УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПРОВОДИМОСТИ И ИМПЕДАНСА ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2023 года по МПК G01R15/12 

Предполагаемое изобретение относится к области газового разряда и может быть использовано для исследования физических процессов в газоразрядных приборах, а также для контроля состояния и рабочих характеристик газоразрядных приборов.

Известно устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее газоразрядный прибор (далее прибор) с электродами (анодом и катодом), источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом, измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора. [Грановский В.Л. «Электрический ток в газе. Установившийся ток». - М.: издательство «Наука», 1971. - 490 с.; Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники». - М: издательство «Высшая школа», 1964. - 684 с.].

Работа известного устройства измерения сопротивления с реактивной составляющей основана на пропускании переменного тока через плазму тлеющего разряда между катодом и анодом, измерении переменного тока I и переменного напряжения U на электродах прибора, и разности фаз ϕ между переменным током и напряжением, в определении полного сопротивления (импеданса) Z плазмы газового разряда. , где R=Z cos ϕ - активная составляющая, а X=Zsinϕ - реактивная составляющая сопротивления плазмы. Проводимость плазмы определяется как ; активная проводимость определяется как ; реактивная составляющая плазмы обусловлена индуктивной X_L и емкостной X_C составляющими и равна X=X_L-X_C.

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности определения индуктивной и емкостной составляющих реактивного сопротивления по отдельности из-за влияния помех, вносимых разного рода наводками и наличием постоянных составляющих тока и напряжения, создающих разряд, на результаты измерения величин переменного напряжения, тока и разности фаз между ними.

Технический результат направлен на выделение составляющих падения напряжения на активном, реактивном и емкостном сопротивлениях и определение величин этих сопротивлений уменьшением влияния электрических помех и шумов на измеряемые сигналы в 100-1000 раз.. Результат направлен также на расширение функциональных возможностей устройства, в частности, возможности применения его в газоразрядных приборах без специальных зондов, без изменения конструкции газоразрядного прибора.

Технический результат достигается тем, что устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее газоразрядный прибор (далее прибор) с электродами (анодом и катодом), источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом, измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора, дополнительно содержит генератор переменного напряжения перестраиваемой частоты, резистор измерительный, соединенные последовательно с измерителем тока, источником постоянного напряжения и с электродами прибора, конденсатор разделительный, соединенный с измерительным резистором и генератором переменного напряжения, трансформатор измерительный, соединенный первичной обмоткой с конденсатором и с анодом прибора, конденсатор резонансный, соединенный ко вторичной обмотке трансформатора, усилитель переменного напряжения узкополосный, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, синхронный детектор, соединенный измерительным входом с выходом узкополосного усилителя, выпрямитель переменного тока, соединенный с выходом синхронного детектора, усилитель постоянного тока, соединенный входом к выпрямителю, двухкоординатный регистратор, соединенный входом «ордината» с выходом усилителя постоянного тока, управляемый фазовращатель, соединенный с выходом генератора переменного тока и с управляющим входом синхронного детектора, измеритель фазы напряжения, соединенный с выходами генератора переменного напряжения и фазовращателя, и генератор пилообразного напряжения, соединенный с управляющим входом фазовращателя и входом координаты «абсцисса» двухкоординатного регистратора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего разряда в газоразрядном приборе (далее - «устройство»).

На фиг. 2 приведена фазовая зависимость напряжения переменного тока на приборе: U_R напряжение на резистивной составляющей полного сопротивления, U_XL - напряжение на индуктивной составляющей реактивного сопротивления, U_XC - напряжение на емкостной составляющей реактивного сопротивления.

