СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ ТОКА ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ И СОПРОТИВЛЕНИИ ЦЕПИ
METHOD FOR DETERMINATION OF ELECTROMOTIVE FORCE AT ALTERNATING VOLTAGE AND CIRCUIT RESISTANCE

Изобретение относится к области безопасности горных работ, а также может быть использовано в области электричества для получения более достоверных данных при расчете электроэнергии.
Известен способ определения связи между силой постоянного тока в электрической цепи, не содержащей источников электродвижущей силы, и разностью напряжения на концах цепи (Г.С. Ом. О законе постоянного тока / в кН. Г.М. Голин, С.Р. Филонович. Классики физической науки. М.: Высшая школа,1989. С.339-347), в котором путем монтирования электрической цепи, включения в цепь источника постоянного тока - гидроэлектрической батареи в виде термостата из меди и висмута с постоянным напряжением при каждом опыте, затем последовательного включения в цепь тонких проволок из различных металлов, измерения длины проволок и их сечения, измерения напряжения между концами цепи, одновременного измерения силы тока в цепи с помощью крутильных весов - магнитной стрелкой, подвешенной на металлической нити, замера сопротивления цепи определяют прямо пропорциональную зависимость между силой тока и постоянной величиной напряжения и обратно пропорциональную зависимость между силой тока и полным сопротивлением цепи при каждом опыте по математическому уравнению.
Недостатками данного способа является то, что он не учитывает начальную величину силы тока, нелинейность связи между напряжением и сопротивлением, зависимость силы тока от соотношения знака скорости изменения у величины показателя режима напряжения и сопротивления цепи, изменение температуры проводника.
Известен также способ определения зависимости силы тока от приложенного к элементу электрической цепи напряжения по вольт-амперной характеристике (Вольт-амперная характеристика / в кн. Физический энциклопедический словарь. «Советская энциклопедия», глав. редактор А.М. Прохоров. М.: 1983, С.90) путем измерения силы тока, одновременного измерения напряжения и построения графика зависимости силы тока от напряжения, называемого вольт-амперной характеристикой (В.-а.х), определения по ней вида зависимости силы тока от приложенного к элементу электрической цепи напряжения и объяснения причины линейности и нелинейности формы ВАх.
Недостатками известного способа определения силы тока является то, что он не учитывает величину сопротивления, зависимость силы тока от величины сопротивления цепи, зависимость силы тока от одновременного изменения напряжения, сопротивления цепи и температуру элемента (Данный способ принят за аналог).
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения вида вольт-амперной характеристики электролита (Вольт-амперная характеристика раствора поваренной соли / М. Смирнов. Средняя общеобразовательная школа №49 советского района, г. Новгород. Интернет: http://www.sced.nnov.ru.//journa) путем монтажа специальной установки, состоящей из элемента с постоянным напряжением, выключателя, регулятора переменного сопротивления, милливольтметра, микроамперметра и электролитической ванночки, после этого подготовки раствора поваренной соли, замера ее концентраций, установки в раствор двух медных электродов, измерения площади их сечения и расстояния между ними, подачи в цепь тока, выдержки времени стабилизации напряжения, измерения напряжения, силы тока, замера постоянной температуры электролита и определения вида вольт-амперной характеристики. (Данный способ принят за прототип).
Недостатками известного способа является то, что он не учитывает величину сопротивления, зависимость силы тока от величины сопротивления, начальную силу тока, нелинейность связи между напряжением и сопротивлением, зависимость силы тока от соотношения знаков изменения величины показателя режима напряжения, сопротивления цепи и варианты изменения силы тока от напряжения и сопротивления.
Задачей изобретения является повышение безопасных условий труда и улучшение технико-экономических показателей работы угольных предприятий.
Технический результат заявленного изобретения состоит в повышении точности определения силы электрического тока в цепи с переменным напряжением и сопротивлением, а с учетом этого в повышении достоверности величины подаваемого тока для освещения, кондиционирования шахтной атмосферы, защиты человека от поражения током, предотвращения взрывов газа, рудничных пожаров и гибели людей в шахтах от электрического тока.
