2019 július 22 - hétfő

2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

Az ezen az oldalon olvasható kísérletek az itt és itt már megismert kísérletek folytatása. Elolvasva az eredményeket, a Központi Fizikai Kutatóintézet négy fizikusával, Józseffel, Istvánnal, Ferenccel és másik Ferenccel megbeszéltük, hogy eljönnek hozzám és jóval pontosabb mérőműszerekkel újból elvégezzük a méréseket.

A használt szkóp típusa: Tektronix TDS 210.

A kísérletekhez ugyanazt az ionizálót használtuk ugyanazokkal az alkatrészekkel (izzó, kondenzátor, szikraköz). Mivel öten voltunk és különböző tapasztalatokkal, hátterekkel és elvárásokkal álltunk hozzá a mérésekhez, ezért energetikailag jelen volt az optimista, érdeklődő, megfigyelő és pesszimista hozzáállás is, ami végső soron nagyon kiegyensúlyozottá és objektívvé tette a lefolytatott méréseket.

Az eredményekről olvashatsz a következő sorokban.

IV. kísérletsor

1. kísérlet

A kísérlet célja annak megállapítása, hogy az ionizáló kimenete és bemenete között van-e galvanikus kapcsolat.

Ehhez digitális ellenállásmérőt használtunk, mely 20 MW-os méréshatárra volt állítva. A műszer szerint nem volt galvanikus kapcsolat a 230 V-os bemenet és a nagyfeszültségű kimenet között, tehát az elkövetkező méréseknél a szkópot leföldelve használhattuk.

2. kísérlet

A kísérlet célja megállapítani a bemeneti energiafelvételt.

Ehhez az ionizáló 230 V-os bemenete és a hálózat közé digitális teljesítménymérőt kapcsoltunk. Terheletlenül és az ívkisülés létrejöttekor is 0,7 W és 1,1 W körül ingadozott a teljesítményfelvétel.

Mivel azonban ez a teljesítménymérő számára nagyon kis érték volt, azaz a műszer ilyen kis teljesítményekre és azok változásaira gyakorlatilag érzéketlen, ezért az itt mért eredményeket figyelmen kívül hagytuk és a továbbiakban csak a kondenzátor által leadott és a terhelésen megjelent energiák mérlegére korlátoztuk a figyelműnket.

3. kísérlet

A kísérlet célja megállapítani az izzón eső feszültség és a rajta keresztülfolyó áram nagyságát, ezáltal meghatározva a rajta disszipálódott teljesítményt.

Nagyon fontos volt az áramokat is mérni, mivel az én korábbi számításaimnál csak az izzó névleges értékeit vettem alapul. Eszerint az izzó névleges ellenállása 60 W volt (lásd itt). De mivel más az izzó hideg és meleg ellenállása, ezért a névleges érték csak tájékoztató jellegű, a pontos számításokhoz nem elegendő.

A feszültségmérést is és az árammérést is a kétsugaras digitális szkóp segítségével mértük, ahol a feszültségmérő mérőfeje 100:1 arányú osztása révén 100 MW-os bemeneti ellenállással rendelkezett, az áramméréshez pedig a Hall-effektust hasznosító mérőfejet alkalmaztuk.

A mérés elrendezését az 1. ábra mutatja.

IvKis1 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

1. ábra.

Az 1. ábrán ismertetett mérési elrendezésnél a mérőfejek rácsatlakoztatásával az ívkisülés gyakorisága és erőssége drasztikusan lecsökkent. Ennek oka egyértelműen a szkóp földelése volt, az húzta le a feszültséget.

4. kísérlet

A kísérlet célja kiiktatni, vagy legalább is a minimumra csökkenteni a mérőműszerek áramkörre gyakorolt hatását.

Ennek érdekében kissé megváltoztattuk a műszerek bekötését. Ezt mutatja a 2. ábra.

IvKis2 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

2. ábra.

Mint látjuk, az egyedüli különbség az, hogy az ionizáló "+" polaritása került a szkóp földjére. Ekkor már nem volt érzékelhető a teljesítménycsökkenés a szikraközön és az izzólámpán. Elkezdhettük a méréseket.

A feszültséggörbe alakját a következő ábra mutatja.

IvKis3 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

3. ábra.

A 3. ábrán jól látszik, hogy a szkóp levágta az Ui feszültségnél a jelet, majd tv idő múlva visszakapcsolt. Ez valószínűleg abból eredt, hogy hirtelen túl nagy feszültségcsúcs jelent meg a szkóp bemenetén.

