ВСТУП
Багато галузей науки і техніки є споживачами величезних імпульсних струмів і високовольтних напруг. В першу чергу до них слід віднести керований термоядерний синтез, потужні радіолокаційні станції, станції космічного зв'язку, нові методи обробки матеріалів: магніто - штампування, електроїськровая обробка, електродугове плавка в вакуумі і ін.
В даний час розроблені і запущені у виробництво прилади, здатні забезпечувати комутацію кілоамперних струмів зі швидкостями наростання до 10 11А / с і комутувати напруги до 100кВ. До них слід віднести, перш за все, потужні ртутні і вакуумні розрядники, принцип дії яких заснований на Потужнострумові імпульсному розряді в парах ртуті або в парах матеріалу катода. Разом з тим параметри існуючих комутаторів не в повній мірі влаштовують споживачів. У зв'язку з цим у багатьох науково-дослідних лабораторіях, в тому числі і на нашій кафедрі, проводяться дослідження, спрямовані на подальше вдосконалення конструкції існуючих розрядників. Такі дослідження вимагають досить точного вимірювання, як форми, так і інших параметрів сільноточних імпульсів високої напруги. За допомогою звичайних приладів типу амперметра і вольтметра це зробити неможливо. Тому були розроблені спеціальні методи вимірювання імпульсних струмів і напруг, що дозволяють без спотворень (або з мінімумом спотворень) зареєструвати на екрані осцилографа імпульс і виміряти його параметри.
1. Oзнакоміться з основними методами вимірювання імпульсних струмів і напруг.
2. Практичне освоєння калібрування трансформатора струму (пояса Роговского) і омічного подільника напруги за допомогою осцилографа.
ЧАСТИНА 1. МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ ІМПУЛЬСНИХ СТРУМІВ І НАПРУГ.
1.1 Основи імпульсних вимірювань.
У процесі дослідження характеристик сільноточних імпульсних приладів необхідно під час розряду вимірювати потенціали і струми на основні та допоміжні електроди. Однак нестаціонарний характер вимірювань накладає вимоги на швидкодію апаратури: тимчасовий дозвіл має бути не більше 1мкс.
Різкі перепади напруги і протікання великих імпульсів струмів виробляють електромагнітні наведення на вимірювальну апаратуру, спотворюючи результати вимірів. Усунення наведень проводиться, як правило, багаторазовим екрануванням вимірювальних приладів і підвідних кабелів і вибором точки заземлення. У кожному конкретному випадку зменшення наведень є самостійною завдання.
Схема вимірювань зазвичай складається з вимірювального пристрою (пояс Роговского, дільник напруги і т.д.), з'єднувального кабелю (як правило коаксіального) і осцилографа. Для передачі неспотвореного сигналу від вимірювального пристрою до осцилографа необхідно узгодження кабелю з цим пристроєм.
Коаксіальний кабель складається з центральної мідної жили, що проходить в товстій ізоляційної оболонці, поверх якої одягнена екрануюча обплетення з мідного дроту
Будь-коаксіальний кабель можна характеризувати хвильовим опором Z = (L / C), де L і C -рассредоточенние індуктивність і ємність кабелю. Залежно від співвідношення між Z і опором навантаження - Rн в кабелі може спостерігатися або режим біжучих хвиль (при Z = Rн), або режим стоячих хвиль (при Z Rн).
У режимі біжучої хвилі вся енергія сигналу, що передається виділяється в навантаженні, що забезпечує максимальний корисний сигнал на вході вимірювального приладу (осцилографа). У разі Z Rн) частина сигналу відбивається від навантаження, що призводить до меншої величиною корисного сигналу на вході осцилографа і його спотворення.
Тому коаксіальний кабель з хвильовим опором Z, підключений обома кінцями на чисто активний опір Rн = Z, передає сигнал з складовими аж до надвисоких частот (НВЧ) без спотворень. Правильне узгодження кабелю показано на рис.1.
Рис.1. Схеми узгодження кабелю.
