CZ309271B6 - Vysokonapěťová diferenciální sonda a zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje - Google Patents

Abstract

Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) pro měření energie elektrického výboje, obsahuje dvojici vysokonapěťových děličů (6.1A, 6.1B), z nichž první je uzpůsobený pro propojení s první elektrodou (E1) a druhý je uzpůsobený pro propojení s druhou elektrodou (E2), dvojici bloků (6.3A, 6.3B) přepěťové ochrany, z nichž první blok (6.3A) přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z prvního vysokonapěťového děliče (6.1A), a druhý blok (6.3B) přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z druhého vysokonapěťového děliče (6.1B), a diferenciální zesilovač (6.4), jehož vstupy jsou propojeny s výstupy z bloků (6.3A, 6.3B) přepěťové ochrany. Zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje obsahuje vysokonapěťovou diferenciální sondu, proudovou sondu a digitalizační jednotku s rozlišením alespoň 8 bitů, která je svými vstupy propojená s vysokonapěťovou diferenciální sondou a s proudovou sondou.

Description

Vysokonapěťová diferenciální sonda a zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje

Oblast techniky

Předložený vynález se týká vysokonapěťové diferenciální sondy a zařízení pro měření a vyhodnocování skutečné energie elektrického výboje, které takovouto vysokonapěťovou diferenciální sondu obsahuje. Vynález nalezne uplatnění mimo jiné v oblasti vědy a výzkumu energetických materiálů, v testování a výzkumu elektrických výbojů nebo ve vývoji generátorů elektrických výbojů a ve sledování činnosti a řízení těchto generátorů elektrických výbojů.

Dosavadní stav techniky

Elektrickou energii výboje je možné stanovit na základě měření elektrického napětí na výboji a elektrického proudu tekoucího výbojem a následné integraci součinu těchto dvou měřených veličin.

Blokové schéma obvyklého měřicího zařízení pro stanovení elektrické energie výboje je znázorněno na obr. 1. Elektrický výboj je generován generátorem 1, připojeným k elektrodám Ei a E2 jiskřiště. Elektrické napětí je v tomto obvyklém zapojení měřeno pomocí jedné vysokonapěťové single ended sondy 2 na první elektrodě Ei jiskřiště (Zhong et al., 2011), případně dvěma vysokonapěťovými single ended sondami 2 a 2a připojenými na jednotlivé elektrody Ei a E2 jiskřiště (Lee and Shepherd, 2000), přičemž v obou těchto konfiguracích snímají vysokonapěťové single ended sondy 2, resp. 2a měřené napětí oproti společné signálové zemi GND. Elektrický proud jev obvyklém zapojení měřen proudovou sondou 3. Analogové výstupní signály vysokonapěťových single ended sond 2, resp. i 2a a proudové sondy 3 jsou následně digitalizovány, přičemž v dosud používaných zapojeních je digitalizace prováděna zpravidla pomocí osciloskopu 4. Elektrická energie výboje je poté obvykle stanovena na základě zpracování digitalizovaných signálů ve výpočetní jednotce 5 typu PC, za pomoci univerzálního tabulkového procesoru.

Doposud používané obvyklé zapojení tedy přináší následující nevýhody:

Při měření napětí pouze jednou vysokonapěťovou single ended sondou 2 není měřeno skutečné elektrické napětí na výboji, ale měřené napětí zahrnuje kromě napětí na výboji také elektrické napětí na ztrátových prvcích obvodu. V případě, že je napětí na výboji měřeno pomocí dvou vysokonapěťových single ended sond 2 a 2a, je možno napětí na ztrátových prvcích obvodu z dalšího zpracování vyloučit vzájemným odečtením digitalizovaných signálů na výstupu napěťových single ended sond 2 a 2a. Toto rozdílové napětí na elektrickém výboji je ale získáno až po digitalizaci, čímž je efektivně využita pouze malá část dynamického rozsahu digitalizačního zařízení s nízkým rozlišením, tj. osciloskopu 4.

Osciloskop 4, zpravidla používaný pro digitalizaci, je víceúčelové zařízení, jehož primární aplikací je zobrazení časových průběhů. Měření tímto zařízením je pouze orientační.

Obvyklé řešení za pomoci měření elektrických napětí a elektrického proudu pomocí vysokonapěťových single ended sond 2 a 2a, resp. proudové sondy 3 v kombinaci s osciloskopem 4 přináší také nevýhodu pouze skokového nastavení vstupních napětí, resp. proudů, nepřizpůsobené reálné potřebě měření.

Při doposud využívaném způsobu vyhodnocení také nejsou zahrnuty skutečné kmitočtové charakteristiky použitých měřicích sond. Vliv měřicích sond je zjednodušen na konstantní, experimentálně zjištěné, zeslabení a konstantní zpoždění mezi měřenými signály elektrického

-1 CZ 309271 B6 napětí a elektrického proudu (Randeberg et al., 2006). Skutečné ztráty v obvodu nejsou obvykle zahrnuty - namísto impedance je měřen a zahrnut pouze stejnosměrný odpor.

Zpracování a vyhodnocení měřených dat je obvykle uskutečňováno v externí výpočetní jednotce 5 typu PC s univerzálním tabulkových procesorem (např. MS Excel). Přesnost výpočtu energie výboje je ovlivněna zkušeností obsluhy provádějící vyhodnocení, tj. například provádějící stanovení mezí integrace součinu elektrického proudu a elektrického napětí. Obvykle jsou meze integrace stanoveny na základě průchodu proudu obvodem generátoru 1 elektrického výboje. Vznik elektrického výboje je však doprovázen tvorbou kanálů (streamer), které způsobují nežádoucí proudové pulzy před termalizací elektrického výboje (Voloshko, 2015). Tímto dochází k součinu elektrického proudu a elektrického napětí v době, kdy elektrický výboj neprobíhá.

