RU2808957C2 - Device for measuring conductivity and impedance of plasma of glow gas discharge dc - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring devices.

SUBSTANCE: invention is related to monitoring gas discharges and can be used to study physical processes in gas-discharge devices, as well as to monitor the condition and performance characteristics of gas-discharge devices. A device for measuring the conductivity and impedance of a DC glow gas discharge plasma contains a source and a DC voltage meter, a DC current meter, and additionally contains an alternating voltage generator of tunable frequency, a measuring resistor, a separating capacitor, a measuring transformer, a resonant capacitor, a narrow-band alternating voltage amplifier, a synchronous detector, AC rectifier, DC amplifier, XY recorder, controlled phase shifter, voltage phase meter and ramp voltage generator.

EFFECT: identification of the components of the voltage drop across active, reactive and capacitive resistance, as well as expanding the functionality of the device.

1 cl, 2 dwg

Description

Предполагаемое изобретение относится к области газового разряда и может быть использовано для исследования физических процессов в газоразрядных приборах, а также для контроля состояния и рабочих характеристик газоразрядных приборов.The proposed invention relates to the field of gas discharge and can be used to study physical processes in gas-discharge devices, as well as to monitor the condition and performance characteristics of gas-discharge devices.

Известно устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее газоразрядный прибор (далее прибор) с электродами (анодом и катодом), источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом, измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора. [Грановский В.Л. «Электрический ток в газе. Установившийся ток». - М.: издательство «Наука», 1971. - 490 с.; Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники». - М: издательство «Высшая школа», 1964. - 684 с.].A device is known for measuring the conductivity and impedance of a DC glow gas discharge plasma, containing a gas-discharge device (hereinafter referred to as the device) with electrodes (anode and cathode), a source and a DC voltage meter connected to the anode and cathode, a DC meter connected in series between the voltage source and cathode of the device. [Granovsky V.L. “Electric current in gas. Steady current". - M.: publishing house "Nauka", 1971. - 490 p.; Bessonov L.A. "Theoretical foundations of electrical engineering." - M: publishing house "Higher School", 1964. - 684 p.].

Работа известного устройства измерения сопротивления с реактивной составляющей основана на пропускании переменного тока через плазму тлеющего разряда между катодом и анодом, измерении переменного тока I и переменного напряжения U на электродах прибора, и разности фаз ϕ между переменным током и напряжением, в определении полного сопротивления (импеданса) Z плазмы газового разряда. , где R=Z cos ϕ - активная составляющая, а X=Zsinϕ - реактивная составляющая сопротивления плазмы. Проводимость плазмы определяется как ; активная проводимость определяется как ; реактивная составляющая плазмы обусловлена индуктивной X_L и емкостной X_C составляющими и равна X=X_L-X_C.The operation of the known device for measuring resistance with a reactive component is based on passing an alternating current through the glow discharge plasma between the cathode and anode, measuring the alternating current I and alternating voltage U at the electrodes of the device, and the phase difference ϕ between the alternating current and voltage, in determining the impedance ) Z of gas discharge plasma. , where R=Z cos ϕ is the active component, and X=Zsinϕ is the reactive component of the plasma resistance. Plasma conductivity is defined as ; active conductance is defined as ; the reactive component of the plasma is due to the inductive X _L and capacitive X _C components and is equal to X = X _L -X _C .

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности определения индуктивной и емкостной составляющих реактивного сопротивления по отдельности из-за влияния помех, вносимых разного рода наводками и наличием постоянных составляющих тока и напряжения, создающих разряд, на результаты измерения величин переменного напряжения, тока и разности фаз между ними.The disadvantage of the known device is the inability to determine the inductive and capacitive components of the reactance separately due to the influence of interference introduced by various types of interference and the presence of direct current and voltage components that create a discharge on the results of measuring the values of alternating voltage, current and the phase difference between them.