Е - джерело сигналу, що передається;
Rвн - внутрішній опір джерела;
Rн - опір навантаження
Схема рис.1-а реалізується в тому випадку, якщо опір джерела Rвн> Z. Коефіцієнт передачі по напрузі в схемах рис.1
K = Uн / Uсіг = 1/2.
де Uн - напруга сигналу, що реєструється на навантаженні.
Uсіг - напруга сигналу.
Якщо вхід осцилографа нізкоомниий і дорівнює Z, то Rн є просто опір входу осцилографа Rвх. Більшість застосовуваних осцилографів мають вхідний імпеданс Rвх = 0.5 1 МОм і Cвх = 25 40 пФ. Якщо осцилограф з таким високоомним входом підключити до кабелю, узгодженим за схемою рис.2, то, починаючи з деякої граничної частоти, високочастотні складові напруги сигналу будуть мати коефіцієнт передачі менш 1/2 (тобто сигнал почне спотворюватися). Цей ефект обумовлений збільшенням реактивної складової опору входу осцилографа. Rр = 1 / Свх аж до Rр Rн.
Для збільшення смуги пропускання необхідно або зменшити величину хвильового опору кабелю (наприклад використовувати кабель з Z = 50 Ом замість кабелю з Z = 75 Oм), або зменшити величину вхідний ємності осцилографа.
У разі коротких довжин кабелів можна взагалі відмовитися від узгодження кабелю, а представити його як додаткову ємність Ск. Така схема включення показана на рис.2.
Рис.2. Еквівалентна схема включення осцилографа без узгодження кабелю.
Загальна ємність входу на схемі рис.2 дорівнює: С = Свх + Ск і реактивний опір: Rр = 1 / (Свх + Ск); Якщо внутрішній опір Rвн = 0, то ця схема має велику смугу пропускання, обмежену тільки на дуже високих частотах индуктивностью кабелю. Якщо ж Rвн> 0, то верхня гранична частота неспотвореної передачі по напрузі дорівнює:
гр = 2fгр = (Rн + Rвн) / (Rн Rвн).
де - допустима ступінь "завалу" (тобто спотворення) високої частоти (у%), а коефіцієнт передачі по напрузі дорівнює:
К = Rн / (Rн + Rвн).
Схема, зображена на рис.2 застосовується в разі використання кабелів малої довжини і малого внутрішнього опору джерела напруги. Високочастотні складові сигналу визначають величину і форму переднього фронту імпульсу, тому мінімальна тривалість неспотвореного фронту повинна бути t = 2 / гр;
1.2. Вимірювання імпульсів напруги
Вимірювання імпульсів високої напруги можна здійснити за допомогою простого (резистивного) подільника напруги, що складається з двох послідовно з'єднаних опорів R1 і R2, причому, як правило, R2> R ', то можна покласти: R'0 = R'.
Умова повної компенсації подільника представляє такий вираз:
R0 C0 = R'0 C'0.
Така компенсація подільника проводиться при його калібрування за допомогою змінного конденсатора C ''.
На практиці дільник, зображений за схемою рис.4, має наступні параметри: R0 = 10 МОм, R'0 = 10 кОм, C = 470пФ (Uмак = 5кВ), К = 1000.
На рис.6 зображена схема низкоомного подільника, який не вимагає компенсації паразитних ємностей.
Рис.6. Схема низкоомного подільника
Конденсатор C призначений для розв'язки схеми по постійній напрузі. Його ємність вибирається з умови:
C і / (R + R '),
де і - тривалість імпульсу; тобто тривалість імпульсу повинна бути значно меншою постійної заряду конденсатора.
В застосовується для вимірювань делителе величини опорів складають: - R = 15 кОм; R '= 150 Ом (тобто К = 100).
Через порівняно малих опорів R і R 'він повинен володіти меншою сприйнятливістю до ємнісним наведенням, в порівнянні з високоомними делителями. Однак ємнісний дільник здатний вимірювати тільки змінне високовольтна напруга.
1.3. Вимірювання імпульсів струмів.
Найпоширенішим способом вимірювання імпульсних струмів є вимір падіння напруги на включеним в ланцюг струму низькоомний опір Rш, званому струмовим шунтом рис.7
Рис.7. Схема вимірювання струму за допомогою шунта.
