автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для исследования ударно-волновых возмущений электрического взрыва кольцевой фольги в конденсированных средах

На правах рукописи

Кумыш Михаил Маркович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА КОЛЬЦЕВОЙ ФОЛЬГИ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

005536011

Волгоград - 2013

005536011

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВолгГТУ»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муха Юрий Петрович.

Официальные оппоненты: Шевчук Валерий Петрович,

доктор технических наук, профессор, филиал Национального исследовательского университета «Московский энергетический университет» в г. Волжском, главный научный сотрудник;

Скворцов Борис Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), профессор кафедры «Электротехника».

Ведущая организация ОАО «Всероссийский научно-исследовательский

институт по эксплуатации атомных станций» (ОАО «ВНИИАЭС»), г. Москва.

Защита состоится 29 ноября 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационног совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университет по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственно го технического университета.

Автореферат разослан « ЛЛ _» октября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Авдеюк Оксана Алексеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Информационно-измерительные системы (ИИС) для исследования электрического взрыва (ЭВ) имеют некоторые особенности, такие как: 1) применение датчиков первичной информации, работающих в импульсном режиме; 2) применение многоканальных запоминающих осциллографов; 3) использование математических моделей исследуемого процесса для получения эталонных эавнений, связывающих соответствующие физические величины. Эти особенности бязаны малой длительности импульса разряда, которая составляет несколько де-ятков мкс и менее. Явление ЭВ возникает при импульсном высоковольтном элек-)ическом разряде (ЭР), протекающем непосредственно в конденсированной ди-лектрической среде или через проводник, в виде электрического взрыва роводника (ЭВП). Использование инициирующего металлического проводника табилизирует протекание разряда. ЭВП в конденсированных средах, например, в иэлектрических жидкостях, широко применяется в современных научных исследо-аниях, а также при решении технических и технологических задач в машиностроении и в других областях индустрии для создания мощных импульсных воздействий, приводящих к разрушению, формообразованию и изменению структурных свойств обрабатываемых материалов. При ЭВП плотность вложенной энергии может составлять W » 100 кДж/см3 , а давление и температура возникающей плазмы достига-т величин Р ~ 109Па, Т = (10 * 100) ■ 103К, соответственно. ЭВП в конденсированных средах интересен как объект исследования, при этом точность измерения араметров ЭВП и проведение метрологического анализа позволяют обеспечить бо-ее детальное понимание физической сущности процесса и возможность технологи-еского применения. Причем, эффективное исследование возможно на основе специализированной ИИС, позволяющей ускорить исследовательский цикл и повысить объективность измерений.

Степень разработанности темы исследования. ЭВ проволочек и фольг исследовали Ю.А. Котов, А.П. Байков, Е.В. Кривицкий, B.C. Седой, A.A. Рухадзе, А.П. Ильин, H.H. Столович, В.В. Буркин, В.В. Лопатин, A.B. Павленко, С.А. Пикуз, Я.Е. Красик, А.Г. Русских, В.А. Бурцев, М. Oyane, W.M. Lee и многие др. В этих исследованиях разрядный ток протекал вдоль проводника. В то же время в литературе практически не рассмотрены случаи протекания тока в круглой фольге в радиальном направлении, то есть от центра к периферии. При таком протекании тока формируется ударно-акустическая волна с достаточно плоским фронтом. Поэтому, исследование гидродинамических, возмущений в конденсированных средах, возникающих при электрическом взрыве кольцевой фольги (ЭВКФ) представляет собой новое перспективное направление. Изучение влияния импульсных воздействий на обрабатываемый объект, исследование физических процессов в металлических проводниках и плазме при протекании импульсного тока значительной плотности, а также решение вопроса точности измерений параметров ЭВКФ, в том числе импульсного давления, необходимы при использовании в различных технологиях и технике. Таким образом, получение измерительной информации при ЭВКФ с помощью ИИС представляет собой актуальную научно-техническую задачу, которой и посвящена тематика настоящей диссертационной работы.

Объектом исследования диссертационной работы является информационно измерительная система для исследования электрического взрыва проводников.

Предметом исследования является достоверность информационно измерительной системы для исследования электрического взрыва кольцевой фоль в жидкой среде при разрядном токе в радиальном направлении.

Методология и методы исследования. В работе использовались теоретиче ские основы ЭВП в жидких диэлектрических средах, для построения математиче ской модели давления, создаваемого ЭВКФ, и методы градуировки преобразовате лей импульсного давления, основанные на физических эффектах падающего груза магнитного взаимодействия двух параллельных токов, упругопластичного дефор мирования пластинчатого датчика. Для оценки погрешностей измерительных кана лов и привлеченных методов градуировки использовались методы математическо метрологии. В эмпирической части исследования использовалась импульсная ос циллография для регистрации тока (пояс Роговского), напряжения (омический де литель напряжения) и напряжения отклика пьезоэлектрического преобразовать давления на запоминающем двухканальном цифровом осциллографе 008-8108 привлекались измерительные приборы, в том числе измеритель иммитанса Е7-14.

Целью работы является разработка информационно-измерительной системь для исследования ударно-волновых возмущений электрического взрыва плоско" кольцевой фольги в пространстве конусной геометрии с конденсированной средой.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ фазового пространства измерительного процесса при ЭВП, изучить существующие методы и средства измерения параметров ЭВП и генерируемых импульсных гидродинамических возмущений с целью выбора информативных признаков для снятия измерительной информации, ее преобразования и обработки.

2. Разработать математическую модель давления при ЭВКФ в рамках реализации технологического процесса с целью формирования эффективной методики измерений, определения характеристик измеряемого сигнала и условий измерений.

3. Разработать структуру ИИС для исследования ударно-волнового возмущения при ЭВКФ в конденсированных средах, определить аппаратный состав и сформулировать методику использования ИИС.

4. Провести метрологический анализ регистрации и измерений импульсного давления, генерируемого ЭВКФ, выявить основные источники погрешностей и определить их значения.

5. На основе созданной ИИС и с использованием специальных экспериментальных установок провести экспериментальные исследования ЭВКФ в пространстве конусной геометрии с конденсированной средой.

Достоверность полученных результатов обеспечивается привлечением адекватных физических моделей изучаемых процессов, справедливость которых общепризнанна, с соблюдением пределов применимости выбранных подходов и подтверждается воспроизводимостью, повторяемостью и сходимостью

экспериментальных результатов, а также непротиворечивостью опубликованным экспериментальным данным.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что предложена ИИС для исследования ударно-волновых возмущений возникающих при ЭВКФ в замкнутом пространстве конусной геометрии с конденсированной средой и проведен метрологический анализ возможных погрешностей, в том числе впервые:

1. Представлен способ и реализован ЭВКФ в замкнутом пространстве конусной геометрии с конденсированной средой. На основе интеграла действия тока, величина которого определяется по параметрам, измеряемым с помощью ИИС, определяется давление, создаваемое при ЭВКФ.

2. Разработана методика комплексной градуировки первичного преобразователя давления ИИС на основе различных градуировочных физических эффектов, в том числе: метод падающего груза, метод магнитодинамического взаимодействия параллельных импульсных токов, метод пластической деформации круглого пластинчатого датчика, что повышает достоверность оценки погрешностей результатов измерений.