Ez a mérés tehát nem tekinthető elfogadhatónak, ennek ellenére pár érdekes dolgot megfigyelhetünk.

Ui értéke 280 V volt, szemben az általunk korábban mért 6 V-tal, ti viszont mindössze 13 ms, szemben a mi 13 ms-os értékünkkel. A T periódusidő viszont közeli volt, 28 ms, mi 40 ms-ot mértünk. A kisülések T periódusideje sok paramétertől függ, pl. a levegő összetételétől, nedvességtartalmától, nyomásától, a szikraköz távolságától stb., ezért ez a kis különbség reálisnak vehető. De hogy miért ez a nagy különbség az Ui és a ti értékek között, erre majd később térünk ki.

ti az izzó feszültségének Uk = 20 V-ra történő lecsökkenéséig lett mérve, tv ideje pedig 4,2 ms volt.

Az árammérésnél a kapott jel egy nagyon rövid idejű tűimpulzus volt, amit kis amplitúdójú lecsengő hullámok követtek. Mivel az izzó ohmikus terhelésnek számít, ezért a rajta eső feszültség és a rajta keresztül folyó áram alakja meg kell, hogy egyezzen, de mivel mi nem ezt tapasztaltuk, ezért ezt a mérést nem vehettük figyelembe.

5. kísérlet

A kísérlet célja a feszültség és áram alakjának korrekt meghatározása.

Ehhez a korábbi árammérő fejet kiiktattuk, helyette egy, a feszültségmérésnél használt mérőfejjel megegyező másik mérőfejet használtunk, amit egy 3,3 W-os ellenállással párhuzamosan kötöttünk be.

A mérést a 4. ábra szerinti elrendezésben végeztük.

IvKis4 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

4. ábra.

A szkóp úgy lett programozva, hogy az áram felfutó éle triggerelje a feszültségmérőn bejövő jelet is, s mivel a két mérőfej közös ponton volt földelve, ezért az áram görbéjét invertáltuk. A mért jeleket a következő ábrán láthatjuk.

IvKis5 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

5. ábra.

A szkóp tanúsága szerint az izzón és a söntön mért feszültségek alakjai teljesen megegyeztek, időben egyenlő fel- és lefutásúak voltak, az egyedüli különbség a csúcsértékekben volt, ami érthető is, hiszen a sönt és az izzó ellenállása különböző volt.

Az is jól látszik, hogy a feszültség csúcsai nincsenek a szkóp által levágva, mint ahogy az a 4. kísérletnél történt.

Ui = 1700 V, Us = 160 V, ti pedig 114 ns volt.

A söntön az impulzus csúcsánál átfolyó áram:

Is = Us / Rs = 160 V / 3,3 W = 48,5 A

Ez alapján már meghatározható az izzó ellenállása:

Ri = Ui / Is = 1700 V / 48,5 A = 35 W

Az izzón és a söntön eső feszültségek összege:

Ui+s = 1700 V + 160 V = 1860 V

Figyelembe véve azt a tényt, hogy a szikraközön eső feszültség elhanyagolhatóan kicsi, a kondenzátor feszültségének is 1860 V-nak kell lennie, de hogy tényleg ennyi-e, azt a következő kísérletnél tudjuk meg.

6. kísérlet

A kísérlet célja a kondenzátoron megjelenő feszültséggörbe megfigyelése.

A mérést a 6. ábra szerinti elrendezésben végeztük.

IvKis6 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

6. ábra.

Ugyanazzal a mérőfejjel mértük a kondenzátor feszültségét, mint amelyikkel az izzón eső feszültséget is mértük. Ebben az esetben a szkóp földje közvetlenül a kondenzátor és az ionizáló közös pozitív pontjára csatlakozott.

A mért feszültséggörbe a 7. ábrán látható.

IvKis7 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

7. ábra.

A 7. ábrán jól látszik, hogy a töltődési idő jóval meghaladja a kisülési időt. A T periódusidő megközelítőleg 30 ms volt, az Uc csúcsfeszültség pedig 3300 V.

Ha ezt összevetjük az ötödik kísérletben meghatározott Ui+s = 1860 V-tal, akkor azt látjuk, hogy hiányzik 3300 V – 1860 V = 1440 V. Kirchoff huroktörvénye szerint a kondenzátor feszültsége az izzón, a söntön és az ívkisülésen kell, hogy essen. Talán ilyen nagy a feszültségesés a szikraközben?