Podstata vynálezu

Nevýhody dosavadního stavu techniky jsou do značné míry eliminovány vysokonapěťovou diferenciální sondou pro měření energie elektrického výboje, která obsahuje

- dvojici vysokonapěťových děličů, z nichž první je uzpůsobený pro propojení s první elektrodou a druhý je uzpůsobený pro propojení s druhou elektrodou,

- dvojici bloků přepěťové ochrany, z nichž první blok přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z prvního vysokonapěťového děliče, a druhý blok přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z druhého vysokonapěťového děliče, a

- diferenciální zesilovač, jehož vstupy jsou propojeny s výstupy z bloků přepěťové ochrany.

S výhodou dále obsahuje dvojici bloků ladíteIných filtrů, přičemž první blok přepěťové ochrany je propojený s výstupem z prvního vysokonapěťového děliče přes první blok laditelných filtrů a druhý blok přepěťové ochrany je propojený s výstupem z druhého vysokonapěťového děliče přes druhý blok laditelných filtrů.

V dalším výhodném provedení každý z bloků laditelných filtrů obsahuje alespoň dva samostatné laditelné filtry, zejména ve formě pasivních RC filtrů 1. řádu.

Vysokonapěťová diferenciální sonda podle kteréhokoli z předcházejících nároků, každý z vysokonapěťových děličů obsahuje první nízkoindukčnostní rezistor a druhý nízkoindukčnostní rezistor.

Vysokonapěťová diferenciální sonda s výhodou obsahuje napěťový zdroj připojený pro napájení diferenciálního zesilovače.

Rovněž je výhodné, když vysokonapěťová diferenciální sonda obsahuje desku plošných spojů, na které jsou uspořádány alespoň vysokonapěťové děliče, bloky laditelných filtrů, bloky přepěťové ochrany a diferenciální zesilovač, přičemž deska plošných spojů obsahuje frézované oblasti pro zamezení vzniku povrchového náboje.

Nevýhody dosavadního stavu techniky rovněž eliminuje zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje, které obsahuje výše uvedenou vysokonapěťovou diferenciální sondu a dále proudovou sondu a digitalizační jednotku s rozlišením alespoň osm bitů, která je svými vstupy propojená s vysokonapěťovou diferenciální sondou a s proudovou sondou.

Zařízení s výhodou dále obsahuje optickou sondu pro měření záření elektrického výboje, která je svým výstupem propojená se vstupem digitalizační jednotky a která obsahuje skleněný váleček, fotodiodu uspořádanou souose se skleněným válečkem, signálový zesilovač, který je svým

-2 CZ 309271 B6 vstupem propojený s výstupem z fotodiody, a stabilizátor napětí propojený se signálovým zesilovačem.

Zařízení s výhodou dále obsahuje vysokonapěťovou single ended sondu, která je uzpůsobená pro propojení s první elektrodou a která je svým výstupem propojená s digitalizační jednotkou.

Zařízení s výhodou dále obsahuje vyhodnocovací jednotku propojenou s digitalizační jednotkou a uzpůsobenou pro vyhodnocování signálů přiváděných z digitalizační jednotky.

Objasnění výkresů

Vynález je dále podrobněji popsán pomocí příkladných provedení schematicky znázorněných na výkresech, kde:

na obr. 1 je blokové schéma zařízení dle dosavadního stavu techniky, na obr. 2 je celkové blokové schéma zařízení dle předkládaného vynálezu, na obr. 3 je blokové schéma příkladného provedení vysokonapěťové diferenciální sondy, na obr. 4 je blokové schéma příkladného provedení optické sondy, na obr. 5 je konstrukční řez příkladného provedení optické sondy, na obr. 6 je blokové schéma příkladného provedení digitalizační jednotky a na obr. 7 je blokové schéma příkladného provedení vyhodnocovací jednotky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 2 znázorněné zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje obsahuje vysokonapěťovou single ended sondu 2, která je svým vstupem propojená s první elektrodou El jiskřiště, a proudovou sondu 3, která je svým vstupem propojená s druhou elektrodou E2 jiskriště. stejně jako dosud používaná obvyklá zapojení znázorněná na obr. 1. Zařízení dále obsahuje vysokonapěťovou diferenciální sondu 6, která je svým vstupem propojená s první elektrodou El jiskřiště, optickou sondu 7 uspořádanou pro snímání jiskřiště. Zařízení dále obsahuje digitalizační jednotku 8 a s ní propojenou vyhodnocovací jednotku 9. Digitalizační jednotka 8 je svými vstupy propojená s výstupy z vysokonapěťové single ended sondy 2, vysokonapěťové diferenciální sondy 6 a z optické sondy 7.

Vysokonapěťová single ended sonda 2 měří napětí na elektrodě Ei proti signálové zemi GND stejně jako v obvyklém zapojení znázorněném na obr. 1. Přítomnost této vysokonapěťové single ended sondy 2 v popisovaném zařízení umožňuje porovnání předkládaného způsobu měření a vyhodnocení skutečné energie výboje se standardním doposud používaným postupem dle obr. 1.

Naměřená napěťová a fázová charakteristika této vysokonapěťové single ended sondy 2 je uložena ve vyhodnocovací jednotce 9. Současným použitím sond 2 a 6 lze stanovit energetickou bilanci obvodu generátoru 1, čímž lze vyhodnotit elektrické ztráty v dílčích částech měřeného obvodu.