Указанный технический результат достигается тем, что предложенный способ включает выбор объекта использования тока, монтаж в объекте электрической цепи, состоящей из электролизера, заливку в него электролита с возможностью изменения его концентрации, расположение в нем двух электродов из заданного материала, измерение: объема, площади сечения, расстояния между электродами с возможностью их изменения, установку в цепи выключателя тока, установку в цепи устройства изменения сопротивления, включение в цепь амперметра и вольтметра, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают в цепь устройство изменения напряжения, устанавливают между электродами датчик цифрового термометра и подают в цепь напряжение, измеряют время стабилизации напряжения и силы тока, измеряют заданное напряжение и заданную сила тока в цепи, определяют заданное сопротивление цепи, при каждом замере измеряют заданную температуру электролита между электродами. После этого определяют возможные предельные отклонения от заданных значений напряжения, силы тока, сопротивления и температуры электролита.
1
При наличии отклонений от заданных значений напряжения, силы тока, сопротивления и температуры устанавливают устройством изменения сопротивления минимальное значение напряжения - при дальнейшем его увеличении до максимального значения или устанавливают максимальное значение напряжения - при дальнейшем его снижении до минимального значения, после этого измеряют напряжение от одного до другого предельного значения, измеряют время между замерами, одновременно измеряют силу тока, определяют сопротивление цепи и замеряют температуру электролита. После этого строят комплексный график зависимости силы тока от одновременного изменения напряжения и сопротивления цепи, т.е. вольт-омо-амперную характеристику (ВОАх), определяют вид характера и знаки зависимости силы тока от напряжения и сопротивления, измеряют время в течение всего периода замеров. Затем на начальных этапах выбирают участок ВОАх с разным характером по знаку зависимости силы тока, напряжения и сопротивления между точками замера, на котором определяют величину показателя, знак режима напряжения и начальную его величину. Затем определяют величину показателя, знак режима изменения сопротивления и начальную его величину. Затем определяют начальную величину силы тока, учитывают знаки показателей режимов и определяют электродинамическую силу тока участка при положительной зависимости силы тока от переменного напряжения и отрицательной зависимости силы тока от переменного сопротивления, при первом условии n≥0; m≤0 соотношения показателей их режимов по базовой формуле
1
где I - сила тока;
0-1
I - начальная сила тока при первом условии, определяется по формуле
0-1
где U - начальное напряжение;
0-1
R - начальное сопротивление;
U - напряжение тока;
R - электрическое сопротивление;
1
n - показатель режима изменения напряжения при переменном сопротивлении;
1
m - показатель режима изменения сопротивления при переменном напряжении,
2
2
и выбирают участок ВОАх с одинаковым характером по знаку зависимости силы тока от напряжения и сопротивления между точками замера. Затем измеряют сопротивление и напряжение от начального до конечного значения. После этого определяют для участка величину показателя знака режима изменения напряжения, начальную величину напряжения, затем определяют величину показателя и знак режима изменения сопротивления и начальную его величину, затем определяют начальную величину силы тока, учитывают знаки показателей режимов и определяют электродинамическую силу тока на участке при положительной по знаку зависимости величины силы тока от переменного сопротивления и отрицательной зависимости силы тока от переменного напряжения при втором условии n≤0; m≥0 соотношения показателей режимов по базовой формуле
2
2
где n, m - показатели режимов изменения напряжения и сопротивления;
0-2
I - начальная сила тока при втором условии определяется по формуле
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mn>0</mn><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mn>0</mn><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>0</mn><mo>−</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
0-2
R - начальное сопротивление;
0-2
U - начальное напряжение,
и выбирают участок ВОАх, промежуточный между двумя замеренными участками, измеряют сопротивление устройством его измерения, устанавливают сопротивление на постоянном уровне, а напряжение его устройством изменяют от начала до конца промежуточного участка, после этого измеряют сопротивление, напряжение и определяют электродинамическую силу тока на промежуточном участке по базовой формуле
1
1
где n=1; m=1 показатели режимов изменения напряжения и сопротивления;
ΔU - разность напряжений между замеренными участками;
<mover accent="true"><mi>R</mi><mo>¯</mo></mover>
0-1
0-2
- сопротивление участка, осредненное на участке. После этого на заключительном этапе заявленного способа вычисляют полную электродинамическую силу по итогам измерений приращений по всем участкам ВОАх, при этом одновременно используются как начальные значения I тока на первом участке ВОАх, так и значение используемое I на втором участке ВОАх по базовой формуле
где I - полная электродинамическая сила тока;
∑Δ - соответственно индекс суммы приращения тока;
I, II - индекс первого, второго соотношения у показателей режимов напряжения и сопротивления цепи.