7. kísérlet

A kísérlet célja a szikraközön eső feszültség meghatározása.

A mérést a 8. ábra szerinti elrendezésben végeztük.

IvKis8 2.4.14.5.3. Kísérletek ívkisüléssel 3

8. ábra.

A 8. ábrán látszik, hogy ebben az elrendezésben a szikraköz és a sönt van közös földponton, ellentétben a 4. ábrán látható elrendezéssel, ahol a sönt és az izzó volt közös földponton.

Azt tapasztaltuk, hogy a kisülés megkezdése előtti pillanatban a feszültség 3600 V volt, majd a kisülés beindulásakor leesett 100 V-ra. Ez a 100 V a teljes 3600 V-os feszültség 100 V * 100 / 3600 V = 2,7 %-a. Más szavakkal kifejezve ez azt jelenti, hogy a szikraköz által disszipált teljesítmény az összes teljesítménynek csak a 2,7 %-a.

8. kísérlet

A kísérlet célja az ionizáló feszültségnövelő áramkörében lévő kapacitív tagokban tárolt energia meghatározása.

Ez a kísérlet azért volt fontos, mert elképzelhetőnek tartottuk, hogy az általunk használt 631 pF-os kondenzátor kapacitásához még párhuzamosan kapcsolódhat a feszültségnövelő áramkör kapacitása, ami esetleg jelentős lehet, hiszen a kisüléskor ez is energiát szolgáltathat a fogyasztóknak.

A méréshez leforrasztottuk a 631 pF-os kondenzátort és így mértük az izzón eső feszültséget és a rajta átfolyó áramot.

A mérések szerint – és fülre is – sokkal nagyobb volt a kisülések gyakorisága, ami azt jelentette, hogy a feszültségsokszorozó kapacitása jóval a 631 pF alatt volt. A szkóp tanúsága szerint kb. annak 4 %-a.

Kiértékelés

  1. Az 5. kísérlet mérései szerint Ui+s = 1860 V volt, míg a 6. kísérletben a kondenzátoron mért feszültség Uc = 3300 V volt. Először arra gondoltunk, hogy a hiányzó 1440 V-os feszültség talán a szikraközön esik, bár ezt kétkedéssel fogadtuk, hiszen az ívkisülés nagyon minimális ellenállással rendelkezik csak. Ezt az ellenállást meg is tudjuk határozni.
  2. Tudjuk, hogy a szikraközzel sorba volt kapcsolva a 3,3 W-os sönt ellenállás és a 35 W-os izzólámpa. (Az izzó ellenállását itt számoltuk ki.) Tudjuk azt is, hogy az ívkisülés beindulásakor a szikraközön 100 V feszültség, az izzón és a söntön pedig együttesen 3600 V – 100 V = 3500 V feszültség esik (lásd a 7. kísérletet). Ezek szerint a szikraköz ellenállása az ívkisülés alatt:

    Rív = Uív * Ri+s / Ui+s = 100 V * (3,3 W + 35 W) / 3500 V = 1,1 W

    Ez az 1,1 W-os ellenállás teljesen reális érték, ezért igaznak bizonyult az a kételyünk, hogy a hiányzó 1440 V nem a szikraközön esik. De akkor hová tűnik? Egy kis töprengés után arra a következtetésre juthatunk, hogy mivel az ionizáló kétféle üzemmódban működik, 1-es és 2-es üzemmódban, ezért nagy valószínűséggel az 5. kísérletnél az 1-es üzemmódban volt az ionizáló, az utána következő kísérleteknél viszont a 2-es üzemmódban. A két üzemmód között az a különbség, hogy az 1-es üzemmódban az ionizáló kimeneti feszültsége kb. a fele a 2-es üzemmódú feszültségnek. Ez a magyarázat reálisnak tűnik, mivel a mért feszültségek is durván a kétszeresét mutatták a 6. 7. és 8. kísérletekben az 5. kísérletnél mért értékekhez képest.

