__________________________________________
* Politechnika Opolska.
Michał KOZIOŁ*
Łukasz NAGI*
WYZNACZANIE ENERGII PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO EMITOWANEGO
PRZEZ WYŁADOWANIA ELEKTRYCZNE
W artykule opisano metodę wyznaczania energii promieniowania elektromagnetycz- nego na podstawie składowych długości fal widma optycznego emitowanego przez wy- ładowania elektryczne. Analizie poddano widma emisyjne promieniowania elektroma- gnetycznego emitowane przez wyładowania elektryczne w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Rejestracji widm emisyjnych dokonano metodą spektrofotometrii optycznej dla różnych warunków generacji. Opracowanie wyników przeprowadzono przy użyciu autorskiej aplikacji wykonanej w środowisku Matlab. Za- prezentowano przykładowe wyniki analiz oraz wskazano ich potencjalną możliwość dalszego zastosowania.
SŁOWA KLUCZOWE: energia promieniowania, wyładowania elektryczne
1. PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE
1.1. Zjawisko promieniowaniaPromieniowanie określane również jako radiacja jest zjawiskiem związanym z wysyłaniem i przenoszeniem energii w przestrzeni. Istotną cechą promienio- wania elektromagnetycznego jest brak pośredniego wpływu substancji mate- rialnych na proces przekazywania energii. Promieniowanie może mieć swoje źródło w zjawiskach naturalnych, zachodzących w przyrodzie, lub wymuszone sztucznie przez działanie człowieka. Najpowszechniejszym źródłem promie- niowania jest rozgrzane do określonej temperatury ciało. Źródło takie określa się jako promieniowanie temperaturowe.
Promieniowanie o podłożu innym, niż spowodowane rozgrzaniem do odpowiedniej temperatury określa się jako luminescencyjne. Tego typu pro- mieniowanie może powstać w wyniku przejścia cząsteczki z wyższego poziomu energetycznego do niższego. Jeżeli promieniowanie spowodowane jest działa- niem pola elektrycznego, gdzie występuje np. rekombinacja, wówczas określa się je jako elektroluminescencyjne.
Widmo promieniowania przedstawia wizualną postać rozłożonego na poszczególne składowe długości fal promieniowania elektromagnetycznego.
Za pomocą widma promieniowania prezentuje się informację o zakresie fal, jakie biorą udział w analizowanym promieniowaniu, przy czym nie określa się ich wartości ilościowych.
Zależność wielkości ilościowej od występującej składowej długości fali przedstawia rozkład widmowy. Rozkład widmowy oprócz zakresu fal występu- jącego promieniowania przedstawia najczęściej wartość intensywności po- szczególnych składowych długości fal.
1.2. Energia promieniowania
Energia promieniowania fali elektromagnetycznej przenoszona jest przez po- szczególne składowe, które reprezentowane są za pomocą długości fali. Składo- we te odpowiadają z kolei w opisie kwantowym cząstkom elementarnym ozna- czonym jako strumień fotonów. Pomiędzy długością fali (), jej prędkością fa- zową (c) i częstotliwością fali () zachodzi zależność (1):
c c (1)
gdzie: c – prędkość fazowa fali – prędkość światła w próżni 2,998·108 [m/s],
– długość fali [nm], – częstotliwość fali [1/s].
Rys. 1. Energia promieniowania pojedynczego fotonu dla poszczególnych składowych długości fali w zakresie spektralnym 200 nm - 1100 nm
Każdej długości fali emitowanego promieniowania odpowiada kwant energii, czyli foton o określonej energii. Energię promieniowania takiego fotonu można wyznaczyć z zależności (2):
h
E (2)
gdzie: E – energia promieniowania [J], h – stała Plancka 6,626 10-34 [J·s],
– częstotliwość fali [1/s].
Z powyższych zależności wynika, iż energia promieniowania jest ściśle po- wiązana z długością fali i jej częstotliwością fazową drgań. Wraz ze wzrostem częstotliwości fazowej drgań fali rośnie energia promieniowania, przy czym długość fali maleje. Zależność tę przedstawiono na rys. 1.
2. CEL I ZAKRES BADAŃ
Celem przeprowadzonych badań było wyznaczenie rozkładu natężenia pro- mieniowania ultrafioletowego, widzialnego i podczerwonego, emitowanego przez wyładowania elektryczne dla przyjętych trzech układów iskierników:
układ ostrze-ostrze, układ ostrze-płyta, układ do wyładowań powierzchniowych.
Wyładowania elektryczne generowano w powietrzu przy identycznych warun- kach metrologicznych.