3. Разработана методика многоканальных измерений параметров ЭВП и импульсного давления при реализации технологии электрического взрыва проводников цилиндрической и кольцевой геометрии.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Разработанная ИИС, позволяет расширить информативность и повысить точность измерения параметров электрического взрыва проводников и импульсных гидродинамических возмущений, возникающих в конденсированных средах.

2. Использование кольцевой фольги в качестве взрывающегося проводника, по которой прохождение электрического тока происходит в радиальном направлении, обеспечивает осуществление квазиоднородного взрыва и генерацию плоской ударной волны в конденсированной диэлектрической среде.

3. Получаемые сведения позволяют интерпретировать физические процессы, имеющие место в неидеальной плазме электрического разряда, при мощном импульсном нагреве металлов с изменением их фазового состояния, в окружающей конденсированной среде, в объекте воздействия.

4. Результаты исследований могут быть использованы для решения технических и технологических задач в области обработки материалов давлением и при разработке новых перспективных технологий на основе ЭВП.

Реализация результатов исследования. Работа выполнена на кафедре вычислительной техники Волгоградского государственного технического университета и на кафедре прикладной физики Волжского политехнического института ВолгГТУ.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на заседаниях: П Международной научно-практической конференции "Дни науки -2007", г. Белгород, 01-15 апр. 2007 г.; \,У1.\ИЛТН Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, З-б дек. 2008 г., 3-6 дек. 2009 г., 22-24 дек. 2010 г., 23-25 ноября 2011 г.; Межрегиональной конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий», МЭИ — г. Волжский, 22-25 сентябрь 2009 г.; 46, 47 Научной конференции ВолгГТУ, г. Волгоград, 2-6 фев. 2009 г., 2-4

Йп^7 лгт ^научно-практической конференции ППС ВПИ - г. Волжский ¿ии/;; IV, VI, VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Взаимо действие предприятий и ВУЗов по повышению эффективности производства управления и инновационной деятельности», г. Волжский, 14 мая 2008 г., 18-19 м-2010 г., 17-18 апр. 2012 г; Ш Международной научно-технической конференци Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)" г Сама ра, 29-31 мая 2012 г.

Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано^ работ, в том числе б научных статьи в рецензируемых журналах ВАК, 10 статей в сборниках научных трудов, 7 тезисов, 15 патентов РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. ИИС, содержащая энергетическую установку, микропроцессорный комплекс и сопутствующее оборудование, реализующая многоканальное измерение параметров ЭВП и импульсного давления плоских ударно-акустических волн, генерируемых при ЭВКФ, на основе пьезокерамического преобразователя, позволяет проводить исследования быстропротекающих процессов.

2. Применяемые методики градуировки пьезокерамических преобразователей импульсного давления и их математические модели, основанные на различных физических эффектах - механическое воздействие падающего груза, магнитное взаи-модеиствие двух параллельных токов, упруго-пластичное деформирование пластинчатого датчика, дают возможность осуществить градуировку пьезокерамического преобразователя импульсного давлениях допустимой относительной погрешностью не. более 10 %. г

3. Предложенные соотношения, связывающие физико-технические параметры взрывающихся цилиндрических проводников, кольцевых фольг и разрядного контура, позволяют осуществить протекание электрического взрыва в согласованном режиме, а гиперболическая зависимость профиля взрывающейся кольцевой фольги обеспечивает квазиоднородный электрический взрыв и генерирование плоской ударно-акустической волны.

4. Математическая модель давления при ЭВКФ, полученная на основе уравнения состояния жидкости в форме Тэта, уравнения энергетического баланса и использования интеграла действия тока согласуется с результатами экспериментов электрического взрыва кольцевой фольги с погрешностью не более 12%.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Выбранная тема соответствует Паспорту специальностей научных работников по шифру иэ.и 16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении): п.З «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытании и контроля, метрологического сопровождения и метрологической экспертизы информационно-измерительных и управляющих систем, методы проведения их метрологической аттестации» и п.6 «Исследование возможностей и путей совершенствования, существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Личный вклад автора. Автор самостоятельно проанализировал литературные данные в области применения ИИС для исследования ЭВП и предложил цель исследования, при этом лично автором проведены расчеты по математическому моделированию ЭВКФ, которые представлены в работах [1, 5, 9, 13 - 15] и разработана структура ИИС, изложенная в работах [7, 16, 19]. Постановка задач, обсуждение результатов и формулировка выводов были проведены совместно с научным руководителем д.т.н., профессором Ю.П. Муха и к.т.н., доцентом А.Л. Суркаевым. На основе исследований, проведенных при непосредственном участии автора, получены основные результаты, представленные в диссертации, и сформулированы основные научные положения и выводы. Эксперименты проведены автором на базе Волжского политехнического института в лаборатории «Высокоэнергетических импульсных исследований». Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии диссертанта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка. Объем диссертации составляет 173 страницы текста, включая 57 рисунка, 16 таблиц и библиографического списка из 131 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, обозначены объект и предмет исследования, изложены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации выполнен литературный обзор методов и средств измерения параметров ЭВП и генерируемых ударно-волновых возмущений и проведен анализ фазового пространства измерительного процесса при ЭВП и определена область исследования. Отмечается, что в процессе ЭВП проводник проходит ряд стадий - нагрев металла в твердом состоянии, плавление, нагрев металла в жидком состоянии, интенсивное парообразование, взрыв, сопровождающийся нарушением электрической проводимости, ионизацией, шунтирующим разрядом в плазме, электромагнитным излучением в широком диапазоне спектра, генерацией ударных волн в среде и другими явлениями, связанными и с самой средой. Взрывающийся проводник играет роль инициатора взрыва. Одним из важнейших параметров при ЭВП является давление, при этом показано, что перспективным направлением может быть применение в качестве взрывающегося проводника кольцевой фольги при протекании разрядного тока в радиальном направлении. Проведен сравнительный анализ первичных преобразователей. Для измерения импульсного тока предлагается использовать пояс Роговского, работающего в режиме интегрирования тока на внешней емкости, и имеющего ряд преимуществ по сравнению с другими измерителями тока, в частности отсутствие непосредственного контакта с измеряемой цепью, а также, простоту в изготовлении и надежность в эксплуатации. Основным элементом, дающим возможность произвести измерение меняющегося в ходе ЭВП напряжения Г/, (0 на конденсаторном накопителе, является омический делитель напряжения. Для измерения импульсных давлений привлекаются преобразователи давления, действие которых основано на различных физических явлениях (механические,

электрические, оптические, рентгеноскопические, электронно-оптические и др.) Показано, что наиболее приемлемым преобразователем давления в условиях ЭВ является пьезокерамика на основе цирконата-титаната свинца (марки ЦТС-19). Д осуществления ЭВП наиболее выгодно использовать силовую энергетическую уста новку, работающую в режиме генератора импульсного тока (ГИТ) с емкостнь: энергетическим накопителем. Показано, что для исследования ЭВП необходимо состав ИИС включить многоканальный запоминающий осциллограф. На основани проведенного литературного анализа сформированы задачи исследования.

