Исследование электрических характеристик высоковольтного разряда в жидкометаллических средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Исследование электрических характеристик высоковольтного разряда

в жидкометаллических средах»

Содержание

1. Особенности протекания импульсного тока в газах, жидкостях, твердых телах, металлических расплавах

1.1 Особенности протекания импульсного тока в газах

1.1.1 Механизм электропроводности газов

1.1.2 Основные виды газовых разрядов

1.1.3 Прохождение тока в газах при электроимпульсных воздействиях

1.2 Особенности протекания импульсного тока в твердых телах (диэлектриках)

1.3 Особенности протекания импульсного тока в жидкости

1.3.1 Механизм протекания импульсного тока в молекулярных жидкостях

1.3.2 Общие положения импульсного разряда (пробоя) в жидкости

1.4 Расплавы

1.5 Выводы и постановка задач исследований

2. Экспериментальные исследования электрических характеристик разряда емкостного накопителя на жидкий металл

2.1 Методика проведения испытаний

2.1.1 Идея предполагаемых исследовании

2.1.2 Экспериментальный стенд

Проведение эксперимента

2.1.3 Варианты технологических схем высоковольтной электроимпульсной обработки расплава.

2.2 Средства и методы измерений

2.2.1 Разрядная цепь простейшего емкостного накопителя

2.2.2 Измерительные шунты

2.2.3 Пояса Роговского

2.2.4 Измерение импульсных напряжений с помощью делителей и катодных осциллографов

2.2.5 Измерительный кабель

Выводы

Перечень ссылок

1. Особенности протекания импульсного тока в газах, жидкостях, твердых телах, металлических расплавах

1.1 Особенности протекания импульсного тока в газах

1.1.1 Механизм электропроводности газов

При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах. Необходимо отметить, что основными носителями заряда в газе являются ионы.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов и расплавов электролитов.

1.1.2 Основные виды газовых разрядов

Процесс замыкания межэлектродного газонаполненного промежутка называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом. Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Поэтому ионизатор теперь можно убрать.

1.1.3 Прохождение тока в газах при электроимпульсных воздействиях

При импульсном пробое газов к электродам прикладывается импульс напряжения, причем в идеализированном случае длительность фронта импульса должно быть намного меньше, чем время развития пробоя. Перенапряжение в значительной степени определяет механизм пробоя. В зависимости от условий нарастания числа носителей в одиночной электронной лавине разряд может развиваться по таунсендовскому либо по стриммерному механизму.

Наиболее полно в настоящее время изучен таунсендовский механизм пробоя в азоте и водороде при давлениях в несколько сотен торр начальных напряжениях в десятки киловольт и максимальных токах до сотен ампер. Для наиболее часто применяемых в экспериментах газом (азот, водород, кислород, метан) разряд развивается по стримерному механизму, начиная с перенапряжений 15--20%.

1.2 Особенности протекания импульсного тока в твердых телах (диэлектриках)

Исследования пробоя твердых диэлектриков по своему объему значительно превышают исследования всех других видов диэлектриков, что обусловлено более широким применением твердых диэлектриков.

При малых межэлектродных зазорах (прокодник-диэлектрик-проводник) напряженность поля пробоя резко нарастает с уменьшением зазора. Современные экспериментальные данные по пробою специально выращенных бездефектных пленок показывают, что пробивная напряженность в субмикронных зазорах может доходить до 100 МВ/см.

Зависимость от площади - чисто эмпирическая. Иногда считают, что напряжение пробоя зависит не от площади, а от объема диэлектрика, где сосредоточено электрическое поле. Электрическая прочность в наносекундном диапазоне может превышать 10 МВ/см.

При электрическом пробое твердых диэлектриков считается, что электроны могут вырываться из электродов или из молекул примесей, например путем туннельного эффекта за счет действия сильного электрического поля, или путем термоионизации примесей и попадают в зону проводимости. При электрическом пробое диэлектрика основными носителями тока, как и в газах, являются ионы.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, микротрещин, проводящих микровключений, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик”. Они возникают в процессе изготовления электроизоляционной конструкции, хотя в ряде случаев могут образоваться и в процессе эксплуатации, например в результате вибрации, или механических напряжений. Наличие пор и, связанное с ними возникновение ионизационных явлений, является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, т.н. старения диэлектриков.