Технический результат направлен на выделение составляющих падения напряжения на активном, реактивном и емкостном сопротивлениях и определение величин этих сопротивлений уменьшением влияния электрических помех и шумов на измеряемые сигналы в 100-1000 раз.. Результат направлен также на расширение функциональных возможностей устройства, в частности, возможности применения его в газоразрядных приборах без специальных зондов, без изменения конструкции газоразрядного прибора.The technical result is aimed at isolating the components of the voltage drop across active, reactive and capacitive resistances and determining the values of these resistances by reducing the influence of electrical interference and noise on the measured signals by 100-1000 times. The result is also aimed at expanding the functionality of the device, in particular, the possibility of application it in gas-discharge devices without special probes, without changing the design of the gas-discharge device.

Технический результат достигается тем, что устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее газоразрядный прибор (далее прибор) с электродами (анодом и катодом), источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом, измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора, дополнительно содержит генератор переменного напряжения перестраиваемой частоты, резистор измерительный, соединенные последовательно с измерителем тока, источником постоянного напряжения и с электродами прибора, конденсатор разделительный, соединенный с измерительным резистором и генератором переменного напряжения, трансформатор измерительный, соединенный первичной обмоткой с конденсатором и с анодом прибора, конденсатор резонансный, соединенный ко вторичной обмотке трансформатора, усилитель переменного напряжения узкополосный, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, синхронный детектор, соединенный измерительным входом с выходом узкополосного усилителя, выпрямитель переменного тока, соединенный с выходом синхронного детектора, усилитель постоянного тока, соединенный входом к выпрямителю, двухкоординатный регистратор, соединенный входом «ордината» с выходом усилителя постоянного тока, управляемый фазовращатель, соединенный с выходом генератора переменного тока и с управляющим входом синхронного детектора, измеритель фазы напряжения, соединенный с выходами генератора переменного напряжения и фазовращателя, и генератор пилообразного напряжения, соединенный с управляющим входом фазовращателя и входом координаты «абсцисса» двухкоординатного регистратора.The technical result is achieved by the fact that a device for measuring the conductivity and impedance of a DC glow gas discharge plasma, containing a gas-discharge device (hereinafter referred to as the device) with electrodes (anode and cathode), a source and a DC voltage meter connected to the anode and cathode, a DC meter connected in series between the voltage source and the cathode of the device, additionally contains an alternating voltage generator of tunable frequency, a measuring resistor connected in series with a current meter, a constant voltage source and with the electrodes of the device, a separating capacitor connected to the measuring resistor and an alternating voltage generator, a measuring transformer connected to the primary winding with a capacitor and with the anode of the device, a resonant capacitor connected to the secondary winding of the transformer, a narrow-band alternating voltage amplifier connected by the input to the secondary winding of the transformer, a synchronous detector connected by the measuring input to the output of the narrow-band amplifier, an alternating current rectifier connected to the output of the synchronous detector, a direct current amplifier connected by the input to the rectifier, a two-axis recorder connected by the ordinate input to the output of the direct current amplifier, a controlled phase shifter connected to the output of the alternating current generator and to the control input of the synchronous detector, a voltage phase meter connected to the outputs of the alternating voltage generator and a phase shifter, and a sawtooth voltage generator connected to the control input of the phase shifter and the “abscissa” coordinate input of the two-axis recorder.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего разряда в газоразрядном приборе (далее - «устройство»).In fig. Figure 1 shows a functional diagram of a device for measuring the conductivity and impedance of a glow discharge plasma in a gas-discharge device (hereinafter referred to as the “device”).

На фиг. 2 приведена фазовая зависимость напряжения переменного тока на приборе: U_R напряжение на резистивной составляющей полного сопротивления, U_XL - напряжение на индуктивной составляющей реактивного сопротивления, U_XC - напряжение на емкостной составляющей реактивного сопротивления.In fig. Figure 2 shows the phase dependence of the alternating current voltage on the device: U _R is the voltage on the resistive component of the impedance, U _XL is the voltage on the inductive component of the reactance, U _XC is the voltage on the capacitive component of the reactance.

