УДК 681.2.08
ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
SENSOR TO MEASURE ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF LOW TEMPERATURE PLASMA
Михайлов Виктор Федорович
д-р техн. наук, профессор E-mail: vmikhailov@pochta.tvoe.tv
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Факультет радиотехники, электроники и связи
Кафедра медицинской радиоэлектроники
Аннотация: Предложено применение датчика проводимости для измерения электрических характеристик низкотемпературной плазмы (концентрации электронов). Представлены его конструкция, методика применения, методы уменьшения погрешностей измерения.
Ключевые слова: низкотемпературная плазма, электрические характеристики, датчик проводимости, конструкция, метод измерения.
Mikhailov Victor F.
D. Sc. (Technical), Professor E-mail: vmikhailov@pochta.tvoe.tv
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication
Chair of medical radioelectronics
Abstract: It is shown that the knowledge of the plasma electrical characteristics like electron density is absolutely essential. The use of the conductivity sensor is proposed. The sensor design, method of use, techniques to reduce measurement errors are discussed.
Keywords: low temperature plasma, electrical characteristics, conductivity sensor, design, конструкция, measurement techniques.
ВВЕДЕНИЕ
Низкотемпературная плазма широко применяется в различных технологических процессах (сварка и резка металлов, выращивание кристаллов, имитация аэродинамического нагрева, действующего на космический аппарат на траектории спуска и т. д.). При этом для управления режимами технологических процессов совершенно необходимо знание электрических характеристик плазмы — концентрации электронов, электронной температуры.
Метод электрических зондов является одним из основных способов определения параметров низкотемпературной плазмы. Это объясняется тем, что в сравнении с другими методами диагностики (СВЧ-методы, оптические) в зондовом методе техника измерений гораздо проще. Применение метода зондовых измерений, разработанного Ленгмюром почти сто лет назад, ограничено случаем плазмы низкого давления, когда столкновениями между частицами можно пренебречь. Для плазмы высокого давления, что имеет место при использовании ее в различных технологических процессах, не представляется возможным установить правильную однозначную связь между величиной зондового тока и параметрами плазмы.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЫ ПРИ ПОМОЩИ ДАТЧИКА ПРОВОДИМОСТИ
При проведении измерений на постоянном токе при помощи зондового датчика проводимости (ЗДП) используются только значения величины его электрического сопротивления (без снятия вольтамперной характеристики) при приложенном к электродам напряжении, близком к нулевому [1]. За основу взят двойной электрический зонд, который представляет собой два цилиндрических электрода длинной I и радиусом й, разнесенных в изоляторе на расстояние Б (й П В) друг от друга (рис. 1). Ток в цепи питания зонда от источника постоянной ЭДС при погружении его в плазму определяется выражением:
I =
[ 1/епл + 1/Gn ]'
(1)
где Сп — электропроводность цепи питания, включая электропроводность электродов, Спл — электропроводность плазмы.
По известным ЭДС, электропроводности цепи питания, включая электропроводность электродов, и измеренному току по формуле (1) находится электропроводность плазмы Спл.
с = пеа
Со 1пБ/й
и соответственно из (2) с учетом (3) получим _ <7ПЛ 1п Б/ й
°пл = ---•
п I
(3)
(4)
Опё — -;-
II
(5)
любых размеров датчика [1]. На основании известного соотношения
Опё — 2,82-10-8#>эф,
где N — концентрация электронов в плазме, уэф — электронная частота соударений из (5) получаем
N =
1п йСплуэфК1 -8
(6)
Рис. 1. Конструкция ЗДП
Удельная электропроводность плазмы определяется на основании метода электростатической аналогии, в соответствии с которым
°пл = ^пл8а/Со, (2)
где Со — электрическая емкость зонда в однородном диэлектрике с абсолютной диэлектрической проницаемостью Еа• Очевидно, что выражение (2) справедливо в предположении, что плазма в исследуемой области однородна.
Приближенно емкость двойного зонда может быть определена как емкость отрезка бесконечной линии длиною I, равной длине электродов, погруженных в плазму. Для линейных проводников бесконечной длины емкость отрезка линии длиною I определяется как
2,82 ■ 10_опI
Частота соударений рассчитывается по формуле: vэф = 4,95'1оХ2 ,
где р — давление в плазме, кг/см2, Т — температура, К.
Это выражение справедливо для воздуха при условии, что столкновения происходят между электронами и молекулами азота, окиси азота и кислорода.
Другим фактором, влияющим на определение параметров плазмообразования, является изменение геометрии электродов зонда под действием высокой температуры плазмы. Эксперименты показали, что при погружении зонда в исследуемую плазму электроды его обгорают, становясь короче и приобретая заостренную форму. Необходимо оценить влияние изменения формы электродов зонда на результаты измерения удельной электропроводности плазмы. Решение этой задачи сводится к определению изменения емкости зонда, вызванного изменением его формы, и введением поправочного коэффициента К2 в результаты, полученные в предположении, что емкость зонда с измененной геометрией равна емкости зонда бесконечной линии. На рис. 2 представлены значения поправочного коэффициента в зависимости от соотношения размеров датчика [1], и полученный поправочный коэффициент в виде множителя необходимо ввести в выражение (6).
