POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 86 Electrical Engineering 2016 Michał KOZIOŁ* Łukasz NAGI* WYZNACZANIE ENERGII PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO EMITOWANEGO PRZEZ WYŁADOWANIA ELEKTRYCZNE W artykule opisano metodę wyznaczania energii promieniowania elektromagnetycznego na podstawie składowych długości fal widma optycznego emitowanego przez wyładowania elektryczne. Analizie poddano widma emisyjne promieniowania elektromagnetycznego 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. Zaprezentowano przykładowe wyniki analiz oraz wskazano ich potencjalną możliwość dalszego zastosowania. SŁOWA KLUCZOWE: energia promieniowania, wyładowania elektryczne 1. PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE 1.1. Zjawisko promieniowania Promieniowanie określane również jako radiacja jest zjawiskiem związanym z wysyłaniem i przenoszeniem energii w przestrzeni. Istotną cechą promieniowania elektromagnetycznego jest brak pośredniego wpływu substancji materialnych na proces przekazywania energii. Promieniowanie może mieć swoje źródło w zjawiskach naturalnych, zachodzących w przyrodzie, lub wymuszone sztucznie przez działanie człowieka. Najpowszechniejszym źródłem promieniowania 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 promieniowanie może powstać w wyniku przejścia cząsteczki z wyższego poziomu energetycznego do niższego. Jeżeli promieniowanie spowodowane jest działaniem pola elektrycznego, gdzie występuje np. rekombinacja, wówczas określa się je jako elektroluminescencyjne. * Politechnika Opolska.
384 Michał Kozioł, Łukasz Nagi 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 występującego promieniowania przedstawia najczęściej wartość intensywności poszczególnych składowych długości fal. 1.2. promieniowania promieniowania fali elektromagnetycznej przenoszona jest przez poszczególne składowe, które reprezentowane są za pomocą długości fali. Składowe te odpowiadają z kolei w opisie kwantowym cząstkom elementarnym oznaczonym jako strumień fotonów. Pomiędzy długością fali ( ), jej prędkością fazową (c) i częstotliwością fali ( ) zachodzi zależność (1): c c (1) gdzie: c prędkość fazowa fali prędkość światła w próżni 2,998 10 8 [m/s], długość fali [nm], częstotliwość fali [1/s]. Rys. 1. promieniowania pojedynczego fotonu dla poszczególnych składowych długości fali w zakresie spektralnym 200 nm - 1100 nm
Wyznaczanie energii promieniowania elektromagnetycznego emitowanego 385 Każdej długości fali emitowanego promieniowania odpowiada kwant energii, czyli foton o określonej energii. Energię promieniowania takiego fotonu można wyznaczyć z zależności (2): E h (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 powiązana 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 promieniowania 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 warunkach metrologicznych. Otrzymane wyniki poddane zostały analizie pod kątem określenia udziału emitowanej energii dla poszczególnych zakresów promieniowania. Na podstawie wyznaczonych wydatków energetycznych określono energię całkowitą 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 interpretacji. Zaimplementowano algorytmy umożliwiające wyznaczanie energii promieniowania 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), widzialnego (VIS) i bliskiej podczerwieni (NIR) zastosowano metodę spektrofotometrii optycznej, opartej na spektrofotometrze o wysokiej rozdzielczości HR4000 firmy Ocean Optics. Zastosowanie spektrofotometru optycznego do badania widm sygnałów optycznych opisano w artykule [5].
386 Michał Kozioł, Łukasz Nagi 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 otrzymanych wyników pomiarowych do analizy danych ilość zliczeń opisano jako intensywność 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 odległość 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 elektrodami 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 Komputer PC Transformator probierczy Badane zjawisko emisji świetlnej Spektrofotometr optyczny HR4000 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 wyładowania elektryczne: układ ostrze-ostrze, układ ostrze-płyta, układ do wyładowań powierzchniowych. Wyładowania elektryczne generowane były w powietrzu o temperaturze otoczenia 20,5 o C i wilgotności 59%. Z uwagi
Wyznaczanie energii promieniowania elektromagnetycznego emitowanego 387 na eksperymentalny charakter badań nie analizowano wpływu czynników atmosferycznych na generację wyładowań. Przyjęto następujące wartości napięcia zasilania dla poszczególnych układów generujących wyładowania elektryczne: a) dla układu ostrze-ostrze pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napięcia zasilania: U zas = 7,0 kv, U zas = 11,0 kv, U zas = 21,0 kv, odległość pomiędzy elektrodami 9,0 mm, b) dla układu ostrze-płyta pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napięcia zasilania: U zas = 6,0 kv, U zas = 8,0 kv, U zas = 10,0 kv, odległość pomiędzy elektrodami 7,5 mm, c) dla układu powierzchniowego pomiar przeprowadzono dla dwóch wartości napięcia zasilania: U zas = 20,0 kv, U zas = 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 U zas = 11,0 kv, zakres spektralny 200 nm 1100 nm 3.3. Wyznaczanie energii promieniowania badanych układów promieniowania elektromagnetycznego wyznaczona została na podstawie zależności (2) z uwzględnieniem liczby fotonów dla poszczególnych długości fal. Liczbę fotonów (n) wyznaczono na podstawie zarejestrowanego rozkładu intensywności (liczby zliczeń) występowania poszczególnych składowych długości fal w badanym zakresie oraz odpowiadającej im liczbie fotonów przypadających na jedno zliczenie.
