ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ПАССИВНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗОНДОМ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЕННОЙ СТРУИ ПАССИВНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗОНДОМ

Яковлев Е.А.

Химико-металлургический институт Национального центра по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан

Потенциал плазменной струи, вытекающей из дугового плазмотрона исследовался в работе [1, 2], где отмечено его максимальное значение 45 В для воздушной плазмы и 50 В для воздушной плазмы с присадкой природного газа. Показано также, что ход кривой распределения потенциала по сечению плазменной струи аналогичен ходу кривой распределения температуры. Поэтому было проведено исследование по зондированию плазменной струи с целью получения информации о процессах в ней.

Экспериментальная установка состояла из плазмотрона ЭДП-104 мощностью 10 - 27 кВт, включенного по прямой полярности, который нагревал воздух до среднемассовой температуры Тср = 3000 - 5500 К при расходе Qвоз = 1-3 г/с. Для изучения распределения потенциала по сечению плазменной струи использовался электрический зонд (1) представляющий вольфрамовую проволоку диаметром 0,8 мм, помещенную в фарфоровый изолятор, из которой высовывался на длину 1 мм (рис. )

Рис. Схема установки для зондирования плазменной струи и распределение потенциала по ее сечению: а-R_д=1823 кОм, l=35 мм; б-R_д=16,5 кОм, l=35 мм; в- подача воздуха на срез сопла плазмотрона R_д=1823 кОм, l=85 мм (1), l=65 мм (2), l=45 мм (3).

.Скорость передвижения зонда составляла 7-16 мм/с, расстояние от кончика зонда до среза сопла плазмотрона 35-85 мм. Потенциал зонда через делитель напряжения R1 - R2 подавался на быстродействующий регистратор Н-338 (4) со входным сопротивлением 2 Мом. Сопротивление делителя было либо R₂ = 1,5 кОм, R₁ = 15 кОм, либо R₂= 153 кОм, R₁= 1670 кОм. В отдельных опытах на срез сопла плазмотрона подавали через форсунку (3) холодный воздух в количестве 1 г/с со скоростью 150 м/с, так что соотношение скоростных напоров холодного воздуха и плазменной струи было равно 2.

Измерения показали, что распределение потенциала по сечению плазменной струи, измеренное вольфрамовым зондом (рис.а, б), зависит от величины сопротивления делителя R_д = R₁ + R₂. Если бы сопротивление делителя напряжения и самопишущего вольтметра было равно бесконечности, то, очевидно, значение потенциала было одинаковым во всех точках струи. Но так как оно имеет определенное конечное значение, то напряжение распределяется пропорционально cопротивлениям делителя и участка плазменной струи от анода до кончика зонда R_пл.

U_с = I*R_пл + I*R_д, (1)

где I - ток зонда

Если R_пл << R_д, то U_с = I*R_д = U'_с (2)

Если R_пл >> R_д, то U_c = I*R_пл (3)

Так как R_пл = f (T_пл), где Т_пл температура плазмы, а сопротивление участка плазменной струи в основном сосредоточено в области, прилегающей к зонду (как наиболее холодная и, следова тельно, наименее проводящая область), то при соблюдении условия (3) можно оценивать температуру плазменной струи по показаниям самописца. Тогда из (1)

R_пл = (U_c - I*R_д)/I = (U_c - U'_c)*R_д / U'_c = R_д*U_c / U'_c =

= K /U'_c = f(T_пл) (4)

1 /R_пл = 1*U'_c /U_c*R_д = К₁*U'_c= f₁(T_пл) (5)

Таким образом, кривая распределения потенциала по сечению плазменной струи будет повторять кривую распределения температуры только при cоблюдении условия (3). Например, кривая 1 рис. в. При соблюдении условия (2) получается, что U'_c = U_c = const, что и видно на рис. а. Ход кривой потенциала не соответствует ходу кривой температуры и только в крайних областях плазменной струи при b > 12 мм условие (3) выполняется для случая на рис.а, и при b > 10 мм на рис.б. При боковой подаче воздуха (рис.в ) наблюдается также смещение максимума потенциала относительно оси симметрии плазмотрона.

Таким образом определение температуры с помощью измерения потенциала плазменной струи допустимо, начиная с некоторого расстояния (температуры). Преимуществом такого метода измерения температуры является безинерционность. Кроме того, измеряя потенциал плазменной струи, можно измерять пульсации выпрямленного напряжения источника питания плазмотрона, гидродинамические пульсации плазменной струи, характер смешивания холодного газа с плазменной струей, тепловыделение при химических реакциях, толщину пограничного слоя при плазменном нагреве поверхности металла и др. С помощью измерения потенциала можно найти область невырожденной плазменной струи, то есть ту границу, за которой плазменная, т.е. содержащая заряженные частицы, струя превращается в обычную тепловую струю.

Вышеперечисленные обстоятельства позволяют надеяться на то, что новый метод диагностики плазменных струй будет играть определенную роль в процессах исследования струй низкотемпературной плазмы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Влияние присадок на свойства плазменных струй высоких давлений /Б.И. Гинсбург, С.П. Поляков и др.//Физика, техника и применение низкотемпературной плазмы. Алма-Ата, 1970. С. 215 - 218.

2. Яковлев Е.А., Дахно Л.А. Исследование потенциала плазменной струи. //Теплофизика высоких температур. 1989. Т. 27. N4. C. 830.