсатора, так как сопротивление промежутка превышает сопротивление цепи. Причем, чем больше величина з (см. формулу 2.5), а значит, тем его различие более существенно. При достижении значения з ~ 0,2 (и менее) указанные сопротивления становятся соизмеримыми.

Если после проведения измерений масштабов тока и напряжения разными методами их значения не совпадут — причиной может быть неправильно построенная схема измерений или некачественно изготовленный преобразователь.

7. Определение сопротивления плазменного канала и его электрические характеристики

Измерив в эксперименте временные зависимости тока I(t) и напряжения U(t) в канальной стадии, можно определить зависимость во времени активного сопротивления R(t):

(6.1)

и мощности разряда N(t):

. (6.2)

Тогда электрическая энергия, поступившая в межэлектродный промежуток, определится интегрированием зависимости (6.2):

(6.3)

где ф — время визуализации процесса.

Потери электрической энергии за время ф определят электрический к. п. д.:

. (6.4)

8. Погрешности измерений

Трудность выработки единых норм точности заключается в том, что в настоящее время нет единого взгляда на методы обработки результатов измерений, на способ оценки погрешности, на необходимую точность измерений.

Следует заметить, что, как при импульсных, так и при переменных напряжениях отсутствуют эталонные источники напряжений в килои мегавольтных областях, поэтому определение погрешностей измерения представляет собой сложную проблему.

Точность воспроизведения импульсных величин определяется переходной характеристикой измерительного устройства, которое разрешает оценить искажение формы импульса на выходе в сравнении с его формой на входе. Для проверки качества импульсного измерительного устройства обычно определяют переходную функцию — реакцию на единичную функцию, которая прикладывается к входным зажимам. Реакция измерительного устройства на входной сигнал любой формы может быть определена с помощью интеграла Дюамеля.

Известно, что для качественного воспроизведения формы измеренного импульса измерительное устройство должно иметь время реакции на единичную функцию хотя бы на порядок меньше времени линейного нарастания фронта измерительного импульса.

Другой способ определения деформации импульса связан с частотными характеристиками измерительного устройства: измерительное устройство должно обладать такой полосой пропускания, чтобы все гармоники исследуемого импульса попали в эту полосу.

Кроме того, при проведении измерений необходимо выполнять ряд мер, устраняющих методическую погрешность. Например, устройства для измерения тока, включенные в силовую цепь, не должны изменять значительно коэффициент мощности установки. Активное сопротивление делителя напряжения, которое включается параллельно испытуемому объекту, не должно оказывать влияния на условия испытания и форму напряжения.

Следует иметь ввиду, что измерительные устройства работают в условиях сильных посторонних электромагнитных и электростатических полей, влияние которых должно быть не более допустимого.

При проведении измерений импульсных токов и напряжений в установках с емкостными накопителями энергии можно выделить четыре основные причины появления искажений исследуемого сигнала на экране осциллографа.

1. Электромагнитное поле при электровзрыве проникает через корпус осциллографа и вызывает непосредственное искажение по вертикали. В качестве защиты здесь можно поместить прибор в экранированный ящик. В зависимости от напряженности поля и частоты достаточно поместить его в ящик с одной открытой стенкой.

2. Квазистационарные магнитные и электрические поля проникают в не целиком экранированные измерительные цепи. Кроме того, из-за эксцентриситета жилы в оплетке возникает обычное напряжение, которое, впрочем, наиболее часто бывает мало. Естественно, что избежать помех по этой причине можно при тщательном экранировании кабелей, используя двойную оплетку или трубу, используя при этом, по возможности, кабель без эксцентриситета.

3. Осциллограф воспринимает помехи (30 МГц) по проводам питания. Практика показывает, что использование в этом случае разделительного трансформатора, системы фильтров, намотки измерительного кабеля на ферритовое кольцо, помещение его в гибкий металлический чулок, имеющий гибкий электрический контакт с корпусом экрана и корпусом осциллографа, практически целиком позволяют избавиться от этого рода помех.

