Барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

БАРЬЕРНО-ПОВЕРХНОСТНЫЙ РАЗРЯД НА ДВУХЖИЛЬНОМ ПРОВОДЕ

М.К. Боромбаев

канд. физ.-мат. наук,

К. Шаршембиев

докт. физ.-мат. наук,

В.С. Энгельшт

докт. физ.-мат. наук

The results of barrier surface discharge (BSD) oscillation on a double-conductor wine are given. The static and dynamic voltage-current characteristics were investigated.

Барьерный разряд (БР) как средство получения плазменного состояния вещества широко используется в науке и технике. Один из примеров промышленного применения БР для целей химического синтеза - получение озона, который широко используется в сельском хозяйстве, медицине и химической промышленности [1, 2].

Под БР в настоящее время понимают разряд, возникающий в газе под действием приложенного к электродам переменного напряжения, при этом хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком.

Энергетические временные и усредненные характеристики изучаются с помощью осциллографирования тока I(t) и напряжения U(t), а также вольт-кулоновской характеристики (ВКХ) (циклограммы) q(U), где q - заряд, переносимый током разряда .

Различают динамические и статические вольт-амперные характеристики (ВАХ). Под первыми понимается связь между мгновенными значениями тока и напряжения. Статическая ВАХ, определяемая обычно как зависимость среднего значения тока разряда от приложенного напряжения, имеет вид двух пересекающихся прямых [1, 3].

В [4] были получены динамические характеристики озонатора в координатах: заряд на электродах озонатора - напряжение на озонаторе, которые называют ВКХ (циклограммы). Эти характеристики имеют вид параллелограммов. Параллельность боковых сторон параллелограмма свидетельствует о постоянстве напряжения на разрядном промежутке озонатора во время существования разряда. Толщина параллелограмма равна удвоенному значению напряжения горения разряда. Высота параллелограмма, очевидно, определяется амплитудой напряжения на озонаторе [4].

Широкое распространение получил метод измерения активной мощности W по площади циклограммы в ВКХ [1,2]. Так как величины q(t) и U(t) связаны между собой линейно в координатах "заряд-напряжение", зависимость q(U) будет представлять собой замкнутую фигуру, площадь которой численно равна величине энергии, выделенной в разряде за период приложенного напряжения [2].

Барьерно-поверхностный разряд (БПР) как новый вид разряда предложен С. Масудой (Япония) [5] и независимо от него В.С.Энгельштом (Кыргызстан) [6]. Этот вид разряда до сих пор практически не исследован. Барьерно-поверхностный разряд отличается от барьерного динамической емкостью С, обусловленной покрытием диэлектрика плазмой разряда [7]. Изучению энергетических характеристик БПР на двужильном проводе и посвящена данная работа. Кроме того, в ней предложен метод нахождения временной зависимости напряжения горения разряда U_г(t) по циклограмме и осциллограмме от напряжения на разряде U(t).

В работе рассмотрен новый вид барьерного разряда - барьерно-поверхностный разряд на двухжильном проводе. Диэлектрическим барьером в нем служит обмотка провода из поливинилхлорида. Жилы провода озонатора выполняют роль электродов. При подаче переменного напряжения на двухжильный провод в отсутствии разряда ток будет идти через перемычку за счет тока смещения. При увеличении напряжения разряд пойдет по поверхности диэлектрика, которая покрывается плазмой. При некотором напряжении плазма покрывает всю поверхность диэлектрика.

барьерный поверхностный разряд двухжильный

Экспериментальная установка и методы измерения

В экспериментальной установке был использован озонатор, представляющий собой сосуд емкостью 1 л. В него помещался свернутый в спираль двухжильный провод длиной 1 м. Воздух поступал в озонатор через микропроцессор АЭН - 4 (220 В 50 Гц, 3 Вт), осуществляющий постоянную продувку воздуха в озонаторе. Скорость протока воздуха 0,5 л/мин.

Методика эксперимента и обработка полученных осциллограмм и циклограмм подробно описана в работах [8, 9].