Otrzymane wyniki poddane zostały analizie pod kątem określenia udziału emitowanej energii dla poszczególnych zakresów promieniowania.
Na podstawie wyznaczonych wydatków energetycznych określono energię cał- kowitą dla przyjętych układów generujących wyładowania elektryczne.
Do celów analizy danych i opracowania wyników wykonano aplikację w środowisku Matlab. Aplikacja umożliwia przetwarzanie danych uzyskanych bezpośrednio z spektrofotometru oraz wygenerowanie ich wizualnej interpreta- cji. Zaimplementowano algorytmy umożliwiające wyznaczanie energii promie- niowania elektromagnetycznego w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni.
3. ANALIZA SPEKTRALNA ZJAWISK GENEROWANYCH PRZEZ WYŁADOWANIA ELEKTRYCZNE
3.1. Metoda pomiarowa
Do rejestracji natężenia emisji promieniowania ultrafioletowego (UV), wi- dzialnego (VIS) i bliskiej podczerwieni (NIR) zastosowano metodę spektrofo- tometrii optycznej, opartej na spektrofotometrze o wysokiej rozdzielczości HR4000 firmy Ocean Optics. Zastosowanie spektrofotometru optycznego do badania widm sygnałów optycznych opisano w artykule [5].
Spektrofotometr wyposaży został w matrycę CCD (ang. Charge Coupled Device) firmy Toshiba, która umożliwia detekcję 3648 składowych elementów rejestrowanego widma optycznego. Urządzenie pracuje w zakresie widmowym 200-1100 nm z możliwością zmiany przedziału spektralnego i rozdzielczości optycznej w zależności od dobranej siatki i szczeliny (apertury) wejściowej.
Pomiar w badanym zakresie polega na zliczaniu fotonów w ustalonej jednostce czasu. Jedno zliczenie odpowiada aktywacji przez 130 fotonów w zakresie 400 nm, oraz 60 fotonów w zakresie 600 nm. W celu ujednolicenia otrzyma- nych wyników pomiarowych do analizy danych ilość zliczeń opisano jako in- tensywność przypisując jej jednostkę bezwymiarową.
Jako głowicę pomiarową zastosowano złącze światłowodu optycznego, które za pomocą odpowiednio przygotowanego statywu wprowadzone zostało do kadzi pomiarowej. Rozwiązanie takie umożliwiło umiejscowienie głowicy pomiarowej w pobliżu elektrod, oraz pozwoliło na regulację odległości między głowicą, a badanym zjawiskiem emisji świetlnej. Dla badanych układów odle- głość głowicy pomiarowej od generowanego zjawiska wynosiła 20 mm.
Zastosowany układ generacji typu ostrze-ostrze zbudowany na bazie dwóch iskierników ostrzowych, dla którego przyjęto odległość miedzy elektrodami 9,0 mm. Układ generacji typu ostrze-płyta zbudowany z iskiernika ostrzowego oraz uziemionej elektrody płaskiej, dla którego przyjęto odległość miedzy elek- trodami 7,5 mm. Układ do wyładowań powierzchniowych składał się z dielektryka stałego w postaci płyty szklanej, oraz elektrody ostrzowej, do której przyłożono napięcie zasilające.
Panel sterowania WN
Transformator probierczy
Badane zjawisko emisji świetlnej
Spektrofotometr optyczny HR4000 Komputer PC
Rys. 2. Schemat ideowy układu do badania sygnałów świetlnych emitowanych przez wyładowania elektryczne przy użyciu metody spektrofotometrii optycznej
3.2. Uzyskane wyniki z pomiarów
Pomiary przeprowadzono dla trzech układów iskierników, generujących wy- ładowania elektryczne: układ ostrze-ostrze, układ ostrze-płyta, układ do wyładowań powierzchniowych. Wyładowania elektryczne generowane były w powietrzu o temperaturze otoczenia 20,5 oC i wilgotności 59%. Z uwagi
na eksperymentalny charakter badań nie analizowano wpływu czynników at- mosferycznych na generację wyładowań.
Przyjęto następujące wartości napięcia zasilania dla poszczególnych ukła- dów generujących wyładowania elektryczne:
a) dla układu ostrze-ostrze pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napię- cia zasilania: Uzas = 7,0 kV, Uzas = 11,0 kV, Uzas = 21,0 kV, odległość po- między elektrodami 9,0 mm,
b) dla układu ostrze-płyta pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napięcia zasilania: Uzas = 6,0 kV, Uzas = 8,0 kV, Uzas = 10,0 kV, odległość pomiędzy elektrodami 7,5 mm,
c) dla układu powierzchniowego pomiar przeprowadzono dla dwóch wartości napięcia zasilania: Uzas = 20,0 kV, Uzas = 25,0 kV.
