Устройство генерирования электрических искр заданной энергии для калибровки фоторегистрирующей аппаратуры
DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC SPARKS OF A GIVEN ENERGY FOR CALIBRATION OF PHOTO-RECORDING EQUIPMENT

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области контроля и испытаний систем летательных аппаратов (ЛА), содержащих топливовоздушную смесь, на стойкость к воздействию разрядов молнии.
Оборудование топливной системы, такое как крышки заправочных горловин и магнитные индикаторы уровня жидкости, требуют проверки, подтверждающей, что это оборудование не создает источников воспламенения с энергией, равной или превышающей 200 мкДж.
Предлагаемое устройство относится к области искровой техники и может быть использовано в области испытаний топливных систем ЛА, содержащих топливовоздушные смеси, воспламенение которых возможно при возникновении искр с энергией 200 мкДж (п.7.7.1.1 SAE ARP5416A «Методы испытаний летательных аппаратов на молниестойкость») и более при ударе молнии в ЛА, а также для настройки фоторегистрирующей аппаратуры на источники светимости малой энергии.
2. Уровень техники
Испытания оборудования топливной системы на стойкость к воздействию тока молнии проводят с целью обнаружения источников воспламенения с энергией 200 мкДж и более.
Источники воспламенения регистрируются методом фотографирования.
С целью проверки чувствительности фотоаппаратуры (способности зарегистрировать искру с энергией 200 мкДж) необходимо устройство (генератор), обеспечивающее формирование однократной искры энергией 200 мкДж.
k
2
Известно устройство, описанное в патенте CN 107355817 A «Низкоэнергетический способ генерации однократной электрической искры», суть которого заключается в предварительном определении напряжения пробоя искрового промежутка при зарядке конденсатора емкостью 10-50 пФ через резистор сопротивлением от 10-100 МОм. После определения напряжения пробоя подбирается емкость конденсатора для обеспечения необходимой энергии искры (W=1/2 CU). После этого зарядная цепь переключается на резистор сопротивлением 1-10 ГОм, подымается напряжение источника напряжения до пробоя искрового промежутка. Ток, возникающий в цепи искрового пробоя, регистрируется датчиком тока, подключенным к разъему цифрового осциллографа, находящимся в режиме однократного запуска на скорости развертки порядка 10-20 нс/дел, что позволяет зарегистрировать форму сигнала тока. Сигнал с цифрового осциллографа подается на плату управления реле, отключающего от сети источник напряжения за время не более 1 мс для предотвращения возникновения повторной искры.
Данное устройство имеет следующие недостатки:
- Не учитывается то, что после отключения источника высокого напряжения от сети энергия, запасенная в источнике высокого напряжения, которое существенно выше напряжения, имевшего место при определении напряжении пробоя разрядного промежутка, будет расходована на повторную зарядку конденсатора и повторный пробой. Кроме того, при отключении контактов реле постоянного тока ток может обрываться в течение нескольких миллисекунд, при этом источник высокого напряжения может зарядить конденсатор до напряжения пробоя и возбудить повторную искру. В обоих случаях цифровой осциллограф, настроенный на однократное срабатывание, этот повторный пробой не зафиксирует.
- При увеличении влажности в помещении сопротивление 1-10 ГОм может оказаться неспособным предотвратить повторный пробой искрового промежутка.
- Необходимость применения цифрового осциллографа, токового пробника, ступенчатой платы управления, реле постоянного тока излишне усложняет процедуру получения искры с заданной энергией.
Применение такого устройства при калибровке фоторегистрирующей аппаратуры не исключает ошибки за счет возникновения повторной искры.
Известно устройство, описанное в патенте US 4916401 A «Способ и устройство для испытания крепежных изделий на искрение».
Данное устройство содержит светонепроницаемую камеру с фотоаппаратом, настроенным на регистрацию искр на внутренней стороне светонепроницаемой камеры, на которой установлены исследуемые элементы конструкции ЛА, обращенной к фотоаппарату. В данном устройстве происходит регистрация возникновения искр при протекании испытательного тока по элементам конструкции.