Регистрация осциллограмм и их обработка

Электрическая схема регистраций осциллограмм показана на рис. 1. Осциллограммы тока I(t) и напряжения U(t) регистрировались синхронно на двухлучевом осциллографе С1-83 и фотографировались с экрана осциллографа зеркальным фотоаппаратом "Зенит".

Рис. 1. Электрическая схема регистраций осциллограмм: ЛАТР - лабораторный автотрансформатор PH, ТР - высоковольтный трансформатор ТГ-1020, R_ш = 26,6 кОм шунт, R_д1 = 48 МОм, R_д2 = 150 кОм - резисторы делителя напряжения.

Кривые тока и напряжения на озонаторе симметричны относительно оси абсцисс, вследствие этого интегрирование проводится в пределах одного полупериода (рис. 2). Поскольку измерения и получение осциллограмм в экспериментальной установке проводили при частоте v = 50 Гц, то соответственно полупериод колебаний равен Т/2 = 0,01 с. Для определения промежутков времени полупериод разбивается на 20-25 одинаковых зон. По известным максимумам напряжений проводится калибровка напряжения по оси ординат, затем определяется цена одного деления, с ее учетом составляется шкала напряжений.

Мгновенные значения тока и напряжения пересчитывались по формулам:

где - напряжение, регистрируемое осциллографом на шунте.

где - напряжение, регистрируемое осциллографом на R_д2.

Рис. 2. Осциллограммы тока I(t) и напряжения U(t) барьерного разряда при U_эф = 9 кВ. U_Г(t) - напряжение горения.

Рис. 3. Статическая вольт-амперная характеристика барьерного разряда

Как видно из рис. 2, сдвиг фаз между током и напряжением составляет p/2, что соответствует в основном емкостной нагрузке БПР. Однако происходит деформация формы тока I(t) и напряжения U(t), они отличаются от синусоиды. Именно это соответствует наличию активного сопротивления в цепи барьерного разряда [10]. На осциллограмме тока видны отдельные составляющие высокочастотного тока.

Из осциллограмм тока I(t) и напряжения U(t) определяются следующие величины:

средний ток

полная мощность (ВА)

активная мощность

реактивная мощность

Рис. 4. Зависимость полной N, активной W, реактивной N_p мощностей и динамической емкости С барьерного разряда от эффективного напряжения, W' - активная мощность по циклограмме.

Общая емкость озонатора определяется из реактивной мощности БПР

где R_с - емкостное сопротивление БР.

Интегралы вычисляли по формуле прямоугольников, например,

Результаты обработки приведены на рис 3, 4.

Регистрация и обработка циклограмм

Циклограммы БПР регистрировали на двухлучевом осциллографе С1-83. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подавался сигнал q(t), а на горизонтально отклоняющие - сигнал U(t) по схеме, аналогичной рис. 1, где сопротивление R_ш заменено на измерительный конденсатор С_изм = 1мкф. Пример циклограммы показан на рис. 5. БПР на двухжильном проводе существенно отличается от классического БР. Отсутствует газовый зазор, емкость барьера изменяется в течение полупериода из-за различной площади диэлектрика, покрытой плазмой разряда.

В результате циклограмма не имеет сравнительно простой формы параллелограмма.

Не вызывает сомнений, что по площади циклограммы какой бы сложной она ни была, можно находить активную мощность W, ибо интеграл выполняется тождественно и не зависит от вида нагрузки (активная, емкостная, смешанная и т.д.).

Более сложная ситуация с определением напряжения горения U_г разряда. Примем гипотезу, что отрезок, отсекаемый средней линией циклограммы и ее образующей вдоль U(t) при фиксированном значении q, есть напряжение горения на разряде. На рис. 5 показаны два значения U_г (t¹) и (t¹¹) в моменты времени t¹ и t¹¹. Точками на циклограмме отмечены моменты времени периода, полученные из соответствия напряжения питания на циклограмме и осциллограмме U(t) (рис. 2). Результаты обработки и определения W(U_эф) приведены на рис. 4. Зависимость U_г(t) при фиксированном U_эф = 9кВ дана на рис. 2. На рис. 6 приведена зависимость U _{г max}(U_эф).