Для загрязненных, либо недостаточно очищенных диэлектриков, а также для полупроводников и резистивных материалов, механизм пробоя связан с процессами электропроводности и нагревания материалов

1.3 Особенности протекания импульсного тока в жидкости

1.3.1 Механизм протекания импульсного тока в молекулярных жидкостях

Жидкости по своей природе бывают атомарные и молекулярные. Атомарные жидкости - это металлические расплавы. Молекулярные жидкости это - вода, электролиты, расплавы солей, электролитов. Они бывают сильно- и слабопроводящие.

Основными носителями тока в таких жидкостях являются ионы самой жидкости и ионы примесей. Механизм протекания импульсного электрического тока в молекулярных жидкостях вначале считался аналогичным механизму протекания электротока в газах, считая жидкость плотным газом. Это основывалось на схожести картины разряда и на некоторой схожести разрядных зависимостей. В жидкости, кроме особо чистых сжиженных благородных газов, свободные электроны не могут существовать. При попадании свободных электронов в жидкость они сначала сольватируются, затем прилипают к нейтральным молекулам, образуя тем самым, отрицательные ионы. Поэтому понятие длины свободного пробега для жидкости невозможно ввести. В реальных условиях на электрическую прочность жидкости влияет множество факторов, как, например, давление, температура, величина межэлектродного зазора, напряженности электрического поля, величины приложенного напряжения и т.д.

1.3.2 Общие положения импульсного разряда (пробоя) в жидкости

При превышении некой критической величины напряженности электрического поля (пробивной) напряженности происходит явление инициирования разряда в жидкости. Под инициированием разряда понимается процесс создания в жидкости токопроводящего канала, замыкающего межэлектродный промежуток. В основе этого процесса могут лежать различные физические явления. Основным среди них является пробой жидкости под действием приложенного к электродам напряжения. При достаточно больших напряженностях электрического поля пробой жидкости подобно пробою газа характеризуется образованием лидеров, которые развиваются от одного электрода к другому. При малых напряженностях поля и в жидкостях, обладающих достаточно большой проводимостью, между электродами вначале образуется газовая полость, по которой затем происходит электрический пробой.

Кроме этих явлений для инициирования разряда могут применяться и другие способы, например, испарение металлических проволочек, которыми предварительно замыкаются электроды. Для инициирования разряда может применяться предварительный пробой межэлектродного промежутка под действием высокого напряжения от вспомогательного источника, а также пробой по газовому пузырьку, искусственно образованному между электродами.

Разнообразие способов инициирования разрядов вызывается потребностью создавать разряды в различных условиях, а именно: при различных начальных рабочих напряжениях, в жидкостях с разной проводимостью и под разным гидростатическим давлением, а также потребностью формировать каналы разрядов с различными параметрами. Последнее важно для согласования сопротивления канала с сопротивлением подводящей цепи, чтобы сделать несущественными потери при передаче энергии от конденсатора в канал [10,11].

Для пробоя жидкостей существуют специфические зависимости электрической прочности от наличия примесей. В принципе увеличение количества таких примесей, как механические твердые частицы, пузырьки, примеси, увеличивающие электропроводность приводит к уменьшению электрической прочности. Зачастую электрическая прочность является не физической характеристикой жидкости, а технологической характеристикой жидкости и способа ее приготовления [10].

Наиболее очевидной представляется гипотеза об ударной ионизации электронами молекул жидкости. На основе этой гипотезы разработан ряд моделей пробоя, позволяющих оценить электрическую прочность жидкостей и даже предсказать характер изменения электрической прочности с разветвлением структуры молекул. Подбор параметров дает возможность получить значения электрической прочности E_пр, близкие к экспериментальным данным. Однако при слабых изменениях внешних условий: температуры Т, давления Р, длительности импульса t теоретические оценки существенно расходятся с экспериментом. Согласно моделям E_пр является характеристикой жидкости и не зависит от Т и Р, тогда как в эксперименте E_пр может изменяться в несколько раз при изменении температуры и давления. Столь явное расхождение требует учета других процессов, зависящих от внешних условий.

