В лаборатории радиоэлектроники совместно с лабораторией химии Дома научно-технического творчества молодёжи Московского городского Дворца детского (юношеского) творчества разработан источник импульсов для изучения электрогидравлического эффекта, наблюдаемого в жидкостях. С этим прибором авторы статьи знакомят наших читателей.
В лаборатории радиоэлектроники совместно с лабораторией химии в течение последних лет проводились работы по изучению электрогидроудара или электрогидравлического эффекта (ЭГЭ), часто называемого также эффектом Юткина, по имени инженера-исследователя, изобретателя Льва Александровича Юткина, который первым осознал практическую значимость этого явления. ЭГЭ - это очень резкая ударная волна, возникающая при электрическом разряде в жидких средах. Этот эффект имеет практическую значимость и требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Однако изучение этого эффекта сопряжено с определёнными сложностями.
Первая - это сам способ, обычно применяемый для генерации разряда. Между электродами, помещёнными в жидкость, при напряжении в десятки и сотни киловольт происходит пробой. Этот способ эффективен для создания мощной ударной волны, но плохо применим для исследовательских целей и количественной характеристики разряда. В области пробоя резко уменьшается электрическая прочность, что приводит к повторным множественным разрядам. Таким образом, наблюдению и количественной оценке подлежит некий интегральный процесс, включающий в себя предварительную ионизацию среды и последующий электролиз.
Вторая - это проблема выбора параметров, подлежащих количественному измерению. Очевидные - давление и температура - характеризуют усреднённое равновесное состояние некой объёмной системы. Применение их для характеристики абсолютно неравновесного и абсолютно гетерогенного процесса разряда может приводить к некорректным выводам. Не случайно приводимые в литературе значения температуры и давления внутри плазменного канала разнятся на десятки и сотни тысяч атмосфер и градусов!
Описываемый прибор предполагает другой способ выделения энергии в локальном объёме жидкости. Между электродами, к которым подключается батарея накопительных конденсаторов, закрепляют тонкий металлический провод. При замыкании цепи происходит разрушение провода. Если использовать непроводящую или плохо проводящую жидкость (не электролит), такая методика исключает процесс предварительной ионизации для образования проводящего канала и электролиз.
Уменьшение напряжения на обкладках конденсаторов является величиной, воспроизводимой для определённых условий эксперимента, и может служить мерой израсходованной энергии. Чтобы определить энергию, необходимо иметь возможность точно устанавливать начальное и измерять конечное напряжение.
Этим целям и служит ИКИ-2У - источник калиброванного импульса второй усовершенствованный. Этот вариант прибора разработан с учётом опыта применения первого варианта разрядника. Усовершенствования прибора направлены на повышение точности измерений, облегчение и ускорение проведения эксперимента, повышение надёжности и долговечности прибора. Также особое внимание уделено вопросам безопасности работы, поскольку прибор может быть использован для исследовательских работ в учебных заведениях и для проведения демонстрационных опытов.
Главное отличие нашего устройства от классического, которое применял Л. А. Юткин, - отделение цепи разрядки от кнопки её включения. Необходимость такой конструкции была вызвана наблюдениями за работой первого варианта источника. Было обнаружено, что контакты кнопки включения сильно разрушались. Это приводило к случайному, в какой-то степени, уменьшению напряжения за счёт дополнительного разряда в кнопочном выключателе.
Другое усовершенствование - наличие возможности установки заданного начального напряжения. В сочетании с дополнительным цифровым вольтметром это позволяет одним нажатием на кнопку устанавливать одинаковое наперёд заданное начальное напряжение, что чрезвычайно важно при проведении серии экспериментов, - повышается точность измерений и заметно ускоряется эксперимент. В первом варианте прибора полная разрядка производилась в растворе электролита, что сильно замедляло исследование. Поэтому в последнем варианте прибора предусмотрена плавная разрядка через мощный резистор простым нажатием на кнопку.