Во второй главе диссертации произведена декомпозиция энергетических превращений по стадиям энергетических вложений при ЭВП в жидкости, позволяющая учесть ту часть энергии накопителя, которая непосредственно идет на формирование гидродинамического импульса, при этом было учтено, что важным параметров ЭВП является интеграл действия тока 5 = |/2(г) ¿г. Для эффективной реализация

энергии конденсаторного накопителя необходимо выполнения условий, накладывающихся на физико-технические свойства взрываемых проводников и разрядного контура. В работе предложено скорректированное эмпирическое соотнбшение, определяющее длину проводника в виде проволочки 1согл, при которой осуществляется протекание электрического взрыва в согласованном режиме:

£ аУо^ЬС

где У/0 - запасенная энергия; и0 - начальное напряжение; С - емкость батареи; I -индуктивность контура; упр,<т„р - плотность и удельная электропроводность, Кр'Хпр ~ удельная теплота плавления и парообразования проводника, - удельное сопротивление; а - некоторый безразмерный коэффициент, который должен зависеть от запасаемой энергии и от физико-химических свойств металлов. В выражении (1)

отражены физические свойства взрывающегося металлического проводника и энергетические параметры разрядного контура. Для генерации плоской ударно-акустической волны предлагается осуществлять электрический взрыв фольги, выполненной в виде плоского кольца, с подачей разности потенциалов на центральную и периферийную ее части. При этом, для протекания квазиоднородного ЭВКФ необходимо равенство плотностей токов в радиальном сечении кольца. Исходя из этого показано, что радиальный профиль кольцевой фольги должен определяться •гиперболической зависимостью от радиуса. Рассматривая взрывающуюся

кольцевую фольгу как систему цилиндрических проводников, лежащих в одной плоскости и расположенных радиально и принимая условие равенства сопротивлений, объемов и поверхностей цилиндрических проводников и кольцевой фольги, получены соотношения, оценивающие параметры фольги гиперболического профи-

^оргорг

_ 2 л/ г 1- ( \Л

ПГ] \ л),

/

£ор: = г2-Г1. (2)

Аналогичные соотношения были получены и для плоской кольцевой фольги:

пЩ

7сопс1асопй (Дсот1 +Хсот1) лД/С

апирК^ЬС

Г1 РсопЛ УсопЛ \Xcond Асопс11

(3)

В работе предложена математическая модель давления, создаваемого при ЭВКФ во взрывной камере (ВК) конусной геометрии (рисунок 1), заполненной жидкостью, позволяющая оценить создаваемое давление по величине интеграла действия тока и параметрам конденсированной среды и взрывной камеры. Кольцевая фольга имеет малую толщину и незначительную разницу внешнего и внутреннего диаметров, и рассматривается в качестве инициатора электрического разряда, при этом не рассматриваются физические процессы, протекающие в металлической фазе. Также считается, что процесс протекания разряда является квазистатическим, т.е., время достижения максимального значения тока разряда на много больше времени прохождения звуковой волны вдоль камеры. Исходя из уравнений: 1) сохранения массы жидкости в ВК, 2) состояния жидкости в форме Тэта и 3) баланса энергии разрядного контура, - были получены выражения, определяющие: 1) давление, 2) интеграл действия тока, как функции от степени сжатия жидкости е плазменным «поршнем» и 3) давление в зависимости от энергии У/таз, вложенной в плазму: Р = (4)

-а+1 , _ с, ,,2 ]

(5)

Рисунок 1 — Модель замкнутого пространства конусной геометрии с взрывающейся кольцевой фольгой

5 =

2л2О'АН2Х2

9еп(И,/г,)%

е211

-еГа-11

(Г-1)

-2)

(г- ■1)

е(1-£)-а+1 1-{1-е)

Оя-1)

(от-Л«*- 2)

£ ' 2

Р =

здесь е =

ЗН

3{г-1)аА\Гт~

(6)

н[я2 +щ+л/

, где й/, г1, Я- радиусы взрывающейся кольцевой фольги и

торцов конусной ВК; Н - высота ВК; К- текущее значение высоты, расширяющегося плазменного «поршня». На рисунках 2 и 3 представлены зависимости давления Р(К) и интеграла действия тока к') от высоты /г', плазменного «поршня», для разных по высоте Н конусных камер. Глава завершается описанием процедуры определения давления, создаваемого при ЭВКФ во ВК конусной геометрии.

В третьей главе представлена разработанная ИИС регистрации параметров ударно-волновых возмущений электрического взрыва кольцевой фольги в конденсированной среде (рисунок 4). Высокое напряжение, вырабатываемое ГИТ, посредством блока управления (БУ) с коммутирующим устройством в виде искрового разрядника (Р), подается на плоскую кольцевую фольгу (КФ). Взрывающаяся КФ расположена на торце прочного диэлектрического цилиндра, соосно которому уста-

и, мм

к', мм

Рисунок 2 — Зависимость давления Рисунок 3 — Зависимость интеграла дей-

Р(К) от высоты плазменного канала ствиятока 5(й') от высоты плазменного

к', для разных по высоте Н конусных канала к', для разных по высоте Н ко-

камео. нусных камер.

новлены центральный (ЦЭ) стержневой и кольцевой (КЭ) электроды, обеспечивающие протекания тока в радиальном направлении. Электродная система с взрывающейся КФ установлена на торце ВК конусной геометрии. На противоположном торце ВК установлен пьезокерамический преобразователь давления (ПД). В качестве преобразователя импульсного тока (ПИТ) используется пояс Роговского, импульсного напряжения (ПИН) - делитель напряжения. Генерируемые электрические сигналы преобразователями тока, напряжения и давления поступают в коллектор информационных каналов (КИК), и далее на запоминающий двухканальный цифровой осциллограф, который связан с компьютером (ПК).

Во второй части главы представлены методики градуировки ПД в конденсированной среде. Одним из наиболее информационных и максимально приближенных к реальному эксперименту является метод падающего груза. Установка для градуировки представляет собой металлический цилиндр с поршнем, заполненный передающей жидкой средой. В нижней части цилиндра на боковой поверхности установлены симметрично с противоположных сторон ПД и малоинерционный механический индикатор (индикатор часового типа ИЧ 10 МН). При воздействии падающего груза в виде молоточка массы М на поршень массы т, в жидкой среде возникает импульсное возмущение, которое передается на пьезопреобразователь и механический индикатор, посредством которого измеряется перемещение поршня й2 • Меняя высоту Нс подъема груза, изменяем его импульс и, соответственно, величину амплитуды импульсного воздействия на передающую среду:

Р'= р(М + т)^Нс , (7)

порш

где - плечо ударника, Л1 - длительность удара, Бпорш - площадь сечения поршня, / - момент инерции ударника.