Появление моделей, связанных с зарождением в жидкости парогазовой фазы, позволило объяснить на качественном уровне ряд зависимостей. Критерии пробоя основаны на создании условий для появления пузырьков за счет кипения жидкости при протекании тока, либо за счет кавитации под действием электростатических или кулоновских сил. Принципиальными недостатками моделей являются несоответствие эксперименту расчетных зависимостей E_пр(t,P). Расчетная электрическая прочность оказывается одинаковой для импульсов любой длительности, что противоречит практике. Согласно экспериментальным данным E_пр(t) в микро- и субмикро-секундном диапазоне меняется как t ^-(1/3-1/5). Что касается давления, то в моделях зависимость Е(P)~P^1/2, что значительно расходится с экспериментом [11].

Е(P) ~ P ^(1/6-1/8) 1.3.3

Модель развития предпробивных процессов можно представить следующим образом. Под действием электрического поля на пузырьки, заранее существующие в жидкости, в них возникают ионизационные процессы (частичные разряды) после достижении на их размере падения напряжения U_p. После разряда поле в пузырьке уменьшается вследствие экранирования осевшими зарядами внешнего поля, что вызывает ослабление, либо прекращение ионизационных процессов. Действие электрического поля на осевший заряд приводит к движению стенки пузырька и его вытягиванию вдоль поля, а также к продвижению заряда вглубь жидкости со скоростью, определяемой подвижностью носителей заряда. При этом возможны две ситуации: поддержание разряда в виде “тлеющего разряда”, либо прекращение разряда. В первом случае на пузырьке поддерживается некоторое напряжение, по-видимому, соответствующее закону Пашена.

Поскольку коэффициент ударной ионизации зависит от напряженности поля, длины свободного пробега, а следовательно и давления из условия самостоятельности можно получить зависимость разрядного напряжения от внешних факторов - закон (кривую) Пашена. В виде U = f(pd) или E/p = F(pd)

Здесь р - давление в газе, d - межэлектродный промежуток. Характерная кривая для пробоя приведена на рис.9.2. Она имеет минимум, значение которого и положение зависят от типа газа или жидкости. Например для воздуха минимум пробивного напряжения составляет 300 В и он достигается вблизи pd~1 ПаЧм.

Рис.3.1. Кривая Пашена для лавинного пробоя воздушного промежутка.

В последнем случае напряжение на пузырьке растет, что ведет к повторному частичному разряду и движению в жидкости новой волны зарядов. Определяющий параметр - давление на стенку пузырька, обусловлен действием кулоновских сил на инжектированный заряд и ростом давления в пузырьке за счет нагрева газа в нем. Зажигание разряда в жидкости произойдет тогда, когда напряженность поля в жидкости, вблизи полюса пузырька, достигнет критического значения. Пробой произойдет после пересечения промежутка каналом разряда. Эта модель позволяет, полуколичественно, объяснить практически все экспериментальные зависимости: от давления, от температуры, от вязкости, от длительности воздействующего импульса (рис.1.3.1) и т.д [11].

Рис.3.2 Расчетная (пузырьковая модель) и эмпирическая зависимости предпробивного времени от напряженности поля.

1.4 Расплавы

Расплавы являются металлическими жидкостями с электронной проводимостью. Доля электрического тока, переносимого ионами в жидких металлах не значительна, не превышает 10^-4. Для металлов, применяемых в литейном производстве (Al, Cu, Fe и др.) удельная проводимость при комнатной температуре составляет от 10 до 60 МСм/м. Переход металла из твердого состояния в жидкое сопровождается некоторым изменением электрических свойств, а именно, при плавлении удельное электросопротивление большинства металлов скачкообразно увеличивается от 1,5 до 2 раз в связи с нарушением дальнего упорядочения структуры, что было учтено в дальнейших расчетах.