Устройство (фиг. 1) содержит газоразрядный прибор 1 с корпусом 2 и с электродами - катодом 3 и анодом 5, последовательно соединенные от катода 3 к аноду 5 измеритель постоянного и переменного тока 7, источник напряжения постоянного тока 8, генератор переменного напряжения 9, измерительный резистор R_изм, а также последовательно соединенные от катода 3 к аноду 5 измеритель постоянного и переменного напряжения и балластный резистор R_б. Устройство содержит переходной конденсатор С_пер, соединенный к выводу измерительного резистора R_изм и выводу генератора 9, измерительный трансформатор Тр, выводы первичной обмотка которого соединены к конденсатору С_пер и к выводу измерительного резистора R_изм, конденсатор резонансный С_рез, соединенный к выводам вторичной обмотки трансформатора Тр, соответствующий резонансной частоте , равной частоте генератора 9, в контуре с индуктивностью L_mp2 вторичной обмотки трансформатора Тр. Устройство содержит узкополосный предусилитель 13 переменного тока, соединенный входом ко вторичной обмотке трансформатора Тр, синхронный детектор 14, измерительный вход которого соединен с выходом предусилителя 13, выпрямитель переменного тока 15, соединенный к выходу синхронного детектора 14, усилитель постоянного тока 16, соединенный входом к выходу выпрямителя 15, двухкоординатный регистратор 17, соединенный входом «ордината» к выходу усилителя постоянного тока 16, управляемый фазовращатель 10, соединенный между выходом генератора 9 и управляющим входом синхронного детектора 14, измеритель фазы 12 напряжения переменного тока, соединенный с выходами генератора 9 и фазовращателя 10, и генератор развертки пилообразного напряжения 11, соединенный с управляющим входом фазовращателя 10 и с входом «абсцисса» двухкоординатного регистратора 17 и с измерителем фазы 12.The device (Fig. 1) contains a gas-discharge device 1 with a housing 2 and with electrodes - cathode 3 and anode 5, connected in series from cathode 3 to anode 5, a direct and alternating current meter 7, a direct current voltage source 8, an alternating voltage generator 9, a measuring resistor R _meas , as well as a DC and AC voltage meter and ballast resistor R _b connected in series from cathode 3 to anode 5. The device contains a transition capacitor _{C per} connected to the terminal of the measuring resistor R _meas and the terminal of the generator 9, a measuring transformer Tr, the terminals of the primary winding of which are connected to the capacitor C _per and to the terminal of the measuring resistor R _meas , a resonant capacitor C _cut connected to the terminals of the secondary winding transformer Tr corresponding to the resonant frequency , equal to the frequency of generator 9, in a circuit with inductance L _mp2 of the secondary winding of the transformer Tr. The device contains a narrow-band AC preamplifier 13 connected by its input to the secondary winding of the transformer Tr, a synchronous detector 14, the measuring input of which is connected to the output of the preamplifier 13, an AC rectifier 15 connected to the output of the synchronous detector 14, a DC amplifier 16 connected by the input to the output rectifier 15, two-axis recorder 17 connected by the “ordinate” input to the output of the DC amplifier 16, controlled phase shifter 10 connected between the output of the generator 9 and the control input of the synchronous detector 14, phase meter 12 of the AC voltage connected to the outputs of the generator 9 and phase shifter 10 , and a sawtooth voltage sweep generator 11 connected to the control input of the phase shifter 10 and to the “abscissa” input of the two-axis recorder 17 and to the phase meter 12.

