Способ и устройство для измерения постоянной времени релаксации объемного заряда в диэлектрических жидкостях

Авторы патента:

G01R29/12 - для измерения электростатических полей

Владельцы патента RU 2453857:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к определению электрофизических свойств диэлектрических материалов, и может быть использовано для определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей. Способ состоит в том, что исследуемую жидкость помещают в двухэлектродную измерительную ячейку, подключают параллельно электродам ячейки дополнительные конденсаторы различной емкости, измеряют постоянные времени спада напряжения между электродами при каждом подключенном конденсаторе, а постоянную времени релаксации объемного заряда жидкости определяют по формуле:

где τ - пост. вр. релаксации объемного заряда жидкости; τ₁ - пост. вр. спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе C₁; τ₂ - пост. вр. спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе С₂; С₁ и С₂ - емкости подключаемых конденсаторов. Также заявлено устройство, реализующее заявленный способ. Технический результат заключается в повышении точности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к определению электрофизических свойств диэлектрических материалов, и может быть использовано для определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, например нефтепродуктов в нефтяной, нефтехимической промышленности и в других отраслях, технологические процессы в которых сопряжены с перекачкой и транспортировкой таких жидкостей.

Постоянная времени релаксации объемного заряда является параметром, определяющим многие процессы при производстве и использовании диэлектрических жидкостей. Так, знание постоянной времени релаксации объемного заряда жидкостей необходимо для решения задач защиты от статического электричества при перекачке жидкостей и заполнении резервуаров. Поэтому повышение точности определения этого параметра необходимо для более совершенного решения задач электростатически безопасных технологических режимов.

Известны способ и устройство для измерения диэлектрической проницаемости ε и удельного объемного электрического сопротивления ρ, по значениям которых определяется постоянная времени релаксации τ=ε₀ερ (Стреттон, Теория электромагнетизма, 1948, с.27).

В соответствии с этим способом исследуемую жидкость помещают в измерительную ячейку, содержащую два коаксиальных цилиндрических электрода, измеряют электрическое сопротивление между электродами и электрическую емкость между ними, по измеренным величинам определяют диэлектрическую проницаемость, удельное объемное сопротивление и соответственно постоянную времени релаксации объемного заряда.

Недостатком этого способа и соответствующего устройства является низкая точность измерения удельного электрического сопротивления, обусловленная процессами электроочистки жидкости во время измерения, малыми расстояниями между электродами, соизмеримыми с толщиной двойных слоев на границе металл - жидкость, и явлениями эмиссии носителей заряда из металла в жидкость.

Известны способ и устройство для измерения постоянной времени релаксации объемного заряда в диэлектрических жидкостях, в соответствии с которыми исследуемую жидкость помещают в конденсаторную ячейку, подключают к электродам ячейки постоянное напряжение и определяют постоянную времени релаксации по времени полуразряда ячейки t после отключения напряжения по формуле: (A.Klinkenberg, I.L.van der Minne. Electrostatic in Petroleum Industry, Elsevier publishing comp, 1958, v.1)

Недостатком этих способа и устройства является низкая точность, обусловленная теми же явлениями, что и в предыдущем случае, а также влиянием входной емкости измерителя разности потенциалов на результат измерения.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения постоянной времени релаксации объемного заряда.

Поставленная цель достигается тем, что подключают дополнительные конденсаторы C₁ или C₂ параллельно конденсаторной ячейке, измеряют постоянные времени изменения напряжения между электродами τ₁ и τ₂ при каждом подключенном конденсаторе и определяют постоянную времени релаксации объемного заряда по формуле:

При этом расстояние между электродами конденсаторной ячейки выбирают достаточно большим по сравнению с толщиной двойных слоев (15-25 мм).

На фиг.1 представлена электрическая блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит измерительную конденсаторную ячейку 1, источник постоянного напряжения 2, измеритель постоянной времени спада напряжения 3, программно-вычислительное устройство 4, индикатор 5, конденсаторы C₁ и C₂ и ключи K₁…K₃

На фиг.2 представлена эквивалентная схема ячейки с подключенным параллельно конденсатором:

C₀ - электрическая емкость ячейки, заполненной исследуемой жидкостью;

R - сопротивление растекания между электродами;

C₁(C₂) - подключаемые дополнительные конденсаторы;

3 - измеритель постоянной времени спада напряжения;

2 - источник постоянного напряжения.

Способ заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в пространство между двумя электродами, подключают параллельно этим электродам сначала один дополнительный конденсатор емкостью C₁, подключают постоянное напряжение между электродами и измеряют постоянную времени спада напряжения после отключения напряжения. Затем подключают также второй дополнительный конденсатор емкостью С₂ и повторяют операцию измерения, как сказано выше. По результатам измерений определяют постоянную времени релаксации объемного заряда исследуемой жидкости по формуле:

Предлагаемый способ основывается на следующих предпосылках.

Постоянная времени τ релаксации объемного заряда исследуемой жидкости τ=RC₀.

Для постоянных времени системы C₀-C₁(C₂)-R в зависимости от подключенного дополнительного конденсатора получаем систему уравнений:

Решая эту систему уравнений относительно RC₀, получаем выражение:

соответствующее формуле (1).