Схема устройства показана на рис. 1. Прибор содержит три основных функциональных узла: узел накопительных конденсаторов (конденсаторы С2- С11, трансформаторы Т1, T2, диодный мост VD2), узел установки рабочего напряжения (диодные мосты VD1 и VD3, транзистор VT1, кнопка "Зарядка" SB1 (зелёная кнопка), переменные резисторы для грубой (R4) и точной (R3) установки напряжения зарядки конденсаторов, вольтметр PV1, кнопка SB3 (жёлтая кнопка), резистор R2 и ограничительный стабилитрон VD5), узел запуска (кнопка "Разрядка" SB2 (красная кнопка), диодный мост VD4, C12, R5, реле K5, контактор К1). Прибор защищён плавкими вставками FU1-FU3.
Рис. 1. Схема устройства
Работа прибора состоит из двух этапов: контролируемая зарядка до определённого напряжения конденсаторов С2-С11 и последующая их разрядка.
Между зажимами "крокодил" на концах электродов закрепляют медный или нихромовый тонкий провод-инициатор нужной длины. В нашей работе мы использовали медный провод диаметрами 0,1 и 0,15 мм и нихромовый диаметром 0,15 мм.
Далее переменными резисторами грубой (R4) и точной (R3) установок начального напряжения задают требуемые условия разрядки. Нажатием на красную кнопку (SB2) производят разрядку батареи конденсаторов и затем измеряют конечное напряжение. Начальное и конечное напряжение измеряют стрелочным вольтметром, встроенным в корпус прибора, и цифровым, вынесенным наружу. Жёлтая кнопка (SB3) позволяет проводить полную или частичную разрядку батареи конденсаторов замыканием через резистор R6. Нажатие на зелёную кнопку (SB1) восстанавливает первоначально установленное напряжение, и прибор вновь готов к проведению эксперимента.
При нажатии на кнопку SB1 включается реле времени, состоящее из диодного моста VD1, конденсатора С1, резистора R1 и реле К2. На время зарядки конденсатора С1 (приблизительно на 0,5 с) контакты реле К2.1 замыкаются, подавая напряжение на реле К3, которое своими контактами К3.1 самоблокируется. Сетевое напряжение поступает на трансформаторы Т1, Т2, ограничивающие бросок тока зарядки батареи конденсаторов С2-С11 и отбираемую от сети мощность. Через диодный мост VD2 батарея конденсаторов C2-C11 заряжается до тех пор, пока напряжение не достигнет заданного значения, которое устанавливают переменными резисторами R4 и R3. С движка переменного резистора R4 напряжение через защитный резистор R2 подаётся на затвор полевого транзистора VT1. Стабилитрон VD5 защищает затвор от пробоя повышенным напряжением. Открываясь, транзистор через диодный мост VD3 включает реле К4, которое размыкает свои контакты К4.1 и отключает процесс зарядки. Реле К3 и трансформаторы Т1, Т2 обесточиваются.
После нажатия на кнопку SB2 "Разрядка" через обмотку реле К5 и диодный мост VD4 сетевое напряжение поступает на конденсатор С12 и резистор R5. В первоначальный момент конденсатор С12 разряжен, и тока его зарядки достаточно, чтобы на 1 с сработало реле К5, которое контактами К5.1 подключает к сети обмотку контактора K1. Через контакты К1.1 и К1.2 напряжение с заряженных конденсаторов поступает на испытуемый образец. Происходит его разрушение.
Конденсатор С12 заряжается до выпрямленного напряжения сети, ток через обмотку реле К5 уменьшается до нуля. Это реле и контактор К1 размыкают свои контакты, обесточивая электроды. По истечении некоторого времени конденсатор С12 разряжается через резистор R5 и прибор вновь готов к работе.