Назначение узлов схемы и особенности их действия. Измерительный резистор 7 предназначен для выделения изменений переменной составляющей напряжения на приборе 1 и гармоник, сдвинутых по фазе с разной амплитудой, балластный резистор R_б предназначен для стабилизации режима горения разряда. Пилообразное напряжение, подаваемое с генератора 11 на управляющий вход фазовращателя 10, позволяет изменять линейно по времени фазу напряжения переменного тока, подаваемого с выхода генератора 9 через фазовращатель 10 на управляющий вход синхронного детектора 14. При этом синхронный детектор 14 от сигнального входа на выход пропускает из всего суммарного сложного сигнала переменного тока, подаваемого на вход, только гармонику, соответствующую частоте и фазе синусоиды, подаваемой на управляющий вход детектора 14 от фазовращателя 10. Для получения устойчивого сигнала по величине, пропускаемого детектором 14 необходимо, чтобы период напряжения генератора 9 был многократно меньше периода развертки пилообразного напряжения генератора 11. Необходимо также чтобы постоянная времени регистрации сигнала всем усилительным трактом была бы меньше периода переменного напряжения генератора 9, а скорость изменения пилообразного напряжения многократно меньше скорости изменения переменного напряжения.The purpose of the circuit nodes and the features of their operation. Measuring resistor 7 is designed to highlight changes in the alternating voltage component on device 1 and harmonics shifted in phase with different amplitudes, ballast resistor R _b is designed to stabilize the discharge burning mode. The sawtooth voltage supplied from the generator 11 to the control input of the phase shifter 10 allows you to change linearly in time the phase of the alternating current voltage supplied from the output of the generator 9 through the phase shifter 10 to the control input of the synchronous detector 14. In this case, the synchronous detector 14 passes from the signal input to the output of the entire total complex alternating current signal supplied to the input, only a harmonic corresponding to the frequency and phase of the sinusoid supplied to the control input of the detector 14 from the phase shifter 10. To obtain a stable signal in magnitude transmitted by the detector 14, it is necessary that the voltage period of the generator 9 be many times less sweep period of the sawtooth voltage of the generator 11. It is also necessary that the time constant of signal recording by the entire amplification path be less than the period of the alternating voltage of the generator 9, and the rate of change of the sawtooth voltage is many times less than the rate of change of the alternating voltage.

Постоянное напряжение источника 8, регулируемое по величине, обеспечивает зажигание и поддержание устойчивого тлеющего разряда 4. Величина действующего значения напряжения переменного тока генератора 9 меньше напряжения постоянного тока более чем в 10-100 раз во избежание существенного изменения характеристик плазмы разряда, создаваемого постоянным током источника 8. Частота переменного тока генератора 9 выбирается с учетом величин и частотных зависимостей реактивных сопротивлений X_L и X_C плазмы.The constant voltage of the source 8, adjustable in magnitude, ensures ignition and maintenance of a stable glow discharge 4. The value of the effective value of the alternating current voltage of the generator 9 is less than the direct current voltage by more than 10-100 times in order to avoid a significant change in the characteristics of the discharge plasma created by the direct current of the source 8 The frequency of the alternating current generator 9 is selected taking into account the values and frequency dependencies of the reactances X _L and X _C of the plasma.

Устройство работает следующим образом. В газоразрядном приборе 1 (далее прибор) с помощью источника напряжения 8 постоянного тока зажигается тлеющий разряд 4 с заданными характеристиками.The device works as follows. In the gas-discharge device 1 (hereinafter referred to as the device), using a DC voltage source 8, a glow discharge 4 with the specified characteristics is ignited.

Напряжение и ток разряда 4 устанавливаются и контролируются с помощью измерителя напряжения 6 и измерителя тока 7. Для измерения характеристик разряда 4 между катодом 3 и анодом 5 прибора 1 подается синусоидальное переменное напряжение с помощью генератора 9 переменного напряжения, величина которого значительно меньше напряжения разряда 4, и которое не изменяет практически состояние плазмы тлеющего газового разряда 4 постоянного тока.The voltage and current of discharge 4 are set and monitored using a voltage meter 6 and a current meter 7. To measure the characteristics of discharge 4, a sinusoidal alternating voltage is supplied between the cathode 3 and anode 5 of device 1 using an alternating voltage generator 9, the value of which is significantly less than the voltage of discharge 4, and which does not practically change the state of the plasma of the glowing gas discharge 4 direct current.

Примечание: Переменное напряжение это разность потенциалов между двумя точками, изменяющаяся по синусоидальному закону. Поэтому синусоидальность переменного напряжения и тока будем подчеркивать при особой необходимости.Note: Alternating voltage is the potential difference between two points, changing according to a sinusoidal law. Therefore, we will emphasize the sinusoidality of alternating voltage and current when particularly necessary.

