УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АКТИВНОГО ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения высокого импульсного напряжения в газоразрядных системах с емкостной составляющей.
В настоящее время активное падение напряжения определяется измерением напряжения U(t) на разрядном промежутке, определением емкости барьера, путем расчетов определяется емкостное падение напряжения Uc(t) и вычитается из общего падения напряжения на разрядном промежутке U(t).
Известен емкостный делитель импульсов высокого напряжения [Патент РФ №1151095, 20.04.1996.], содержащий низкоомную коаксиальную линию, встроенную в заземленный внешний кондуктор передающей высоковольтной линии так, что ее внутренняя торцовая поверхность компланарна внутренней поверхности заземленного внешнего кондуктора передающей высоковольтной линии, и высокоомный коаксиальный соединитель, внутренний и внешний кондукторы которого соединены соответственно с внутренним и внешним кондукторами низкоомной коаксиальной линии. Низкоомная коаксиальная линия выполнена конической с усеченной вершиной, обращенной внутрь передающей высоковольтной линии.
Недостатком известного делителя является то, что при регистрации импульсного падения напряжения на газоразрядном промежутке, данная схема не учитывает емкостную составляющую сигнала.
R
P
AB
AB
AB
BD
AB
BD
R
AB
BD
Известна схема неискажающей регистрации падения напряжения с автоматической компенсацией индуктивной составляющей падения напряжения на импульсной дуге, приведенная на фиг. 1 [Л.А. Гельфонд, С.С. Пельцман, Б.Г. Шубин, «Схема неискажающей регистрации падения напряжения на импульсной искре», Международный коллоквиум по высоковольтной испытательной технике, апрель 1988 г., Ленинград, СССР, стр. 1-2]. Это устройство принято в качестве прототипа. В данной схеме (Фиг. 1), к исследуемому разрядному промежутку подключен делитель напряжения VD1 (R, r) в точках А и В. Другой делитель VD2 (R, r) подключен к участку DB разрядной цепи. При замыкании ключа К напряжение подается от конденсатора С на исследуемый промежуток Р и осуществляется его электрический пробой. В разрядном контуре протекает ток i(t). На вход делителя VD1 поступает сигнал U(t), который складывается из падения напряжения на активном сопротивлении промежутка U(t)=i(t)·R(t) и индуктивного падения напряжения U(t)=L·di/dt на индуктивности L участка AB разрядного контура. На вход делителя VD2 при этом поступает сигнал, равный падению напряжения на индуктивности L участка BD разрядного контура. Если соответственно равны сопротивления (R, r) делителей VD1, VD2 и равны индуктивности участков АВ и BD, то индуктивные падения напряжений U (t) и U (t) тоже равны и находятся в противофазе. На входе в осциллограф данные сигналы суммируются, при этом индуктивные составляющие сигналов взаимно компенсируются, а на осциллограф поступает только сигнал, пропорциональный активному падению напряжения на промежутке U (t). Настройка схемы сводится к уравниванию индуктивных падений напряжений U (t) и U (t).
Недостаток прототипа - отсутствие возможности применения устройства к газоразрядным системам емкостного типа.
Барьерный разряд в газах широко используется в научных исследованиях плазмохимических процессов, и технологии синтеза озона. Характеристики барьерного разряда (электромагнитное излучение, температура, давление и т.п.), представляющие практический интерес, определяются мощностью P(t) и энергией E(t), выделяющейся в нем, и рассчитываются по осциллограммам тока i(t) и напряжения U(t)=Ur(t)+Uc(t):
где: Ur(t) и Uc(t) - активное и емкостное падение напряжения на нагрузке. Датчиками сигналов, пропорциональных i(t) и U(t), являются токовые шунты и делители напряжения. На фиг. 2 представлены осциллограммы тока и напряжения на разрядном промежутке полученные с помощью омического токового шунта и делителя напряжения. Так как в данном сигнале присутствует составляющая емкостного падения напряжения, это может привести к большой погрешности при расчете P(t) и E(t).
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.
Технический результат полезной модели - возможность приборного измерения активного падения напряжения Ur(t) в импульсных газоразрядных системах с емкостной составляющей.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для регистрации активного падения напряжения в плазме газового разряда, содержащем как и прототип, первый делитель напряжения, подключенный к исследуемому разрядному промежутку, второй делитель напряжения, подключенный к разрядной цепи и состоящие из высоковольтного резистивного плеча и низковольтного резистивного плеча, в отличие от прототипа, в разрядную цепь включен компенсирующий конденсатор, сигнал с которого, равный емкостной составляющей падения напряжения на исследуемом разрядном промежутке и противоположный по фазовому сдвигу, поступает на второй делитель.
Целесообразно, чтобы низковольтное плечо было выполнено общим для двух делителей.