Proudová sonda 3 je zapojena do obvodu generátoru 1 elektrického výboje stejně jako v zapojení z obr. 1, tedy je propojena s generátorem 1, s druhou elektrodou E2 jiskřiště a se signálovou zemí GND, přičemž její výstup je propojený s digitalizační jednotkou 8. Výstupem proudové sondy 3

-3 CZ 309271 B6 je hodnota napětí přímo úměrná velikosti elektrického proudu tekoucího obvodem generátoru 1. Naměřená převodní a fázová charakteristika proudové sondy 3 v závislosti na frekvenci je uložena do vyhodnocovací jednotky 9.

Optická sonda 7 umístěná v bezpečné vzdálenosti s ohledem na přeskokovou vzdálenost používaného vysokého napětí generátoru 1 je zaostřena na elektrický výboj. Hlavním přínosem optické sondy 7 je přesná definice doby trvání elektrického výboje. Porovnáním hodnoty optického výkonu s nastavenými prahovými hodnotami jsou stanoveny meze integrace potřebné pro vyhodnocení výsledné energie výboje. Dalším přínosem je možnost srovnání časového průběhu optického výkonu elektrického výboje a elektricky měřeného výkonu téhož výboje sondami 2, 3 a 6. Toto porovnání je použito pro ověření správné činnosti generátoru 1 a měřicího zařízení jako celku.

Hlavním přínosem vysokonapěťové diferenciální sondy 6 je potlačení souhlasného napětí elektrického výboje vícebodovým měřením elektrického napětí na elektrodách Ei a E. Díky tomu výsledné měřené elektrické napětí nezahrnuje žádné elektrické ztráty na obvodových prvcích generátoru 1. Tím je dosaženo maximálního využití dynamického rozsahu digitalizační jednotky 8. Digitalizační jednotka může být realizována například pomocí jednoúčelového zařízení s vysokým rozlišením, jehož řešení je popsáno níže, případně pomocí osciloskopu obdobně jako v zapojení uvedeném na obr. 1. Další výhodou vysokonapěťové diferenciální sondy 6 je snadná symetrizace napěťových a fázových frekvenčně závislých charakteristik v obou měřicích cestách této vysokonapěťové diferenciální sondy. To umožňuje provést následné kompenzace těchto charakteristik ve vyhodnocovací jednotce 9, kde jsou tyto charakteristiky uloženy.

Digitalizační jednotka 8 slouží k převodu výstupních analogových signálů jednotlivých sond 2, 3, 6 a 7 na signály číslicové a to s pomocí v ní obsažených analogově/digitálních (A/D) převodníků a dále pak k záznamu takto získaných číslicových signálů do digitální paměti, taktéž obsažené v jednotce 8. Digitalizační jednotka 8 obsahuje alespoň čtyři vzájemně časově synchronizované vstupy, jejichž zapojení a parametry, tj. např. napěťový rozsah (dělicí poměr) a impedanční přizpůsobení, jsou optimalizovány pro každý z výstupů jednotlivých sond 2, 3, 6 a 7. Každý ze vstupů digitalizační jednotky 8 je hardwarově stejnosměrně kompenzován pomocí referenčního digitálně/analogového (D/A) převodníku. Analogově/digitální převodníky, obsažené v digitalizační jednotce 8, při převodu analogových vstupních signálů na signály číslicové pracují s bitovým rozlišením alespoň 12 bitů, s výhodou 14 bitů, případně mohou pracovat i s rozlišením větším než 14 bitů. Záznam vstupních signálů do interní paměti digitalizační jednotky 8 je zahájen na základě průběhu nebo úrovně signálu libovolného měřicího vstupu této digitalizační jednotky 8, případně za pomoci externího spouštěcího povelu. S výhodou lze použít kanálu připojeného k výstupu optické sondy 7. Zaznamenané číslicové signály z výstupů jednotlivých sond 2, 3, 6 a 7 jsou po skončení měření přenášeny z digitalizační jednotky 8 ve formě surových dat, s výhodou po číslicovém předzpracování (např. podvzorkování), do vyhodnocovací jednotky 9.

Vyhodnocovací jednotka 9 obsahuje procesor, datové úložiště pro záznam naměřených signálů, dále obsahuje paměť pro uložení modulových a fázových přenosových charakteristik použitých sond 2, 3, 6 a 7 a skutečných impedančních charakteristik vysokonapěťové single ended sondy 2. Vyhodnocovací jednotka 9 ovládá digitalizační jednotku 8, zpracovává data přenesená z digitalizační jednotky 8, vyhodnocuje skutečnou energii elektrického výboje a zajišťuje zobrazení výsledků vyhodnocení energie výboje. Zpracování dat prováděné vyhodnocovací jednotkou 9 zahrnuje zejména kompenzaci modulových, fázových a impedančních charakteristik použitých sond 2, 3, 6 a 7, kompenzaci vzájemného zpoždění způsobeného průchodem jednotlivými sondami 2, 3, 6 a 7, stanovení integračních mezí pro vyhodnocení výsledné energie výboje, výpočet energie výboje na základě integrace součinu měřeného napětí a proudu a stanovení ztrát v obvodu odečtením signálů na výstupech vysokonapěťové single ended sondy 2 a vysokonapěťové diferenciální sondy 6. Vyhodnocovací jednotka 9, na rozdíl od běžně

-4 CZ 309271 B6 používaného řešení s osciloskopem 4 a univerzálním tabulkovým procesorem, umožňuje uživateli popisovaného zařízení provést vyhodnocení skutečné energie výboje na základě naměřených dat jak v režimu manuálním, tak v režimu zcela automatickém, který minimalizuje vliv zkušenosti obsluhy na výsledky vyhodnocení. Zobrazení výsledků měření a vyhodnocení energie výboje zahrnuje grafické zobrazení časových průběhů elektrického a optického výkonu, výpis hodnoty skutečné elektrické energie výboje, výpis stanovených elektrických ztrát v obvodu a zobrazení souhrnného reportu z provedeného měření a vyhodnocení.

