CC BY
49
мутационные процессы в контактах низковольтных аппаратов. Автор 108 научных работ.
РАЩЕПКИНА НИНА АЛЕКСАНДРОВНА родилась в 1948 г. Окончила Чувашский государственный педагогический институт. Кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры высшей математики Чувашского государственного университета. Область научных интересов - теория сингулярных возмущений и статистический прикладной анализ. Автор более 40 научных работ.
ИВАНОВА СВЕТЛАНА ПЕТРОВНА родилась в 1970 г. Окончила Чувашский государственный университет. Ассистент кафедры электрических и электронных аппаратов Чувашского университета, аспирант кафедры электрических и электронных аппаратов Московского энергетического института. Область научных интересов - прогнозирование надежности контактов коммутационных аппаратов. Автор 14 научных работ._________________________________
УДК 541.13
Ю.П. ПИЧУГИН, А.А. БЛОХИНЦЕВ, С.М. КАЗАКОВ,
Г.М. СОРОКИН, Т.Г. СОРОКИНА
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОЗОНА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ РАЗРЯДЕ С ДВИЖУЩИМСЯ БАРЬЕРОМ
1. Введение
Озоновый слой, который создала природа над Землей, является щитом всего живого, что есть на Земле, от губительного коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца [1]. Газ озон применяется человеком для защиты окружающей среды в быту, промышленности и в современных технологиях, так как он является прекрасным окислителем и сильнейшим антисептиком [2]. Наиболее эффективным и практически единственным методом для получения озона является высоковольтный разряд в воздухе или кислороде. Классические генераторы озона, или озонаторы, можно разделить на следующие типы: цилиндрические озонаторы с коаксиально расположенными электродами и плоские озонаторы с пластинчатыми электродами с неподвижным диэлектрическим барьером [3].
Целью данной работы являлось исследование электрофизических характеристик и определение концентрации озона в высоковольтном разряде с вращающимся барьером.
2. Результаты и обсуждение
Озонатор барьерного типа с высоковольтным разрядом питается от сети переменного тока. Он состоит из механической и электрической частей [4].
На рис. 1 представлен типичный вид вольт-амперных характеристик источника озона при разном способе напуска воздуха в разрядный промежуток. На обеих кривых можно выделить две области. Начальная часть кривых - это
неустойчивое горение барьерного разряда. Линейная часть графика соответствует стабильному горению разряда. Внешне стримерный разряд в межэ-лектродном промежутке представлен в виде лиловых микроканалов, которые заполняют весь обьем. Каждый микроканал заканчивается рассширением у поверхности, свечение которого еле заметно глазом. Каждая из этих областей микроразряда является областями образования озона и. к тому же эффективность образования озона в этих областях отличается из-за различного энерговклада по обьему.
1,тА '
1.а
і. о
о. 5
и, кВ
Рис.1. Вольт-амперная характеристика источника озона:
1 - с нагнетанием воздуха в разрядный промежуток. 2 - без нагнетания.
Для определения концентрации озона был выбран оптический метод. Схема экспериментальной установки для фотоэлектрической регистрации спектров поглощения показана на рис.2.
В качестве источника света для получения спектра поглощения озона использовалась дейтериевая лампа, спектр которой состоит из линий близких к
2537 А , т.е. линий поглощения озона.
Свет от дейтериевой лампы, проходя через оптическую линзу, падает на кювету с озоном, который нагнетается компрессором из генератора озона. Прошедшее излучение с кюветы направляется линзой на входную щель дифракционного спектрографа. Пройдя входную щель, пучок отражается от поворотного зеркала 1, затем от зеркального объектива 2 и падает на дифракционную решетку 3 с числом 1200 штрихов на 1 мм. В спектрографе ДФС-8-2 дифракционная решетка представляет собой систему строго параллельных штрихов-канавок, расположенных на определенном, точно выдержанном расстоянии друг от друга. Дифрагированный свет после отражения от зеркального объектива падает на выходную щель прибора, в фокальной плоскости которого установлен фотоэлектронный умножитель ФЭУ типа ФЭУ-39А, работающий в диапазоне от 160 до
600 нм. Питание фотоумножителя производится источником постоянного высоковольтного напряжения типа ВС-22. Благодаря фотоэффекту в фотоэлектронном умножителе происходит преобразование световых потоков в электрический ток. Возникающие слабые электрические сигналы усиливаются усилителем постоянного тока СП-1М и поступают на вход «У» двухкоординатного самописца типа ПДС-021. Одновременно на вход «X» самописца подается напряжение от генератора сигналов специальной формы Гб-16, который обеспечивает движение каретки самописца в горизонтальном направлении с постоянной скоростью. Величина смещения каретки с пером пропорциональна интенсивности светового сигнала.
Спектрограф ДФС-8-2 предназначен для регистрации волн в диапазоне 2001000 нм. В наших экспериментах он используется как прибор, подвергнутый значительной модернизации. Механизм ручного поворота дифракционной решетки соединен со специальным 4-ступенчатым редуктором и электрическим мотором. Такое конструкторское решение позволяет в широких пределах менять скорость сканирования выбранного участка спектра от нескольких минут до нескольких часов.