Целесообразно, резистор высоковольтного плеча второго делителя выбирать переменным и малоиндуктивным.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами. Фиг. 1 - принципиальная схема измерения активной составляющей падения напряжения на импульсной искре по прототипу.
Фиг. 2. Осциллограммы тока i(t) и напряжения U(t) на разрядном промежутке без компенсации емкостной составляющей падения напряжения.
Фиг. 3. Принципиальная электрическая схема заявляемого устройства для регистрации импульсного падения напряжения Ur(t) на барьерном разряде.
Фиг. 4. Осциллограммы падений напряжения на емкости барьера Ucb(t) и компенсирующей емкости Uck(t).
Фиг. 5. Осциллограммы тока i(t) и падения напряжения U(t) после компенсации емкостной составляющей сигнала.
Схема заявляемого устройства для измерения активной составляющей падения напряжения Ur(t) импульсного барьерного разряда с автоматической компенсацией емкостной составляющей падения напряжения Uc(t) приведена на фиг. 3. Устройство содержит, два делителя напряжения VD1, VD2, каждый из которых состоит из высоковольтных резистивных плеч - резисторы 1, 2 соответственно и общего низковольтного резистивного плеча, резистор 3. Первый делитель напряжения VD1 подключен к разрядной цепи, параллельно разрядному промежутку, одним входом к точке соединения ключа 4 и разрядного промежутка представленным элементами 5 и 6, другим к точке заземления 7. Дополнительно в разрядную цепь подключен компенсирующий конденсатор 8 параллельно разрядному промежутку между точкой заземления 7 и генератором 9. Второй делитель VD2 подключен параллельно компенсирующему конденсатору 8 одним входом к точке соединения компенсирующего конденсатора 8 с генератором 9, другим выходом к точке заземления 7. Регистрируемый сигнал после компенсации в точке соединения резисторов поступает на осциллограф 10.
Cb
При замыкании ключа 4 напряжение подается от генератора высоковольтных импульсов 9 на разрядный промежуток емкостью 5 (Cb) и вызывает его электрический пробой. В разрядном контуре протекает ток i(t). На вход первого делителя напряжения VD1 поступает сигнал U(t), который складывается из падения напряжения на активном сопротивлении 6 (Rb) плазмы газового разряда Ur(t)=Rb(t)·i(t) и емкостного падения напряжения Uc(t)=i(t)·R(t) на емкости барьера 5 (Cb). При этом на вход второго делителя VD2, поступает инверсный сигнал, близкий по форме к падению напряжения на компенсирующем конденсаторе 8 (Ck). На фиг. 4 приведены осциллограммы падений напряжения Ucb(t) и Uck(t).
Ck
Cb
Cb
Так как падение напряжения на компенсирующем конденсаторе находится в противофазе с падением напряжения на разрядном промежутке, второй делитель VD2 рассчитывается таким образом, чтобы выходной сигнал его был равен сигналу первого делителя VD1. При сложении этих двух сигналов емкостные составляющие падения напряжения U(t) и U(t) вычитаются, а на осциллограф 10 поступает только сигнал пропорциональный Ur(t). На фиг. 5 приведены осциллограммы тока i(t) и активного падения напряжения U(t) после компенсации емкостной составляющей U(t).
Ck
Cb
Исходя из вышесказанного, емкость компенсирующего конденсатора 8 выбирают таким образом, чтобы она имела минимальное влияние на протекающий ток в разрядном контуре и обеспечивала равенство сигналов U(t) и U(t).
2
В связи с тем, что низковольтное плечо 3 (Rн), является общим для обоих делителей, коэффициент деления Kd второго делителя VD2 будет определяться как:
В связи с тем, что емкость барьерного промежутка может заведомо варьироваться, а элементы обоих делителей остаются фиксированными, для обеспечения необходимой компенсации емкостных сигналов, резистор 2 (Rk) второго делителя VD2 следует выбирать переменным, малоиндуктивным, с целью подстройки коэффициента деления Kd2 и снижения влияния индуктивных искажений сигнала.
Настройка схемы измерения осуществляется путем перестройки резистора 2 при замкнутом разрядном промежутке.
В примере конкретного выполнения емкость разрядного промежутка (Cb) составляла 300 пФ, емкость компенсирующего конденсатора (Ck) 330 пФ. Активное сопротивление плазмы разряда (Rb) составило 170 Ом. Сопротивление высоковольтного плеча Rв первого делителя VD1 составляло 3,9 Мом, низковольтного плеча 3,9 кОм. Сопротивление высоковольтного плеча делителя VD2 составило 3,9 МОм.
Таким образом, введение компенсирующего конденсатора 8, сигнал с которого регистрируется вторым делителем, позволяет автоматически компенсировать емкостную составляющую падения напряжения на барьерном разряде. Предлагаемое устройство регистрации активного падения напряжения на барьерном разряде позволяет провести быструю оценку КПД генератора и энергоэффективности процесса, не прибегая к математическим расчетам.