Вопросы калибровки фоторегистрирующей аппаратуры на способность регистрировать источники света с энергией 200 мкДж в данном патенте не рассматриваются.
Известно устройство, описанное в патенте RU 2579435 C1 «Способ контроля систем зажигания газотурбинных двигателей», относящееся к технике поджига горючих смесей и к системам зажигания.
Устройство состоит из свечи зажигания, агрегата поджига электрической искры, фотодатчика, определяющего уровень светового потока искры зажигания, цифрового осциллографа, регистрирующего показания с датчиков тока и напряжения, и длительность существования искры (плазмы). С помощью фотоаппарата и видеокамеры (с последующей раскадровкой) получают изображение искры. По данным фотодатчика, датчика тока и напряжения сравнивают эффективность поджига свечей зажигания разных типов и делают вывод о пригодности системы зажигания. При этом речь идет об уровнях энергии порядка 1 Дж и выше.
Недостатком данного устройства является его работа только со свечами зажигания, работа с уровнями энергий искры, на 4 порядка превышающих искры с энергиями 200 мкДж, и не рассматривается вопрос возбуждения однократной искры в искровом промежутке.
За прототип принимается устройство «Источник искры для воспламенения с регулируемой энергией» (SAE ARP5416A «Методы испытаний летательных аппаратов на молниестойкость», KT-160G (раздел 23 «Прямое воздействие молнии»)), состоящее из источника питания постоянным током с регулируемой величиной напряжения, вакуумного конденсатора с регулируемой емкостью, искрового промежутка, зарядного (150 ГОм) и разделительных резисторов (50 МОм), электростатического вольтметра и источника коронного разряда.
Схема устройства приведена на фиг. 1.
Принцип работы данного устройства состоит в следующем.
От регулируемого источника постоянного напряжения (1) через зарядное сопротивление (2) заряжается вакуумный конденсатор с регулируемой емкостью (5). Величина зарядного сопротивления (2) принимается такой, чтобы постоянная времени заряда конденсатора (5) составляла несколько секунд для предотвращения возникновения множественных разрядов в искровом промежутке (6). Напряжение разряда в искровом промежутке (6) измеряется электростатическим вольтметром (4). Разделительные резисторы (3) между искровым промежутком (6) и землей служат для того, чтобы только энергия, запасенная в вакуумном конденсаторе (5), поступала в искровой промежуток (6). Также используется источник коронного разряда (7) для обеспечения постоянства пробивного напряжения в искровом промежутке (6).
Недостатками этого технического решения являются использование в зарядной цепи резистора с номиналом 150 ГОм, возбуждение искрового пробоя увеличением напряжения источника питания и возбуждение коронного разряда в зоне искрового пробоя.
Постоянная времени зарядки конденсатора, емкость которого составляет 10 пФ, при сопротивлении 150 ГОм, составит 1,5 секунды. При регистрации искры время экспозиции фотоаппарата устанавливается на бесконечность, то есть существенно больше 1,5 секунд. Поэтому не исключается повторная зарядка конденсатора и повторный пробой искрового промежутка, что приведет к неправильным результатам испытаний при использовании метода фотографирования. Кроме того, реализация сопротивления 150 ГОм чрезвычайно затруднена, так как на этот резистор сильно влияет относительная влажность воздуха. Отсюда, время зарядки конденсатора может оказаться существенно меньше 1,5 секунд. Синхронизация фотоаппарата с малым временем экспозиции с временем возникновения искры практически невозможна.
Значение напряжения при заряде конденсатора, при котором возникнет искра в искровом промежутке, подвержено существенному статистическому разбросу, что также может приводить к недостоверным результатам.
Коронный разряд является слабым источником света. Однако, при длительной экспозиции он будет восприниматься фотоаппаратом как основная искра, возбуждение которой не производилось.