В то же время, зная скорость звука с в жидкости можно оценить давление, возникающее при гидроударе, по формуле Жуковского:

Р2=Ри0с. (8)

Также зная значение жесткости к пружинного механизма, сечения 32 и силу трения ¥тр механического индикатора, можно оценить искомое давление:

л =

_{1-сх)р521у] , кк2 2¥,

$ о ^ 9

тр

2 °2

(9)

С другой стороны, зная значение пьезомодуля ПД (в нашем случае 3=1-10~10 Кл/Н) и значение относительной диэлектрической проницаемости, изме-

Коммутатор

гтт

а_1_£

кик

ПК

*( Не

Рисунок 4 - Блок-схема ИИС для исследования ударно-импульсных возмущений ЭВКФ в конденсированной среде: БЗ - блок запуска; ГИТ - генератор импульсного тока; ВК - взрывная камера, заполненная жидкостью; КФ - кольцевая фольга; ЦЭ - центральный электрод; КЭ - кольцевой электрод; ПД - пьезокерамический преобразователь давления; ПДД - пластинчатый датчик давления; МК - микрометрический индикатор часового типа; ПИН, ПИТ, ПИД -преобразователи импульса напряжения, тока и давления, соответственно; КИК - коллектор информационных каналов; ПК - компьютер; Ис- исследователь.

ренное, в частности, измерителем иммитанса Е7-14 (£=1750), можно определить давление как функцию напряжения, генерируемого пьезопреобразователем:

Р4

_£о£_ 8-Л

и.

(10)

Величина пьезомодуля по мере эксплуатации пьезокерамического преобразователя давления изменяется, поэтому формулой (10) практически нельзя воспользо-

ваться, а это значит, что каждый пьезопреобразователь перед эксплуатацией должен пройти процедуру искусственного старения, а затем проградуирован.

Также градуировка ПД осуществлялась методом магнитного взаимодействия двух однонаправлено протекающих параллельных токов (ММВТ). Воздействие на пьезопреобразователь, находящийся на дне цилиндра заполненного жидкой рабочей средой, осуществляется вследствие импульсного перемещения поршня. Давление определяется по формуле:

Р5=Лй1м

2 Т- <П)

2л2 М2

Другой метод градуировки основывается на сравнительном анализе величины прогиба круглого пластинчатого датчика (ПДД 1 и ПДД 2) с зафиксированными краями при пластической деформации его под действием ЭВКФ в камере конусной геометрии и динамического нагружения механическим прессом. Образцы, полученные механическим воздействием должны быть идентичны образцам, получаемым в результате ЭВКФ. Теоретический расчет статического давления на круглую пластину радиуса г и толщины 5т, деформирующего ее со стрелой прогиба АН:

6 М2+Зг2 ' {и)

В последнем разделе главы представлена блок-схема измерительных процедур, осуществляемых в рамках функционирования ИИС для исследования ЭВКФ.

В четвертой главе проведен метрологический анализ градуировки ПД и результатов исследования давления ударно-акустической волны при ЭВКФ во взрывной камере конусной геометрии с конденсированной средой. В первом разделе главы используя элементы математической метрологии, рассмотрены измерительные математические модели и предложена запись в операторном виде. Основными источниками погрешностей, проявляющихся в применяемых методиках градуировки ПД являются: погрешности измерений технических характеристик экспериментальных установок; погрешности, присущие к применяемым механическим и электроизмерительным приборам (цифровой запоминающий осциллограф, вольтметр, индикатор, механический пресс и т.д.); погрешности измерения разрядного тока поясом Роговского; погрешности идентичности деформированных круглых пластинчатых датчиков, как механическим прессом, так и ЭВКФ; погрешности, возникающие при формировании квазиоднородного взрыва плоской фольги и т.д. На рисунке 5 представлена блок-схема информационных потоков, реализуемых в соответствующих этапах исследования, где Я- - последовательная совокупность

К АЦП ПК

Р5(г) ->Г

ь> Ик Кацп

э> -5» ИПР що

Рисунок 5 — Схема преобразования измеряемых параметров

операторов преобразований г-ого канала; Як - оператор коммутации; ИАцП - оператор аналого-цифрового преобразования (осциллограф); - оператор отображения (компьютер).

Уравнение измерений по информационным потокам, реализуемых в ИИС, можно представить в следующем виде:

'ЫгХцРи«)

= КПРкацпкК

R23R22R2JP2 j (О

R33R32R31P3j(t) , (13)

R43R42R41P4 j(*)

где ¡7y(r) - импульсный выходной электрический сигнал (выходной информационный поток); Яд. - операторы преобразования (R1!,R2i,R3i,R41~ первичный аналоговый преобразователь - пьезоэлектрический преобразователь ЦТС-19; Ri 2^22^32^42 - вторичные аналоговые преобразователи - RC-цепочка; RI3,R23,R33,R43 - вторичные аналоговые преобразователи - делитель напряжения); - входной информационный поток (воздействующая импульсная физическая величина - давление в соответствующем измерительном опыте; t - текущее значение времени.

Во втором разделе главы составлены уравнения полных, методических и инструментальных погрешностей измерений по всем каналам. В третьем разделе главы проведено операционное разложение полных, методических и инструментальных погрешностей, позволяющее переходить к замене операций их аналитическими выражениями или рассчитывать значения погрешности. В таблице 1 представлены расчетные значения методических, инструментальных и полных погрешностей по всем информационным потокам.

Таблица 1 - Расчетные значения погрешностей измерений

Содержание шага Инструментальная погрешность, % Методическая погрешность, % Общая погрешность шага, %

Погрешность МПГ, способ 1 3 4,1 5,08

Погрешность МПГ, способ 2 2 1,6 2,56

Погрешность МПГ, способ 3 2 3 3,6

Погрешность ММВТ 2 3 3,6

Погрешность ЭВКФ 3 3 4,2

Общая погрешность исследования 5,5 6,8 8,7

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований электрического взрыва проводников и ударно-волновых возмущений в конденсированной среде на основе ИИС. Используя предложенное соотношение, определяющее длину взрывающегося проводника, для формирования согласованного взрыва получены характерные осциллограммы тока и напряжения для медных и алюминиевых проводников (рисунки 6 и 7). Данные графики иллюстрируют существование "пау-

зы тока" и полную реализацию энергии взрыва в первой половине периода, что позволяет говорить о состоятельности выражения (1). Аналогичные осциллограммы

КО, и(1), кВ КО, кА "В

Рисунок б — Осциллограммы зави- Рисунок 7 — Осциллограммы зависимости тока (1) и напряжения (2) симости тока (1) и напряжения (2) от времени алюминиевого ЭВП от времени медного ЭВП

получены для ЭВКФ (рисунок 8) при применении формулы (3). На рисунке 9 представлены образцы КФ после взрыва. Определяя значение интеграла действия тока из результатов эксперимента, получено значение давления в конусной камере Р = 10-107 Па, что соответствует показаниям пьезокерами-ческого преобразователя давления.

На рисунке 10 показаны образцы деформированных пластин, полученные при ЭВКФ (10а) и механическим нагружением (106), представляющие, в достаточной мере (3%), идентичные конфигурации. Сопоставлением результатов определено нижнее граничное значение давления. Результаты экспериментальных исследований по градуировке пьезокерамического преобразователя давления с использованием методик, основанных на различных физи-¿ШЙШШйшштшЁШЁШШВВШВШ: -* 1 щЦ зЩИРЯРМ Р те

ШШш ^л-Ч

, г ж - хс 1

И...............ВИИ "НИИ з; - :

Рисунок'10 - Деформированные круг-Рисунок 9 — Результаты экспериментов при различных ль1е пластины: а) при ЭВКФ; б) меха-начальных напряжениях конденсаторной батареи: ническим нагружением 1) и,=1.0 кВ\ 2) и,=1,5 кВ\ 3) и,=1.8 кВ\ 4) ¡74=2.0 кВ.