Устройство (фиг. 1) содержит газоразрядный прибор 1 с корпусом 2 и с электродами - катодом 3 и анодом 5, последовательно соединенные от катода 3 к аноду 5 измеритель постоянного и переменного тока 7, источник напряжения постоянного тока 8, генератор переменного напряжения 9, измерительный резистор R_изм, а также последовательно соединенные от катода 3 к аноду 5 измеритель постоянного и переменного напряжения и балластный резистор R_б. Устройство содержит переходной конденсатор С_пер, соединенный к выводу измерительного резистора R_изм и выводу генератора 9, измерительный трансформатор Тр, выводы первичной обмотка которого соединены к конденсатору С_пер и к выводу измерительного резистора R_изм, конденсатор резонансный С_рез, соединенный к выводам вторичной обмотки трансформатора Тр, соответствующий резонансной частоте , равной частоте генератора 9, в контуре с индуктивностью L_mp2 вторичной обмотки трансформатора Тр. Устройство содержит узкополосный предусилитель 13 переменного тока, соединенный входом ко вторичной обмотке трансформатора Тр, синхронный детектор 14, измерительный вход которого соединен с выходом предусилителя 13, выпрямитель переменного тока 15, соединенный к выходу синхронного детектора 14, усилитель постоянного тока 16, соединенный входом к выходу выпрямителя 15, двухкоординатный регистратор 17, соединенный входом «ордината» к выходу усилителя постоянного тока 16, управляемый фазовращатель 10, соединенный между выходом генератора 9 и управляющим входом синхронного детектора 14, измеритель фазы 12 напряжения переменного тока, соединенный с выходами генератора 9 и фазовращателя 10, и генератор развертки пилообразного напряжения 11, соединенный с управляющим входом фазовращателя 10 и с входом «абсцисса» двухкоординатного регистратора 17 и с измерителем фазы 12.

Назначение узлов схемы и особенности их действия. Измерительный резистор 7 предназначен для выделения изменений переменной составляющей напряжения на приборе 1 и гармоник, сдвинутых по фазе с разной амплитудой, балластный резистор R_б предназначен для стабилизации режима горения разряда. Пилообразное напряжение, подаваемое с генератора 11 на управляющий вход фазовращателя 10, позволяет изменять линейно по времени фазу напряжения переменного тока, подаваемого с выхода генератора 9 через фазовращатель 10 на управляющий вход синхронного детектора 14. При этом синхронный детектор 14 от сигнального входа на выход пропускает из всего суммарного сложного сигнала переменного тока, подаваемого на вход, только гармонику, соответствующую частоте и фазе синусоиды, подаваемой на управляющий вход детектора 14 от фазовращателя 10. Для получения устойчивого сигнала по величине, пропускаемого детектором 14 необходимо, чтобы период напряжения генератора 9 был многократно меньше периода развертки пилообразного напряжения генератора 11. Необходимо также чтобы постоянная времени регистрации сигнала всем усилительным трактом была бы меньше периода переменного напряжения генератора 9, а скорость изменения пилообразного напряжения многократно меньше скорости изменения переменного напряжения.

Постоянное напряжение источника 8, регулируемое по величине, обеспечивает зажигание и поддержание устойчивого тлеющего разряда 4. Величина действующего значения напряжения переменного тока генератора 9 меньше напряжения постоянного тока более чем в 10-100 раз во избежание существенного изменения характеристик плазмы разряда, создаваемого постоянным током источника 8. Частота переменного тока генератора 9 выбирается с учетом величин и частотных зависимостей реактивных сопротивлений X_L и X_C плазмы.

Устройство работает следующим образом. В газоразрядном приборе 1 (далее прибор) с помощью источника напряжения 8 постоянного тока зажигается тлеющий разряд 4 с заданными характеристиками.

Напряжение и ток разряда 4 устанавливаются и контролируются с помощью измерителя напряжения 6 и измерителя тока 7. Для измерения характеристик разряда 4 между катодом 3 и анодом 5 прибора 1 подается синусоидальное переменное напряжение с помощью генератора 9 переменного напряжения, величина которого значительно меньше напряжения разряда 4, и которое не изменяет практически состояние плазмы тлеющего газового разряда 4 постоянного тока.

Примечание: Переменное напряжение это разность потенциалов между двумя точками, изменяющаяся по синусоидальному закону. Поэтому синусоидальность переменного напряжения и тока будем подчеркивать при особой необходимости.

