Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ РАЗРЯДА
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ РАЗРЯДА

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ РАЗРЯДА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в электротехнической, радиоэлектронной, текстильной, легкой, медицинской и других отраслях промышленности. Сушность изобретения: способ заключается в том, что через первоначально неполяризованный диэлектрик производят разряд конденсатора калиброванной емкости, вычисляют электросопротивление R диэлектрика по формуле, приведенной в тексте описания. Учет поляризации диэлектрика позволяет повысить точность измерения R, расширить функциональные возможности за счет определения дополнительно ε/ε, t. 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2007737
Класс(ы) патента: G01R27/04, G01R27/26
Номер заявки: 4929983/21
Дата подачи заявки: 22.04.1991
Дата публикации: 15.02.1994
Заявитель(и): Санкт-Петербургский институт текстильной и легкой промышленности им.С.М.Кирова
Автор(ы): Гусев Г.В.
Патентообладатель(и): Санкт-Петербургский институт текстильной и легкой промышленности им.С.М.Кирова
Описание изобретения: Изобретение касается измерения электрических свойств диэлектрических материалов и может быть использовано в электротехнической, радиоэлектронной, текстильной, легкой, медицинской и других отраслях промышленности, а также в производстве электроизмерительной техники.
Качество диэлектрических материалов, а также, например, перерабатывающая способность и эксплуатационные свойства многих материалов, используемых в текстильной и легкой промышленности, во многом определяются их электрофизическими параметрами: электросопротивлением, диэлектрическими проницаемостями, временами механических и электрических релаксационных процессов, электризуемостью и т. д.
Известные (1,2) способы определения электрических характеристик диэлектрических материалов основаны на применении мостовых, резонансных, релаксационных, сравнительных и других схемах измерения. Реализация этих способов, как правило, требует специального (и дорогого) оборудования, перестройки или переключения измерительных схем по целям их использования. Результаты измерений нередко имеют большие (свыше ±20% ) погрешности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения электросопротивления диэлектриков методом разряда конденсатора калиброванной емкости через диэлектрик. Этот способ, широко рекомендуемый к использованию в литературе по текстильному материаловедению, заключается в следующем.
На параллельно соединенные друг с другом диэлектрик, конденсатор известной емкости и вольтметр подают некоторое напряжение от источника постоянного регулируемого напряжения.
Отключают измерительную схему от источника напряжения и измеряют секундомером время падения напряжения в диэлектрике от произвольно выбранного значения Uo' в момент времени t= 0 до некоторого также произвольно выбранного значения U' в момент времени разряда t.
Разряд происходит в соответствии с законом
U' = Uo' exp ( ), (1)
вычисляют электросопротивление R диэлектрика по формуле
R = , (2) где С - общая емкость измерительной схемы.
Известный способ определения электросопротивления диэлектриков имеет ряд следующих недостатков: узкие функциональные возможности (измеряются только одна величина - электросопротивление); большие погрешности измерения из-за неучета поляризации диэлектрика и неконтролируемости ее развития в процессе разряда; невоспроизводимость результатов измерения как из-за неучета поляризации, так и из-за влияния источника напряжения через сопротивление разомкнутого ключа схемы, а также вследствие зависимости результатов измерения от условий проведения разряда.
Так, например, в табл. 1 приведены полученные экспериментально значения электросопротивления пучка волокон полиакрилонитрила, выполненные по известному способу при одних и тех же температурно-влажностных условиях (температура 18оС, относительная влажность воздуха 51% ). Из анализа данных табл. 1. очевидна существенная зависимость измеряемых значений R от условий измерения: выбираемых значений Uo' и U', напряжения U*, подаваемого от источника, порядка следования опытов, наличия дополнительного отключения источника напряжения.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением точности измерений, снижение влияния источника напряжения на результат измерения, обеспечение контролируемых условий поляризации диэлектрика в процессе разряда.
Это достигается тем, что разряд дополнительно изолируют от источника напряжения выключателем К2 (см. фиг. 1) и производят его через первоначально (исходно) неполяризованный диэлектрик, но с учетом его последующей поляризации в процессе разряда.
В качестве характеристики поляризации берут высоковольтную поляризацию (ВП) диэлектрика, т. е. характеристическое внутреннее напряжение в поляризованном диэлектрике. В соответствии и по аналогии с существующей теорией поляризации ВП Р в диэлектриках слагается из двух составляющих Р1 - мгновенно следующей за суммарным напряжением U в диэлектрике (электронная) и Р2 - ориентационной, имеющей релаксационный характер. Так при включении внешнего напряжения Uo эти составляющие
Р1 = k1U0 ˙P2= k2(1-l-T/τ)U0 (3)
и общая поляризация Р
Р= Р12= [k1+k2(1-l-T/τ )] U0. (4) где τ - время релаксации ориентированной составляющей Р2;
k1 и k2 - соответствующие диэлектрические воспроизводимости;
Т - время предварительной выдержки диэлектрика при постоянном контролируемом напряжении U0;
U0 = Uo' - Р - суммарное напряжение в диэлектрике, измеряемое вольтметром измерительной схемы.