При приложении импульсного электрического тока к электродам, опущенным в расплав на некотором расстоянии друг от друга, происходит резкое увеличение разности потенциалов между ними, что ведет за собой образование электронной лавины, подобной электронной лавине в газе. Линии тока при прохождении импульсного электрического тока имеют такое же направление, как и при прохождении через расплав постоянного электрического тока. Однако при прохождении импульса тока в колебательном режиме вектор плотности тока каждую четверть периода меняет свой знак на противоположный. Также при прохождении импульса тока в расплаве существенное влияние на распределение плотности тока, магнитного поля, поля электро- и гидродинамических сил будет иметь скин-эффект. В течение начального отрезка времени, которое не превышает 1/3 полупериода разрядного тока, действию тока подвергается весь обьем расплава. Далее под воздействием скин-эффекта ток и индуцированное магнитное поле будут вытесняться на поверхность зеркала расплава и к стенкам ковша, концентрируясь в слое, толщину которого можно рассчитать по формуле:

,

где - магнитная постоянная;

у - проводимость среды, См/м;

f₀ - частота разрядного тока, Гц.

1.5 Выводы и постановка задач исследований

Развитие методов обработки расплава путем наложения внешних физических воздействий является актуальной проблемой при реализации задач направленного управления структурой и свойствами литого металла [1-4]. Одним из таких сравнительно новых способов обработки является обработка импульсным электрическим током [5-9].

Одним из методов электроимпульсной обработки расплава - это обработка при непосредственном пропускании разрядного тока емкостного накопителя энергии через жидкий металл в ковше.

Для определения функциональных возможностей и возможных путей совершенствования данного метода внепечной обработки необходимо четкое представление о процессах происходящих в технологическом узле (объекте обработки) и их связи с параметрами разрядного контура емкостного накопителя энергии (ЕНЭ).

Данная проблема подразумевает под собой широкомасштабные многофакторные теоретические и экспериментальные исследования [10,11]. Одним из этапов данного эксперимента являются исследования электрических характеристик разряда на жидкий металл в LC-цепи.

Задачей или целью данной работы является экспериментальное определение электрических характеристик разряда на жидкий металл в LC-цепи, таких как:

- временные зависимости тока, напряжения при разряде на жидкий металл;

- временные зависимости сопротивления расплава при разряде емкостного накопителя;

- временные зависимости мощностей при разряде на жидкий металл в LC-цепи, при различных параметрах разрядного контура;

- к.п.д. преобразования энергии запасенной в емкостном накопителе при разряде на жидкий металл;

- выдать рекомендации по проведению дальнейших исследований.

импульсный ток осциллограф напряжение

2. Экспериментальные исследования электрических характеристик разряда емкостного накопителя на жидкий металл

2.1 Методика проведения испытаний

2.1.1. Идея предполагаемых исследований

Идея предполагаемых исследований состоит в том, чтобы:

Определить электрические характеристики электроимпульсного разряда в жидком металле.

Варьируемые параметры: напряжение обработки U₀, зарядная емкость конденсаторов C, частота следования импульсов f.

Регистрируемые параметры: зависимости напряжения во времени в расплаве U(t), сила тока во времени I(t).

Анализируемые параметры: зависимости напряжения во времени разряда в расплаве U(t), сила тока во время разряда I(t), сопротивление расплава во время разряда R(t), баланс энергий (запасенная/выделившаяся в технологическом узле) и мощность.

Постоянные величины: масса металла, химический состав металла, температуры выплавки, обработки и разливки, время обработки, последовательность отбора проб., индуктивность разрядного контура.

· Методами металлографии экспериментально показать тенденции в изменении структуры и свойств литого металла при его обработке электроимпульсным током.

· Численным моделированием определить зависимости температурного и силового факторов, влияющих на состояние расплава при его электроимпульсной обработке.

· Выявить наиболее чувствительные и эффективные характеристики электроимпульсного воздействия.

· Разработать методические и технические рекомендации для практической реализации метода.

