Wykorzystanie światła UV do badania stopnia rozpuszczenia cząsteczek fulerenów w oleju elektroizolacyjnym

 

W ramach prac koła naukowego prowadzone są badania, których celem jest pomiar stopnia rozpuszczania się fulerenów w oleju elektroizolacyjnym. W tym celu do próbek oleju elektroizolacyjnego wsypuje się określoną liczbę cząsteczek fulerenów (rys. 1), a następnie poddaje procesowi mieszania. Fulereny [3, 4, 5, 6] to cząsteczki trudnorozpuszczalne, mieszaninę można uzyskć samoistnie dopiero po odczekaniu około trzech tygodni od momentu dodania fulerenów do oleju. Prowadzone są prace nad przyspieszeniem procesu rozpuszczania cząsteczek fulerenów w oleju. Krótszy czas rozpuszczania można uzyskać między innymi przy pomocy mieszadła magnetycznego.

Układ pomiarowy

W celu zbadania stopnia rozpuszczenia fulerenów w oleju, niewielką szklaną kolbę wypełniono czystym (transformatorowym) olejem elektroizolacyjnym. Następnie wewnątrz kolby umieszczono dipol. W eksperymentach wykorzystano silnikowe mieszadło magnetyczne, które usytuowano pod kolbą.

Po uruchomieniu silnika mieszadła powstaje pole magnetyczne, w którym dipol kręci się z prędkością równą prędkości obrotowej silnika mieszadła (rys. 2).

Stopień rozpuszczenia fulerenów w oleju określany jest przy pomocy promieniowania ultrafioletowego. Emitowana wiązka fal UV przechodzi przez kolbę wypełnioną olejem elektroizolacyjnym (rys. 4). Do pomiaru fal UV wykorzystano szerokopasmowy czujnik, którego zakres mierzonych częstotliwości obejmuje pasmo światła widzialnego.

Aby wyeliminować niekorzystny wpływ światła widzialnego, elementy układu zamknięto w obudowie światłoszczelnej  (rys. 3). Układ optyczny składa się z diody LED UV typu FYL 5013VC emitującej światło UV zamontowanej po jednej stronie kolby oraz z przetwornika światło/napięcie typu OPT101P firmy Burr-Brown. Sygnał napięciowy podawany jest na 10-bitowy przetwornik A/C zintegrowany w mikroprocesorze Atmega16 firmy Atmel.

Dane pomiarowe transmitowane są łączem USB na port szeregowy komputera klasy PC i zapisywane w pliku w celu późniejszej analizy. Jednocześnie, zmierzone wartości wyświetlane są na alfanumerycznym wyświetlaczu LCD, co pozwala na bieżącą obserwację mierzonych danych pomiarowych.

Wyniki pomiarów

W ramach badań wykonano dwie serie pomiarów. Rys. 5 przedstawia przykładowe wyniki pomiarów uzyskane podczas badań w laboratorium. W pierwszej serii (Pomiar 1 – czerwona linia na rys. 5) częstotliwość próbkowania wynosiła 1 Hz, a pomiary trwały około 18 godzin.

Analiza wyników pomiarów wykazała, że wartość napięcia na przetworniku światło/napięcie maleje gwałtownie na skutek dodania fulerenów do oleju, a następnie wartość ta stabilizuje się na poziomie 35 mV. Można zatem, przy pomocy mieszadła magnetycznego, skutecznie przyspieszyć proces rozpuszczania się fulerenów w oleju.

Celem drugiej serii pomiarów  (Pomiar 2 – niebieska linia na rys. 5) było wyznaczenie modelu opisującego zmiany napięcia bezpośrednio po dodaniu fulerenów do oleju.

Zwiększenie częstotliwości pomiarów do dwóch wartości na sekundę pozwoliło na dokładniejszą analizę zmian napięcia. Dane pomiarowe przanalizowano wykorzystując metody udostępnione w środowisku MATLAB.

Rys. 6 przedstawia znormalizowane wartości pomiarowe uzyskane w drugiej serii pomiarów w funkcji czasu. Dane zaaproksymowano stosując dwuparametrowy model Weibulla, który opisany jest równaniem:

Dla krzywej z rys. 6 otrzymano parametry (a; b) = (0,8839; 28,1139), przy czym współczynnik korelacji R² = 0,9942.

Podsumowanie

Na podstawie badań naukowych przeprowadzonych w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Opolskiej stwierdzono [1], że dodanie fulerenów C₆₀ do oleju elektroizolacyjnego poprawia jego właściwości dielektryczne.

Z uwagi na długi czas rozpuszczania się cząstek fulerenów w oleju prowadzone są badania dążące do optymalizacji tego czasu. Metoda pomiarowa opisana powyżej może być zastosowana do optymalizacji prędkości rozpuszczania się fulerenów w oleju.

Na podstawie wyników pomiarów wywnioskowano: 1) możliwe jest przyspieszenie procesu rozpuszczania fulerenów w oleju przez zastosowanie mieszadła magnetycznego; 2) znajomość modelu matematycznego pozwala na predykcję czasu rozpuszczenia się fulerenóww oleju elektroizolacyjnym.

Bibliografia

1. Aksamit P.: Analiza wpływu fulerenów C₆₀ na elektryzację mineralnego oleju transformatorowego. Praca doktorska, Politechnika Opolska 2009.
2. Kalus P.: An ultrasonic mixer for fullerene solution in transformer oils. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Elektryka nr 62, 2009.
3. Kalus P.: Dissolution profile of fullerene-doper mineral oil. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, na etapie recenzji.
4. O’Hara T., Dunne A., Butler J., Devane J.: A review of method used to compare sissolution profile data. PSTT Vol. 1, No. 5 1998.
5. Hosier I. L., Vaughan A.S., Sutton S. J., Cooper J.: An ageing Study of Blends of Dodecylbenzene and Mineral Oil. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 16, No. 6. pp. 1664-1680, 2009.
6. Lánský P., Weiss M.: Role of heterogeneity in deterministic models of drug dissolution and their statistical characteristics. BioSystems, Vol. 71, pp. 123–131, 2003.
7. Costa P., Sousa Lobo J.M.: Modeling and comparison of dissolution profiles. European Journal of Pharmaceutical Sciences. Vol. 13, No. 2. pp. 123–133, 2000.