Vysokonapěťová single ended sonda 2 je v tomto příkladném provedení realizována osciloskopickou sondou (například Tektronix P6015a) s dělicím poměrem 1:1000, vstupní impedancí 100 ΜΩ a šířkou pásma 75 MHz. Výstup vysokonapěťové single ended sondy 2 je zapojen do kanálu CH1 digitalizační jednotky 8.

Proudová sonda 3 je v tomto příkladném provedení realizována osciloskopickou sondou (například Pearson Electronics CM411) s převodním poměrem 0,1 V/A, maximální proudovou zatížitelností 5 kA a šířkou pásma 20 MHz. Výstup proudové sondy 3 je zapojen do kanálu CH3 digitalizační jednotky 8.

Příklad zapojení vysokonapěťové diferenciální sondy 6 je na obr. 3. Tato vysokonapěťová diferenciální sonda 6 obsahuje dva vysokonapěťové děliče 6.1A. 6.1B a dva bloky 6.2A. 6 2B laditelných filtrů, kde každý z těchto bloků 6.2A. 6 2B laditelných filtrů obsahuje tři samostatné laditelné filtry 6,2,1, 6,2,2 a 6,2,3.

Každý blok 6.2A. 6 2B laditelných filtrů je propojený s diferenciálním zesilovačem 6,4 přes jemu přiřazený blok 6.3A, 6 3B přepěťové ochrany. Připojení k diferenciálnímu zesilovači 6,4 je realizováno vysoko impedančními vstupy. Diferenciální zesilovač 6,4 je napájen napěťovým zdrojem 6,5.

Na vstupy vysokonapěťových děličů 6.1A, 6.1B je z elektrod Ei a E2 jiskřiště přivedeno měřené napětí, které proti signálové zemi GND dosahuje úrovně vysokého napětí až 20kV. Každý z vysokonapěťových děličů 6.1A. 6.1B je proto realizován pomocí prvního nízkoindukčnostního rezistoru Ri (který je vysokonapěťový) a druhého nízkoindukčnostního rezistoru R2 (s běžným napětím). Dělicí poměr každého z vysokonapěťových děličů 6.1A. 6.1B je poměrem hodnot nízkoindukčnostních rezistorů Ri a R? stanoven na cca 1:2000.

Měřené signály na elektrodách Ei a E2 jsou po snížení jejich napěťových úrovní vysokonapěťovými děliči 6,1 kmitočtově kompenzovány kaskádami tří nezávislých laditelných filtrů 6,2.1. 6,2,2 a 6,2,3 (pasivních RC filtrů 1. řádu) v blocích 6,2 laditelných filtrů Tyto kaskády laditelných filtrů 6,2,1, 6,2,2 a 6,2,3 mají za úkol kompenzovat kmitočtové charakteristiky (fázovou a modulovou) prvních nízkoindukčnostních rezistorů Ri. Díky tomu lze obvod vysokonapěťové diferenciální sondy 6 používat i pro měření dějů v elektrickém výboji s dobou trvání v řádu desítek nanosekund.

Z důvodu výskytu rychlých napěťových změn v měřeném jiskrovém výboji je obvod vysokonapěťové diferenciální sondy 6 opatřen rychlými bloky 6.3A, 6 3B přepěťové ochrany s nízkou parazitní kapacitou, které jsou schopny pracovat s reakční dobou ve stovkách femto sekund. Tyto bloky 6.3A. 6 3B přepěťové ochrany jsou zapojeny symetricky pro ochranu zesilovače 6,4 vůči kladným i záporným napěťovým překmitům.

Hlavním přínosem fiinkce vysokonapěťové diferenciální sondy 6 je zabudovaný diferenciální zesilovač 6,4. který vyhodnocuje rozdíl okamžitého napětí mezi elektrodami Ei a E^, upravený vysokonapěťovými děliči 6,1 a bloky 6,2 a 6,3. Diferenciální zesilovač 6,4 je realizován pomocí nízkošumových diskrétních operačních zesilovačů zapojených dle typizovaného uspořádání přístrojového zesilovače s napěťovým ziskem 2. Takto zpracovaný výstupní signál je přiveden na měřicí kanál CH2 digitalizační jednotky 8 pomocí koaxiálního kabelu.

-5 CZ 309271 B6

Aktivní člen - diferenciální zesilovač 6,4 sondy 6 je napájen napěťovým zdrojem 6,5, jehož výstupní symetrické napětí je galvanicky odděleno vůči přístrojové zemi pro potlačení vzniku zemních smyček. Napěťová úroveň galvanické bariéry je nastavena na 2,5kV.

Výše jmenované komponenty, tedy vysokonapěťové děliče 6,1. bloky 6,2. 6,3. diferenciální zesilovač 6.4 a napěťový zdroj 6,5 jsou osazeny na desce plošného spoje, která je navržena s ohledem na přeskokovou vzdálenost měřeného vysokého napětí. Tato deska plošného spoje obsahuje frézované části zabraňující vzniku povrchového výboje. Dále je deska plošného spoje ošetřena izolačním lakem a zalita zalévací izolační hmotou pro potlačení atmosférických vlivů.