/(г) кА ОД кВ

■ ? / -2

1 \ и / '1

1

0 1000 200

г, Д?

Рисунок 8 — Осциллограммы тока (1) и напряжения (2) ЭВКФ.

ческих эффектах (метод падающего груза, метод магнитного взаимодействия параллельных токов) и с учетом разноточности этих методов представлены в виде осциллограмм, показанных на рисунках И и 12 и сведены в таблице 2. По полученным данным можно получить усредненное значение передаточного коэффициента с уче-

£Щ В

25 20 15 10 5 0

/■ ч

/ \

/ \

/ О \

Л \

> .

/ \

Л - 1 V \

# V

ч \

У с* V

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 I мс Рисунок II - Абрисы осциллограмм напряжения пьезопреобразоватедя давления, полученных при падении груза с различных высот Нс в методе падающего груза: 1) 0,08м; 2) 0,16 м; 3) 0,28м

Щ), В 20

Ш), кА

15 10 5 0

1 « 1 ) !

1

\\\ >2

_11 у д

! / ?

1 V |

7,5 5

2,5 0

0 250 500 750 мкс Рисунок 12- Осциллограмма напряжения пьезопреобразоватедя - 1 и разрядного тока - 2. Метод динамического взаимодействия параллельных токов

том весового коэффициента каждого метода. Например, один из градуированных преобразователей имел значение равное {'кщ} = 0,63-105 Па/В.

пьезоэлектрического преобразователя

Метод Передаточный козффиц,, к, 10 Па/В Относительная погрешность, з, % Точность, г Весовой коэффициент, УГ

МШ", способ 1 0,71 5,08 0=2 0,174

МШ, способ 2 0,61 2,56 0,39 0,339

МШ, способ 3 0,60 3,6 0,28 0,243

ММВПТ 0,61 3,6 0,28 0,243

Результаты исследования ЭВКФ в конусной камере с конденсированной средой, полученные на базе разработанной и технически реализованной ИИС, показаны на рисунке 13, на котором представлены осциллограммы импульсов напряжения на разрядном промежутке (1), разрядного тока (I) и отклика пьезокерамического преобразователя давления выраженного в масштабе шкалы давления. Анализ результатов показывает достоверность информации о давлении, возникающем при ЭВКФ в конденсированной среде, работоспособность и состоятельность использования

иис.

Технические характеристики ИИС представлены в таблице 3.Технические аспекты проведенных теоретических и экспериментальных исследований представлены в виде патентов [24 - 38].

А

А /

А и \

/1 V-

1 1 \ V

у \

1-

л

О 100 200 300

Рисунок 13 - Осциллограммы ЭВ алюминиевой КФ в воде: 1 - импульса напряжения Щг)\ 2 - импульса тока ОД; 3 -импульса давления ударно-акустической волны Р{г).

Таблица 3 - Технические характеристики ИИС

Параметры Значения Относит, погрешность

1. Период собственных колебаний разрядного контура при коротком замыкании, мкс 250 0,025

2. Количество каналов измерения, всего, из них запоминающих 4 3 -

3. Передаточный коэффициент преобразователя импульсного тока - пояса Роговского, А/В 2110 0,092

4. Полоса пропускания регистрируемых сигналов, МГц 100 -

5.Диапазон измеряемого давления, 105, Па, 1-150 0,15

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬ ТА ТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана ИИС, позволяющая проводить исследования электрического взрыва кольцевой фольги и генерируемых ударно-волновых возмущений во взрывных камерах конусной геометрии заполненных жидкой диэлектрической средой на основе математической модели давления при электрическом взрыве плоской кольцевой фольги.

2. Разработаны методики градуировки пьезокерамического преобразователя давления, основанные на математических моделях различных физических эффектов, позволяющие получить усредненное значение переводного коэффициента пьезокерамического преобразователя давления.

3. Предложены соотношения, определяющие геометрические параметры взрывающихся проводников цилиндрической и плоской кольцевой геометрии, учитывающие их физические свойства и энергетические параметры разрядного контура, обеспечивающие протекание электрического взрыва в согласованном режиме, при этом для формирования квазиоднородного взрыва и генерации плоской ударно-

акустической волны профиль взрывающейся кольцевой фольги должен определяться гиперболической у^ зависимостью от радиуса.

4. Разработана математическая модель оценки импульсного давления электрического взрыва плоской кольцевой фольги во взрывной камере конусной геометрии с конденсированной средой на основе уравнений состояния жидкости в форме Тэта, уравнения энергетического баланса и использования интеграла действия тока, адекватно определяющая амплитудное значение давления ударно-акустической волны с погрешностью не более 12%.

5. Проведенный метрологический анализ градуировки пьезокерамического преобразователя давления выявляет существование возможных методических и инструментальных погрешностей с общей погрешностью не превышающий 10 %.

Основные результаты диссертапии опубликованы в работах;

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Суркаев A.JL, Муха Ю.П., Кумыш М.М. Оценка давления, создаваемого при электрическом взрыве кольцевой фольги в воде. // Письма в ЖТФ, 2010. Том 36, вып. 7. С. 7-12.

2. Суркаев А. JL, Муха Ю. П., Кумыш М. М., Усачев В. И. Исследование давления ударно-акустической волны электрического взрыва кольцевой фольги в конденсированной среде // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. 6(93) / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - С. 69-74 (сер. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Вып. 6).

3. Суркаев А. Л., Кумыш М. М., Усачев В. И. Методика исследования электрического взрыва цилиндрического проводника и кольцевой фольги // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. 6(93) / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - С. 74-78 (сер. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Вып. 6).

4. Суркаев A.JI., Кумыш М.М., Усачев В.И. Исследование миллисекундного электрического взрыва металлических проводников// Письмав ЖТФ, 2011, том 37, вып. 23. С. 97-104.

5. Surkaev A.L., Mukha Ju.P., Kumish М.М. Evaluating Pressure Generated by the Electric Explosion of a Foil Ring in Water. // «Technical Physics Letters» Vol.36, No.4 2010, p. 296-299.

6. Surkaev A.L., Kumish M.M., Usachev V. I. Millisecond Electric Explosion of Metal Conductors // Technical Physics Letters Vol.37, No.12,2011. P.l 135-1138.

Статьи в других изданиях и в материалах конференций:

7. Кумыш М.М. Информационно-измерительная система для исследования электрогидравлического эффекта, возникающего при электрическом взрыве кольцевой фольги // Сб. н.т. по материалам Международной научно-практической конференция «Наука, образование, общество: тенденции и перспективы». 31 августа 2013, г.Москва. С. 17-21.

8. Суркаев АЛ., Муха Ю.П., Кумыш М.М. Элементы гидродинамики электрического взрыва плоской кольцевой фольги // Современные наукоемкие технологии, № 6, 2010. - М.: РАЕ. С. 83-88.

9. Суркаев A.JL, Кумыш М.М. К вопросу об.условиях оптимальности режимов электрического взрыва кольцевой фольги. //II Международная научно-практ. конф. "Дни науки - 2007" (апрель 2007 гЛ www.rusnauka.com. г. Белгород.