Образующийся переменный ток проходит по контуру: источник 8, измеритель тока 7 разряда 4, плазма разряда 4 прибора 7, измерительный резистор R_изм и источник переменного напряжения 9. В плазме существуют три вида нагрузки: резистивная R, емкостная X_C и индуктивная X_L. Синусоида напряжения на резистивной нагрузке всегда синфазна с синусоидой тока ϕ_U=ϕ_I, синусоида напряжения на индуктивности опережает ток по фазе на 90° и равна ϕ_U=ϕ_L+90°; синусоида напряжения на емкости отстает от тока на 90° и равна ϕ_U=ϕ_C-90°. Поэтому между анодом 5 и катодом 3 форма напряжения оказывается сложной из-за сдвигов фаз и разной амплитуды падений напряжений на активной и реактивных нагрузках. Так как в режиме изменений напряжение источника переменного тока 8 поддерживается постоянным, то все изменения на плазме отражаются на измерительном резисторе R_изм. Суммарное напряжение на резисторе на примере последовательного расположения активной и реактивных нагрузок равноThe resulting alternating current passes through the circuit: source 8, current meter 7, discharge 4, discharge plasma 4 of device 7, measuring resistor R _measured and alternating voltage source 9. In plasma there are three types of load: resistive R, capacitive X _C and inductive X _L. The voltage sinusoid on a resistive load is always in phase with the current sinusoid ϕ _U =ϕ _I , the voltage sinusoid on the inductance is 90° ahead of the current in phase and is equal to ϕ _U =ϕ _L +90°; The voltage sinusoid across the capacitor lags the current by 90° and is equal to ϕ _U =ϕ _C -90°. Therefore, between anode 5 and cathode 3, the voltage shape turns out to be complex due to phase shifts and different amplitudes of voltage drops across active and reactive loads. Since in the change mode the voltage of the alternating current source 8 is maintained constant, all changes in the plasma are reflected in the measuring resistor R _meas . The total voltage across the resistor using the example of a serial arrangement of active and reactive loads is equal to

где U₀ - постоянная составляющая напряжения на приборе; u_R(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на активной составляющей сопротивления прибора; u_L(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на индуктивной составляющей сопротивления прибора; u_C(t) - мгновенное значение падения переменной составляющей напряжения на емкостной составляющей сопротивления прибора; u_помех(t) - мгновенное значение суммарного сигнала переменных помех; U_mR, U_mL, U_mC - амплитудные значения переменных составляющих падений напряжения на активной, индуктивной и емкостной составляющих соответственно полного сопротивления прибора; ω - круговая частота переменного напряжения генератора 10;where U ₀ is the constant component of the voltage on the device; u _R (t) - instantaneous value of the drop in the alternating voltage component across the active component of the device resistance; u _L (t) - instantaneous value of the drop in the alternating voltage component on the inductive component of the device resistance; u _C (t) - instantaneous value of the drop in the alternating voltage component across the capacitive component of the device resistance; u _interference (t) - instantaneous value of the total signal of variable interference; U _mR , U _mL , U _mC - amplitude values of the alternating components of the voltage drops on the active, inductive and capacitive components, respectively, of the device impedance; ω is the circular frequency of the alternating voltage of the generator 10;

U_mk - амплитудное значение k-гармоники шумовых сигналов; ω_k - круговая частота k-гармоники шумовых сигналов; ψ_k - фаза k-гармоники шумовых сигналов.U _mk is the amplitude value of the k-harmonic of noise signals; ω _k - circular frequency of the k-harmonic of noise signals; ψ _k is the k-harmonic phase of noise signals.

Из полученного напряжения на резисторе R_изм отделяется конденсатором С_пер постоянная составляющая, а сложная переменная составляющаяFrom the resulting voltage across the resistor R, _{the measurement} is separated by a capacitor C _per, a constant component, and a complex alternating component