4. Паразитные токи в заземляющих кабелях. Этот тип помех является наиболее разноплановым как с точки зрения причин их вызывающих, так и в аспекте технических мер, направленных на защиту измерительного тракта. Так, в случае возникновения возможности появления разности потенциалов между заземленными точками измерительной цепи, необходимо проследить за правильностью выполнения заземления при соблюдении условия, которое обеспечивает наличие измерительного и высоковольтного контуров.

Для того, чтобы избежать помех от индуцированных и наведенных ЭДС, связанных с быстро протекающими процессами, необходимо поместить соединительные провода в металлические трубы, заземленные на одном конце. Кроме того, такие трубы позволят избежать смещения потенциала в разрядной цепи, возникающего в местах распределения тока. Сюда еще необходимо добавить такие меры защиты, как специальный шкаф для ГИТа, правильная ошиновка контура (без петель) и делитель с использованием ферритовых колец.

Необходимо прибавить к вышеизложенному такой метод борьбы с помехами, как использование осциллографа с дифференциальными входами. При этом применяются два делителя напряжения или шунта, включенные и расположенные так, чтобы сигналы помех, поступающих на каждый вход, имели одинаковые полярности, а полезный сигнал — разные.

Разумеется, перечисленные способы ослабления влияния помех при измерениях в лабораториях высокого напряжения не всегда приводят к успеху, поскольку часто бывает трудно установить источники помех. В этом случае можно рекомендовать полное электрическое разделение разрядных и измерительных контуров и передачу измеренных сигналов оптическим путем

Вывод

В результате выполнения курсовой работы мною были рассмотрев различные способы измерения и преобразования энергии, одним из таких способов является обработка расплава импульсным электрическим током. Сущность его состоит в пропускании через расплав импульсного электрического тока. Возникающее при этом в расплаве переменное нестационарное электромагнитное поле воздействует на расплав. Обработка расплава импульсным электрическим током осуществляется путем пропускания через него импульсного электрического тока. Его развитие происходит последние полтора десятилетия. К преимуществам данного метода, по сравнению с обработкой постоянным током, можно отнести то, что он предоставляет большое число варьируемых параметров обработки, таких как амплитуда напряжения, тока, частота посылок импульсов, длительность импульса, частота разрядного тока, мощность импульса, энергия вводимая в расплав. Все это в конечном итоге, дает потенциальную возможность осуществить комплексное направленное регулирования физико-химических характеристик готового изделия.

В настоящее время промышленность не выпускает необходимых для целей измерения и преобразования энергии преобразовательных элементов. Поэтому я считаю, что очень важно обобщить и описать принципы расчета и изготовления таких устройств, указать особенности их применения. Исходя из этих соображений, я продолжу изучение данной тематики более подробно в дипломной работе, целью которой будет «Исследование электро-разрядных процессов в жидком металле в RC цепи».

1. Цуркин В. Н., Швец И. С. Исследование характеристик плазмы электроразряда в воде // ТВТ.- 1987. Т.25, № 2. — С. 235−240.

2. Шваб А. Измерения на высоком напряжении: Измерительные приборы и способы измерения. — 2-е изд., перераб. и дополн. Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 264 с.

3. Болотин И. Б., Эйдель Л. З. Измерения в переходных режимах короткого замыкания. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Энергия, Ленингр. отделение, 1961. 192 с.

4. Окунь И. З. Измерение разрядных токов поясами Роговского // ПТЭ. — 1968. — № 6. — C. 120−126.

5. Пашин M.Ф. Делитель напряжения для генератора импульсных напряжений большой мощности // Электричество. — 1956, № 5. — С. 26−31.

6. Бровченко В. Т., Молчанов Ю. Д., Строганов Ю. А. Измерение импульсных токов магнитными поясами // ПТЭ. — 1967. — № 3.

7. Кривицкий Б. В., Шамко В. В. Переходные процессы при высоковольтном разряде в воде. — Киев: Наук. думка, 1979. — 207 с.

8. Кривицкий Е. В. Динамика электровзрыва в жидкости. — К.: Наук. думка, 1986. — 208 с.

9. Гулый Г. А., Малюшевский П. П. Высоковольтный электрический разряд в силовых импульсных системах. — К.: Наук. думка, 1977. — 176 с.