10. Суркаев A.JL, Муха Ю.П., Кумыш М.М., Усачев В.И. Информационно-измерительная система в исследовании поля давления ударно-акустической волны электрического взрыва кольцевой фольги в замкнутом пространстве с конденсированной средой // Материалы Ш Международной Научно-технической конференции "Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)" 29-31 май 2012, г. Самара. С. 270-273.

11.Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Лысов Э.А. Силовая установка электрического взрыва металлических проводников в жидкой среде. // IV Межрегиональная научно-практ. конф. "Взаимодействие ВУЗов и пром. пред. для эффективного развития инновационной деят.". Волжский, 14.05.2008. С. 95-98.

12.Каблов В.Ф., Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Костин В.Е., Соколова Н.А., Усачев В.И., Лысов Э.А. Исследование влияния ударного воздействия электрического разряда на организмы-обрастатели // V Всерос. научно-пракг. конф. «Инновационные тех-ии в обуч. и произв.». Камышин, З-б дек. 2008 год. С. 180-183.

13. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Зубович С.О., Усачев В.И. Моделирование квазиоднородного электрического взрыва кольцевой фольги //V Всерос. научно-практ. конф. «Инновац. тех-ии в обуч. и произв.» Камышин, З-б дек. 2008 год. С. 236-239.

14. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И. Динамическое воздействие ударной волны электрического взрыва кольцевой фольги в конденсированной среде // Межрегиональная конф. «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» МЭИ, 22-25 сентябрь 2009. С. 111-115.

15. Суркаев А.Л., Муха Ю.П., Кумыш М.М., Усачев В.И. Оценка давления, создаваемого при ЭВП в жидкости, с использованием энергетического накопителя конденсаторного типа //УП Всероссийская научно-прак. конф. «Инновационные технологии в обуч. и произ.»/ Камышин, 22-23 дек. 2010 год. Том 4. С. 90-92.

16. Суркаев А.Л., Муха Ю.П., Кумыш М.М., Усачев В.И. Элементы информационно-измерительной системы регистрации давления ударно-акустической волны электрического взрыва плоской кольцевой фольги //VII Всероссийская научно-практ. конф. «Инновац. техн. в обуч. и произв.»/ Камышин, 22-23 дек. 2010 год. Том 4. С. 93-96.

17. Суркаев А.Л., Муха Ю.П., Кумыш М.М., Усачев В.И. Градуировка пьезокерамического преобразователя методом магнитодинамического взаимодействия параллельных импульсных токов. //VIII Всерос. научно-практ. конф. «Инновационные тех-ии в обуч. и произв.» Камышин, 23-25 но-яб. 2011 год. С. 236-239.

18. Суркаев А.Л., Зубович С.О., Кумыш М.М., Усачев В.И. Экспериментальное исследование образования страт при миллисекундном взрыве плоской фольги.// VI Межрег. науч-практич. конф."Взаимод. вузов пром. пред-тий для эффек. развития инновац. деят-ти" г. Волжский, 18-19 мая 2010 г. \у\ую.уоЫ/ги/ С. 118-119 .

19. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Зубович С.О., Усачев В.И. Элементы информационно-измерительной системы для исследования импульсного давления электрического взрыва плоской кольцевой фольги в конденсированной среде. // VI Межрег. науч-практич. конф."Взаимод. вузов пром. пред-тий для эффек. развития инновац. деят-ти" г. Волжский, 18-19 мая 2010 г. >уит.уоЪУги! С. 120-122.

20. Суркаев А.Л., Зубович С.О., Кумыш М.М., Усачев В.И. Исследование параметров согласованного режима электрического взрыва последовательно соединенных металлических проводников. // VI Межрег. науч-практич. конф."Взаим. вузов пром. пред-тий для эффек. развития инновац. деят-ти" г. Волжский, 18-19 мая 2010 г. у!\у\у.уоЫ1ш1 С. 122-125.

21. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Зубович С.О., Усачев В.И. Исследование образования страт при миллисекундном взрыве плоской фольги // Технологии, кооперация, инвестиции. VI Межрег. науч-практич. конф."Взаим. вузов пром. пред-тий для эффек. развития инновац. деят-ти" г. Волжский, 18-19 мая 2010 г. илуш.уоЫ/ги/С. 132-134.

22. Посевкин Р.В., Мальнев М.А., Суркаев А.Л., Кумыш М.М. Экспериментальная установка исследования электрического взрыва проводников III 17 межвузовская научно-практическая конференция молодых учёных и студентов, г. : тез. докл. В 4 т. Т. 3 / Филиал МЭИ (ТУ) - 25 мая - 2 июня 2011 г. Волжский, 2011. - С. 23-25.

23. Посевкин Р.В., Мальнев М.А., Суркаев А.Л., Кумыш М.М / Экспериментальные исследования страт в условиях медленного электрического взрыва металлических проводников // 17 межвузов-

екая научно-практическая конференция молодых учёных и студентов, г. : тез. докл. В 4 т. Т. 3 / Филиал МЭИ (ТУ) - 25 мая - 2 июня 2011 Волжский, 2011. - С. 25-27.

Патенты

24. Суркаев A.JL, Суркаев В. А., Кумыш М.М. Электрогидроимпульсный способ запрессовки труб в труднодоступных местах. Патент РФ №2378074,10.01.2010 г. Бюл. №1.

25. Суркаев АЛ, Суркаев В.А., Кумыш М.М. Электрогидроимпульсный способ запрессовки труб в труднодоступных местах. Патент РФ № 2378075,10.01.2010 г. Бюл. №1.

26. Суркаев A.JI., Суркаев В.А., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги (варианты). Патент РФ № 2378414,10.01.2010 г. Бюл. № 1.

27. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги. Патент РФ № 2393268, МПК С1 23 С 14/32 27.06.2010 г.. Бюл. № 18.

28. Суркаев AJI., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги. Патент РФ № 2393269, МПК С1 23 С 14/32 27.06.2010 г.. Бюл. № 18.

29. Суркаев A.JL, Суркаев В.А., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги. Патент № 2394938 РФ, МПК С1 23 С 14/32 20.07.2010. Бюл.№ 30.

30. Суркаев А.Л., Каблов В.Ф., Костин В.Е., Кумыш М.М., Усачев В.И. Электрогидравлическая дробилка. Патент №2401701 РФ, МПК С1 В02С19/18. 20.10.2010. Бюл. № 29.

31. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Зубович С.О., Усачев В.И. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги. Патент № 2449051 РФ, МПК С1 23 С 14/32 27.04. 2012. Бюл.№ 30.

32. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Канцедалов Д.А. Устройство для нанесений покрытий электрическим взрывом фольги. Патент № 2449052 РФ, МПК С1 23 С 14/32 27.04. 2012. Бюл. № 30.

33. Суркаев А.Л., Кульков В.Г., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги. Пат. № 2449945 РФ, МПК С1 23 С 14/32 10.05. 2012. Бюл. № 30.

34. Суркаев А.Л., Кульков В.Г., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности. Патент на полезную модель №

115358 РФ, МПК С23С 14/32 27.04. 2012. Бюл. № 30.

35. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И., Канцедалов Д.А. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактные поверхности. Патент на полезную модель №

115359 РФ, МПК С23 С 14/32 27.04. 2012. Бюл. № 30.

36. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактную поверхность. Патент РФ на полезную модель RU 124906 U1, МПК С23С 4/12 20.02. 2013. Бюл. № 5.

37. Суркаев А.Л., Кумьпп М.М., Усачев В.И. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактную поверхность. Патент РФ на полезную модель RU 124907 U1, МПК С23С 4/12 20.02. 2013. Бюл. № 5.

38. Суркаев А.Л., Кумыш М.М., Усачев В.И. Устройство для электровзрывного нанесения металлических покрытий на контактную поверхность. Патент РФ на полезную модель RU 124908 U1, МПК С23С 4/12 20.02. 2013. Бюл. № 5.

Подписано в печать . АО 2013 г. Формат 60x84 1/ 16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № вЯ^ .

Волгоградский государственный технический университет 400005, Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1

Отпечатано в ИУНЛ ВолгГТУ 400005, Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 7

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201455641

Кумыш Михаил Маркович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА КОЛЬЦЕВОЙ ФОЛЬГИ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ

05.11.16 - "Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.П. Муха.

ВОЛГОГРАД -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................... ........................................................................5

ГЛАВА 1 Анализ фазового пространства измерительного процесса при электрическом взрыве металлических проводников с генерацией ударных гидродинамических возмущений.....................14

1.1 Физико-технические и информационные параметры электрического взрыва проводников ............................................................................................................14

I

1.2 Выбор контролируемых параметров при электрическом взрыве металлических проводников и методы и средства их измерения .... 20

1.3 Основные выводы, вытекающие из главы 1. Постановка задач исследования ...........................................................................................................42

ГЛАВА 2 Математическая модель электрического взрыва проводников во взрывной камере, заполненной диэлектрической конденсированной средой................................................... 45

2.1 Магнитогидродинамическая модель электрического взрыва металлического проводника..................................................................................................45

2.2 Графовая модель энергетических превращений при электрическом взрыве металлических проводников..............................................................................47

2.3 Параметры протекания согласованного режима электрического взрыва цилиндрического проводника,- кольцевой фольги гиперболического профиля и плоской кольцевой фольги................................................51

2.4 Математическая модель оценки давления при электрическом взрыве плоской кольцевой фольги в конусной взрывной камере с конденсированной средой................................................................................................................58

2.5 Основные выводы, вытекающие из главы 2............................................................72

I

ГЛАВА 3 Информационно-измерительная система регистрации

параметров электрического взрыва кольцевой фольги......................73

3.1 Блок-схема информационно-измерительной системы регистрации параметров электрического взрыва кольцевой фольги в жидкой

среде..........................................1.................................... 73

3.2 Преобразователи и их характеристики.................. .................... 76

3.3 Методика градуировки пьезокерамического преобразователя давления в конденсированной среде на основе падающего груза................81

3.4 Методика градуировки пьезокерамического преобразователя дав-

)

ления посредством магнитного взаимодеиствия двух параллельных токов..................................................................................................................................................86

3.5 Методика градуировки пьезокерамического преобразователя давления с использованием упругопластического деформирования круглого пластинчатого датчика с защемленными краями........................87

I

3.6 Измерительные процедуры, производимые с помощью ИИС для исследования электрического взрыва кольцевой фольги..............................91

3.7 Основные выводы, вытекающие из главы 3............................... 95

ГЛАВА 4 Метрологический анализ информационно-

измерительной системы.............................................................................................96

4.1 Измерительное уравнение ИИС..........:....................................................................96

4.2 Уравнение полных погрешностей измерений по потокам, реализуемым в ИИС................................................................... 106

4.3 Разложение полной погрешности............................................ 109

(

4.4 Основные выводы, вытекающие из главы 4............................... 111

ГЛАВА 5 Экспериментальное исследование на основе ИИС электрического взрыва проводников и ударно-волновых возмущений в конденсированной среде........................................... 113

5.1 Принципиальная электрическая схема Экспериментальной энергетической установки. Технические характеристики генератора импульсного тока................................................................... 113

5.2 Экспериментальное исследование электрического взрыва медных

(Си) и алюминиевых (А1) цилиндрических проводников и плоских кольцевых алюминиевых (А1) фольг в условии протекания близко-

I

го к согласованному режиму................................................ 119

5.3 Экспериментальное исследование погрешности пьезокерамическо-

го преобразователя давления ЦТС-19...................................... 125

5.4. Градуировка пьезокерамического преобразователя давления на основе метода падающего груза................................................ 128

5.5 Градуировка пьезокерамического преобразователя давления на основе метода магнитного взаимодействия двух параллельных токов 136

5.6 Экспериментальное исследование ударно-волновых возмущений ЭВКФ во взрывной камере конусной геометрии с конденсированной средой....................................................................... 141

5.7 Экспериментальное исследование ударно-волнового и внешнего механического воздействия на круглые пластинчатые датчики с зафиксированными краями в условиях пластического деформирования ................................................................................. 149

5.8 Технические аспекты реализации исследований электрического взрыва проводников в конденсированных средах..........................................155

5.9 Основные выводы, вытекающие из главы 5.............................. 158

Заключение. Основные выводы и результаты диссертации..................159

Библиографический список использованной литературы............. 161

Приложения........................................................................... 174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Информационно-измерительные системы (ИИС) для исследования электрического взрыва имеют некоторые особенности, главными из которых являются: 1) применение датчиков первичной информации работающих в импульсном режиме, 2) применение многоканальных запоминающих осциллографов, 3) использование математических моделей исследуемого процесса для получения эталонных,уравнений, связывающих соответствующие физические величины. Эти особенности связаны с малой длительностью импульса разряда, которая составляет несколько десятков мкс и менее.

Импульсный высоковольтный электрический разряд (ЭР) в виде электрического взрыва (ЭВ), осуществляемый либо непосредственно в конденсированных диэлектрических средах, либо через тонкий металлический проводник, замыкающий разрядные электроды, находит широкое применение в современных научных исследованиях, в технике и различных технологиях, а также в других областях индустрии для создания мощных импульсных воздействий на объект.

Явление возникновения электрического разряда в воде, сопровождаемого импульсом мощного механического воздействия, обнаружили и описали еще в 1767-1769 г.г. П. Лейн и Дж. Пристли [1, 2]. С конца 19 века интенсивно проводились исследования явлений, возникающих при прохождении импульсного тока через различные газы, а также пары металлов. Были получены и описаны

I

световые, спектральные, шумовые и другие эффекты, сопровождавшие газовый разряд. В 1944 году Лазаренко Б.Р. и Лазаренко Н.И. в своих работах показали возможность использования импульсных электрических разрядов в жидкости для обработки металлов. Тогда же К.П. Станюкович и Л.Б. Покровский выдвинули идею создания кумулятивных струй под действием давления, возникающего при ЭР в жидкости [3]. При быстром выделении большого количества энергии в первоначально малом объеме канала электрического разряда в жидкости возникает взрыв. Вещество в канале электрического разряда разогрева-

ется до высокой температуры, что приводит к резкому возрастанию давления. Под действием этого давления канал электрического разряда интенсивно расширяется. И в жидкости формируется волна сжатия высокого давления.