Таким образом, в работе на данном этапе применена следующая методика экспериментальных исследований.

2.2.2 Экспериментальный стенд. Проведение эксперимента

Настоящие исследования направлены на изучение влияния различных параметров импульсного электрического тока на структуру и свойства литейного алюминиевого сплава.

Описание экспериментального стенда. Для физического моделирования высоковольтной электроимпульсной обработки расплавов был создан экспериментальный стенд. Блок - схема экспериментального стенда приведена на рисунке 1, а фотография на рис. 2(а). Высоковольтное оборудование, вошедшее в состав стенда, имеет широкий диапазон варьирования энергетическими параметрами обработки (C - зарядная емкость - от 0,5 до 100 мкФ; U₀ - зарядное напряжение - от 1 до 50 кВ (имеется возможность плавной регулировки); Р_мах - максимальная потребляемая мощность - 10 кВА; f - частота следования импульсов - от 0,5 до 6 Гц), одновременной регистрации электрических и температурных характеристик процессов электроимпульсного нагружения. Конфигурация электродной системы, использованная в данной серии экспериментов, - острие-плоскость, глубина погружения 5 мм. Фотография лабораторного высоковольтного оборудования приведена на рисунке 2(б).

План натурного эксперимента приведен в таблице 1. Для того, чтобы исследовать влияние энергии нагружения на качество литого металла, в каждом последующем режиме запасаемая энергия увеличивалась в 2 раза за счет напряжения. Соответственно, изменялся и разрядный ток, а величину зарядной емкости и частоту следования импульсов поддерживали постоянными. Влияние конфигурации электромагнитного поля и возникающих при этом гидродинамических сил регулировалось геометрическими размерами ковша с металлом.

Таблица - 1 Матрица экспериментов по высоковольтной электроимпульсной обработке алюминиевых расплавов

№ режима	1	2	3	4	5
С, мкф	1	1	1	1	1
Uo, кВ	7	10	14	21	31
f, Гц	2	2	2	2	2
W0, Дж	25	50	100	220	450
Т, мкс	9	9	9	9	9
Iмах, А	5	7	10	16	22
Примечание	Режимы №1-№3 используются для обработки технического алюминия и сплава АЛ7. Режимы №3-№5 используются для обработки сплава АК9.

Таблица 2 ? Результаты металлографического анализа структуры образцов и свойства технического алюминия

U0, кВ	Макроструктура	Микро-структура	Твер-дость, НВ
	Размер зерна, мм	Ширина зоны столбчатых зерен, мм	Примечание	Размер зерна, мкм
?	2,5	3,9	транскрис-таллизация	49,0	23
7	-	-	транскрис- таллизация	165	21
10	-	-	транскрис- таллизация	60	23
14	3,3	2,95		65	24,5

Анализ полученных результатов микрорентгеноспектрального анализа образцов (табл. 3) показывает, что в результате обработки расплава происходит перераспределение химических элементов в матричном зерне и на его границах. В частности, увеличивается количество Si и Cu в матричном зерне, а растворимость Fe значительно уменьшается. Т.е. в результате обработки увеличивается растворимость "полезных" химических элементов, и увеличивается склонность вредной примеси - Fe к образованию химических соединений. Уточнение механизма данного явления требует дополнительных, более тонких исследований. Хотя сам по себе факт вытеснения железа из раствора и концентрация железистых фаз по границам зерна свидетельствует об отрицательном влиянии на механические свойства металла.