Příklad realizace optické sondy 7 je zobrazen na obr. 4 a 5. Optická sonda 7 se skládá ze vstupního skleněného válečku 7,1 z křemenného skla, rychlé fotodiody 72. signálového zesilovače 7,3 a stabilizátoru 7,4 napětí.

Vstupní část optické sondy 7 tedy obsahuje skleněný váleček 7,1 o průměru 8 mm a délce 30 mm, který je vyroben z křemenného skla pro jeho nízký útlum elektromagnetických vln v oblasti UV záření. Skleněný váleček 7,1 je zabudován do nerezového obalu 7,5 a zalepen teplotně odolným silikonem. Tímto je vytvořeno plynotěsné oddělení vnitřního prostoru optické sondy 7 a její elektroniky od vnějšího prostoru, ve kterém je měřen elektrický výboj. Elektrický výboj může být díky této konstrukci měřen i uvnitř zařízení (například v autoklávech), ve kterých dochází k prudkým změnám pracovního tlaku, například po iniciaci měřeného energetického materiálu.

Měřené elektromagnetické záření elektrického výboje prochází skleněným válečkem 7,1 a dopadá na aktivní plochu rychlé fotodiody 7,2 (např. typu JE10UV), která převádí dopadající fotony na elektrický proud. Převodní charakteristika použité fotodiody 7,2 je výrobcem definována v pásmu od 220 do 1070 nm. Takto širokopásmový pracovní rozsah fotodiody 72 přispívá ke spolehlivé detekci počátku elektrického výboje. Rychlá fotodioda 72 je zapojena v závěrném směru pro její vyšší citlivost na měřené elektromagnetické záření. Výstupní proud generovaný fotodiodou 7.2 je zesílen a převeden na napětí signálovým zesilovačem 7,3.

Signálový zesilovač 7,3 je realizován např. pomocí diskrétního operačního zesilovače s šířkou pásma 2 MHz při nastaveném signálovém zisku 100. Celková doba zpoždění měřeného optického výkonu pro odpovídající napěťovou odezvu na výstupu signálového zesilovače 7.3 je menší než 2 ps. Signálový zesilovač 7,3 je napájen nesymetrickým napětím o úrovni 5 V s minimálním parazitním zvlněním, což je docíleno precizním stabilizátorem 7,4 napětí pracujícím v širokém rozsahu vstupního napětí 6 V až 24 V. Napěťová úroveň analogového signálu na výstupu optické sondy 7 může nabývat hodnoty v rozsahu 0-5V. Výstup optické sondy 7 je připojen na kanál CH4 digitalizační jednotky 8 pomocí dvoužilového kabelu.

Příklad zapojení digitalizační jednotky 8 je uveden na obr. 6. Digitalizační jednotka 8 je vybavena blokem 8,1 čtyř analogových vstupů CHI, CH2, CH3, CH4. Každý z těchto analogových vstupů CHI. CH2. CH3. CH4 digitalizační jednotky 8 je přes obvod 82 impedančního přizpůsobení propojen se zpožďovací linkou 8,3, zaručující shodná zpoždění analogových signálů průchodem desky plošného spoje. Digitalizační jednotka 8 obsahuje čtyři shodné A/D převodníky 8,5. například s rozlišením 16 bitů a se vzorkovacím kmitočtem Áz = 250 MSa./s. Vstup každého z převodníků 8,5 propojený s výstupem z příslušné zpožďovací linky 8.3 je stejnosměrně kompenzován pomocí jemu přiřazeného D/A převodníku 8,6. který je řízen společným obvodem 8,7 hradlového pole (FPGA ) a jehož výstup je v součtovém bloku 8,4 přičten k analogovému signálu ze zpožďovací linky 8,3 na vstupu daného A/D převodníku 8,5. Obvod 8,7 hradlového pole (dále FPGA) vyčítá synchronizované data z A/D převodníků 8,5 a ukládá je do externí paměti 8,10 (např. typu DDR3 s kapacitou 2 GB umožňující uložení le⁹ vzorků na jedno měření). Digitalizační jednotka 8 pak také obsahuje zdroj 8,9 přesných signálových hodin pro synchronizaci jednotlivých subsystémů, které jsou obvodem 8,8 distribuce

-6 CZ 309271 B6 hodin rozvedeny k jednotlivým A/D převodníkům 8,5. Náběh napájecích obvodů (sekvence power up) a konfigurace obvodu 8,7 FPGA je řízena MCU procesorem 8,14. Pro konfiguraci lze využít jednu ze dvou Flash pamětí 8,12 a 8,13. které jsou propojeny s obvodem 8,7 FPGA. Přenos dat mezi digitalizační jednotkou 8 a vyhodnocovací jednotkou 9 probíhá subsystémem sběrnice 8,11 pomocí QSPI sběmic 8,15 (sběrnice s řazeným sériovým periferním rozhraním). Pro přenos řídicích povelů mezi vyhodnocovací jednotkou 9 a digitalizační jednotkou 8 slouží UART sběrnice 8,16 (sběrnice pro univerzální asynchronní sériový přenos). Digitalizační jednotka 8 je realizována na vícevrstvé desce plošného spoje, která je po celé své ploše chlazena hliníkovým chladičem. Tímto je zaručena konstantní teplota obvodů a samotné desky plošného spoje pro minimalizaci mechanického pnutí.