При этом внешнее напряжение Uo' на диэлектрике
Uo' = U0 + P = ε (T)U0, (5) где
ε (T)= 1+k1+k2(1-l-T/τ ) (6)
диэлектрическая проницаемость диэлектрика, зависящая от времени предварительной выдержки Т.
С выключением внешнего напряжения (начало нового отсчета времени t - времени разряда) составляющие Р1 и Р2
Р1= k1U;
P2= k2(1-l-T/τ )U0l-t/τ +k2(1-l-t/τ)U, (7) где U - снижающееся в процессе разряда суммарное напряжение в диэлектрике.
При этом составляющая ВП Р2 релаксирует от достигнутого в предварительной выдержке значения k2(1-l-T/τ)U0, одновременно возрастая за счет действующего снижающегося напряжения U. Внешнее напряжение U1 на диэлектрике при этом равно
U'= U+P= U+P1+P2=
= ε ( t)U+k2(1 - l-T/τ)U0l-t/τ , (8) где ε (t)= 1+k1+k2(1 - l-t/τ ) (9)
диэлектрическая проницаемость диэлектрика, зависящая от времени разряда t.
С учетом выражений (5) И (8) закон (1), записанный через измеряемые напряжения U0 и U, получает вид
U = Ul-t/RC+k2(T)l , (10) где k2(T)= k2(1-l-T/τ) (11)
Из выражения (10) функция разряда f(t)= ln
f(t) = + ln (12)
Наиболее простой вид зависимость f(t) имеет в случае нулевой предварительной выдержки диэлектрика Т= 0. Действительно, при этом разряд производится через первоначально неполяризованный диэлектрик согласно равенствам (6) и (11) ε (Т)= 1+k1= ε1 и k2(Т)= 0, а следовательно
f(t) = + ln , (13)
где величина ε1= 1+k1 имеет смысл диэлектрической проницаемости диэлектрика в высокочастотном электрическом поле в этом случае ориентационная составляющая поляризации Р2 равна нулю.
При достаточно больших временах разряда t> > τ соотношение (13) получает вид:
f(t) = + ln , (14)
где величина
ε= ε (t> > τ)= 1+k1+k2 (15)
есть диэлектрическая проницаемость диэлектрика в постоянном электрическом поле статическая диэлектрическая проницаемость.
Таким образом при достаточно больших временах разряда t>>τ функция f(t) линейна, а экстраполяция линейной части зависимости f(t) на ось ln U0/U дает значение ln = ln, т. е. и значение самого отношения ε/ε1.
Электросопротивление диэлектрика, согласно равенству (14) определяют по формуле
R = (16)
Время релаксации τ ориентированной составляющей ВП диэлектрика определяют с помощью производной функции разряда f(t)= ln U0/U по времени t. Действительно, так как по выражению (9), (t)/t = e-t/τ , то согласно равенству (13) имеем
+ , (17)
откуда с учетом того, что k2= ε-ε1 и ε(t)= ε(0)= ε1, находим
+ = + - (18)
С другой стороны, значение производной fо может быть найдено либо графически по наклону касательной к функции разряда f(t) в точке t= 0, либо вычислено по формуле = - , где ΔU= U0<0 - достаточно малое изменение напряжения за время Δt от начала разряда.
С определением значения производной из выражения (18) получают
τ = (19)
Таким образом, экспериментальное определение зависимости f(t)= lnU0/U в МР при учете поляризации диэлектрика в процессе разряда дает возможность определения ряда электрофизических характеристик диэлектрика ( ε/ε1, R, τ ).
Существенным отличием предлагаемого способа определения электрофизических характеристик диэлектриков методом разряда являются отличительные признаки, изложенные в формуле изобретения. Только заявляемая совокупность действий позволяет проявить новые свойства, а именно расширить функциональные возможности способа с одновременным повышением точности измерений при обеспечении контролируемых условий поляризации диэлектрика в процессе разряда.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает критерием "существенные отличия".
Способ реализуется следующим образом.