Сигнал напруги з шунта Uш (t) надходить на вхід осцилографа. Малі величини опору струмовимірювальних шунтів Rш = (0000,1 - 0,01) Ом обумовлені вимогою незначного його впливу на ланцюг, в якій протікає імпульсний струм, і прагненням обмежити нагрівання шунта при протіканні великих струмів.
Падіння напруги на шунт Uш (t) пропорційно току в тому випадку, якщо вимірювальне опір для заданого діапазону частот є, в основному, активним; тоді: Uш (t) = i (t) Rш. Ця вимога нелегко реалізувати у низькоомних шунтів через їх індуктивності. Для зменшення індуктивності шунта зазвичай використовують різні біфілярного конструкції.
Загальним недоліком схем вимірювання струмів за допомогою шунтів є електрична зв'язок вимірювального контуру з досліджуваним, що часто призводить до неможливості їх використання, наприклад, при вимірюванні дуже великих струмів і при вимірюванні струмів в плазмі.
Для цих цілей застосовують трансформатори струму на кільцевих феритових або залізних сердечниках, або трансформатори струму без сердечника (які зазвичай називають поясами Роговского). Трансформатори струму у вигляді тороидальной котушки розміщують навколо провідника зі струмом або розрядного каналу (рис.8). Котушку замикають на активний опір R.
Рис.8. Схема вимірювання струму за допомогою трансформатора струму
Відповідно до закону повного струму кругової інтеграл від твору величини напруженості магнітного поля H, створюваного в тороидальной котушці струмом i1. на елемент довжини dl будь-якого замкнутого контуру всередині тора дорівнює сумі струмів, які пронизують тор:
; ; (3)
де r - радіус кола в межах котушки.
Повний магнітний потік Ф через тороидальную котушку уздовж по окружності радіусом r дорівнює:
Ф = BnS = 0HnS (4)
де B - індукція магнітного поля; - магнітна проникність, n - число витків в котушці, S - площа одного витка, 0 - магнітна постійна (магнітна проникність вакууму = 410 -7 [Н / А 2]).
Підставляючи вираз для H з (3) в (4), отримуємо:
де М21 - коефіцієнт взаємоіндукції.
Величина електрорушійної сили (е.р.с.), що наводиться в котушці за рахунок зміни Ф, дорівнює:
Власна індуктивність котушки L, як правило, визначається виразом:
За рахунок наведеної в котушці ЕРС по замкнутому ланцюзі, що включає витки котушки і вимірювальне опір R, потече струм i2 відповідно до закону Кірхгофа:
де Rвн - резистивное опір котушки. Вираз (9) і (10) можна переписати у вигляді:
(11)
Розглянемо випадок, коли L / (R + Rвн) >> 1. Цей випадок реалізується в трансформаторах струму з магнітними сердечниками (великими величинами L) і в поясах Роговского при малих опорах (R + Rвн).
Тоді, нехтуючи i2. співвідношення (11) можна записати у вигляді:
де = R / n - називають чутливістю пояса. Співвідношення (13) дозволяє по величині UR визначити струм, поточний крізь пояс Роговского. При подачі прямокутного імпульсу струму i1 длітeльностью t, сигнал на виході пояса, як це видно зі співвідношення (11), буде дорівнює:
;
де п = L / (R + Rвн). При малих величинах t
Дивіться також:
Калібрування пояса Роговского
Раннемезозойского гранітоїдная і ріолітовий магматизм Буреїнського террейн Центрально-Азіатського складчастого пояса: вік і геодинамическая позиція Сорокін1 А. А. Кудряшов2 Н. М
Технічні вимоги на підготовку техніко-комерційної пропозиції з технічного обслуговування і підготовки до Державної повірці хроматографов і постачання повірочних газових сумішей (пгс)
Кліматичні пояси. Вічна мерзлота. болота
Редкометалльние магматизм в геологічній історії центрально-азіатського складчастого пояса: етапи, області та обстановки формування
Заняття з фізкультури «цирк» Підготовча група