Все электрические приборы установки питаются через стабилизаторы переменного напряжения для поддержания неизменным переменного напряжения 220 вольт.
Полученные спектры поглощения, при оптимальных условиях, приведены в
виде графика на рис.З. На длине волны 2537 А найдено поглощение и определена концентрация озона. Исходной формулой был закон Ламберта-Бера:
1=10ехр(-а п 1). (1)
Преобразуя это уравнение относительно концентрации, получим:
1п~г
п = —- . (2)
: <71
Для определения числа молекул озона использовалось соотношение из молекулярной физики, которое связывает количество частиц N с массой газа ш, молекулярной массой ¡л и числом Авогадро ЫА:
М = (3)
И
а также формулы:
ш=р-У, (4)
ВС 22
ФЭУ
<—
ПДС 021 V -15
Рис 2. Оптическая схема регистрации озона (наименование обозначений в тексте).
Рис. 3. Спектры поглощения. 1 - воздух; 2 - озон.
Подставляя (4) и (5) в (3), получаем:
пц
Р =
N.
Далее, подставляя (2) в (6), получаем:
Р N А • с • I Подставим соответствующие значения:
А У 2
: 1,076,
<7=1,13-1 0'17см2 - сечение возуждения молекул озона.
/=46 см - длина поглощающего озонового слоя,
где у1 и у2 - высота кривых спектров поглощения воздуха и озона соот-
(6)
(7)
ветственно на длине волны 2537 А (рис.З).
С помощью уравнения (7) была определена концентрация озона, которая оказалась равной 1,12-10'1 г/м3.
Для определения абсолютной ошибки этого косвенного измерения использовался метод Стьюдента. Для этого логарифмируется уравнение (7):
г I Л
1п^
, п
1п р - 1п р + 1п
• 1п N А - 1п а - 1п /.
Далее берется полный дифференциал от правой и левой частей предыдущего выражения: -
йр _йр йк <ША йи с11
р р к N А а I ’
где к = 1п — = 7,3 -10~2.
1
Наконец, перейдя к замене знака минус перед дробями, где он содержался, на знак плюс и замене буквы дельта на знак приращения, получаем формулу, которая характеризует относительную ошибку нахождения плотности озона:
Ар Ар А к АЫ, Дет Д/
8р = = —— +------------------------------------------------------+ -^ +-+ — . (о)
р р к N А а I Относительная погрешность плотности озона определялась по формуле
(8):
_ 0,5 0,5 • 10“3 5 • 10 ~3 5 • 10 “3 0,5 „ 1А_2
§р = — + —---------- +----------+--------------------------— + » 2,37 • 10 2 ■
48 73-10 6,02 1,13 460
Абсолютная погрешность была найдена из уравнения:
Лр=5р-рср (9)
где Арср= 1,12-10'1 г/м3 из (7), т.е.
Др=11,2-10‘8 г/см3-2,37-10’2«2,7-10'9 г/см3, так как (7) записана в системе Гаусса, перейдем к системе международной, зная, что 1 см3 =10'6 м3.
Получаем окончательную концентрацию в единицах плотности: р= рср ±д р = (1,120 + 0,027)-10'1 г/м3.
Заключение
В высоковольтном разряде на переменном напряжении с вращающимся барьером возникает стримерный разряд, который визуально виден как фиолетовое свечение. В разрядном промежутке между электродом и барьером бурно образуется озон. Этот вид разряда как источник озона по сравнению с классическими озонаторами обладает следующими преимуществами: 1) высокий ресурс работы, который в несколько раз выше, чем у озонатора с не-
подвижным барьером; 2) простота эксплуатации установки; 3) высокая производительность получения озона.
Литература
1. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хриган А.Х. Озоновый шит Земли и его изменения. М.: Гидрометеоиздат, 1992, 287 с.
2. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987, 237 с.
3. Лунин В.В. Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998, 478 с.
4. Пичугин Ю.П. Патент РФ № 2118938. Устройство для получения озона в электрическом разряде. Зарегистрирована в Государственном реестре изобретений. 20. 09. 98г.
ПИЧУГИН ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ родился в 1945 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики и технологии электротехнических производств Чувашского университета. Автор более 100 публикаций, включая 56 изобретений.
БЛОХИНЦЕВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ родился в 1946 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент кафедры обеспечения жизнедеятельности и инженерной экологии Чувашского университета. Автор более 50 работ в области высоковольтной техники.
КАЗАКОВ СЕРГЕЙ МИХАЙЛОВИЧ родился в 1951 г. Окончил Чувашский государственный университет. Доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики Чувашского университета. Автор более 200 работ в области физики электронно-атомных столкновений и спектроскопии атомов и молекул.
СОРОКИН ГЕННАДИЙ МИХАЙЛОВИЧ родился в 1952 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Чувашского университета. Автор более 50 работ в области физики плазмы.
СОРОКИНА ТАТЬЯНА ГЕННАДЬЕВНА родилась в 1983 г. Студентка V курса лечебного факультета Чувашского государственного университета.________