Příkladné provedení vyhodnocovací jednotky 9 z obr. 7 obsahuje interní úložiště 9,1 tvořené pamětí ve formě eMMC, USB, nebo SSD jednotky, dále obsahuje digitální trojnásobnou zpožďovací linku 9,2. subsystém 9,3 číslicové kompenzace frekvenčních charakteristik sond 2,3 a 6, bloky 9,4 a 9,5 pro realizaci matematického součinu měřeného proudu a napětí, bloky 9,6 a 9,7 numerické integrace, komparátor 9,8 pro stanovení mezí numerické integrace a zobrazovač 8,9. Data získaná měřením, tj. elektrické napětí ^u«(ⁿ)měřené vysokonapěťovou single ended sondou 2, elektrické napětí ^ua(ⁿ) měřené diferenciální vysokonapěťovou sondou 6, elektrický proud měřený proudovou sondou 3 a optický výkon PoU) měřený optickou sondou 7, jako posloupnosti vzorků s diskrétním časem n jsou uložena v interním úložišti 9,1. Časová zpoždění analogových měřených signálů jsou kompenzována digitální trojnásobnou zpožďovací linkou 9,2 tak, aby byla zajištěna časová synchronnost mezi měřenými kanály. Diskrétní signály “sil), «£>(»), i(n) _a pofiOjsou zpožďovací linkou zpožděny o a ^po vzorků. Subsystém 9,3 číslicové kompenzace frekvenčních charakteristik sond 2,3 a 6 provádí kompenzaci frekvenčních charakteristik (tj. modulové a fázové). Skládá se z bloku 9,3,1 pro převod z časové do kmitočtové oblasti na bázi rychlé Fourierovy transformace (FFT), bloku 9,3,2 paměti, násobičky 9,3,3 a bloku 9,3,4 pro převod z frekvenční zpět do časové (IFFT) oblasti. V bloku 9,3,2 paměti jsou pro jednotlivé sondy 2,3 a 6 uloženy inverze jejich frekvenční charakteristiky R = {Εχ, d, j} pro diskrétní kmitočty k. Subsystém 9,3 číslicové kompenzace frekvenčních charakteristik sond 2, 3 a 6 tak realizuje vyrovnání frekvenčních charakteristik dle vztahů:

i4(n) = JFFT{FFT{:^ i^s(n) = /FFT{FFT{í(h kde ÚÚ značí skutečné, tj. očištěné od vlivu frekvenčních charakteristik sond 2, 3 a 6, a vzájemně časově synchronizované vzorky elektrického napětí měřeného vysokonapěťovou single ended sondou 2, elektrického napětí měřeného diferenciální vysokonapěťovou sondou 6 a elektrického proudu měřeného proudovou sondou 3. Na základě posloupnosti vzorků získaných optickou sondou 7 je za pomoci komparátoru 9,8 stanovena dolní mez ni a horní mez «2 numerické integrace součinu napětí a proudu jako okamžik nárůstu, resp. poklesu optického výkonu nad, resp. pod stanovenou kritickou hodnotu, přičemž tato hodnota je pro stanovení ni a «2 nastavena odlišně. Blok 9,4 společně s blokem 9,6 a blok 9,5 společně s blokem 9,7 provádí výpočet energie elektrického výboje pomocí numerické integrace součinů do nich vstupujících proudů a napětí. Výstupem bloku 9,6 je tak energie elektrického výboje stanovená standardní metodou, tj. na základě proudu tekoucího obvodem a napětí měřeného vysokonapěťovou single ended sondou 2 na elektrodě Ei dle vztahu:

-7 CZ 309271 B6 = τ-Σ^^Ο) ^ί50ϋVýstupem bloku 9,7 je energie elektrického výboje stanovená dle modifikované metody měření, tj. na základě proudu tekoucího obvodem a napětí měřeného vysokonapěťovou diferenciální sondou 6 dle vztahu:

= 7-Σ^ **0)·

Zobrazovač 9,9 umožňuje zobrazit grafické výstupy a tabulky vypočtených hodnot. Grafickými výstupy jsou: časový průběh elektrického výkonu výboje měřeného standardní metodou, tj. na základě proudu tekoucího obvodem a napětí měřeného vysokonapěťovou single ended sondou 2 na elektrodě Ei (výstup bloku 9,4 pro realizaci matematického součinu měřeného proudu a napětí), časový průběh elektrického výkonu výboje měřeného modifikovanou metodou dle předkládaného vynálezu, tj. na základě proudu tekoucího obvodem a napětí měřeného vysokonapěťovou diferenciální sondou 6 (výstup bloku 9,5 pro realizaci matematického součinu měřeného proudu a napětí) a časový průběh optického výkonu výboje měřeného optickou sondou 7. Tabulka/y vypočtených hodnot pak zahrnují: hodnotu energie elektrického výboje E_E1 stanovené standardní metodou, hodnotu energie elektrického výboje Ea stanovené dle , . i ¢7¼ — nj— modifikované metody měření, dobu trvání ' & elektrického výboje stanovenou dle optické sondy 7. Na základě hodnoty kapacity Co kondenzátoru použitého v generátoru, která je do vyhodnocovací jednotky 9 zadána uživatelem, a měřeného napětí Co je vypočtena teoretická hodnota energie elektrického výboje dle standardního vztahu 2 ^{0 0} . Vyhodnocovací jednotka 9 následně stanoví ztráty v obvodu generátoru 1 jako rozdíl teoretické energie elektrického výboje E a energií elektrického výboje stanovených na základě měření.