Наличие причинно-следственных связей между начальным значением силы тока и техническим результатом подтверждается тем, что величина переменной силы тока складывается из начального и текущего значения, поэтому учет начальной величины тока повышает достоверность определения ее величины при каждом замере и позволяет получить заявленный технический результат. Наличие причинно-следственной связи между нелинейным характером изменения силы тока от напряжения и от сопротивления цепи и техническим результатом подтверждается различным механизмом протекания тока в металлах, жидкостях, газах и плазме по причине разного физико-химического состава токопроводящих материалов (неоднородности среды, недостаточной эмиссии, наличием барьерных порогов в проводниках, разной температуры и др). Известный способ основан на линейном законе, который написан Омом для чистых металлов в виде прямой пропорциональности между силой тока и обратной пропорциональности между силой тока и сопротивлением, поэтому при переменном сопротивлении проводника линейный закон не выполняется, так как дает недостоверные результаты величины силы тока. Предлагаемый способ учитывает нелинейные показатели режимов изменения напряжения и сопротивления, которые позволяют определять силу тока при постоянном начальном напряжении и переменном сопротивлении цепи. Заявленный динамический способ является более общим по сравнению с известным статическим способом, поскольку из математического выражения базовой формулы предложенного способа при переменном значении напряжения и постоянном сопротивлении цепи как частный вид следует известное линейное математическое выражение связи силы тока с напряжением при постоянном сопротивлении.
Таким путем учет нелинейности изменения напряжения и сопротивления цепи позволяет повысить достоверность определения силы тока и получить требуемый технический результат. Наличие причинно-следственной связи между зависимостью силы тока от соотношения знаков у величин показателей режима напряжения, сопротивления и техническим результатом подтверждается различным влиянием напряжения и сопротивления цепи на величину силы тока ввиду их разной физической природы. Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления характеризует величина скорости их изменения, которая определяет их вид, знак, величину и силу тока, что видно из ВАх различных материалов. Например, в металлах наблюдается ток, изменяющийся во времени линейно и нелинейно, в электролитах - ток стабилизации, насыщения, самостоятельного разряда и затухания, в диодах - ток, создаваемый неоновыми и основными зарядами, в вакууме - ток линейный, промежуточный и насыщения, которым соответствуют разные виды ВАх в известном способе. В отличие от известного предлагаемый способ включает в себя еще характеристику сопротивления в виде ВОАх. Поэтому учет зависимости изменения тока во времени одновременно от напряжения и сопротивления с учетом ВОАх позволяет получить требуемый технический результат.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1. показана схема неразветвленной электрической цепи. Позиции на чертеже обозначают: объект использования тока - 1; электрическая цепь - 2; электролизер - 3; электролит - 4; электроды - 5; площадь сечения электродов - 6; расстояние между электродами - 7; выключатель тока - 8; устройство изменения сопротивления для деления напряжения в цепи - 9; амперметр - 10; вольтметр - 11; устройство изменения напряжения - 12; цифровой термометр - 13. На фиг.2.