Замечательный он потому, что, во-первых, от этой ошибки никто не пострадал. Во-вторых, пример очень простой, но показательный - в нем есть полный набор: ошибка в постановке задачи, неправильный выбор модели процесса, расчет и проведение измерений в соответствии с ней.
Выставка «Связь-Экпокомм», год примерно 2005 … Мы привезли с собой прибор «Искра» (история разработки техническое описание). На соседнем стенде среди антенн, разветвителей и антенных фильтров – коаксиальный «грозоразрядник», напряжение срабатывания по паспорту - 400 Вольт. «А давайте проверим нашим прибором» - «да проверяйте, конечно». «Грозоразрядник» не пробивается ни на 400 Вольтах, ни на 800 (предел измерения). «Прибор у вас неправильный, у нас точно всё посчитано». Выясняется, что внутри «грозоразрядника» между центральным проводником и корпусом сделан искровой промежуток 0,2 мм и выставлен он «прецизионно».
Ошибка в постановке задачи. Искровой воздушный разрядник для таких задач не подходит по многим причинам, которые здесь рассматривать не будем.
Типовая конструкция устройства коаксиальной защиты с применением газонаполненных разрядников описана здесь. Для узкополосных сигналов может быть использовано соединение внутреннего и внешнего (заземленного корпуса устройства) проводников через проводник с длиной, равной четверти длины волны сигнала.
Неправильно выбранная физическая модель. С этого момента становится уже интересно.
Коллеги исходили из значения электрической прочности (напряжения пробоя) сухого воздуха, которая составляет примерно 2 кВ/мм (см. например, инженерный справочник DVPA). Следовательно, для того, чтобы получить напряжение пробоя 0,4 кВ, расстояние между электродами должно быть 0,2 мм.
Давайте посмотрим, что есть на эту тему в сети. На первой же странице поиска нашёл два подходящих графика.
Как видим шкала в обеих измерениях линейная и порядок напряжения пробоя действительно составляет порядка 2 кВ/мм, обратите внимание на зависимость его значения от частоты. Понятно, что эти графики относятся к технике высоких напряжениях и высоковольтным электроустановкам (электрические машины, трансформаторы, высоковольтные ЛЭП). Нас же интересуют гораздо меньшие напряжения и масштабы.
Закон Пашена.
Пробивное напряжение газа в однородном поле являеется функцией от произведения давления газа P и расстояния между электродами S. Эта зависимость получила название "закона Пашена". Кривая Пашена имеет характерный минимум Uпр.min при критическом значении произведения (P·S)min.
Шкала по обоим осям логарифмическая и пропорциональная, поэтому при значениях PS более 5 см х мм.рт.ст зависимость является линейной, как она и выглядит на графике. При нормальном атмосферном давлении P = 750 мм рт. ст. и промежутке S = 0,2 мм произведение PS равно 0,15 см мм рт.ст. Смотрим на график – напряжение пробоя порядка 1 кВ.
Физический смысл объясняется следующим образом. В промежутке между электродами под воздействием естественного радиоактивного поля земли и космической радиации постоянно появляются заряженные частицы (прежде всего электроны), их появление сопровождается рекомбинацией положительно и отрицательно заряженных частиц.
Под воздействием электрического поля между электродами электроны начинают двигаться к аноду, по пути ударяясь в молекулы газа. Если энергии электрона будет достаточно для ионизации атома газа, то к аноду под воздействием поля будут двигаться уже два электрода, а к катоду – положительный ион. В результате возникает лавина, или, другими словами, электрический пробой промежутка.
В левой часть кривой Пашена (PS менее 0,5 см мм рт.ст.) уменьшение расстояния между электродами приводит к тому, что электрон встретит и ионизирует на своем пути меньше атомов газа, количество которых будет недостаточно для пробоя. Для того, чтобы электрический пробой наступил необходимо увеличивать энергию электронов (т.е. напряженность электрического поля).
Подведем итоги.
Ошибочное техническое решение (применение искрового промежутка) заранее не давало шансов сделать эффективно работающее устройство защиты. Время зажигания дуги в воздушном искровом промежутке слишком велико, электроды подвержены коррозии, параметры искрового разрядника нестабильны. В газонаполненном разряднике газовая смесь подобрана таким образом, что происходит быстрая ионизация газа и отсутствуют вещества, вступающие в химическую реакцию с материалом электродов. Кроме того, характеристики газонаполненного разрядника практически не зависят от давления и влажности воздуха.
Если бы разработчики устройства разобрались с физикой процесса и использовали кривую Пашена, то принципиального изменения в эффективности работы устройства защиты все равно бы не получилось.
Но сам пример, когда инженеры считали, что напряжение пробоя искрового промежутка линейно уменьшается при уменьшении расстояния между электродами (как мы выяснили, зависимость описывается участком кривой Пашена справа от минимума), а на самом деле напряжение пробоя при уменьшении расстояния нелинейно увеличивалось, (участок кривой слева от минимума) показателен
И в любом случае, при разработке и производстве любого оборудования без правильно выбранных методов измерения и измерительных приборов не обойтись. В данном случае выбор средств измерения для проверки разрядника (щупов) исходил из неправильных предположений и потому был ошибочен.