Hardwarovým základem vyhodnocovací jednotky 9 je například platforma X15 od společnosti Beagleboard, ve které je naprogramovaná systémová aplikace uskutečňující bloky 9,2 až 9,8. Zobrazovač 9,9 je například představován dotykovým kapacitním displejem připojeným přes rozhraní HDMI do vyhodnocovací jednotky 9 platformy X15. Platforma X15 vyhodnocovací jednotky 9 umožňuje i vzdálený přístup k zobrazovači 9,9 prostřednictvím komunikace WiFi, LAN, nebo USB. Tímto lze ovládat zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje externě pomocí libovolné výpočetní techniky s operačním systémem Windows, nebo Android (tablet, notebook, telefon).

Přínos předkládaného vynálezu:

Měřená energie elektrického výboje zahrnující chybu měření je dána vztahem:

= ^Σ^(Μ^η) + WOfa) ± Aj), kde chyba jejího stanovení závisí na absolutní chybě měření diferenciálního napětí Au.d a absolutní chybě měření proudu A/. Velikost těchto absolutních chyb je ovlivněna zejména počtem kvantizačních hladin použitých při digitalizaci přímo měřených signálů a dále způsobem měření diferenciálního napětí, které může být provedeno buď přímou metodou (sondou 6, dle obr. 2) nebo nepřímou metodou (s použitím vysokonapěťových single ended sond 2 a 2a, dle obr. 1).

V níže uvedeném příkladu budeme dále srovnávat chyby měření napětí a proudů dle dosavadního stavu techniky s chybami měření dle předkládaného vynálezu. V případě měření dle dosavadního stavu techniky uvažujeme zapojení dle obr. 1, kde je proud měřen proudovou sondou 3, napětí na

-8 CZ 309271 B6 jiskrovém výboji je měřeno vysokonapěťovými sondami 2 a 2a a digitalizace je uskutečněna pomocí osciloskopu 4 s rozlišením M/t ose = 8 bitů. V případě měření dle předkládaného vynálezu dle obr. 2 je proud měřen proudovou sondou 3, napětí na jiskrovém výboji je měřeno vysokonapěťovou diferenciální sondou 6 a digitalizace je realizována pomocí digitalizační jednotky 8 s rozlišením Nm.dj = 16 bitů.

Byl zkonstruován generátor 1 elektrického výboje v typickém zapojení A.2 uvedeném v části Annex A normy EN13821:2002(E). Velikost nabíjecího napětí Uo kondenzátoru Co v tomto π zapojení byla zvolena Co = 10 kV odpovídajícímu počátečnímu napětí na elektrodě Ei. Maximální změřená hodnota amplitudy diferenciálního napětí U_d0 mezi elektrodami Ei a Ez byla v tomto případě rovna Um = 500 V. Maximální změřená hodnota amplitudy proudu lo tekoucího obvodem generátoru 1 byla v tomto případě rovna lo = 100 A.

1. Měření dle dosavadního stavu techniky

V tomto případě probíhá měření proudu tekoucího obvodem generátoru přímou metodou a absolutní chyba měření elektrického proudu je dána vztahem:

Ig 2-100 „ „„ .

^.OSC~ ₂N_bit>asc+l - ^Α·

Měření diferenciálního napětí Ud._ox mezi elektrodami E± a Ez je dle dosavadního stavu techniky prováděno nepřímou metodou jako rozdíl elektrického napětí měřeného na jednotlivých elektrodách Ev a Ey.

^dpSC ^E^OSC ^E_2í0SC'

Absolutní chyba měření elektrického napětí jednotlivé vysokonapěťové sondy 2 nebo 2a je dána vztahem:

Λ ₌ A = “° ose

2-lQ-ltH _{= 06}

2’

Absolutní chyba měření skutečného diferenciálního napětí dle dosavadního stavu techniky je pak dána jako průměr absolutních chyb vztahem:

^u,d,osc^- 55,25 V.

Maximální měřená hodnota amplitudy diferenciálního napětí U_dQ mezi elektrodami E_r a E₂ je v tomto případě reprezentována počtem kvantizačních hladin Nu,d,ose'·

U_ao 500 = 2¾ ⁼ 2 10 · 10³ ~ 256

2. Měření dle předkládaného vynálezu

V případě měření dle předkládaného vynálezu probíhá měření jak elektrického proudu, tak diferenciálního elektrického napětí výboje přímou metodou. Absolutní chyba takto měřených veličin je dána vztahy:

-9 CZ 309271 B6 λ _ —— = - i 52 _raj4

DJ 217 <<< KinA — ^{2 ÍÍii0} — ²'^Stj0 — 7 fi mV ^a,D} ^l_bitiDj+i ₂i7

Maximální měřená hodnota amplitudy diferenciálního napětí Um mezi elektrodami Ev a U je reprezentována počtem kvantizačních hladin Nuadj.

jj __ íío __ bOO π 'γατί ~ zu_tí0 — 2-soo ~ o2/C8.

₂ ^Nlňt.,D} 65 635

Klíčovým přínosem překládaného vynálezu oproti dosavadního stavu techniky je vyšší rozlišení měřeného diferenciálního elektrického napětí Um na elektrickém výboji. Dle dosavadního stavu techniky je měřené napětí na výboji reprezentováno pouze šesti kvantizačními hladinami, zatímco překládaný vynález umožňuje měřit stejný děj s počtem 32 768 kvantizačních hladin. Použitím diferenciální vysokonapěťové sondy 6 a digitalizační jednotky 8 s vysokým rozlišením je v uvedeném případě 7269 krát snížena chyba měření elektrického napětí a 256 krát snížena chyba měření elektrického proudu. Použitím kompenzací kmitočtových charakteristik jednotlivých sond 2, 3 a 6 vyhodnocovací jednotkou 9 a přesným stanovením integračních mezí pomocí optické sondy 7 je výsledná chyba energie elektrického výboje dále snížena.