показана ВОАх цепи. Позиции на чертеже обозначают: сила тока - 14; напряжение - 15; сопротивление - 16; участок с различной зависимостью силы тока от напряжения и от сопротивления - 17; участок с одинаковой зависимостью силы тока от напряжения и от сопротивления - 18; промежуточный участок - 19Предлагаемый способ заключается в том, что для определения электродинамической силы тока в цепи выбирают объект 1 использования тока, монтируют в объекте электрическую цепь 2, состоящую из электролизера 3, заливают в него электролит 4 с возможностью изменения его концентрации, располагают в нем два электрода 5 из заданного материала, измеряют: объем, площадь сечения 6, расстояния 7 между электродами, с возможностью их изменения, устанавливают в цепь выключатель тока 8, устанавливают в цепь устройство изменения сопротивления 9, включают в цепь амперметр 10, вольтметр 11, после этого дополнительно устанавливают в цепь устройство изменения напряжения 12, устанавливают между электродами датчик теплового термометра 13 и подают в цепь напряжение, измеряют время стабилизации напряжения и силы тока, измеряют заданное напряжение и заданную силу тока в цепи, определяют заданное сопротивление цепи при каждом замере, измеряют заданную температуру электролита между электродами. После этого определяют возможные предельные отклонения от заданных значений напряжения, силы тока, сопротивления и температуры электролита.
При наличии отклонений от заданных значений напряжения, силы тока, сопротивления и температуры устанавливают устройством изменения сопротивления минимальное значение напряжения - при дальнейшем его увеличении до максимального значения, или устанавливают максимальное значение напряжения - при дальнейшем его снижении до минимального значения, после этого измеряют напряжение от одного до другого предельного значения, измеряют время между замерами, одновременно измеряют силу тока, определяют сопротивление цепи и замеряют температуру электролита. После этого строят комплексный график зависимости силы тока от одновременного изменения напряжения и сопротивления цепи, т.е. вольт-омо-амперную характеристику (ВОАх), определяют вид характера и знаки зависимости силы тока 14 от напряжения 15 и сопротивления 16, измеряют время в течение всего периода замеров. Затем выбирают участок ВОАх 17 с различным характером по знаку зависимости силы тока от напряжения и сопротивления между точками замера. После этого определяют для участка величину показателя, знак режима изменения напряжения и начальную его величину. Затем определяют величину показателя, знак режима изменения сопротивления и начальную его величину. Затем определяют начальную величину силы тока, учитывают знаки показателей режимов и определяют электродинамическую силу тока участка при положительной зависимости силы тока от переменного напряжения и отрицательной зависимости силы тока от переменного сопротивления, при первом условии соотношения показателей их режимов по базовой формуле.
И выбирают участок ВОАх 18 с одинаковым характером по знаку зависимости силы тока от напряжения и от сопротивления между точками замера.
После этого определяют для участка величину показателя и знак режима изменения напряжения, начальную величину напряжения, затем определяют величину показателя и знак режима изменения сопротивления и начальную его величину, затем определяют начальную величину силы тока, учитывают знаки показателей режимов и определяют электродинамическую силу тока участка 18 при положительной по знаку зависимости величины силы тока от переменного сопротивления и отрицательной зависимости силы тока от переменного напряжения при втором условии соотношения показателей режимов по базовой формуле.
И выбирают участок ВОАх 19 промежуточный между двумя замеренными участками, измеряют сопротивление устройством его изменения, устанавливают сопротивление на постоянном, а напряжение его устройством изменяют от начала до конца промежуточного участка, после этого измеряют сопротивление, напряжение и определяют электродинамическую силу тока на промежуточном участке по базовой формуле.
Затем измеряют величины приращений динамической силы тока на заключительном этапе, по всем участкам ВОАх 17, 18, 19 в течение всего периода времени и определяют полную силу тока по формуле.