подается на трансформатор Тр. Емкость конденсатора С_рез с индуктивностью L_mp2 вторичной обмотки трансформатора Тр образует колебательный контур L_mp2C_рез, отделяющий посторонние помехи, отличающиеся по частоте от частоты генератора. Полученный предварительно выделенный в своей частотной полосе переменный сигнал подается на узкополосный усилитель 13 и избирательно по частоте генератора и сигнала усиливается. Сигнал дополнительно очищается от большей части широкополосного шумового сигнала . Затем сигнал подается на синхронный детектор 14. Поступающий сигнал содержит три гармоники, отличающиеся по фазе на 90° друг от друга, и остаточный после узкополосного усилителя сигнал помех .supplied to transformer Tr. The capacitance of the capacitor C _res with the inductance L _mp2 of the secondary winding of the transformer Tr forms an oscillatory circuit L _mp2 C _res that separates extraneous interference that differs in frequency from the frequency of the generator. The resulting alternating signal, pre-selected in its frequency band, is fed to a narrow-band amplifier 13 and selectively amplified according to the frequency of the generator and the signal. The signal is further cleaned of most of the wideband noise signal . The signal is then fed to synchronous detector 14. The incoming signal contains three harmonics that differ in phase by 90° from each other, and a residual interference signal after the narrowband amplifier .

Полезный сигнал содержит три гармоники с частотой генератора каждая и сдвинутые на 90° друг друга. Синхронный детектор 14 настраивается на частоту генератора 9. При настройке управляющего входа синхронного детектора 14 по частоте и фазе на одну из гармоник все остальные сигналы подавляются детектором 14. При изменении фазы сигнала на управляющем входе синхронный детектор 14 пропускает попеременно только сигналы U_mR sinωt или U_mL sin (ωt+90°), или U_mC sin (ωt-90°). Широкополосный сигнал помех полностью подавляется (в 10³ - 10⁴ раз).The useful signal contains three harmonics with the generator frequency each and shifted by 90° from each other. Synchronous detector 14 is tuned to the frequency of generator 9. When the control input of synchronous detector 14 is adjusted in frequency and phase to one of the harmonics, all other signals are suppressed by detector 14. When the phase of the signal at the control input changes, synchronous detector 14 alternately passes only the signals U _mR sinωt or U _mL sin (ωt+90°), or U _mC sin (ωt-90°). The wideband interference signal is completely suppressed (10 ³ - 10 ⁴ times).

Все сигналы из-за систематических воздействий паразитных емкостей, индуктивностей и резистивных сопротивлений могут быть одновременно сдвинуты по фазе от фазы питающего напряжения генератора. При этом гармоники напряжения измеряемых индуктивностей и емкостных составляющих оказываются сдвинутыми на некоторую систематическую величину от основного сдвига на 90°. Это в значительной мере упрощает разделение полного сиг нала на гармоники. В общем случае с помощью фазовращателя 10 и генератора пилообразного напряжения 11 определяются положения по фазе крайних гармоник и устанавливаются пределы развертки пилообразного напряжения, а соответственно, пределы изменения разности фаз между фазой напряжения источника переменного напряжения 8 и крайними фазами занимаемыми гармониками напряжения на измерительном резисторе.All signals, due to the systematic effects of parasitic capacitances, inductances and resistors, can be simultaneously shifted in phase from the phase of the generator supply voltage. In this case, the voltage harmonics of the measured inductances and capacitive components turn out to be shifted by a certain systematic amount from the main shift by 90°. This greatly simplifies the separation of the overall signal into harmonics. In general, using the phase shifter 10 and the sawtooth voltage generator 11, the phase positions of the extreme harmonics are determined and the limits of the sawtooth voltage sweep are set, and, accordingly, the limits of the change in the phase difference between the voltage phase of the alternating voltage source 8 and the extreme phases occupied by the voltage harmonics on the measuring resistor.