Образующийся переменный ток проходит по контуру: источник 8, измеритель тока 7 разряда 4, плазма разряда 4 прибора 7, измерительный резистор R_изм и источник переменного напряжения 9. В плазме существуют три вида нагрузки: резистивная R, емкостная X_C и индуктивная X_L. Синусоида напряжения на резистивной нагрузке всегда синфазна с синусоидой тока ϕ_U=ϕ_I, синусоида напряжения на индуктивности опережает ток по фазе на 90° и равна ϕ_U=ϕ_L+90°; синусоида напряжения на емкости отстает от тока на 90° и равна ϕ_U=ϕ_C-90°. Поэтому между анодом 5 и катодом 3 форма напряжения оказывается сложной из-за сдвигов фаз и разной амплитуды падений напряжений на активной и реактивных нагрузках. Так как в режиме изменений напряжение источника переменного тока 8 поддерживается постоянным, то все изменения на плазме отражаются на измерительном резисторе R_изм. Суммарное напряжение на резисторе на примере последовательного расположения активной и реактивных нагрузок равно

где U₀ - постоянная составляющая напряжения на приборе; u_R(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на активной составляющей сопротивления прибора; u_L(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на индуктивной составляющей сопротивления прибора; u_C(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на емкостной составляющей сопротивления прибора; u_помех(t) - мгновенное значение суммарного сигнала переменных помех; U_mR, U_mL, U_mC - амплитудные значения переменных составляющих падений напряжения на активной, индуктивной и емкостной составляющих соответственно полного сопротивления прибора; ω - круговая частота переменного напряжения генератора 10;

U_mk - амплитудное значение k-гармоники шумовых сигналов; ω_k - круговая частота k-гармоники шумовых сигналов; ψ_k - фаза k-гармоники шумовых сигналов.

Из полученного напряжения на резисторе R_изм отделяется конденсатором С_пер постоянная составляющая, а сложная переменная составляющая

подается на трансформатор Тр. Емкость конденсатора С_рез с индуктивностью L_mp2 вторичной обмотки трансформатора Тр образует колебательный контур L_mp2C_рез, отделяющий посторонние помехи, отличающиеся по частоте от частоты генератора. Полученный предварительно выделенный в своей частотной полосе переменный сигнал подается на узкополосный усилитель 13 и избирательно по частоте генератора и сигнала усиливается. Сигнал дополнительно очищается от большей части широкополосного шумового сигнала . Затем сигнал подается на синхронный детектор 14. Поступающий сигнал содержит три гармоники, отличающиеся по фазе на 90° друг от друга, и остаточный после узкополосного усилителя сигнал помех .

Полезный сигнал содержит три гармоники с частотой генератора каждая и сдвинутые на 90° друг друга. Синхронный детектор 14 настраивается на частоту генератора 9. При настройке управляющего входа синхронного детектора 14 по частоте и фазе на одну из гармоник все остальные сигналы подавляются детектором 14. При изменении фазы сигнала на управляющем входе синхронный детектор 14 пропускает попеременно только сигналы U_mR sinωt или U_mL sin (ωt+90°), или U_mC sin (ωt-90°). Широкополосный сигнал помех полностью подавляется (в 10³ - 10⁴ раз).

Все сигналы из-за систематических воздействий паразитных емкостей, индуктивностей и резистивных сопротивлений могут быть одновременно сдвинуты по фазе от фазы питающего напряжения генератора. При этом гармоники напряжения измеряемых индуктивностей и емкостных составляющих оказываются сдвинутыми на некоторую систематическую величину от основного сдвига на 90°. Это в значительной мере упрощает разделение полного сиг нала на гармоники. В общем случае с помощью фазовращателя 10 и генератора пилообразного напряжения 11 определяются положения по фазе крайних гармоник и устанавливаются пределы развертки пилообразного напряжения, а соответственно, пределы изменения разности фаз между фазой напряжения источника переменного напряжения 8 и крайними фазами занимаемыми гармониками напряжения на измерительном резисторе.

При развертке пилообразного напряжения генератора 11 происходит изменение фазы синусоидального напряжения на управляющем входе синхронного детектора 14. Этот же сигнал осуществляет развертку по оси абсцисс на двухкоординатном регистраторе 77. В каждом положении фазовращателя 10 происходит прохождение сигнала некоторой величины через синхронный детектор 14, который выпрямляется, усиливается и подается на вход «ордината» двухкоординатоного детектора 17. Максимальная величина сигнала оказывается при разнице фаз между сигналом и управляющим входом и при фазах, сдвинутых в стороны на 90° от нулевой фазы (фиг. 2). На активной составляющей R сопротивления прибора фаза переменной составляющей падения напряжения U_mR равна фазе тока ψ_UR=ψ_I. Фаза переменной составляющей падения напряжения на индуктивности U_mL опережает фазу тока на 90° и равна ψ_UL=ψ_I+90°. Напряжение на емкости U_mC по фазе отстает от тока ψ_UC=ψ_I-90°. По измеренным величинам сигналов трех гармоник (с одинаковой частотой и с разными фазами) можно определить действующие значения напряжений U_R, U_L, U_C. Для этого необходимо подать на измерительное сопротивление калиброванное напряжение и определить коэффициент усиления измерительного тракта. По величинам полученных действующих значений напряжений U_R,, U_L, U_C при известном значении тока I, измеренного прибором 8 можно определить величины активного и реактивных составляющих полного сопротивления (импеданса) газоразрядного прибора 1 по закону Ома

По полученным величинам R; X_L, X_C можно определить проводимость и импеданс (полное сопротивление газоразрядного прибора).