Если разрядное (межэлектродное) пространство зашунтировать металлическим проводником малой массы, например, тонкой проволочкой или фольгой, то на начальной стадии процесса разряда энергетического накопителя ток будет проходить через металл проводника, формируя устойчивый токовый канал и, что, в конечном счете, приводит к быстрому разрушению металлического проводника с последующим взрывом. Электрический взрыв проводника (ЭВП) представляет собой процесс резкого расширения металла проводника в

ходе интенсивного джоулева нагрева импульсом электрического тока большой

п 2 _5 _7

плотности порядка 10 А/см , за время 10 ...10 с и приводящее к разрушению проводника [4]. При этом происходят фазовые превращения: твердый металл переходит в жидкий, далее жидкий металл превращается в пар, а затем при дальнейшем вводе энергии пар ионизируется и формируется в плазму. С позиции электротехнического рассмотрения явление ЭВП сопровождается резким ростом омического сопротивления взрывающегося проводника, в оптике

I

отмечается вспышка света, а в акустике наблюдается возникновение ударно-акустической волны. Используя проводники (проволочки или фольги) различной конфигурации можно получать разрядные каналы различных форм. Следует отметить, что проводник при ЭВП в конденсированных средах, играет роль инициатора разряда, а также, регулятора скорости ввода энергии в разрядный промежуток. Использование инициирующего металлического проводника позволяет устранять нестабильность разряда, а также создает условие для увеличения электропроводности канала разряда за счет примеси ионизированных паров металла, образующихся при взрыве проводника. При использовании в качестве взрывающегося проводника проволочки можно получить ударную волну с цилиндрическим фронтом, а при использовании фольги, фронт ударной волны будет близким к плоскому, и при этом можно приблизить канал разряда непосредственно к обрабатываемой поверхности для получения сверхвысоких дав-

лений. ЭВП, как явление, известно уже более двухсот лет. Первый доклад, посвященный электрическому взрыву проводников, был сделан на заседании Лондонского королевского общества в 1773 г. [5]. Однако одно из первых технологических применений ЭВП было осуществлено в 1940 - 1950-х годах, в ракетной технике, где взрыв проводника начали применять для поджога ракетного топлива [6]. Другим технологическим применением ЭВП стало увеличение электрической мощности в высоковольтной импульсной технике [7].

При электрических взрывах плотность энергии составляет \¥ = 1 100 кДж/см , температура возникающей плазмы может составлять

I

з р

Т -{10 -н 100)10 К, а давление достигает величины р = 10 Па. ЭВП в конденсированных средах (твердых или жидких), в частности, в воде, используется в промышленности как источник импульсных давлений, под воздействием которых обрабатываемые материалы как неорганические, так и органические могут подвергаться разрушению, формообразованию, а также изменять свои структурные свойства. Таким образом, одним из важнейших параметров ЭВП является давление ударно-акустической волны [8, 9], возникающей в конденсированной среде. Знание величины давления позволяет более точно прогнозировать эффективность воздействия ЭВП. Это давление носит импульсный характер и измерение его абсолютного значения, а также формы волнового фронта, как отмечается в работах [8, 9, 10], является не простой задачей. На сегодняшний день отсутствует отлаженная методика расчета и измерения давления при ЭВП в конденсированной среде, при этом; если в отношении ЭВП в виде проволочки или полосовой фольги проводились исследования, то практически нет исследований электрического взрыва проводника в виде кольцевой фольги при протекании разрядного тока в радиальном направлении. Причем, эффективное исследование возможно на основе специализированной ИИС, позволяющей ускорить исследовательский цикл и повысить объективность измерений. Таким образом, исследование гидродинамических возмущений в конденсированных средах при электрическом взрыве кольцевой фольги (ЭВКФ), изучение влияния импульсных воздействий на обрабатываемый объект, решение вопроса точно-

сти измерений параметров ЭВКФ, в том числе импульсного давления, а также получение измерительной информации с.помощью ИИС в настоящее время действительно приобретают все большую актуальность.

Целью настоящей работы является разработка информационно-измерительной системы (ИИС) для исследования ударно-волновых возмущений электрического взрыва плоской кольцевой фольги в пространстве конусной геометрии, заполненной конденсированной средой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1 Провести анализ фазового пространства измерительного процесса при электрическом взрыве металлических проводников и изучить существующие методы и средства измерения параметров электрического взрыва металлических проводников и генерируемых импульсных гидродинамических возмущений с целью выбора информативных признаков для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки.

2 Разработать математическую модель давления при ЭВКФ в рамках реализации технологического процесса с целью формирования эффективной методики измерений, определения характеристик измеряемого сигнала и условий измерений. Определить условия протекания согласованного электрического взрыва для взрывающихся проводников различной геометрии, в том числе для взрывающейся кольцевой фольги при протекании разрядного тока в радиальном направлении.

I

3 Разработать структуру ИИС для исследования ударно-волнового возмущения при ЭВКФ в конденсированных средах, определить аппаратный состав и сформулировать методику использования ИИС. Разработать и изготовить экспериментальные установки для градуировки пьезоэлектрического преобразователя на основе различных физических эффектов.

4 Провести метрологический анализ регистрации и измерений импульсного давления, генерируемого ЭВКФ, выявить основные источники погрешностей и определить их значения.

5 На основе созданной ИИС и с использованием специальных экспериментальных установок провести экспериментальные исследования ЭВКФ в пространстве конусной геометрии с конденсированной средой.

Объектом исследования является информационно-измерительная система для исследования электрического взрыва проводников.

Предметом исследования является достоверность информационно-измерительной системы для исследования электрического взрыва кольцевой фольги в жидкой среде при протекании разрядного тока в радиальном направлении.

Методология и методы исследования. Научно-технические разработки

I

проводились с использованием теоретических основ электрического взрыва проводников в жидких диэлектрических средах, с привлечением современного математического аппарата в построении математической модели ЭВКФ и методов градуировки преобразователей импульсного давления, основанных на физических эффектах падающего груза, магнитного взаимодействия двух параллельных токов, упругопластичного деформирования пластинчатого датчика. Для оценки погрешностей измерительных каналов и привлеченных методов градуировки использовались методы математической метрологии. В эмпирической части исследования использовалась импульсная осциллография для регистрации тока (с применением пояса Роговского), напряжения (с применением омический делитель напряжения) на взрываемом проводнике и напряжения отклика пьезоэлектрического преобразователя давления на запоминающем двух-канальном цифровом осциллографе 008-8108, привлекались измерительные приборы, в том числе измеритель иммитанса Е7-14.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований, подтверждается

(

воспроизводимостью и повторяемостью экспериментов, а также непротиворечивостью опубликованным экспериментальным данным.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что в работе представлена единая информационно-измерительная система для научно-практических исследований ЭВП в конденсированных средах, проведен метрологический анализ возможных погрешностей измерений, в том числе впервые:

1 Представлен способ и реализован ЭВКФ в замкнутом пространстве конусной геометрии с конденсированной средой. На основе интеграла действия тока, величина которого определяется по параметрам, измеряемым с помощью ИИС, определяется давление, создаваемое при ЭВКФ.

2 Разработана методика комплексной градуировки первичного преобразователя давления ИИС на основе различных градуировочных физических эффектов, в том числе: методом падающего груза, методом магнитодинамического взаимодействия параллельных импу