При развертке пилообразного напряжения генератора 11 происходит изменение фазы синусоидального напряжения на управляющем входе синхронного детектора 14. Этот же сигнал осуществляет развертку по оси абсцисс на двухкоординатном регистраторе 77. В каждом положении фазовращателя 10 происходит прохождение сигнала некоторой величины через синхронный детектор 14, который выпрямляется, усиливается и подается на вход «ордината» двухкоординатоного детектора 17. Максимальная величина сигнала оказывается при разнице фаз между сигналом и управляющим входом и при фазах, сдвинутых в стороны на 90° от нулевой фазы (фиг. 2). На активной составляющей R сопротивления прибора фаза переменной составляющей падения напряжения U_mR равна фазе тока ψ_UR=ψ_I. Фаза переменной составляющей падения напряжения на индуктивности U_mL опережает фазу тока на 90° и равна ψ_UL=ψ_I+90°. Напряжение на емкости U_mC по фазе отстает от тока ψ_UC=ψ_I-90°. По измеренным величинам сигналов трех гармоник (с одинаковой частотой и с разными фазами) можно определить действующие значения напряжений U_R, U_L, U_C. Для этого необходимо подать на измерительное сопротивление калиброванное напряжение и определить коэффициент усиления измерительного тракта. По величинам полученных действующих значений напряжений U_R,, U_L, U_C при известном значении тока I, измеренного прибором 8 можно определить величины активного и реактивных составляющих полного сопротивления (импеданса) газоразрядного прибора 1 по закону ОмаWhen sweeping the sawtooth voltage of the generator 11, the phase of the sinusoidal voltage changes at the control input of the synchronous detector 14. The same signal sweeps along the abscissa axis on the two-axis recorder 77. At each position of the phase shifter 10, a signal of a certain magnitude passes through the synchronous detector 14, which is straightened and amplified and is fed to the “ordinate” input of two-coordinate detector 17. The maximum signal value occurs when the phase difference between the signal and the control input and when the phases are shifted to the sides by 90° from the zero phase (Fig. 2). On the active component R of the device resistance, the phase of the alternating component of the voltage drop U _mR is equal to the phase of the current ψ _UR =ψ _I. The phase of the alternating component of the voltage drop across the inductance U _mL leads the current phase by 90° and is equal to ψ _UL =ψ _I +90°. The voltage across the capacitance U _mC is in phase behind the current ψ _UC =ψ _I -90°. From the measured values of the signals of three harmonics (with the same frequency and with different phases), it is possible to determine the effective values of the voltages U _R , U _L , U _C . To do this, it is necessary to apply a calibrated voltage to the measuring resistance and determine the gain of the measuring path. Based on the values of the obtained effective voltage values U _R ,, U _L , U _C with a known value of current I measured by device 8, it is possible to determine the values of the active and reactive components of the total resistance (impedance) of gas-discharge device 1 according to Ohm’s law

По полученным величинам R; X_L, X_C можно определить проводимость и импеданс (полное сопротивление газоразрядного прибора).According to the obtained values of R; X _L , X _C you can determine the conductivity and impedance (impedance of the gas-discharge device).

Точность измерения величин действующих напряжений зависит от стабильности горения разряда. Для стабилизации горения плазмы параллельно прибору в цепь вольтметра 6 соединен балластный резистор R_б. Регистрация отдельных гармоник переменного тока с использованием метода синхронного детектирования позволяет подавлять посторонние шумовые сигналы на 10⁴, 10⁵ раз. Так как в электрических цепях существуют наиболее вероятные помехи в виде гармоник токов периодичных кратным пятидесяти герцевой промышленной частоте, то для уменьшения погрешности измерений частота генератора выбирается не кратной пятидесяти. Перестраиванием частоты генератора имеется возможность устанавливать режим работы устройства в диапазонах с минимальными помехами. Принятые меры позволяют снижать погрешность в сравнением с прототипом в 10³-10⁴ раз.The accuracy of measuring the values of effective voltages depends on the stability of the discharge. To stabilize the plasma combustion, a ballast resistor R _b is connected parallel to the device in the voltmeter circuit 6. Registration of individual harmonics of alternating current using the synchronous detection method makes it possible to suppress extraneous noise signals by 10 ⁴ , 10 ⁵ times. Since in electrical circuits there is the most likely interference in the form of harmonic currents periodic multiples of fifty hertz industrial frequency, to reduce the measurement error the generator frequency is chosen not a multiple of fifty. By adjusting the frequency of the generator, it is possible to set the operating mode of the device in ranges with minimal interference. The measures taken make it possible to reduce the error in comparison with the prototype by 10 ³ -10 ⁴ times.