Активная мощность (см. рис. 4), найденная по циклограмме, близка к таковой, вычисленной по осциллограммам тока и напряжения, что и должно быть при правильной тарировке схемы измерений.

Напряжение горения разряда U_г(t) синхронно меняется с током разряда (см. рис. 2), как оно и должно быть при активной нагрузке (разряд), тогда как между напряжением питания U(t) и током разряда I(t) сдвиг фаз составляет 90°, что обусловлено в основном емкостной нагрузкой барьерного разряда. Напряжение горения (рис. 6) возрастает с увеличением питающего напряжения. Это соответствует визуальным наблюдениям, из которых следует, что протяженность плазмы разряда на поверхности диэлектрика возрастает с увеличением U_эф. При некотором U_эф»8 кВ практически вся поверхность диэлектрика покрыта плазмой, и дальнейшее повышение напряжения питания не приводит к увеличению протяженности разряда и напряжения горения.

Рис. 5. Циклограмма БПР на двухжильном проводе при напряжении U_эф = 9 кВ.

Визуально начало разряда (свечение плазмы) наблюдается при U_эф = 3,3кВ. Наличие участка активной мощности при U_эф = 0ч3 кВ (см. рис. 4) вызвано, по-видимому, диэлектрическими потерями в двухжильном проводе. Но могут быть и иные причины, например, наличие на поверхности диэлектрика слабопроводящей пленки (HNO₃).

Рис. 6. Зависимость максимального напряжения горения U_гmax от подаваемого напряжения U_эф.

Таким образом, результаты осциллографирования барьерно-поверхностного разряда на двухжильном проводе показали, что динамическая емкость растет с увеличением напряжения питания. Статическая ВАХ нелинейна из-за наличия динамической емкости. По осциллограммам тока и напряжения рассчитаны динамическая емкость, полная, реактивная и активная мощности, статическая вольт-амперная характеристика барьерно-поверхностного разряда на двухжильном проводе. По вольт-кулоновской характеристике и осциллограмме напряжения питания найдено напряжение горения как функции времени. Напряжение горения разряда синхронно меняется с током разряда и нелинейно возрастает с увеличением напряжения питания.

Литература

1. Самойлович В.Т., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда.- М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 176.

2. Энгельшт В.С. Лекции по спец. курсу "Физика газового разряда" // Плазменная технология. - Каракол: ИГУ им. К.Тыныстанова, 1999-2000.

3. Филиппов Ф.В., Емельянов Ю.М. Электрическая теория озонаторов. Статические вольтамперные характеристики озонаторов // Ж. физической химии. - Вып. 2.- 1958. - №12. - С. 1217- 1823.

4. Филиппов Ф.В., Емельянов Ю.М. Теория динамических характеристик озонаторов // Ж. физической химии. - Вып. 7. - 1957. - С. 1628-1635.

5. Masuda S. еt. al. A ceranic-based ozoniser using high freguency discharge // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1988. - V. 24. - №2. - Р. 223-231.

6. Энгельшт В.С. Озонатор. Патент России № 17544647, 15.04.92. Бюл.№30, 15.08.92. Перерегистрация 20.05.93.

7. Masuda S., Kiss E. On streamer dischages in ceramic based ozoniser using high frequency Surface discharge. /Electrostatiks /87. - Oxford. - 8-10 April, 1987. - С. 243-248.

8. Сынков Е., Удовенко Д., Шаршембиев К., Боромбаев М.К. Осциллографирование барьерно-поверхностного разряда на двухжильном проводе // Матер. первой республ. научн. конф. студентов-физиков и молодых ученых. Приложение к журналу "Вестник ИГУ". - Каракол, 2001. -С. 82-92.

9. Бубнов Е., Удовенко Д., Шаршембиев К., Боромбаев М.К. Вольткулоновская характеристика барьерного разряда на двухжильном проводе // Матер. первой республ. научн. конф. студентов-физиков и молодых ученых. Приложение к журналу "Вестник ИГУ". - 2001. - С. 92-101.

10. Филиппов Ю.В., Емельянов Ю.М. Об активной мощности озонаторов // Ж. физической химии. - Вып. 33. - 1959. - №5. - С. 1042 -1046.

Размещено на Allbest.ru