Точность измерения величин действующих напряжений зависит от стабильности горения разряда. Для стабилизации горения плазмы параллельно прибору в цепь вольтметра 6 соединен балластный резистор R_б. Регистрация отдельных гармоник переменного тока с использованием метода синхронного детектирования позволяет подавлять посторонние шумовые сигналы на 10⁴, 10⁵ раз. Так как в электрических цепях существуют наиболее вероятные помехи в виде гармоник токов периодичных кратным пятидесяти герцевой промышленной частоте, то для уменьшения погрешности измерений частота генератора выбирается не кратной пятидесяти. Перестраиванием частоты генератора имеется возможность устанавливать режим работы устройства в диапазонах с минимальными помехами. Принятые меры позволяют снижать погрешность в сравнением с прототипом в 10³-10⁴ раз.

Таким образом, предполагаемое изобретение позволяет выделять отдельные гармоники напряжения на приборе и определять величины индуктивного и емкостного реактивных составляющих сопротивлений прибора.

Измерение проводимости и импеданса в плазме по прототипу связано с необходимостью изготовления специального измерительного прибора. Себестоимость таких приборов сравнима и больше стоимости промышленных приборов с учетом равенства расходов времени на измерения можно считать экономическую эффективность на измерение для одного промышленного прибора равной себестоимости одного прибора. В частности для прибора (лазера) себестоимость равна 50000 рублей. При измерениях в течении года для пяти приборов годовой экономический эффект составит Эффект = 50000⋅5=250000 руб.

Анализ применимости вышеприведенной функциональной схемы показал, что данное устройство можно использовать для исследования любых промышленных газоразрядных приборов.

Изобретение относится к области контроля газовых разрядов и может быть использовано для исследования физических процессов в газоразрядных приборах, а также для контроля состояния и рабочих характеристик газоразрядных приборов. Устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока содержит источник и измеритель постоянного напряжения, измеритель постоянного тока, дополнительно содержит генератор переменного напряжения перестраиваемой частоты, резистор измерительный, конденсатор разделительный, трансформатор измерительный, конденсатор резонансный, усилитель переменного напряжения узкополосный, синхронный детектор, выпрямитель переменного тока, усилитель постоянного тока, двухкоординатный регистратор, управляемый фазовращатель, измеритель фазы напряжения и генератор пилообразного напряжения. Технический результат - выделение составляющих падения напряжения на активном, реактивном и емкостном сопротивлениях, а также расширение функциональных возможностей устройства. 2 ил.

Устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом газоразрядного прибора (далее прибор), измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора, дополнительно содержит генератор переменного напряжения перестраиваемой частоты, резистор измерительный, соединенные последовательно с измерителем тока, источником постоянного напряжения и с электродами прибора, конденсатор разделительный, соединенный с измерительным резистором и генератором переменного напряжения, трансформатор измерительный, соединенный первичной обмоткой с конденсатором и с анодом прибора, конденсатор резонансный, соединенный ко вторичной обмотке трансформатора, усилитель переменного напряжения узкополосный, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, синхронный детектор, соединенный измерительным входом с выходом узкополосного усилителя, выпрямитель переменного тока, соединенный с выходом синхронного детектора, усилитель постоянного тока, соединенный входом к выпрямителю, двухкоординатный регистратор, соединенный входом «ордината» с выходом усилителя постоянного тока, управляемый фазовращатель, соединенный с выходом генератора переменного тока и с управляющим входом синхронного детектора, измеритель фазы напряжения, соединенный с выходами генератора переменного напряжения и фазовращателя, и генератор пилообразного напряжения, соединенный с управляющим входом фазовращателя и входом координаты «абсцисса» двухкоординатного регистратора.