Таблица 3 ? Распределение химических элементов в техническом алюминии

U0, кВ	Содержание элементов, %
	Al	Si	Сu	Fe
	Матричное зерно
?	99,77		0,025	0,17
7	99,75		0,04	0,055
10	99,68	0,04	0,1	0,06
14	99,68	0,2		0,03
	Границы зерен
?	95,18	0,05	0,05	4,69
7	93,56	0,32	0,12	6,24
10	90,51	1,25	0,08	7,95
14	95,06	0,12	0,04	4,69

На данном этапе собранные в результате проведенного выше эксперимента данные позволяют сделать вывод о том, что ВЭО приводит к качественным изменениям в расплаве и протеканию процессов кристаллизации по иным механизмам, чем в необработанном металле. Обработка объема меньше предельного, когда в расплаве преобладают электромагнитные течения, выражается в укрупнении структуры и нежелательном перераспределении химических элементов. Это влияние сглаживается с повышением U₀, т.е. с ростом вводимой в расплав энергии. Но на данном этапе исследований нельзя сделать конкретных выводов о количественных оценках влияния режимов обработки, так как во-первых, металлографический анализ был затруднен склонностью металла к транскристаллизации, во-вторых, технический алюминий не является литейным сплавом и не может в полной мере отразить протекающие в обрабатываемом металле важные для литейного производства процессы. Поэтому было принято решение продолжить серию экспериментов на литейных сплавах системы Al-Cu (АЛ7) и более сложнолегированном силумине марки АК9 и перейти на больший объем расплава.

ВЭО сплава АЛ 7 приводит к улучшению его характеристики макроструктуры - уменьшаются размеры зерна и пор, уменьшается пористость. При определенных режимах обработки до двух раз уменьшается размер микрозерна, до полутора раз - уменьшается микропористость и размер пор. В результате на 15 % повышается предел прочности, в 2 раза увеличивается пластичность обработанного металла, есть тенденции к некоторому повышению твердости. Наиболее эффективным режимом обработки для данного сплава является режим обработки при значении напряжения 7 кВ, при котором обеспечиваются максимальные механические свойства и наиболее дисперсная структура.

2.2 Средства измерений и регистрации электрических характеристик

2.2.1 Разрядная цепь простейшего емкостного накопителя

Для того чтобы выбрать необходимый метод измерения и измерительные приборы, необходимо рассмотреть основные вопросы преобразования энергии емкостного накопителя ГИТ при разряде на RLC-цепь.

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.

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.

2.2.2Измерительные шунты

Наиболее распространенным способом измерения импульсных токов является включение в цепь дополнительного сопротивления, сигнал от которого по коаксиальному кабелю подается непосредственно на осциллограф. Такое сопротивление называется шунтом.

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.

2.2.3 Пояс Роговского.

При измерении токов в несколько сот килоампер или больших значений энергия, вкладываемая в нагрузку в единицу времени, велика. Это приводит к термической и динамической неустойчивости шунта, он становится громоздким и может значительно увеличить затухание в разрядном контуре и его индуктивность. В этом случае целесообразно применение пояса Роговского. Но необходимо помнить, что его недостатком является погрешность, обусловленная погрешностью интегрирования ЭДС, индуцированной в обмотке пояса.

Конструктивно пояс Роговского представляет собой катушку, в витках которой по закону полного тока индуцируется напряжение,
пропорциональное производной тока . Чтобы получить сигнал, пропорциональный току, нужно проинтегрировать напряжение. Осуществляется это RL или RC-цепочкой. Кроме того, можно применять также присоединенный через емкость интегрирующий операционный усилитель, позволяющий достичь гораздо меньших нижних частот измерительного устройства.

В заключение отметим несколько различий, характерных для поясов Роговского с RC и RL интегрирующей цепочкой.

Последние могут охватывать более широкий диапазон частот в сравнении с RC -цепочкой, которая на высоких частотах приводит к так называемого "дребезгу". Объяснить его можно следующим образом: пояс Роговского по своей сути - катушка определенной индуктивности, включение к ней дополнительной емкости С приводит на высоких частотах к появлению значительных резонансных явлений за счет появления в цепочке пояса большой величины .

К поясу Роговского с RL - цепочкой предъявляются более жесткие требования к изготовлению, невыполнение которых приводит в результате к тому, что параметры преобразователя могут значительно "плавать".

2.2.4 Измерение импульсных напряжений с помощью делителей и катодных осциллографов

Современные катодные осциллографы [35] 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 [2-5, 7, 8,13]. 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)

2.2.5 Измерительный кабель

Влияние измерительного кабеля на сигнал может быть более значительным, чем осциллографа.