388 Michał Kozioł, Łukasz Nagi Rys. 4. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne w układzie ostrze-płyta dla napięcia zasilania U zas = 8,0 kv, zakres spektralny 200 nm 1100 nm Rys. 5. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne w układzie powierzchniowym dla napięcia zasilania U zas = 20,0 kv, zakres spektralny 200 nm 1100 nm
Wyznaczanie energii promieniowania elektromagnetycznego emitowanego 389 Liczbę fotonów przypadających na jedno zliczenie przyjęto na podstawie parametrów technicznych zastosowanego spektrofotometru optycznego. Końcowy zapis równania przyjmuje w ostateczności następującą postać (3): E nh (3) gdzie: E energia promieniowania [J], h stała Plancka 6,626 10-34 [J s], częstotliwość 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. Napięcie zasilania Tabela 1. promieniowania elektromagnetycznego w zakresie UV (200 nm-380 nm) w zakresie VIS (380 nm-780 nm) w zakresie NIR (780 nm-1100 nm) 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 przybliżony procentowy udział poszczególnych przemian energetycznych w analizowanym zakresie spektralnym. Otrzymane wartości zestawiono w tabeli 2. Procentowy udział energii dla poszczególnych zakresów wykazuje różnorodny charakter dla przyjętych układów generujących wyładowania elektryczne. Układ ostrze-ostrze wykazuje dużą koncentrację energii w zakresie światła widzialnego, 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.
390 Michał Kozioł, Łukasz Nagi Tabela 2. Procentowy udział energii promieniowania dla poszczególnych zakresów Rodzaj układu do generacji wyładowań elektrycznych Układ ostrze-ostrze Układ ostrze-płyta Układ do wyładowań powierzchniowych w zakresie UV (200 nm-380 nm) Procentowy udział energii promieniowania w zakresie VIS (380 nm-780 nm) w zakresie NIR (780 nm-1100 nm) 24,4% - 33,8% 65,2% - 74,5% 0,7%-1,1% 1,2% - 2,3% 94,7% 95,6% 3,0% - 3,2% 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 widzialnego 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 wyładowania niezupełne w sposób ciągły, a w pozostałych dwóch występuje stochastyczny 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 badawczo-poznawczy z zakresu badań podstawowych i stanowią wstępny etap do dalszych prac eksperymentalnych prowadzonych pod kątem analizy zachodzących przemian energetycznych towarzyszących wyładowaniom elektrycznym. Analizie poddane zostały wstępnie trzy różne układy generujące wyładowania elektryczne, które charakteryzuje indywidualny dla każdego układu rozkład widmowy. Pozwala to na identyfikację poszczególnych form wyładowań elektrycznych na podstawie ich charakterystyk widmowych, oraz umożliwia określenie udziału energetycznego poszczególnych przemian energetycznych w nich zachodzących. Kolejnym etapem prac badawczych może być rozszerzona analiza parametrów energetycznych charakteryzujących promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez wyładowania elektryczne, które niezależnie od długości fali opisują wydatek energetyczny źródła emisji. Umożliwi to w jeszcze większym
Wyznaczanie energii promieniowania elektromagnetycznego emitowanego 391 stopniu poznanie i usystematyzowanie zachodzących przemian energetycznych, oraz może być istotnym elementem bilansu energetycznego wyładowania elektrycznego. LITERATURA [1] Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 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 Transactions 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 elektroenergetycznych, Wiadomości Elektrotechniczne nr 10, 2008. [5] Kozioł M., Zastosowanie spektrofotometru optycznego do badania widm sygnałów optycznych emitowanych przez wyładowania niezupełne w oleju izolacyjnym, Electrical Engineering, Issue 82, Poznan University of Technology, Academic 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 Elektrotechniczny vol. 2014 nr 10, ISSN 0033-2097, p. 82-84. [8] Nagi Ł., Borucki S., Boczar T., Zmarzły D.: Analysis of ionizing radiation generated 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 radiation based on wavelength components of the optical spectrum emitted by electric discharges. Were analyzed the emission spectra of electromagnetic radiation emitted by electric discharge in the range of ultraviolet, visible and near infrared. Emission spectra were recorded by using a optical spectroscopy method and made for different generations 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)