Замыканием ключей К2 и К1 (см. фиг. 1) на диэлектрик-образец R с помощью потенциометра П от источника напряжения ε подают заданное напряжение U*, измеряемое вольтметром V, быстро отключают сначала ключ К1 и сразу же вслед за этим ключ К2. Отсчет времени разряда t по секундомеру начинают при достижении на вольтметре напряжения U0, возможно более близкого к значению U*. Находят функцию разряда f(t) = ln , определяя время разряда, соответствующие понижению значений напряжения U на вольтметре, например через каждые 10 В. Строят график функции f(t) в координатах t - ln и экстраполяцией ее линейной части на ось ln U0/U находят значение ln ε/ε1, т. е. и значение отношения ε/ε1 . По формуле (16) вычисляют электросопротивление образца R. Определяют значение производной f0 и по формуле (19) вычисляют время релаксации τ ориентационной составляющей ВП диэлектрика.
Проведенные эксперименты показали большую информативность и повышенную точность измерений предлагаемого способа определения электрофизических характеристик диэлектриков методом разряда при обеспечении контролируемых условий поляризации по сравнению с прототипом.
П р и м е р. На фиг. 2 представлены полученные экспериментально зависимости f(t)= ln U0/U (время предварительной выдержки во всех случаях равно нулю, температура 18оС, относительная влажность воздуха 51% ). Кривые 1-3 относятся соответственно к образцам.
Кривая 1 - пучок параллелизованных волокон полиакрилонитрила (общая емкость измерительной схемы С= 174 пФ).
Кривая 2 - масса (3 г) хаотически ориентированных волокон хлопка, С= 104 пФ.
Кривая 3 - пучок прядильных шерстяных ниток, С = 1074 пФ.
Все кривые фиг. 2 наглядно иллюстрируют особенности зависимостей f(t)= ln U0/U, установленные выше их теоретическим анализом, а именно; являясь в общем случае нелинейными относительно времени разряда, они имеют линейные части при достаточно больших (t>> τ ) временах разряда.
Определение значения ln ε/ε1 показано на фиг. 2 для кривой I (полиакрилонитрил).
В табл. 2 даны определенные по предлагаемому способу электрофизические характеристики диэлектрических материалов, найденные как по кривым 1-3 (фиг. 2, собственно строки 13, 18 и 16), так и при различных вариациях условий измерения с теми же материалами. Температурно-влажностные условия измерения те же, что указаны для кривых фиг. 2. При этом в табл. 2.
С - общая емкость измерительной схемы;
U* - напряжение, подаваемое от источника в момент включения ключей К2 и К1 (см. фиг. 1). Измеряется вольтметром схемы.
Из анализа данных табл. 2. видно, что определяемые электрофизические характеристики хорошо воспроизводимы для каждого материала в отличие от прототипа (см. табл. 1). Погрешность измеренных значений ε/ε1, R (относительно их средних значений) не превышает ±10% , что значительно ниже погрешности прототипа.
Таким образом, изобретение существенно расширяет функциональные возможности способа с одновременным повышением точности измерений при обеспечении контролируемых условий поляризации диэлектриков в процессе разряда.
Технико-экономические преимущества изобретения заключается в повышении функциональных возможностей способа за счет определения ряда электрофизических характеристик диэлектрических материалов по данным одного и того же процесса разряда, а также точности измерений за счет учета поляризации диэлектрика в процессе разряда при обеспечении ее контролируемых условий и за счет дополнительной изоляции источника напряжения от разрядной схемы. (56) Статическое электричество при переработке химических волокон. Пер. с нем. под ред. Генца И. П. - М. : Легкая индустрия, 1966. -С. 167-199.
Мередит Р. , Хирл Дж. В. С. Физические методы исследования текстильных материалов. М. : Гизлегпром, 1963. -С. 338-339.
Формула изобретения: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ РАЗРЯДА, включающий подачу постоянного напряжения на конденсатор калиброванной емкости, определение зависимости напряжения от времени разряда конденсатора через диэлектрик и вычисление по этой зависимости электросопротивления диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей с одновременным повышением точности измерений за счет учета поляризации диэлектрика, изолируя дополнительно разряд от источника напряжения, производят его через первоначально неполяризованный диэлектрик, вычисляют электросопротивление диэлектрика по формуле
R =
где C - общая емкость измерительной схемы;
U0 и U - напряжения в диэлектрике соответственно в моменты времени t = 0 и t;
ε / ε1 - отношение диэлектрических проницаемостей диэлектрика соответственно в постоянном и высокочастотном переменном электрических полях, определяемое по зависимости f(t) = ln U0/U,
а время релаксации τ ориентационной составляющей поляризации диэлектрика вычисляют по формуле
τ = ,
где - - скорость изменения функции f(t)= ln в момент t = 0;
Δ U - изменение напряжения за время Δ t от начала разряда.