Введение к работе
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 уравнений, связывающих соответствующие физические величины. Эти особенности обязаны малой длительности импульса разряда, которая составляет несколько десятков мкс и менее. Явление ЭВ возникает при импульсном высоковольтном электрическом разряде (ЭР), протекающем непосредственно в конденсированной диэлектрической среде или через проводник, в виде электрического взрыва проводника (ЭВП). Использование инициирующего металлического проводника стабилизирует протекание разряда. ЭВП в конденсированных средах, например, в диэлектрических жидкостях, широко применяется в современных научных исследованиях, 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 , а давление и температура возникающей плазмы достигают величин , , соответственно. ЭВП в конденсированных средах интересен как объект исследования, при этом точность измерения параметров ЭВП и проведение метрологического анализа позволяют обеспечить более детальное понимание физической сущности процесса и возможность технологического 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, В.С. Седой, А.А. Рухадзе, А.П. Ильин, Н.Н. Столович, В.В. Буркин, В.В. Лопатин, А.В. Павленко, С.А. Пикуз, Я.Е. Красик, А.Г. Русских, В.А. Бурцев, M. 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 фольги в жидкой среде при разрядном токе в радиальном направлении.
Методология и методы исследования. В работе использовались теоретические основы ЭВП в жидких диэлектрических средах, для построения математической модели давления, создаваемого ЭВКФ, и методы градуировки преобразователей импульсного давления, основанные 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 (пояс Роговского), напряжения (омический делитель напряжения) и напряжения отклика пьезоэлектрического преобразователя давления на запоминающем двухканальном цифровом осциллографе GDS-810S, привлекались измерительные приборы, в том числе измеритель иммитанса Е7-14.
Целью работы является разработка информационно-измерительной системы для исследования ударно-волновых возмущений электрического взрыва плоской 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: ІI Международной научно-практической конференции "Дни науки - 2007", г. Белгород, 01-15 апр. 2007 г.; V,VI,VII,VIII Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве», г. Камышин, 3-6 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 февраля 2011 г.; VI научно-практической конференции ППС ВПИ – г. Волжский, 2007); IV, VI, VIII Межрегиональной научно-практической конференции «Взаимодействие предприятий и ВУЗов по повышению эффективности производства, управления и инновационной деятельности», г. Волжский, 14 мая 2008 г., 18-19 мая 2010 г., 17-18 апр. 2012 г; III Международной научно-технической конференции “Информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)”, г. Самара, 29-31 мая 2012 г.
Публикации. По основным положениям диссертационной работы опубликовано 38 работ, в том числе 6 научных статьи в рецензируемых журналах ВАК, 10 статей в сборниках научных трудов, 7 тезисов, 15 патентов РФ.
Положения, выносимые на защиту:
-
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.
-
Применяемые методики градуировки пьезокерамических преобразователей импульсного давления и их математические модели, основанные на различных физических эффектах – механическое воздействие падающего груза, магнитное взаимодействие двух параллельных токов, упруго-пластичное деформирование пластинчатого датчика, дают возможность осуществить градуировку пьезокерамического преобразователя импульсного давления с допустимой относительной погрешностью не более 10 %.
-
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.
-
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 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении): п.3 «Методы и технические средства метрологического обеспечения информационно-измерительных и управляющих систем, метрологического обеспечения испытаний 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.