Przykładowe wyniki pomiarów zarejestrowane metodą spektrofotometrii optycznej przedstawiono w postaci rozkładów widmowych na rys. 3 – 5.
Rys. 3. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne w układzie ostrze-ostrze dla napięcia zasilania Uzas = 11,0 kV,
zakres spektralny 200 nm – 1100 nm
3.3. Wyznaczanie energii promieniowania badanych układów
Energia promieniowania elektromagnetycznego wyznaczona została na podstawie zależności (2) z uwzględnieniem liczby fotonów dla poszczegól- nych długości fal. Liczbę fotonów (n) wyznaczono na podstawie zarejestrowa- nego rozkładu intensywności (liczby zliczeń) występowania poszczególnych składowych długości fal w badanym zakresie oraz odpowiadającej im liczbie fotonów przypadających na jedno zliczenie.
Rys. 4. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne w układzie ostrze-płyta dla napięcia zasilania Uzas = 8,0 kV,
zakres spektralny 200 nm – 1100 nm
Rys. 5. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne w układzie powierzchniowym dla napięcia zasilania Uzas = 20,0 kV,
zakres spektralny 200 nm – 1100 nm
Liczbę fotonów przypadających na jedno zliczenie przyjęto na podstawie pa- rametrów technicznych zastosowanego spektrofotometru optycznego. Końcowy zapis równania przyjmuje w ostateczności następującą postać (3):
nh
E (3)
gdzie: E – energia promieniowania [J], h – stała Plancka 6,626 10-34 [J·s], – czę- stotliwość fali [1/s], n – liczba fotonów przypadająca na określoną długość fali.
W tabeli 1 zestawiono wyznaczoną na podstawie rozkładu widmowego energię promieniowania elektromagnetycznego w zakresie ultrafioletu (UV), światła widzialnego (VIS) i bliskiej podczerwieni (NIR) oraz całkowitą energię dla poszczególnych układów generacji.
Tabela 1. Energia promieniowania elektromagnetycznego
Napięcie zasilania
Energia w zakresie UV (200 nm-380 nm)
Energia w zakresie VIS (380 nm-780 nm)
Energia w zakresie NIR (780 nm-1100 nm)
Energia całkowita
kV J J J J
Układ ostrze-ostrze
7,0 2,948 ·10-11 5,681 ·10-11 8,679 ·10-13 8,716 ·10-11 11,0 1,955 ·10-11 5,972 ·10-11 8,722 ·10-13 8,014 ·10-11 21,0 2,224 ·10-11 5,605 ·10-11 5,283 ·10-13 7,882 ·10-11
Układ ostrze-płyta
6,0 2,879 ·10-12 1,301 ·10-10 4,173 ·10-12 1,371 ·10-10 8,0 1,589 ·10-12 6,636 ·10-11 2,142 ·10-12 7,009 ·10-11 10,0 2,165 ·10-12 1,685 ·10-10 5,591 ·10-12 1,762 ·10-10
Układ wyładowań powierzchniowych
20,0 1,615 ·10-11 7,399 ·10-12 5,193 ·10-13 2,407 ·10-11 25,0 3,856 ·10-11 2,257 ·10-11 8,711 ·10-13 6,200 ·10-11
Na podstawie wyznaczonej energii promieniowania można ustalić przybli- żony procentowy udział poszczególnych przemian energetycznych w analizo- wanym zakresie spektralnym. Otrzymane wartości zestawiono w tabeli 2.
Procentowy udział energii dla poszczególnych zakresów wykazuje różno- rodny charakter dla przyjętych układów generujących wyładowania elektryczne.
Układ ostrze-ostrze wykazuje dużą koncentrację energii w zakresie światła wi- dzialnego, oraz mniejszą w zakresie ultrafioletu. Niewielka koncentracja energii przypada w zakresie bliskiej podczerwieni.
Dla układu ostrze-płyta największa koncentracja energii przypada w zakresie światła widzialnego, natomiast niewielki wydatek energetyczny przypada na zakres ultrafioletu i bliskiej podczerwieni.
