wyznaczanie energii promieniowania elektromagnetycznego

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
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. Energia promieniowania
Energia 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 2,998·108 [m/s],
 – długość fali [nm],  – częstotliwość fali [1/s].
Rys. 1. Energia 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):
(2)
E  h
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
Transformator
probierczy
Komputer PC
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 oC 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: Uzas = 7,0 kV, Uzas = 11,0 kV, Uzas = 21,0 kV, odległość pomiędzy elektrodami 9,0 mm,
b) dla układu ostrze-płyta pomiar przeprowadzono dla trzech wartości napięcia
zasilania: Uzas = 6,0 kV, Uzas = 8,0 kV, Uzas = 10,0 kV, odległość pomiędzy
elektrodami 7,5 mm,
c) dla układu powierzchniowego pomiar przeprowadzono dla dwóch wartości
napięcia zasilania: Uzas = 20,0 kV, Uzas = 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 Uzas = 11,0 kV,
zakres spektralny 200 nm – 1100 nm
3.3. Wyznaczanie energii promieniowania badanych układów
Energia 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 Uzas = 8,0 kV,
zakres spektralny 200 nm – 1100 nm
Rys. 5. Rozkład widmowy emitowanego promieniowania przez wyładowania elektryczne
w układzie powierzchniowym dla napięcia zasilania Uzas = 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):
(3)
E  nh
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.
Tabela 1. Energia promieniowania elektromagnetycznego
Napięcie
zasilania
kV
7,0
11,0
21,0
6,0
8,0
10,0
20,0
25,0
Energia
w zakresie UV
Energia
w zakresie VIS
Energia
w zakresie NIR
(200 nm-380 nm)
(380 nm-780 nm)
(780 nm-1100 nm)
J
J
J
Układ ostrze-ostrze
2,948 ·10-11
5,681 ·10-11
8,679 ·10-13
-11
-11
1,955 ·10
5,972 ·10
8,722 ·10-13
-11
-11
2,224 ·10
5,605 ·10
5,283 ·10-13
Układ ostrze-płyta
2,879 ·10-12
1,301 ·10-10
4,173 ·10-12
-12
-11
1,589 ·10
6,636 ·10
2,142 ·10-12
-12
-10
2,165 ·10
1,685 ·10
5,591 ·10-12
Układ wyładowań powierzchniowych
1,615 ·10-11
7,399 ·10-12
5,193 ·10-13
-11
-11
3,856 ·10
2,257 ·10
8,711 ·10-13
Energia
całkowita
J
8,716 ·10-11
8,014 ·10-11
7,882 ·10-11
1,371 ·10-10
7,009 ·10-11
1,762 ·10-10
2,407 ·10-11
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
Procentowy udział energii promieniowania
Energia
Energia
Energia
w zakresie UV
w zakresie VIS
w zakresie NIR
(200 nm-380 nm) (380 nm-780 nm)
(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]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2014.
Płochocki Z, Co to jest światło, WKŁ, Warszawa, 1987.
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.
Frącz P., Boczar T., Zmarzły D., Możliwości zastosowania spektrofotometrii
optycznej w diagnostyce układów izolacyjnych transformatorów elektroenergetycznych, Wiadomości Elektrotechniczne nr 10, 2008.
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.
Frącz P., Wykorzystanie optycznych sygnałów emitowanych przez wyładowania
elektryczne w diagnostyce izolatorów, wyd. Politechniki Opolskiej, Opole 2011.
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.
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)