В устройстве применены реле переменного тока HHC68A-2Z-220A (К2- К5), реле К1 - модульный контактор ABB ESB-63-40 или аналогичный, например, MOELLER DILM50. Диодные мосты D3SBA60 (VD1, VD3, VD4) можно заменить аналогичными с номинальными током 2 А и напряжением 600 В. Диодный мост KBPC1010 (VD2) заменим аналогичным на номинальные ток 10 A и напряжение 1000 В.
Конденсаторы С1, С12 - любые оксидные на номинальное напряжение не менее 400 В. Конденсаторы С2-С11 - JAMICON на номинальное напряжение 450 В, ибо только они показали высокую надёжность, долговечность и стабильность параметров (удержание заряда) при работе на замыкание.
Резисторы R1, R2, R5 - МЛТ-1 или аналогичные. Переменные резисторы R3 и R4 - WH148, B1K или аналогичные. Резистор R6 - ТНТ, С5-35В или аналогичный с мощностью рассеяния 100 Вт.
Трансформаторы Т1 и Т2 - ТАН56-127/220-50, у них используются первичная обмотка (выводы на 230 В) и одна вторичная обмотка (выводы 11 - 12). Трансформаторы соединены вторичными обмотками так, что общий коэффициент трансформации равен единице.
Стрелочный прибор (PV1) - вольтметр постоянного напряжения М42100 или М42300 с максимальным измеряемым напряжением 300 В.
Кнопки управления (SB1 "Зарядка", SB2 "Разрядка", SB3 "Уменьшение напряжения") - CHINT серии NP2, характеризующиеся надёжной изоляцией и рассчитанные на работу с напряжением до 415 В.
Поскольку все элементы ИКИ-2У гальванически связаны с сетью, при работе с прибором следует соблюдать технику безопасности. Первое и самое важное: все манипуляции по подключению проводов к электродам разрядной цепи следует проводить при отключённой от питающей сети вилке прибора.
Устройство собрано в пластмассовом корпусе (рис. 2), ручки переменных резисторов для установки напряжения, до которого заряжается батарея конденсаторов, изготовлены из изоляционных материалов.
Рис. 2. Прибор в сборе
Наиболее нагруженные элементы защищены плавкими вставками. Конструктивно разрядная цепь отсоединена от цепи управления и, следовательно, от рабочих кнопок и ручек. Схемотехнически предусмотрено, что во время разрядки (после нажатия на кнопку SB2) электроды соединены только с батареей конденсаторов, которая гальванически не связанассетью, а через 1 с после проведения разрядки с электродов полностью снимается напряжение. Это позволяет исключить нежелательную разрядку при удерживании красной кнопки SB2 и при её повторном нажатии.
Последовательное включение трансформаторов Т1 и Т2 с общим единичным коэффициентом трансформации не только позволяет уменьшить бросок тока при зарядке конденсаторов, что обеспечивает надёжность и долговечность прибора, но и обеспечивает дополнительную защиту, ограничивая максимальную мощность, потребляемую от сети при аварийной ситуации.
Этот прибор был разработан и изготовлен в прошлом году (сентябрь- декабрь). Полностью же он был готов к работе в конце января этого года. Тем не менее за несколько недель с этим устройством удалось провести ряд исследований и получить интересные данные. Это, конечно, только предварительные результаты, но они уже показывают возможности прибора. В предлагаемом способе свойства жидкости практически не влияют на уменьшение напряжения. Были исследованы различные жидкости, имеющие разные физико-химические и диэлектрические параметры - дистиллированная вода, вазелиновое масло, циклогексанон и глицерин. Можно заключить, что жидкость, в которой происходит выделение энергии, не играет существенной роли в процессе. Также удалось установить, что уменьшение напряжения зависит от металла провода-инициатора. Например, в одинаковых условиях нихромовый провод даёт падение напряжения в среднем на 30...40 % меньше, чем медный.
Авторы: А. Биняковский, В. Зволинский, А. Кковалёв, Н. Першина, г. Москва