Tabela 2. Procentowy udział energii promieniowania dla poszczególnych zakresów
Procentowy udział energii promieniowania Rodzaj układu do
generacji wyłado- wań elektrycznych
Energia w zakresie UV (200 nm-380 nm)
Energia w zakresie VIS (380 nm-780 nm)
Energia w zakresie NIR (780 nm-1100 nm) Układ
ostrze-ostrze 24,4% - 33,8% 65,2% - 74,5% 0,7%-1,1%
Układ
ostrze-płyta 1,2% - 2,3% 94,7% – 95,6% 3,0% - 3,2%
Układ do wyłado- wań powierzch-
niowych
62,2% - 67,1% 30,7% - 36,4% 1,4% - 2,2%
Układ do wyładowań powierzchniowych charakteryzuje się z kolei dużą koncentracją energii w zakresie ultrafioletu, mniejszą w zakresie światła wi- dzialnego i niewielką w zakresie bliskiej podczerwieni.
Rozkład wyznaczonej energii promieniowania dla układu do wyładowań powierzchniowych znacznie odbiega od pozostałych dwóch układów z uwagi na charakter zjawiska generacji wyładowań. W układzie tym występują wyła- dowania niezupełne w sposób ciągły, a w pozostałych dwóch występuje stocha- styczny przeskok o charakterze impulsowym.
Różnorodny charakter energii promieniowania elektromagnetycznego może posłużyć również jako deskryptor umożliwiający rozpoznanie poszczególnych form wyładowań elektrycznych.
4. PODSUMOWANIE
Zaprezentowane w niniejszym artykule wyniki badań mają charakter badaw- czo-poznawczy z zakresu badań podstawowych i stanowią wstępny etap do dalszych prac eksperymentalnych prowadzonych pod kątem analizy zachodzą- cych przemian energetycznych towarzyszących wyładowaniom elektrycznym.
Analizie poddane zostały wstępnie trzy różne układy generujące wyładowa- nia elektryczne, które charakteryzuje indywidualny dla każdego układu rozkład widmowy. Pozwala to na identyfikację poszczególnych form wyładowań elek- trycznych na podstawie ich charakterystyk widmowych, oraz umożliwia okre- ślenie udziału energetycznego poszczególnych przemian energetycznych w nich zachodzących.
Kolejnym etapem prac badawczych może być rozszerzona analiza parame- trów energetycznych charakteryzujących promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez wyładowania elektryczne, które niezależnie od długości fali opisują wydatek energetyczny źródła emisji. Umożliwi to w jeszcze większym
stopniu poznanie i usystematyzowanie zachodzących przemian energetycznych, oraz może być istotnym elementem bilansu energetycznego wyładowania elek- trycznego.
LITERATURA
[1] Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki War- szawskiej, Warszawa, 2014.
[2] Płochocki Z, Co to jest światło, WKŁ, Warszawa, 1987.
[3] Boczar, T.; Zmarzly, D., Optical spectra of surface discharges in oil. IEEE Tran- sactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Volume 13, Number 3, 2006, DOI:10.1109/TDEI.2006.1657978.
[4] Frącz P., Boczar T., Zmarzły D., Możliwości zastosowania spektrofotometrii optycznej w diagnostyce układów izolacyjnych transformatorów elektroenerge- tycznych, Wiadomości Elektrotechniczne nr 10, 2008.
[5] Kozioł M., Zastosowanie spektrofotometru optycznego do badania widm sygna- łów optycznych emitowanych przez wyładowania niezupełne w oleju izolacyj- nym, Electrical Engineering, Issue 82, Poznan University of Technology, Aca- demic Journals, Poznań 2015.
[6] Frącz P., Wykorzystanie optycznych sygnałów emitowanych przez wyładowania elektryczne w diagnostyce izolatorów, wyd. Politechniki Opolskiej, Opole 2011.
[7] Nagi Ł., Zmarzły D.: Analiza promieniowania rentgenowskiego generowanego przez wyładowania niezupełne w układzie ostrze-ostrze, Przegląd Elektrotech- niczny vol. 2014 nr 10, ISSN 0033-2097, p. 82-84.
[8] Nagi Ł., Borucki S., Boczar T., Zmarzły D.: Analysis of ionizing radiation gene- rated by partial discharges, Acta Phys. Pol. A, Vol. 125, 2014, ISSN 0587-4246.
DETERMINING THE ENERGY OF ELECTROMAGNETIC RADIATION EMITTED BY THE ELECTRICAL DISCHARGES
The article describes the method of determining the energy of electromagnetic radia- tion based on wavelength components of the optical spectrum emitted by electric di- scharges. Were analyzed the emission spectra of electromagnetic radiation emitted by electric discharge in the range of ultraviolet, visible and near infrared. Emission spec- tra were recorded by using a optical spectroscopy method and made for different genera- tions condition. Analysis of the results was performed using the application made in the Matlab environment. The paper presents an example results analysis and indicate their potential ability to further use.
(Received: 5. 02. 2016, revised: 7. 03. 2016)