Еще одним из факторов, влияющих на определение параметров плазмы, является слой электронно-ионного расплава на поверхности изолятора ЭДП при воздейс-
Однако такой подход не учитывает краевого эффекта, обусловленного конечной длиной проводников зонда. Этот эффект следует учесть введением поправочного коэффициента К в выражение (4). В результате имеем
Поправочный коэффициент К может быть определен методом сеток. Для ЗДП с размерами й — 0,5 мм, Б — 15 мм, I — 5 мм коэффициент К — 1,34 [1]. Значение этого поправочного коэффициента найдено для указанных выше размеров зондового датчика. С помощью достаточно сложного метода сеток было получено выражение оценки поправочного коэффициента для
Рис. 2. Зависимость поправочного коэффициента от соотношения размеров ЗДП
70
вепвогв & Эувгетв • № 2.2015
Рис. 3. Комбинация ЗДП и ДР
твии на него интенсивных тепловых потоков, который замыкает электроды датчика. При этом ток в цепи питания зондов будет обусловлен не только электропроводностью плазмы, но и электропроводностью расплава.
Тогда, чтобы по измеренным значениям тока определить электропроводность плазмы, необходимо предварительно знать электропроводность расплава. Наиболее целесообразным для определения удельной электропроводности расплава является экспериментальный подход, заключающийся в использовании еще одного зондового датчика, у которого электроды расположены заподлицо с поверхностью изолятора и имеют те же поперечные размеры, что и у ЗДП. Тогда по аналогии с (5) имеем
^ _ G p ln D/d K --L—:-K
iL
1p,
(7)
ние на поверхности электродов электрического слоя из свободно заряженных частиц. Оба эти явления могут привести к изменению электропроводности пространства между электродами датчика. Однако при малых напряжениях питания датчика влиянием этих явлений можно пренебречь.
Окончательно с учетом всех влияющих на оценку параметров плазмы факторов методику определения параметров плазмы можно представить в следующем виде:
— измерить ток между зондами проводимости и зондами расплава,
— по измеренному току зондов проводимости на основании (1) рассчитать = Спл + Ср,
— по измеренному току между зондами расплава определим Ср по выражению (7),
— в результате на основании (6) получим
Ne _
ln D уэфК1К2 -8
где ap — удельная электропроводность расплава изолятора; Gp — электропроводность расплава, измеряемая датчиком расплава (ДР); p — длина зондов в расплаве (толщина слоя расплава); K^ — поправочный коэффициент на конечную длину зондов ДР. Конструкция, состоящая из ЗДП и ДР, показана на рис. 3.
Теоретически существуют еще два фактора, способных повлиять на результаты определения параметров плазмы. Это ЭДС поляризации в расплаве и образова-
2,82 ■ 10"°п1 (С- - Ср)
Это выражение является исходным для определения параметров плазмы на постоянном токе без снятия вольтамперной характеристики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Под конструкцией датчика понимается совокупность электродов с изолятором. В качестве материала для электродов целесообразно использовать сплав вольфрама с 20 % рения, так как этот сплав более устойчив к эрозии и коррозии, чем чистый вольфрам [2]. В качестве изолятора (с точки зрения термоустойчивости и отсутствия вредных примесей) можно выбрать материал на основе окиси кремния. Конструкция датчика прошла успешные испытания на дуговых плазмотронах.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Л. Андреев, И. В. Брагин, В. Ф. Михайлов. Диагностика плазмы зондами проводимости. — СПб.: ГУАП, 2000. — 104 с.
2. Ю. А. Душин. Работа теплозащитных материалов в горячих и газовых потоках. — Л.: Химия, 1968. — 224 с.
Всероссийский конгресс по сенсорному приборостроению |
"Сенсорное Слияние"
27 мая 2015 г. — 29 мая 2015 г., Россия, Санкт-Петербург |
Форма участия: очная |
Язык информации: Русский |
Цель конгресса — предоставить возможность специалистам разных отраслей науки и промышленности | рассмотреть передовые технологии создания сенсоров, датчиков и измерительных приборов и систем для
управления и безопасности, их промышленной установки как комплексных средств мониторинга фактического |
технического состояния сред, объектов и сооружений, узнать и сообщить о достижениях в области сенсорных | приборов и систем и обсудить результаты их применения в различных областях.
Учредители Конгресса: |
ОАО "Атомэнергомаш", ОАО "Авангард", ОАО "ЛОМО", ОАО "Концерн ЦНИИ "Электроприбор", |
ФГУП "ЦАГИ", ОАО "СНИИП", ООО "ЭлМетро", ООО "СП "Интел-Системы", Физико-технич
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.