Предлагаемое устройство генерации электрической искры лишено указанных недостатков, потому что:
- устраняет возможность возникновения и регистрации повторной искры;
-устраняет необходимость применения резисторов с трудно выполняемыми номиналами;
- напряжение, до которого заряжается рабочий конденсатор с воздушной изоляцией между обкладками и, следовательно, полученная энергия, не подвержены статистическому разбросу, так как накопительный конденсатор имеет емкость не менее чем на 2 порядка выше емкости рабочего конденсатора с воздушной изоляцией между обкладками и заряжается от зарядного устройства до напряжения, существенно превышающего напряжение пробоя искровых промежутков;
- простое в исполнении, не требующее сложной измерительной аппаратуры.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании однократной искры с энергией 200 мкДж для калибровки фоторегистрирующей аппаратуры на источник со столь малой энергией светимости.
Этот технический результат достигается за счет того, что устройство генерирования электрических искр для калибровки фоторегистрирующей аппаратуры содержит зарядный блок, рабочий конденсатор, статический киловольт- метр, светонепроницаемую камеру и отличается тем, что в устройство введены накопительный конденсатор, электроды, образующие рабочий искровой промежуток для формирования однократной искры, расположенные внутри светонепроницаемой камеры, электроды, образующие идентичный рабочему искровому промежутку вспомогательный искровой промежуток для обеспечения разряда накопительного конденсатора, расположенные вне светонепроницаемой камеры, диэлектрический экран с щелью, выполненный из материала, электрическая прочность которого намного выше электрической прочности воздушного вспомогательного искрового промежутка, толщиной менее длины вспомогательного искрового промежутка и расположенный между электродами, образующими вспомогательный искровой промежуток, перпендикулярно относительно оси вспомогательного искрового промежутка, блок перемещения диэлектрического экрана, щель в котором расположена таким образом, чтобы при перемещении экрана она пересекала вспомогательный промежуток, при этом рабочий конденсатор подключен к одному из электродов, образующих рабочий искровой промежуток, а накопительный конденсатор подключен к одному из электродов, образующих вспомогательный искровой промежуток, и к зарядному блоку, рабочий и вспомогательные искровые промежутки подключены последовательно, причем, емкость рабочего конденсатора составляет 8-10 пФ с возможностью накопления максимальной энергии не более 400 мкДж, а емкость накопительного конденсатора не менее чем на 2 порядка превышает емкость рабочего конденсатора.
Кроме того, устройство отличается тем, что щель диэлектрического экрана расположена перпендикулярно относительно длины экрана и симметрично относительно ширины экрана.
3. Раскрытие сущности изобретения
Сущность изобретения заключается в том, что в процессе возбуждения искрового разряда с энергией 200 мкДж при разряде заряженного до напряжения U накопительного конденсатора, емкость которого не менее чем на 2 порядка выше емкости рабочего конденсатора, во внешней цепи, образованной двумя идентичными искровыми промежутками (рабочим и вспомогательным) и рабочим конденсатором емкостью 8-10 пФ, способным накопить максимальную энергию не более 400 мкДж, выделяется энергия, половина которой расходуется на заряд рабочего конденсатора, а другая - на искровой пробой идентичных друг другу искровых промежутков. Пробой последовательно включенных рабочего и вспомогательного искровых промежутков, сопровождается образованием однократной искры с энергией по 200 мкДж на каждый искровой промежуток. Искра, возникшая в рабочем искровом промежутке, установленном внутри светонепроницаемой камеры, регистрируется фотоаппаратом. Повторному образованию искры препятствует диэлектрический экран, вернувшийся в исходное положение за время 1 мс.
Известно (П.Л. Калантаров, Л.Р. Нейман. «Теоретические основы электротехники. Часть 2. Теория цепей переменного тока». Госэнергоиздат, 1959 - с. 264-265), что при импульсной зарядке конденсатора во внешней цепи выделяется количество теплоты Q численно равное энергии, которую приобрел конденсатор. Определяя по формуле (1) количество теплоты, получим
где i - ток в цепи, А;
С - емкость конденсатора, Ф;
R - сопротивление цепи, Ом;
U- напряжение на конденсаторе, В.