Для идеального кабеля его волновое сопротивление:

.

Для соединения делителя с осциллографом используют коаксиальный кабель типа РК, его индуктивность:

, Г,

где l - длина, м;

R₁ - радиус сечения внутри электрода (жилы);

R₂ - внутренний радиус оболочки.

Практически для кабелей с полиэтиленовой и фторопластовой изоляцией скорость распространения волны 200 м/мкс, задержка с/м; волновое сопротивление у таких кабелей разных марок:

200; 150; 100; 75; 50 Ом, а погонная емкость, соответственно:

25; 34; 50; 68; 100 Ф/м.

Для емкостного делителя влияние входной емкости осциллографа на переходные процессы в кабеле отсутствует.

Для омического делителя вследствие параллельного соединения осциллографа С_осц и волнового сопротивления кабеля Z_k могут наблюдаться отражения импульса.

Проще всего устраняются путем включения дополнительного резистора R_доб на входе кабеля.

При этом должно выполняться условие:

.

Выводы

На сегодняшний день, как свидетельствуют научные публикации [], недостаточно изучены механизмы высоковольтной электроимпульсной обработки расплава, в первую очередь из-за недостаточного количества научной информации о связи параметров нагружения с помощью импульсного электрического поля и тока и структурой и свойствами обрабатываемого металла. К тому же недостаточное развитие методической и технической базы является серьезным препятствием для разработки эффективного технологического процесса.

Безусловно, что метод внепечной электроимпульсной обработки не универсален, однако некоторые его достоинства (низкие энергозатраты, экологичность, возможность управления параметрами нагружения, простота реализации и др.) позволяют ему конкурировать с другими методами физического воздействия на расплав. Поэтому дальнейшее развитие метода лежит на пути поиска наиболее

эффективных режимов обработки, приводящих к стабильным требуемым показателям качества литой продукции, а также исследования возможностей целенаправленного управления обработкой расплава вне печного агрегата для получения литого металла с заданными свойствами.

На данном этапе были проведены теоретические исследования существующих данных относительно феноменологии явления протекание импульсного электрического тока в жидком металле, определены основные факторы, которые влияют на процессы формирования благоприятной структуры свойств литого металла. Разработана и опробована методика экспериментальных исследований. Проведены рекогносцировочные эксперименты и выбраны режимы работы высоковольтного оборудования для дальнейших экспериментальных исследований.

Перечень ссылок

1. Методи підвищення рівня властивостей сплавів // Вісник НАН України.- 2001.- №1.- С. 22-23.

2. Найдек В.Л. Процессы внеагрегатной обработки металлических расплавов массового использования // Сучасне матеріалознавство ХХІ сторіччя: Сб. научн. трудов.- К.: Наукова думка, 1998.- С. 133- 155.

3. Грабовый В.М. Механизм влияния электрогидроимпульсной обработки на состояние расплава перед разливкой и кристаллизацию высокоуглеродистых сплавов / В.М. Грабовый, А.В. Синчук, В.Н. Цуркин // Теория и практика металлургии.- 2000.- №6.- С. 28-31.

4. Коваленко К.И. Влияние магнитной обработки на структуру и фазовые превращения в силуминах. - К.: Техника, 1990. - 320 с.

5. Ларионов Г.В. Вторичный алюминий. - М.: Металлургия, 1967. - 272 с.

6. Гулий Г.А. Оборудование и технологические процессы с использованием электро гидравлического эффекта /. - М.:Машыностроение.-1977.

7. Комельков В.С.. Техника больших импульсных токов и магнитных полей / П.Н. Дашук, С.Л. Зайенц, В.С. Комельков, Г.С. Кучинский, Н.Н. Николаевская, П.И. Шкуропат, Г.А. Шнеерсон// - М.: Атомиздат, 1970.

8. Смирнов С.М., Терентьев П.В. Генераторы импульсов высокого напряжения. - М.: Энергия - 1964.

9. Мирдель Г. Электрофизика. - М.: Мир - 1972.

Размещено на Allbest.ru