Předkládaný vynález je tedy ve zvlášť preferovaném znázorněném provedení navržen pro měření elektrické energie elektrického výboje a stanovení energetické bilance v obvodu generujícího elektrický výboj. Energie výboje je stanovena na základě synchronizovaného měření elektrického proudu, elektrického napětí a optického výkonu měřeného výboje. Pro zpřesnění měření energie elektrického výboje je využito vícebodové měření napětí s vysokým rozlišením. Optické měření výkonu elektrického výboje je použito pro minimalizaci výpočetní chyby výsledné energie. Nežádoucí zkreslení měřených signálů je kompenzováno s využitím znalostní frekvenčních charakteristik jednotlivých obvodových prvků v měřicím zařízení.

Reference

Zhong et al., Experimental Investigation on Measurement of Spark Discharge Energy Using Integration Method, Advanced in Control Engineering and Information Science, Procedia Engineering 15 (2011) 2690 - 2694

Julian J. Lee and Joseph E. Shepherd, Spark Ignition Measurements in Jet A: part II, Explosion Dynamics Laboratory Report FM 99-7, January 22, 2000

Erlend Randeberg, Werner Olsen, Rolf K. Eckhoff, A new method for generation of synchronised capacitive sparks of low energy, Journal of Electrostatics, Volume 64, Issues 3-4, 2006, Pages 263-272, ISSN 0304-3886,

Voloshko: Nanoparticle formation by means of spark discharge at atmospheric pressure, Doctoral Thesis (2015)

Potentially explosive atmospheres - Explosion prevention and protection - Determination of minimum ignition energy of dust/air mixtures, ENI3821:2002(E).

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) pro měření energie elektrického výboje, obsahující dvojici bloků (6.3A, 6.3B) přepěťové ochrany a diferenciální zesilovač (6.4), vyznačující se tím, že obsahuje

   - dvojici vysokonapěťových děličů (6.1 A, 6.1B), z nichž první je uzpůsobený pro propojení s první elektrodou (El) jiskřiště a druhý je uzpůsobený pro propojení s druhou elektrodou (E2) jiskřiště, přičemž

   - první blok (6.3A) přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z prvního vysokonapěťového děliče (6.1 A) a druhý blok (6.3B) přepěťové ochrany je svým vstupem propojený s výstupem z druhého vysokonapěťového děliče (6.1B) a že

   - vstupy diferenciálního zesilovače (6.4) jsou propojeny s výstupy z bloků (6.3A, 6.3B) přepěťové ochrany.
2. 2. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje dvojici bloků (6.2A, 6.2B) laditelných filtrů, přičemž první blok (6.3A) přepěťové ochrany je propojený s výstupem z prvního vysokonapěťového děliče (6.1 A) přes první blok (6.2A) laditelných filtrů a druhý blok (6.3B) přepěťové ochrany je propojený s výstupem z druhého vysokonapěťového děliče (6.1B) přes druhý blok (6.2B) laditelných filtrů.
3. 3. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) podle nároku 2, vyznačující se tím, že každý z bloků (6.2A, 6.2B) laditelných filtrů obsahuje alespoň dva samostatné laditelné filtry (6.2.1, 6.2.2, 6.2.3), ve formě pasivních RC filtrů 1. řádu.
4. 4. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že každý z vysokonapěťových děličů (6.1A, 6.1B) obsahuje první nízkoindukčnostní rezistor (Rl) a druhý nízkoindukčnostní rezistor (R2).
5. 5. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje napěťový zdroj (6.5) připojený pro napájení diferenciálního zesilovače (6.4).
6. 6. Vysokonapěťová diferenciální sonda (6) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje desku plošných spojů, na které jsou uspořádány alespoň vysokonapěťové děliče (6.1 A, 6.1B), bloky (6.3A, 6.3B) přepěťové ochrany a diferenciální zesilovač (6.4), přičemž deska plošných spojů obsahuje frézované oblasti pro zamezení vzniku povrchového náboje.
7. 7. Zařízení pro měření a vyhodnocování energie elektrického výboje, které obsahuje vysokonapěťovou diferenciální sondu (6) podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje proudovou sondu (3) a digitalizační jednotku (8) s rozlišením alespoň osm bitů, která je svými vstupy propojená s vysokonapěťovou diferenciální sondou (6) a s proudovou sondou (3).
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že dále obsahuje optickou sondu (7) pro měření záření elektrického výboje, která je svým výstupem propojená se vstupem digitalizační jednotky (8) a která obsahuje skleněný váleček (7.1), fotodiodu (7.2) uspořádanou souose se skleněným válečkem (7.1), signálový zesilovač (7.3), který je svým vstupem propojený s výstupem z fotodiody (7.2), a stabilizátor (7.4) napětí propojený se signálovým zesilovačem (7.3).
9. 9. Zařízení podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že dále obsahuje vysokonapěťovou single ended sondu (2), která je uzpůsobená pro propojení s první elektrodou (El) jiskřiště a která je svým výstupem propojená s digitalizační jednotkou (8).

   - 11 CZ 309271 B6
10. 10. Zařízení podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že dále obsahuje vyhodnocovací jednotku (9) propojenou s digitalizační jednotkou (8) a uzpůsobenou pro vyhodnocování signálů přiváděných z digitalizační jednotky (8).