  3. A 7. kísérletnél meghatároztuk, hogy a szikraközön a teljes energia 2,7 %-a disszipálódik, a 8. kísérletben pedig megmértük, hogy a feszültségnövelő áramkör kapacitásából eredő plusz energia 4 %-a a C = 631 pF-os kondenzátorban levő energiának. Mivel ezek közel azonos értékek, s mivel az előbbi a fogyasztó körben, az utóbbi pedig a generátor körben található, így kijelenthetjük, hogy egymást kompenzálják. Ezeket az értékeket tehát a későbbiekben nem vesszük figyelembe, ami egyáltalán nem rontja a mérések és számítások pontosságát, hiszen a mérésekből eredő hibák ettől akár nagyobbak is lehetnek.
  4. Kétféle mérési eredményünk van. Az egyik az 1-es üzemmódban, a másik pedig a 2-es üzemmódban lett elvégezve. Az 1-es üzemmódban ismerjük a terhelő körön (izzó + sönt) eső feszültséget, így Kirchoff huroktörvényét használva feltételezzük, hogy a kondenzátoron megjelenő feszültség megegyezik a fogyasztókon eső feszültségek összegével. A 2-es üzemmódban pont fordítva áll a helyzet, ott a kondenzátor feszültségét ismerjük és ezek alapján feltételezzük, hogy ez megegyezik a fogyasztókon eső feszültségek összegével. Kirchoff törvénye tehát lehetővé teszi számunkra, hogy elvégezzük az energetikai mérleg meghatározását. Mivel az 1-es és 2-es üzemmódban elméletileg csak a feszültségek változnak, az összes többi paraméter "konstans" – bár ezt még kísérletekkel meg kell vizsgálni – ezért csak az 1-es üzemmóddal számolunk, hiszen a 2-es üzemmódban is ugyanannyi kell legyen az energetikai mérleg.
  5. Ha megnézzük az 5. ábrát, látjuk, hogy az izzón és a söntön eső feszültségek átlagolásához a jelalakokat háromszögletűnek vehetjük, ezért az impulzus átlagfeszültsége:

    Uimp_átl = Ui+s / 2 = 1860 V / 2 = 930 V

    Ennek alapján az impulzus 114 ns alatti átlagos teljesítménye:

    Pimp = Uimp_átl2 / Ri+s = (930 V)2 / 38,3 W = 22 582 W

    Ez hatalmas teljesítmény, mely az impulzus csúcsán eléri a 90 kW-ot is ((1860 V)2 / 38,3 W = 90 329 W) viszont azt is figyelembe kell vennünk, hogy ez nagyon rövid idejű impulzus. A fogyasztókon disszipálódó teljes átlagos teljesítmény egy teljes kisülési ciklus, azaz 35 ms alatt csak:

    Pi_átl = Pimp * ti / T = 22 582 W * 114 * 10-9 s / 35 * 10-3 s = 0,074 W

    Ez a 74 mW-os átlagos teljesítmény már nagyon reálisnak mondható, mivel a 600 mW-os izzó csak kb. egytized fényerővel világított.

    A következő lépés a kondenzátorban tárolt energia meghatározása:

    Ec = 0,5 * C * Uc2 = 0,5 * 631 * 10-12 pF * (1860 V)2 = 0,0011 J

    A 114 ns-os kisülési idő alatt leadott teljesítmény ezek szerint:

    Pc = Ec / ti = 0,0011 J / 114 * 10-9 s = 9 649 W

    A kondenzátor egy teljes kisülési ciklus alatt leadott átlagos teljesítménye viszont csak:

    Pc_átl = Pc * ti / T = 9 649 W * 114 * 10-9 s / 35 * 10-3 s = 0,031 W

    Ezek alapján már meghatározhatjuk az ívkisülés energetikai hatásfokát:

    h = Pi_átl / Pc_átl = 0,074 W / 0,031 W = 2,39 => 239 %

  6. A 2. pontban azt mondtuk, hogy nem vesszük figyelembe se a szikraközön disszipálódott energiát, se a feszültségnövelő áramkör kapacitását. Az érdekesség kedvéért azonban elvégezhetjük az energetikai mérleg kiszámítását ezen paraméterek figyelembe vételével is.

    A kondenzátor kapacitása 4 %-kal megnövekedett, ezért az eredő kapacitás 631 * 10-12 * 1,04 = 656 pF.