Исходя из формулы (1) можно сделать следующий вывод. Если конденсатор приобрел энергию равную 400 мкДж, то такая же энергия 400 мкДж выделится во внешней цепи в виде тепла. В нашем случае внешняя цепь состоит из проводов, имеющих сопротивление порядка нескольких десятков миллиом, и двух одинаковых искровых промежутков, сопротивление R каждого из которых можно приближенно оценить по эмпирической модели Теплера (Г.А. Месяц. «Импульсная энергетика и электроника». М.: Наука, 2004 - с. 122)
-2
где кт - константа Теплера, характеризующая газ, в котором развивается искра, численно равная 0,5×10 В-сек/м (Е. Kuffel, W.S. Zaengl, J. Kuffel. «High Voltage Engineering Fundamentals. Second Edition». Newnes, 2000 - p. 71-72);
d - длина искрового промежутка, м;
I- величина тока в канале разряда, А;
t - время, сек.
Так, при напряжении заряда 10 кВ, емкости конденсатора 10 пФ и длине искровых промежутков 2-3 мм сопротивление каждого искрового промежутка составит примерно 100-150 Ом. При этом в каждом из них выделяется энергия 200 мкДж. Энергией, выделившейся в проводах, можно пренебречь.
Один из искровых промежутков, установленный в светонепроницаемой камере, является рабочим, искра в котором регистрируется фотокамерой. Второй искровой промежуток, идентичный рабочему, является вспомогательным и обеспечивает равенство энергий в обоих искровых промежутках и включение в работу накопительного конденсатора.
Возбуждение искр в искровых промежутках (включение в работу накопительного конденсатора) обеспечивается перемещением установленного во вспомогательном искровом промежутке диэлектрического экрана, имеющего щель, через которую происходит пробой вспомогательного искрового промежутка, а затем рабочего промежутка. При этом перемещение экрана производится со скоростью, при которой повторное возбуждение искры невозможно за счет того, что промежуток перекрывается диэлектрическим экраном, электрическая прочность которого намного выше электрической прочности щели (воздуха). Время экспозиции фотоаппарата не ограничено. Повторному срабатыванию устройства препятствует получение заряда рабочей емкостью и наличие экрана, перекрывающего вспомогательный искровой промежуток.
Необходимость применения накопительного конденсатора емкостью, не менее чем на 2 порядка выше емкости рабочего конденсатора, объясняется следующим образом.
До пробоя искровых промежутков накопительный конденсатор заряжается до напряжения U, величину которого можно определить по формуле (3)
где q - заряд, Кл;
1
С - емкость накопительного конденсатора, Ф.
1
2
1
После пробоя искровых промежутков, заряд q остается неизменным, суммарная емкость С всей системы складывается из параллельно включенных емкостей накопительного С и рабочего С конденсаторов. При этом рабочий конденсатор заряжается до напряжения U, значение которого определяется формулой (4)
Разделив напряжение рабочего конденсатора на напряжение накопительного конденсатора, получим отношение
Соотношение (5) говорит о том, что, если накопительный конденсатор имеет емкость не менее чем на 2 порядка выше емкости рабочего конденсатора, рабочий конденсатор зарядиться до напряжения U с вероятностью 100%, а значит приобретет энергию 400 мкДж. Этот факт исключает статистический разброс при зарядке рабочего конденсатора и приобретении им энергии 400 мкДж.
Сопротивление утечки изоляции рабочего конденсатора с воздушной изоляцией между обкладками не может быть менее 10 ГОм. При этом постоянная времени разряда конденсатора составит 0,1 с. При времени прохождения щели в диэлектрическом экране через вспомогательный разрядный промежуток за 1 мс повторный пробой через щель невозможен. В дальнейшем возникновению пробоя препятствует диэлектрический экран.
Варьируя величину рабочей емкости и зарядное напряжение, можно генерировать искру необходимой энергии.
4. Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - Источник искры для воспламенения с регулируемой энергией.
1 - регулируемый источник постоянного напряжения;
2 - зарядный резистор сопротивлением 150 ГОм;
3 - разделительный резистор сопротивлением 50 МОм;
4 - электростатический вольтметр;
5 - переменный вакуумный конденсатор;
6 - искровой промежуток;
7 - источник коронного разряда.
Фиг. 2 - Устройство генерирования электрических искр заданной энергии для калибровки фоторегистрирующей аппаратуры.
8 - зарядный блок;
9 - накопительный конденсатор;
10 - статический киловольтметр;
11 - рабочий конденсатор с воздушной изоляцией между обкладками;
12 - светонепроницаемая камера;
13 - фотоаппарат;
14 - рабочий искровой промежуток;
15 - вспомогательный искровой промежуток;
16 - диэлектрический экран;
17 - щель;
18 - блок перемещения диэлектрического экрана.
5. Работа устройства
Фотоаппарат (13), установленный на светонепроницаемой камере (12), фокусируется на рабочий искровой промежуток (14). Время экспозиции устанавливается на бесконечный режим. Диэлектрический экран (16) с щелью (17) с помощью блока перемещения диэлектрического экрана (18) приводится в положение, при котором вспомогательный искровой промежуток (15) разделен сплошной частью диэлектрического экрана (16). Зарядный блок (8) включается, и по показаниям статического киловольтметра (10) устанавливается напряжение U на накопительном конденсаторе (9). Включением блока перемещения диэлектрического экрана (18) диэлектрический экран (16) перемещается со скоростью 1 м/с во вспомогательном искровом промежутке (15) таким образом, чтобы щель (17) размером 1×3 мм пересекла вспомогательный промежуток (15) за время 1 мс. При этом происходит пробой вспомогательного (15) и рабочего (14) искровых промежутков и зарядка рабочего конденсатора с воздушной изоляцией между обкладками (11) до напряжения U.
Дальнейшим перемещением диэлектрического экрана (16) блоком (18) перекрывается вспомогательный искровой промежуток (15). Диэлектрический экран (16) во вспомогательном искровом промежутке (15), а также заряженный до напряжения U рабочий конденсатор с воздушной изоляцией между обкладками (11) делают невозможным повторение пробоя искровых промежутков (14) и (15). Затвор фотоаппарата (13) закрывается, и на этом заканчиваются процедура возбуждения искрового разряда в искровых промежутках (14) и (15) и фиксация искры в рабочем искровом промежутке (14).
6. Осуществление устройства (пример реализации)
Примером реализации устройства генерирования электрических искр заданной энергии может служить построение устройства на основе высоковольтного зарядного блока (8) (аппарата высоковольтного испытательного СКАТ-70), накопительного конденсатора (9) (конденсатора ИК-100-1,2), статического киловольтметра (10) (киловольтметра С-196), рабочего конденсатора с воздушной изоляцией между обкладками (11) (плоского воздушного конденсатора с обкладками площадью и расстоянием между ними, обеспечивающими емкость конденсатора порядка 8 пФ), фотоаппарата (13) (Canon 550D), закрепленного в отверстии стенки светонепроницаемой камеры (12) и направленного на противоположную внутреннюю стенку светонепроницаемой камеры (12), на которой установлены два электрода (не показаны на фиг. 2) сечением 1-3 мм малого радиуса кривизны, образующих рабочий искровой промежуток (14) длиной 2-3 мм, вспомогательного искрового промежутка (15), образованного электродами (не показаны на фиг. 2) сечением 1-3 мм малого радиуса кривизны, в пространстве которого установлен диэлектрический экран (16), выполненный в виде стеклотекстолитовой плоскости размером 80×30×2 мм, имеющий щель (прорезь) (17) размером 1×3 мм и снабженный блоком перемещения (18), благодаря которому осуществляется поступательное движение диэлектрического экрана (16) со скоростью 1 м/с во вспомогательном искровом промежутке (15).
При пробое вспомогательного (15) и рабочего (14) промежутков выделяется энергия, половина которой расходуется на заряд рабочего конденсатора (11) емкостью 8 пФ, другая половина - на пробой рабочего (14) и вспомогательного (15) искровых промежутков. Рабочий конденсатор (11) заряжается до энергии 400 мкДж, а в рабочем (14) и вспомогательном (15) искровых промежутках выделяется энергия по 200 мкДж на каждый искровой промежуток, после чего вспомогательный искровой промежуток (15) закрывается диэлектрическим экраном (16).
Таким образом, обеспечивается образование однократной искры энергией 200 мкДж в рабочем искровом промежутке и настройка фотоаппарата.