Спосіб вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику

Спосіб вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику, який полягає у вимірюванні параметрів струму за допомогою поясу Роговського, охоплюючого перешийок, утворений двома отворами, виконаними в провіднику, який відрізняється тим, що в отвори на всю глибину провідника встановлюють два електроди, між якими вимірюють падіння напруги, а відносний розподіл щільності струму визначають із співвідношення: Ji U  i , Jб Uб Корисна модель відноситься до області електричних вимірювань і може знайти застосування при дослідженні та фізичному моделюванні електромагнітних полів плоскої або плоскомеридіанної структурі пристроїв, які призначені для високочастотного нагріву деталей, магнітно-імпульсної обробки металів і інших електротехнічних технологічних процесів. Відомі способи вимірювання розподілу щільності струму в провіднику [1-4]. Суть способу визначення розподілу відносної поверхневої щільності струму [1] полягає у вимірюванні ЕДС, індукованої в поясі Роговського, який охоплює досліджуваний провідник, і в індукційному датчику, що знаходиться в досліджуваній точці. По набутих значеннях розрахунковим шляхом визначають відносну поверхневу щільність струму. Недоліком способу, описаного в роботі [1], є наявність різкого скін-ефекту в досліджуваному провіднику, тобто тільки високочастотний діапазон вимірюваних струмів. Спосіб вимірювання, описаний в роботі [2], базується на застосуванні електродів, які встановлюються в задані точки вимірювання рідкометалевого провідника. Недоліком способу, описаного в роботі [2], є обмежений високочастотний діапазон вимірюваних струмів і застосування рідкометалевих провідників. Суть способу вимірювання щільності струму в провіднику, описаного в роботі [3], полягає у вимірюванні падіння напруги між двома електродами, які контактують з поверхнею досліджуваного провідника. Недоліком способу, описаного в роботі [3], є можливість вимірювання тільки поверхневої щільності струму, оскільки контакт між досліджуваним провідником і вимірювальною системою здійснюється в двох точках на поверхні провідника. Такий спосіб вимірювання застосовується тільки для постійного струму і за умови різкого поверхневого ефекту, тобто також тільки для діапазону високих частот. Спосіб вимірювання, описаний в роботі [4], полягає у тому, що вимірювальні електроди встановлюються тільки на задану глибину в досліджуваний провідник, виконаний із спеціального сплаву. Недоліком способу, описаного в роботі [4], є вимірювання тільки частини струму, яка визначається глибиною установки датчика в метал досліджуваного провідника, і застосування спеціального сплаву для досліджуваних провідників. Найбільш близьким за своєю суттю до запропонованого є спосіб вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику, що описаний у роботі [5] «Вихревые токи в тонких металлических листах при их магнитно-импульсной обработке» авторов Батыгина Ю.В., Лавинского В.И., Бондаренко А.Ю. Суть способу-прототипу полягає у (19) UA (11) 57134 (13) U де Ui , Ji - падіння напруги між електродами і щільність струму на і-ій ділянці спостереження, Uб , Jб - падіння напруги між електродами і щільність струму на базовій ділянці. 3 вимірюванні струму, протікаючого через перешийок, утворений двома отворами, виконаними в провіднику, за допомогою поясу Роговського [5]. Недоліком прототипу є необхідність виконання двох отворів з мінімальним діаметром 3 мм у досліджуваному провіднику, що приводить до спотворення реального розподілу щільності струму, а також погрішності, що вносяться в результати вимірювань поясом Роговського за рахунок необхідності інтеграції ЕДС, індукованої в поясі Роговського. Задачею запропонованої корисної моделі є підвищення точності вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику і спрощення процесу вимірювання. Поставлена задача досягається тим, що вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику полягає у вимірюванні параметрів струму, що протікає між двома отворами, виконаними в провіднику, причому, в отвори на всю глибину провідника встановлюють два електрода, між якими вимірюють падіння напруги, а розподіл відносної щільності струму визначають із співвідношення: Ji U  i , Jб Uб де Uі, Jі - падіння напруги між електродами і щільність струму на і-ій ділянці спостереження відповідно, Uб, Jб - падіння напруги між електродами і щільність струму на базовій ділянці. Одна з можливих схем реалізації запропонованого способу зображена на Фіг.1, на якій цифрами позначені: 1 - джерело струму, 2 - досліджуваний провідник, 3 - електроди, 4 - вимірювальний кабель, 5 - реєструючий прилад. Пропонований спосіб реалізується таким чином. Перед проведенням вимірювань в досліджуваний провідник 2 встановлюють по два електрода 3 на відстані декількох міліметрів один від одного (залежно від розмірів провідника) на ділянках, де необхідно провести вимірювання. Діаметр отворів під електроди не перевищує 0,5 мм. Електроди за допомогою вимірювального кабелю 4 підключаються до реєструючого приладу 5. Досліджуваний провідник 2 підключається до джерела струму 1. При протіканні струму в досліджуваному провіднику між парою електродів 3 виникає падіння напруги, яке вимірюється за допомогою реєструючого приладу 5 і дорівнює: U=E·l, (1) де Е - напруженість електричного поля в металі заготівки, l - відстань між електродами. Згідно закону Ома: j=E, (2) де j - щільність струму 57134 4  - питома електрична провідність матеріалу досліджуваного провідника. Вимірювання напруги між електродами проводять як мінімум на двох ділянках, одна з яких прийнята за базову. З формул (1) і (2) одержуємо співвідношення для визначення розподілу щільності струму: Ji U  i (3) Jб Uб де Ui, Ji - падіння напруги між електродами і щільність струму на і-ій ділянці спостереження відповідно, Uб, Jб - падіння напруги між електродами і щільність струму на базовій ділянці. Приклад здійснення способу У металевій пластині були просвердлені 4 отвори діаметром 0,5 мм, в які упаяні електроди на всю товщину пластини. Електроди за допомогою вимірювального кабелю підключалися до осцилографа. Пластина підключалася до струмовиводів низьковольтного генератора імпульсних струмів. При протіканні імпульсного струму в пластині, з двох пар електродів знімалося падіння напруги. Аналогічні вимірювання були проведені в такій же пластині за допомогою поясу Роговського. Для цього в пластині були виконані отвори діаметром 5 мм. Характер зміни відносного розподілу густини струму в досліджуваному провіднику для обох способів вимірювання однаковий. Незначна кількісна відмінність між одержаними результатами обумовлена тим, що погрішність вимірювання за допомогою поясу Роговського більше, ніж в пропонованому способі вимірювання. Спосіб вимірювання відносного розподілу щільності струму в провіднику розроблений в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут". Джерела информації: 1. А.с. №945809 СССР, М.Кл3 G01R 10/00. Способ измерения распределения относительной поверхностной плотности импульсного тока в проводнике / В.М. Михайлов. - 2786214/18-21; Заяв. 29.06.79; Опубл. 23.07.82, Бюлл. №27. 2. P. Earl Burke, Robert Т/Н/ Alden / Current Density Probes // JEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. - 1969. - vol. Pas-88. - №2. P.181-185. 3. Нейман Л.Р., Демирчян К.С., Юринов В.М. Руководство к лаборатории электромагнитного поля. - №-е узд. - М.: Высшая школа, 1966, - с. 6165. 4. Горелик Е.И., Гутник А.Г., Михайлов В.М. Физическое моделирование распределения импульсного тока // Электричество. - 1988. - №9.- с. 7779. 5. Батыгин Ю.В., Лавинский В.И., Бондаренко А.Ю. Вихревые токи в тонких металлических листах при их магнитно-импульсной обработке // Электричество. - 2009. №9. - С. 61-65. 5 Комп’ютерна верстка А. Рябко 57134 6 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601