    A szikraközön eső feszültséget is kiszámolhatjuk, hiszen itt már meghatároztuk, hogy az ellenállása 1,1 W, az áramerősség 48,5 A, ami alapján a feszültségesés értéke:

    Uk = Is * Rk = 48,5 A * 1,1 W = 53 V

    A számítás menete ezek után már megegyezik a 3. pontban megismerttel:

    Uimp_átl = Ui+s+k / 2 = 1913 V / 2 = 956 V

    Ennek alapján az impulzus 114 ns alatti átlagos teljesítménye:

    Pimp = Uimp_átl2 / Ri+s+k = (956 V)2 / 39,4 W = 23 220 W

    Ez a csúcsoknál (1913 V)2 / 39,4 W = 92 882 W. A fogyasztókon disszipálódó teljes átlagos teljesítmény egy teljes kisülési ciklus, azaz 35 ms alatt azonban csak:

    Pi_átl = Pimp * ti / T = 23 220 W * 114 * 10-9 s / 35 * 10-3 s = 0,076 W

    A következő lépés a kondenzátorban tárolt energia meghatározása:

    Ec = 0,5 * C * Uc2 = 0,5 * 656 * 10-12 pF * (1913 V)2 = 0,0012 J

    A 114 ns-os kisülési idő alatt leadott teljesítmény ezek szerint:

    Pc = Ec / ti = 0,0012 J / 114 * 10-9 s = 10 526 W

    A kondenzátor egy teljes kisülési ciklus alatt leadott átlagos teljesítménye viszont csak:

    Pc_átl = Pc * ti / T = 10 526 W * 114 * 10-9 s / 35 * 10-3 s = 0,034 W

    Ezek alapján már meghatározhatjuk az ívkisülés energetikai hatásfokát:

    h = Pi_átl / Pc_átl = 0,076 W / 0,034 W = 2,24 => 224 %

    Az energetikai mérlegben a különbség ezek szerint:

    k = 100 – ( 224 * 100 / 239 ) = 6,3 %

  7. Érdemes elgondolkodni egy "furcsaságon". Az itt elvégzett korábbi méréseink során azt tapasztaltuk, hogy az izzón mért impulzus amplitúdója 6 V, lecsengési ideje pedig 13 ms volt. A jelenlegi méréseknél viszont az izzón mért impulzus amplitúdója 1700 V, lecsengési ideje pedig 114 ns volt. Mi az oka ennek a különbségnek? Nagy valószínűséggel az, hogy az általunk korábban használt mérőfej jóval nagyobb szórt kapacitással rendelkezett, s ez párhuzamosan kapcsolódva a terhelésre feltöltődött és kisült. A feltöltődési idő megegyezett az impulzus idejével, de mivel ez nagyon rövid idő volt a mérőfej nagy belső kapacitásához képest, ezért ezalatt az idő alatt az 1700 V helyett csak 6 V-ra tudott feltöltődni. A feltöltődés során azonban a töltések száma nagyon jelentős értéket ért el, amit csak 13 ms alatt tudott leadni a fogyasztón keresztül. Magyarán a mérőfej szórt kapacitása integrálta a mért jelet. Ez is azt mutatja, mennyire fontos a pontos mérésekhez a jó minőségű, kalibrált műszer.

  8. A mérések jóval pontosabb műszerekkel és mérőfejekkel történtek, mint az általunk korábban végzett mérések, de még itt is azt tapasztaltuk, hogy az a 114 ns-os impulzus csúcsban végződött, ami egyértelműen arra utal, hogy a mérőfej 4 pF-os szórt kapacitása ismét integrálta a jelalakot, igaz sokkal kisebb mértékben. Ha elvégezzük a 4. pontban már ismertetett számítást úgy, hogy a kondenzátoron ténylegesen mért 3300 V-tal számolunk és ennek megfelelően arányosan lecsökkentjük az impulzus idejét 1913 V * 114 ns / 3300 V = 66 ns-ra, akkor azt kapjuk, hogy:

    Pi_átl = 151 mW

    Pc_átl = 98,2 mW

    h = Pi_átl / Pc_átl = 0,151 W / 0,0982 W = 1,54 => 154 %

    Ez a 151 % még benne van a mérési pontatlanságok kategóriájába, ezért nem egyértelmű a többlet energia jelenléte.

  9. A jóval pontosabb mérések ellenére is vannak olyan pontok, melyek a mérések eredményeit még kérdésessé teszik. Ezek a következők:
    • a kondenzátoron és az izzón eső feszültségeket egy időben kell mérni, nem külön-külön,
    • a nagyon rövid, 114 ns-os (vagy 66 ns-os ?) impulzus miatt a mérések pontossága megkérdőjelezendő, mivel itt már erősen befolyásolja a mért értékeket a mérőfejek és a szkóp szórt kapacitása és induktivitása (lásd az 5. pontot),
    • a szkóp földelése valamelyest lejjebb húzza a tényleges feszültségértékeket.

    Az eredmények nem teljesen meggyőzőek. Jó pár kérdést még tisztázni kell újabb mérésekkel.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás