CC BY
7
энергетика, энергосберегающие технологии и оборудование
ISSN 222Б-3780
УДК 621.307; 533.521 Б01: 10.15587/2312-8372.2016.60301
збудження коронного РОЗРЯДУ
ДЛЯ ТЕЛЕВ1З1йНого КоНТРоЛЮ ДЕФЕКТ1В КРНСТАЛ1ЧНого КРЕМН1Ю
Дослгджено умови та параметри збудження негативного ¡мпульсного коронного розряду у по -втрг. Запропоновано конструкцт газорозрядного пристрою 1з дгелектричною пластиною та прозорим тонкопл1вковим електродом для вгзуалгзащ дефектгв в коронному розрядг. Отримано стшке збудження коронного розряду при амплтудг ¡мпульсгв 1-1,5 кВ. Наведено результати контролю дефектгв пластини кристалгчного кремнт, призначеног для виготовлення фотоелект-ричного сонячного елементу, телевгзшною тформацшно-вимгрювальною системою.
Клпчов1 слова: гмпульсний коронний розряд, газорозрядна вгзуалгзацгя, телевгзшна тформа-цшно-вимгрювальна система.
Порсв В. А., Божко К. М., Сидоренко С. Ю.
1. Вступ
Традицшно для збудження коронного розряду вико-ристовують схему Тричела, в якш подають однополярну високовольтну напругу на один iз електродiв розряд-ного пристрою. Другий електрод е низьковольтним, на нього подають нульовий потенщал. При iмпульсному збудженш корони коло розряду замикають через ви-соковольтний електронний ключ [1].
Схему Тричела використовують до нашого часу при вимiрюваннi електричних i часових параметрiв коронного розряду. В результатi отримують iмпульси розрядного струму Струм вимiрюють через додавання до кола розряду послвдовного резистору, з якого зш-мають вимiрювальний сигнал. Одночасно вимiрюють напругу в паралельному до розрядного промiжку колi на резисторах iз великим опором (бiльше 10 МОм). Через конденсатор зв'язку вимiрювальний сигнал струму подають до входу осцилографу.
Розрядний промiжок утворюють два електроди, один з який е загостреним, шший — плоским (система вкт-ря — площина). Така конструкщя дозволила дослщити властивостi коронного розряду, вимiряти його параметри, побудувати математичну модель розрядного струму та отримати для не! аналiтичне розв'язання [2].
Ввдома також система на плоско-паралельних елект-родах [3]. Газ, який знаходиться у розрядному промiжкy може бути ввддшеним вiд електродiв дiелектричним шаром (система неконтактних електродiв).
Важливим результатом дослщжень коронного розряду е розробка методiв i засобiв контролю дефекпв об'ектiв, якi розмiщують в розрядному промiжкy При цьому неоднорiдностi поверхш об'екту в дефектних мiсцях е причиною виникнення велико! напруженостi елект-ричного поля, що i призводить до збудження корони. Таким чином, створюються умови для газорозрядно! вiзуалiзащi дефекпв i !х наступного контролю телевь зiйною iнформацiйно-вимiрювальною системою [4, 5].
Цим i обгрунтовуеться актуальнiсть даного напрямку, тому предметом авторсько! статтi е дослiдження процесу збудження коронного розряду в повирь В данш роботi автори обмежуються розглядом способу iмпульсного
збудження коронного розряду в системi плоско-пара-лельних електродiв, один з яких е неконтактним. Автори сподiваються, що !х скромний внесок буде корисним для розробки пристро!в збудження корони та вдосконалення на !х основi телевiзiйних методiв i засобiв контролю.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Аналiз фiзичних процесiв при збудженнi коронного розряду в системi електродiв вштря-площина можна знайти в [3]. Там же наведено способи збудження iм-пульсно! корони та вимiрювання струму, напруги та часових параметрiв розряду. Корона може розвинутись у шкровий розряд та пробш.
Експериментальнi дослвдження коронного розряду останнiм часом зосередженш на залученнi нових методiв i засобiв та створення на !х основi лабораторних комп-лексiв. Так, цифровий осцилограф i цифровий фотоапарат стали основою для стенду [6] з дослщження динамжи розвитку негативно! корони в системi електродiв гол-ка-сфера. Разом з ними був також задiяний фотоелект-ронний тдсилювач для вимiрювання часових параметрiв випромшювання корони. Об'ектом дослiдження були iмпульси Тричела, якi виникають при збудженш негативно! корони у виглядi перюдичних сплескiв розрядного струму. При збшьшент напруги iмпульси зникають i через розрядний промiжок починае текти постшний струм [3].
З'ясовано, що iмпульси Тричела мають тривалiсть 250 нс, а !х перiод зменшуеться вiд 16 мкс для струму 5 мкА до 1,6 мкс для струму 31 мкА. Напругу подавали вщ стабiлiзованого джерела 30 кВ, а фото отримува-ли в площиш руху лавин з витримкою 15-120 с на розрядному промiжку 10 мм. Дослщжено також тонку структуру випромшювання корони. При цьому вияв-леш два свгглових сполохи, якi рознесенi у чаа один вiд одного на 150 нс. Автори пояснюють це шнуван-ням в розрядному промiжку двох осередюв — один бiля катоду, шший бшя аноду. Часова затримка мiж двома свiтловими сполохами зростае iз збiльшенням мiжелектродноi вiдстанi та зменшуеться iз зростанням прикладено! напруги [6].
С
28 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/1(27], 2016, © Порев В. А., Божко К. М., Сидоренко С. Ю.
ISSN 222Б-3780
энергетика, энергосберегающие технологии и оборудование
J
Дослiдженню iмпульсiв Тричела присвячено робо-ти [7-9], а особливостям збудження негативно! iмпульс-но1 корони в повiтрi — [10, 11]. Негативний iмпульсний коронний розряд в системi електродiв голка-площина iз дiелектричною пластиною дослiджено в [12, 13].
Конструкцп розрядних пристро!в можна подши-ти на три велик групи — iз системою цилшдричних електрод1в, системою типу голка-площина та системою з двома плоско-паралельни-ми електродами [3]. Для задач вiзуалiзащi дефекпв придатною е остання з назва-них систем. Система iз плоско-паралельних електродiв може мати додаткову прозору дiелектричну пластину, яка iзолюе високо-вольтний електрод вiд повггря. При розря-дi в такому пристро! може утворюватись поверхневий струм, як обтiкае дiелектрик i замикае електричне коло [3]. Iнодi для вiзуалiзацi'i дефектiв в коронному розряд1 застосовують конструкцiю iз рiдким елект-родом [14].
На основi цього короткого огляд можли-ве окреслення проблеми: створити придатну для застосування в телевiзiйному контрол1 дефектiв конструкщю розрядного пристрою iз контрольованими параметрами iмпульс-ного коронного розряду.
3. 06'ект, мета та задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — процес збудження коронного розряду для вiзуалiзацii та телевiзiйного контролю дефекпв.
Мета дослгдження — вдосконалення конструкцп газорозрядного пристрою та пошук оптимального режиму збудження коронного розряду
Для досягнення поставлено! мети необ-хiдно виконати таю задачг.
1. На основi системи плоско-паралель-них електродiв iз дiелектричним бар'ером створити розрядно-оптичний пристрiй, який
надасть можливкть спостерiгати збуджений на поверх-нi об'екту контролю коронний розряд у фронтальнш площинi.
2. Знайти режими збудження iмпульсноi корони iз пониженою напругою.
3. Розробити лабораторний стенд телевiзiйного контролю дефекпв на основi iмпульсного коронного розряду.
4. Експериментально перевiрити конструктивы i схем-нi ршення.
4. Стенд телев1змного контролю
на основ1 розрядно-оптичного пристрою 1мпульсно! негативно! корони
Для телевiзiйного контролю дефекпв iз вiзуалi-зацiею в iмпульсному коронному розрядi розроблено лабораторний стенд (рис. 1).
В конструкцп стенду використано скляну касету iз прозорою верхньою поверхнею. На нижню сторону покрь вельного скла нанесено прозорий електрод (1ТО). Нижня поверхня касети е непрозорою, оскшьки проходженню
свила заважае другий електрод, утворений пластиною фольгованого текстолиу марки СТ-1-50. Електроди роз-дiленi додатковою скляною пластиною, яка виконуе роль електричного iзолятора. Ще одна скляна пластина iзо-люе другий електрод вщ предметного столика, на якому розташована касета. Касету можна приводити в рух за допомогою ручних приводiв предметного столика.
Рис. 1. Структурна схема телевiзiйн□г□ стенду для дослщження каранного розряду: 1 — об'ект дослщження; 2 — по^вельне скла; 3 — прозорий електрод (ГЩ;
4 — суцшьш б□к□вi д□рiжки припою; 5 — п□вiтряний зазор; 6 — скла для електрично' iзаляцií об'екту дослщження; 7 — скла для iзаляцií нижнього електраду; 8 — скл□текст□лiт; 9 — нижнш непрозорий мiдний електрод; 10 — предметний столик; 11 — аб'ектив; 12 — оптичт кшьця; 13 — телевiзiйна камера; 14 — рухома балка для кршлення телевiзiйн□i' камери; 15 — стшка; 16 — персональний комп'ютер; 17 — вщеоадаптер iз телевiзiйним входом; 18 — блок живлення АТХ; 19 — моштор; 20, 22 — лабораторне джерело живлення; 21 — генератор iмпульсiв управлiння; 23 — формувач iмпульсiв високо' напруги; 24 — вихiдний трансформатор
При подачi на електроди касети високочастотних iмпульсiв високо! напруги виникае коронний розряд, структура якого ввдображае тополопчш особливост об'екту дослiдження. Густина та яскравшть розрядних ниток завжди збшьшена в мiсцях дефектiв та загострень поверхш об'екту. Оптико-електронна система у складi об'ективу типу Helios, оптичних юлець та телевiзiйноi камери типу Novus NVC-130BH формуе зображення коронного розряду та перетворюе його у телевiзiйний композитний сигнал (аналогового типу).
Телевiзiйний сигнал за допомогою радючастотного коаксiального кабелю типу РК-70 надходить до телевь зiйного входу адаптера типу Aver TV, який встановлено у слот материнсько! плати персонального комп'ютера. Телевiзiйна камера отримуе живлення вщ блоку живлення АТХ персонального комп'ютера. Моштор забез-печуе виведення на екран зображення та результати вимiрювання в числовш та графiчнiй форм!
Спещальне програмне забезпечення OWLEYE дозво-ляе виконувати циклiчнi вимiрювання яскравосп об'екту по окремих пiкселах, а також по перерiзах площини
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(27], 2016
29-J
энергетика, энергосберегающие технологии и оборудование
ISSN 2226-3780
зображення та вим1рювати геометричш розм1ри. Вимь рювання яскравост вщбуваються у вщносних одини-цях. До складу телев1зшного стенду додано цифровий осцилограф для вим1рювання ампл1тудних 1 часових иараметр1в сигнал1в пристрою збудження 1мпульсного коронного розряду. Таким чином, утворено телев1зшну 1нформац1йно-вим1рювальну систему (Т1ВС).
Процес контролю в Т1ВС дефеклв монокристал1ч-но! кремшево! пластини для фотоелектрично! сонячно! батаре! наведено на рис. 2. Предметний столик тут не використовувався, а об'ект контролю був розташований на граштнш плить Касета розрядного пристрою була замшена на сукупшсть пластин для експерименив 1з склом р1зно! товщини.
дефекпв через пластинy пропyскали темновий зворот-ний струм вiд гальвашчно! батаре! 12 В.
Рнс. 2. Tелевiзiйнa iнфоpмaцiйно-вимipювaльнa система контpолю дефектiв: l — телевiзiйнa кaмеpa NDVUS; 2 — об'Ектив HELIOS; 3 — е^ан y виглядi шиpми; 4 — ^антна плита; 5 — aкyмyлятоp l2 В — джеpело темнового стpyмy для кpемнiEвоï пластини; Б — вимipювaльнi pезистоpи; 7 — ^^pamp iмпyльсiв; В — силовий ключ IGBT; 9 — блок живлення ^^pampa iмпyльсiв; l0 — блок живлення тpaнзистоpного ключа; ll — осцилогpaф Tektronix l002 iз вiдобpaженням вихiдного сигнaлy reMparapa iмпyльсiв; l2 — телевiзiйне зобpaження повеpхнi кpемнiEвоï пластини iз збyдженим коpонним pозpядом над мiсцями pозтaшyвaння дефектiв
Розрядно-оптичний пристрiй для вiзуалiзащi дефек-TiB кремнieвих пластин, з яко^ виготовляють сонячний елемент наведено на рис. 3. Об'ект контролю, кремшева пластина 1, розташована в розрядному простора Осе-редок контролю 2 мае прямокутну форму. Коронний розряд збуджуеться у промiжку мiж прозорим позитив-ним електродом 3 (тонка плiвка окису iндiю на скл^ та негативним електродом 5 (мщна фольга). В промь жок мiж електродами введено додатковий прозорий iзолятор 6 (скло товщиною 1,3 мм). Граштна основа 4 забезпечуе вiбрацiйну стiйкiсть конструкцii.
Рнс. 3. Консоль дефектiв пластини iз монокpистaлiчного кpемнiю в коpонномy pозpядi
Бшьш детальнi зображення осередкy контролю пластини наведеш на рис. 4. Для стимуляци прихованих
б
Рис. 4. Частина осередку контролю 1лз збшьшенням 2): дефекти мають
вигляд крапок i плям, що свггяться; а — пластина без пщключення до зовнiшнього джерела; б — через пластину тече темновий зворотний струм 0,3 А вщ зовншнього джерела, яскравiсть дефектiв зросла, збуджено розряд над прихованими дефектами
Попередш дослщники [14] використовували коронний розряд для контролю дефекпв кремшевих пластин 1з застосуванням рщкого електроду (електроли у прозорш кювет 1з кварцового скла), що е бшьш складним 1 малопродуктивним способом.
На екраш моштору зображення об'екту формуе про-грама Owley (рис. 5), яка надае можливють вим1рювати його геометричш та яскравюш характеристики на основ1 пошксельно! обробки даних.
Рнс. 5. Pобочi вiкнa пpогpaми Dwley: часова зaтpимкa зобpaження пpaвоpyч доpiвнюE 4 с вiдносно зобpaження лiвоpyч; помiтнi pyхомi яскpaвi об'Екти — це новi мiсця ^^ового пpобою
С
30
технологический аудит и резервы производства — № 1/1(27), 2016
ISSN 2226-3780 энергетика, энергосберегающие технологии и оборудование
5. Обговорення результат1в дослщження процесу збудження негативного 1мпульсного коронного розряду в пов1тр1
Результатом дослiдження е створення дiючого стенду телевiзiйного контролю дефектiв на 0CH0Bi ix вiзуалi-зацii у негативному iмпульсному коронному розрядi. Важливою особливiстю способу збудження корони е зменшення амплиуди анодноi напруги до 1-1,5 кВ. Осцилографiчний канал забезпечуе вимiрювання струму та напруги розряду з вщносною похибкою в 1 %. За-стосування прозорого електроду на основi оксиду iндiю в конструкцii розрядно-оптичного пристрою дозволило замшити складну систему iз рiдким електродом. Це, в свою чергу, надае можливкть наблизити розрядний модуль до поверхш об'екту контролю i створити мобшьний варiант засобу контролю. Для уникнення поверхневих струмiв обтiкання до мiжелектродного простору введено додатковий дiелектричний бар'ер iз скляноi пластини.
Пошук нових конструктивних ршень для розрядного пристрою мають супроводжувати дослiдження режимiв збудження корони та протжання розрядного струму. Схема збудження мае бути доповнена вузлами обме-ження i регулювання процесом виникнення i розвитку стримерiв та переходу корони в шкровий розряд.
Вщкритим питанням, на погляд авторiв статп, за-лишаеться створення математичноi моделi електродноi системи «сукупшсть голок — площина» для адекватного до об'екту контролю опису залежност розрядного струму вщ параметрiв збудження коронного розряду.
6. Висновки
В результат проведених дослщжень авторами були отримаш такi результати:
— створено пристрш газорозрядноi вiзуалiзацii дефек-тiв в коронному розрядi на основi плоских електродiв, один з яких е прозорим, та дiелектричним бар'ером;
— експериментально визначеш параметри збудження негативного iмпульсного коронного розряду, зокре-ма отримано стiйкий розряд при амплiтудi iмпульсiв в 1-1,5 кВ;
— побудовано лабораторний стенд на основi теле-вiзiйноi iнформацiйно-вимiрювальноi системи iз при-строем газорозрядноi вiзуалiзацii;
— експериментально дослiджено вiзуалiзацiю де-фектiв кремнiевоi пластини, призначеноi для ви-готовлення фотоелектричного сонячного елементу, при збудженш над ними коронного розряду.
Лггература
1. Мик, Дж. Электрический пробой в газах [Текст]: пер. с англ. / Дж. Мик, Дж. Крэгс. — М.: Издательство иностранных литератур, 1960. — 608 с.
2. Болтачев, Г. Ш. Аналитическая модель коронного разряда с конического электрода в режиме насыщения [Текст] / Г. Ш. Болтачев, Н. М. Зубарев // Журнал технической физики. — 2012. — Т. 82, Вып. 11. — С. 28-37.
3. Reizer, Ju. P. Gas Discharge Physics [Text] / Ju. P. Reizer; by ed. J. E. Allen. — Springer, 2001. — 449 p.
4. Порев, В. А. Концептуальн аспекти використання прилад1в з електронним розгортанням зображення для анал1зу оп-тичних пол1в [Текст] / В. А. Порев, Г. В. Порев // Науков1 вют1 НТУУ «КП1». — 2000. — № 1. — С. 56-61.
5. Порев, В. А. Телев!зшш шформацшно-вим!рювальш системи — стан i перспективи розвитку [Текст] / Г. В. Порев // Методи та прилади контролю якость — 2005. — № 13. — С. 71-74.
6. Завада, Л. М. Особенности излучения коронного разряда отрицательной полярности в воздухе в режиме импульсов
Тричела [Текст] / Л. М. Завада, Б. Б. Кадома, О. В. Болотов, И. А. Панченко, С. Г. Пугач, С. Н. Маньковский // Вюник Харгавського ушверситету. Серiя фiзична «Ядра, частинки, поля». — 2007. — № 777, Вип. 2/34. — С. 67-72.
7. Zhang, Y. Trichel Pulse in Negative DC Corona discharge and Its Electromagnetic Radiations [Text] / Y. Zhang, L.-J. Liu, J.-S. Miao, Z.-L. Peng, J.-T. Ouyang // Journal of Electrical Engineering and Technology. — 2015. — Vol. 10, № 3. — P. 1174-1180. doi:10.5370/jeet.2015.10.3.1174
8. Sattari, P. Numerical Simulation of Trichel Pulses in a Negative Corona Discharge in Air [Text] / P. Sattari, G. S. P. Castle, K. Ada-miak // IEEE Transactions on Industry Applications. — 2011. — Vol. 47, № 4. — P. 1935-1943. doi:10.1109/tia.2011.2156752
9. Amirov, R. H. Nanoparticles formation and deposition in the trichel pulse corona [Text] / R. H. Amirov, A. A. Petrov, I. S. Samoylov // Journal of Physics: Conference Series. — 2013. — Vol. 418. — P. 012064. doi:10.1088/1742-6596/418/1/012064
10. Афанасьев, С. Б. Некоторые особенности развития коронного разряда в воздухе [Текст] / С. Б. Афанасьев, Д. С. Лавренюк, И. Н. Петрушенко, Ю. К. Стишков // Журнал технической физики. — 2008. — Т. 78, Вып. 7. — С. 30-34.
11. Петров, А. А. Исследование эрозии катода в отрицательном коронном разряде [Текст] / А. А. Петров, Р. Х. Амиров, Е. В. Коростылев, И. С. Самойлов // Труды МФТИ. — 2013. — Т. 5, № 1. — С. 72-79.
12. Akishev, Y. S. Comparison of the AC barrier corona with DC positive and negative coronas and barrier discharge [Text] / Y. S. Akishev, A. V. Dem'yanov, V. B. Karal'nik, A. E. Monich, N. I. Trushkin // Plasma Physics Reports. — 2003. — Vol. 29, № 1. — P. 82-91. doi:10.1134/1.1538505
13. Стишков, Ю. К. Влияние барьера на форму и структуру коронного разряда в воздухе [Текст] / Ю. К. Стишков, В. Б. Козлов, А. Н. Ковалев, А. В. Самусенко // Электронная обработка материалов. — 2010. — № 4. — С. 31-40.
14. Добровольский, Ю. Г. Использование эффекта Кирлиан для контроля качества полупроводниковых пластин [Текст] / Ю. Г. Добровольский // ТКЭА. — 1999. — № 5-6. — С. 22-24.
ВОЗбУЖДЕНИЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Исследованы условия и параметры возбуждения отрицательного импульсного коронного разряда в воздухе. Предложена конструкция газоразрядного устройства с диэлектрической пластиной и прозрачным тонкопленочным электродом для визуализации дефектов в коронном разряде. Получено устойчивое возбуждение коронного разряда при амплитуде импульсов 1-1,5 кВ. Приведены результаты контроля дефектов пластины кристаллического кремния, предназначенной для изготовления фотоэлектрического солнечного элемента, телевизионной информационно-измерительной системой.
Ключевые слова: импульсный коронный разряд, газоразрядная визуализация, телевизионная информационно-измерительная система.
Порев Володимир Андртович, доктор техтчних наук, профе-сор, завгдувач кафедри наукових, аналтичних та екологлчних np^adie i систем, Нащональний технчний утверситет Украти «Кигвський полтехтчний iнститут», Украта. Божко Костянтин Михайлович, старший викладач, кафедра наукових, аналтичних та екологлчних npилaдiв i систем, Нащональний техтчний утверситет Украти «Кигвський nолi-техтчний iнститут», Украта, e-mail: [email protected]. Сидоренко Серпй Юршович, астрант, кафедра наукових, аналi-тичних та екологлчних npилaдiв i систем, Нащональний техтчний ушверситет Украти «Кигвський полтехшчний Ыститут», Украта.
Порев Владимир Андреевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой научных, аналитических и экологических приборов и систем, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина. Божко Константин Михайлович, старший преподаватель, кафедра научных, аналитических и экологических приборов и систем, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина. Сидоренко Сергей Юрьевич, аспирант, кафедра научных, аналитических и экологических приборов и систем, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.
Porev Volodymyr, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine.
Bozhko Konstantin, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: [email protected]. Sydorenko Sergey, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/1(27], 2016