Таким образом, предполагаемое изобретение позволяет выделять отдельные гармоники напряжения на приборе и определять величины индуктивного и емкостного реактивных составляющих сопротивлений прибора.Thus, the proposed invention makes it possible to isolate individual voltage harmonics on the device and determine the values of the inductive and capacitive components of the device's reactance.

Измерение проводимости и импеданса в плазме по прототипу связано с необходимостью изготовления специального измерительного прибора. Себестоимость таких приборов сравнима и больше стоимости промышленных приборов с учетом равенства расходов времени на измерения можно считать экономическую эффективность на измерение для одного промышленного прибора равной себестоимости одного прибора. В частности для прибора (лазера) себестоимость равна 50000 рублей. При измерениях в течении года для пяти приборов годовой экономический эффект составит Эффект = 50000⋅5=250000 руб.Measuring conductivity and impedance in plasma using the prototype requires the manufacture of a special measuring device. The cost of such devices is comparable and greater than the cost of industrial devices, taking into account the equality of time spent on measurements, the economic efficiency of measurement for one industrial device can be considered equal to the cost of one device. In particular, for a device (laser) the cost is 50,000 rubles. When measuring over a year for five devices, the annual economic effect will be Effect = 50,000⋅5 = 250,000 rubles.

Анализ применимости вышеприведенной функциональной схемы показал, что данное устройство можно использовать для исследования любых промышленных газоразрядных приборов.Analysis of the applicability of the above functional diagram showed that this device can be used to study any industrial gas-discharge devices.

Claims (1)

Устройство измерения проводимости и импеданса плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока, содержащее источник и измеритель постоянного напряжения, соединенные с анодом и катодом газоразрядного прибора (далее прибор), измеритель постоянного тока, соединенный последовательно между источником напряжения и катодом прибора, дополнительно содержит генератор переменного напряжения перестраиваемой частоты, резистор измерительный, соединенные последовательно с измерителем тока, источником постоянного напряжения и с электродами прибора, конденсатор разделительный, соединенный с измерительным резистором и генератором переменного напряжения, трансформатор измерительный, соединенный первичной обмоткой с конденсатором и с анодом прибора, конденсатор резонансный, соединенный ко вторичной обмотке трансформатора, усилитель переменного напряжения узкополосный, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, синхронный детектор, соединенный измерительным входом с выходом узкополосного усилителя, выпрямитель переменного тока, соединенный с выходом синхронного детектора, усилитель постоянного тока, соединенный входом к выпрямителю, двухкоординатный регистратор, соединенный входом «ордината» с выходом усилителя постоянного тока, управляемый фазовращатель, соединенный с выходом генератора переменного тока и с управляющим входом синхронного детектора, измеритель фазы напряжения, соединенный с выходами генератора переменного напряжения и фазовращателя, и генератор пилообразного напряжения, соединенный с управляющим входом фазовращателя и входом координаты «абсцисса» двухкоординатного регистратора.A device for measuring the conductivity and impedance of a DC glow gas discharge plasma, containing a source and a DC voltage meter connected to the anode and cathode of a gas-discharge device (hereinafter referred to as the device), a DC meter connected in series between the voltage source and the cathode of the device, additionally containing a tunable AC voltage generator frequencies, a measuring resistor connected in series with a current meter, a constant voltage source and with the electrodes of the device, a separating capacitor connected to a measuring resistor and an alternating voltage generator, a measuring transformer connected by the primary winding to a capacitor and to the anode of the device, a resonant capacitor connected to the secondary winding of the transformer, narrowband AC voltage amplifier connected by the input to the secondary winding of the transformer, synchronous detector connected by the measuring input to the output of the narrowband amplifier, AC rectifier connected to the output of the synchronous detector, DC amplifier connected by the input to the rectifier, two-dimensional recorder connected by the input “ordinate” with the output of the DC amplifier, a controlled phase shifter connected to the output of the alternating current generator and to the control input of the synchronous detector, a voltage phase meter connected to the outputs of the alternating voltage generator and the phase shifter, and a sawtooth voltage generator connected to the control input of the phase shifter and the input “abscissa” coordinates of the two-coordinate recorder.

Images