Замеры параметров в указанных пунктах производят следующими приборами и устройствами: мерной емкостью измерялся объем жидкости электролита; аналитическими весами - масса поваренной соли; мерной рулеткой и микрометром - расстояние между электродами и размеры электродов; устройством изменения сопротивлением изменялось сопротивление, а устройством изменения напряжения изменялось напряжение в цепи; секундомером - время между замерами; цифровым термометром измерялась температура электролита и среды; амперметром - сила тока, вольтметром - напряжение.
Технический эффект, возникающий от совокупности существенных отличительных признаков, сводится к следующему: учет начальной величины силы тока в цепи позволяет прогнозировать изменение силы тока и таким путем сократить объем промежуточных замеров, повысить достоверность определения силы тока в цепи путем учета начальной составляющий силы тока в общей ее величине в отличие от известного способа, который позволяет определять только общие и только текущие значения силы тока и не дает достоверных результатов. Учет связи силы тока с переменным напряжением и переменным сопротивлением позволяет определять переменное сопротивление цепи и таким путем регулировать его для повышения безопасности работ и повышения эффективности использования тока в шахте. Кроме того, учет связи силы тока одновременно с напряжением и сопротивлением повышает наше представление о том, что сила тока не всегда прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению, а только в частном случае - при постоянном сопротивлении. При переменном сопротивлении цепи сила тока не прямо пропорциональна напряжению, что наглядно показано на примере предложенной базовой формулы, ее вариантов и графического их выражения в виде ВОАх, по сравнению с известной ВАх. Учет нелинейного характера изменения напряжения и сопротивления в предлагаемом способе позволяет повысить в 2 и более раз достоверность определения силы тока в заземляющей сети и предотвращать травматизм, взрывы и пожары в шахте. Учет изменения силы тока во времени позволяет повысить достоверность ее расхода и таким путем изменить расход электроэнергии и улучшить экономические показатели работы шахты.
В предложенном способе имеются параметры, содержащие пределы количественных значений, которые нормируются правилами в шахтах. Например, в неопасных выработках шахты защитное заземление необходимо применять при напряжении постоянного и переменного тока при 380 В и 440 В, а в помещениях и выработках с повышенной опасностью газовой и пылевой среды соответственно при 42 В и 110 В. При этом электрическое сопротивление общешахтной сети не должно превышать 2 Ом. При силе тока всего 1 мА уже ощущается действие тока на человека, при 10 мА ощущается боль, а при совершенно незначительной силе тока всего 100 мА через несколько секунд наступает смерть. В последние годы гибель горняков от электрического тока возросла в связи с повышением энерговооруженности техники в десятки раз по сравнению с ранее применявшейся. Предложенный способ позволяет определять силу тока при переменном напряжении и сопротивлении и в более широком диапазоне параметров и достигать технический результат.
3
Примером применения предлагаемого способа может служить определение динамической силы тока при переменном напряжении и сопротивлении электрической цепи в жидкой среде, широко применяемой на шахтах. Для осуществления способа выбирался объект использования 1 электрического тока, монтировалась в нем электрическая цепь 2, включающая электролизер 3, заливался в него электролит 4 с концентрацией C=0.2 кг/л, затем помещались в электролит два медных электрода 5, измерялся объем, площадь сечения каждого электрода 6 S=0.000125 м, измерялось расстояние 7 между электродами l=0.015 м, устанавливался в цепь выключатель 8 тока, устанавливалось в цепь устройство изменения сопротивления 9, включался в цепь амперметр 10, вольтметр 11.
з
з
з
з
з
После этого дополнительно устанавливалось в цепь устройство изменения напряжения 12, устанавливался между электродами цифровой термометр 13. Затем подавалось в цепь напряжение, измерялось время, измерялось заданное напряжение U=150 мВ, измерялась заданная сила тока I=149 мкА, определялось заданное сопротивление R=1.006 кОм, измерялась заданная температура электролита T=23,4°C между электродами. После этого определялись возможные предельные отклонения от замеренных значений заданного напряжения U=+500 мВ, заданной силы тока ΔI=+2231 мкА заданного сопротивления ΔR=-0.578 кОм и заданной температуры ΔT=+2°C
min
max
min
max
При наличии отклонений напряжения, сопротивления и температуры от заданных значений устанавливалось устройством изменения сопротивления в цепи минимальное U=150 м 1 напряжение - при дальнейшем его увеличении до U=1000 мВ максимального значения одновременно устанавливалась минимальная сила тока I=149 мкА в цепи - при дальнейшем ее увеличении до максимального значения I=2300 мкА. После этого увеличивалось напряжение от минимального до максимального значения, одновременно увеличивалась сила тока от минимального до максимального значения, определялось сопротивление при каждом замере, изменялась температура от минимальной до максимальной величины, измерялось время в течение всего периода замеров t=51 мин
После этого строилась ВОАх, определялся вид характера и знаки Зависимости силы тока 14 от напряжения 15 и сопротивления 16 в течение всего периода замеров.
1
1
1
2
2
1
0
1
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><msup><mi>R</mi><mi>x</mi></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>ln</mi><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>ln</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>831</mn></mrow><mrow><msup><mi>R</mi><mrow><mn>0.24</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>ln</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><mi>ln</mi><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow>
Дополнительно поясняется, что в примерах реализации способа показатели степени (n) и (m) изменения напряжения и сопротивления определялись по известной методике в уровне техники путем логарифмирования размерных степенных величин напряжения lnU сопротивления lnR между точками замера. Сущность методики показана на примере участка 17 при определении показателя степени m в зависимости напряжения от сопротивления, при которой: устанавливают вид степенной зависимости между признаками
, выделяют два неизвестных x и C, затем измеряют на участке две пары U, R, U, R составляют два уравнения с двумя неизвестными, логарифмируют размерные признаки и получают систему из двух уравнений, решают уравнения относительно
, определяют искомые величин m=0,24 и U=831, получают искомое выражение
, которое позволяет определять величину m в каждой точке замера логарифмированием размерных величин напряжения и сопротивления в виде
.
1
Аналогично определяют показатель степени n в участке 17 и показатели степени в участке 18.
1
0
1
0
0
11
-11
На основе методики далее выбирался на ВОАх участок 17 с различным характером зависимости силы тока от напряжения и от сопротивления цепи, определялся для данного участка показатель режима изменения напряжения, n=4.03, определялась начальная величина напряжени U=831, одновременно определялся показатель режима изменения сопротивления m=0.24, определялась начальная величина сопротивления R=6·10, определялась начальная величина силы тока I=138·10 и определялась электродинамическая сила участка ВОАх 17 при первом условии соотношения показателей режимов n≥0, m≤0, при положительной зависимости силы тока от напряжения и отрицательной зависимости силы тока от сопротивления по базовой формуле
и выбирался участок ВОАх 18 с одинаковым характером по знаку зависимости силы тока от напряжения и сопротивления между точками замера, затем определялись показатели режима изменения силы тока от напряжения и сопротивления, определялась начальная сила тока и определялась электродинамическая сила участка замера при положительной зависимости силы тока от переменного сопротивления и отрицательной зависимости силы тока от переменного напряжения по базовой формуле
и выбирался участок ВОАх 19 - промежуточный между участками 17 и 18 при первом условии соотношения показателей режимов - при положительной зависимости силы тока от переменного напряжения и отрицательной зависимости силы тока от постоянного осредненного сопротивления и определялась электродинамическая сила тока по базовой формуле
После этого измерялись величины приращений динамической силы по каждому участку ВОАх при первом и втором условии соотношений величин показателей режимов напряжения и сопротивления участков ВОАх соответственно 17, 19 и 18, затем суммировались приращения и определялась полная электродинамическая сила тока при переменном напряжении и сопротивлении цепи по формуле