Повышение точности определения τ достигается за счет того, что в предлагаемом способе исключается необходимость измерения электрической емкости ячейки, заполненной исследуемой жидкостью, а также измерения сопротивления между электродами, приводящими к значительной погрешности определения τ.

Погрешность определения τ предложенным способом зависит только от точности измерений величин τ₁ и τ₂ и точности определения величин емкостей дополнительных конденсаторов и может быть получена в пределах от 3 до 5%.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений определяются величины емкостей дополнительных конденсаторов C₁ и C₂ с учетами емкостей монтажа и входа измерителя 3.

Значение этих емкостей вводятся в память программно-вычислительного устройства 4 и в дальнейшем остаются неизменными. Конденсаторная ячейка 1 заполняется исследуемой жидкостью. С помощью ключа K₂ к ячейке подключается дополнительный конденсатор C₁, после чего с помощью ключа K₁ к электродам ячейки подключается выход источника постоянного напряжения 2. Затем источник 2 отключается и с помощью измерителя 3 производится измерение постоянной времени τ₁ спада напряжения между электродами ячейки. Результат измерения запоминается оперативной памятью программно-вычислительного устройства 4. После этого конденсатор C₁ отключается, и с помощью ключа K₃ подключается второй дополнительный конденсатор C₂ (возможно подключение второго конденсатора без отключения первого, тогда величина второй емкости, заложенная в памяти программно-вычислительного устройства, равна сумме емкостей конденсаторов C₁ и C₂), после чего операции измерения постоянной времени спада напряжения между электродами повторяются, и второе ее значение τ₂ также запоминается в оперативной памяти программно-вычислительного устройства 4. После этого программно-вычислительным устройством вычисляется значение τ постоянной времени релаксации объемного заряда по формуле (1), и результат выводится на индикатор 5. Управление ключами осуществляется командами, поступающими от программно-вычислительного устройства.

1. Способ измерения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей по измеренной величине постоянной времени разряда конденсаторной ячейки, заполненной исследуемой жидкостью, отличающийся тем, что параллельно электродам ячейки подключают дополнительные конденсаторы, измеряют постоянные времени спада напряжения между электродами при каждом подключенном конденсаторе и определяют постоянную времени релаксации объемного заряда жидкости по формуле где τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости; τ₁ - постоянная времени спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе C₁; τ₂ - постоянная времени спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе С₂; C₁ и С₂ - электрические емкости подключаемых конденсаторов.

2. Устройство для измерения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, содержащее конденсаторную ячейку с исследуемой жидкостью в качестве диэлектрика, источник постоянного напряжения и измеритель постоянной времени спада напряжения между электродами ячейки, отличающееся тем, что он содержит дополнительные ключи и по крайней мере два дополнительных конденсатора, подключаемых с помощью указанных ключей параллельно ячейке, и программно-вычислительное устройство, определяющее величину постоянной времени релаксации по формуле: где τ - постоянная времени релаксации объемного заряда; τ₁ - постоянная времени изменения напряжения между электродами ячейки при подключенном к ней первом дополнительном конденсаторе; τ₂ - постоянная времени изменения напряжения между электродами ячейки при подключенном к ней втором дополнительном конденсаторе; С₁ - емкость первого дополнительного конденсатора; С₂ - емкость второго дополнительного конденсатора.

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к способам измерения электрических полей. .

Датчик измерителя напряженности электростатического поля // 2442183

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении напряженности электростатического поля. .

Способ измерения напряженности электрических полей электронно-оптическим методом // 2442182

Изобретение относится к технике измерений переменных и постоянных электрических полей и может быть использовано в приборах, где используются статические или изменяющиеся во времени электрические заряды.

Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля // 2414717

Изобретение относится к электроизмерительной измерительной технике. .

Датчик электрического поля для работы в морской среде // 2402029

Изобретение относится к измерительной технике. .

Устройство для измерения электрической проводимости атмосферы // 2397515

Изобретение относится к области атмосферного электричества и может быть использовано для определения электрической проводимости атмосферы при аэрофизических, геофизических, электрохимических, метеорологических, биологических и других исследованиях.

Способ измерения напряженности электрического поля // 2388003

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения напряженности электрического поля в широком пространственном диапазоне с повышенной точностью и чувствительностью.

Индуктивный датчик // 2367968

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в качестве датчика тока или датчика приближения. .

Устройство для измерения поверхностной плотности электростатического заряда при трении // 2307366

Изобретение относится к технике электроизмерений и может быть использовано для измерения динамики изменения поверхностной плотности электростатического заряда при трении поверхностей различных пар материалов в различных климатических условиях, т.е.

Способ диагностики газотурбинных двигателей на установившихся и неустановившихся режимах работы // 2258923

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их производства, испытаний и эксплуатации.

Способ определения контактной разности потенциалов и устройство для его осуществления // 2471198

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве средства неразрушающего контроля энергетического состояния поверхности деталей и изделий, выполненных из электропроводящих материалов или полупроводников

Подводная измерительная система // 2488850

Изобретение относится к подводным измерительным системам

Компенсационный электростатический флюксметр // 2501029

Компенсационный электростатический флюксметр предназначен для измерения вертикальной составляющей электрического поля. Устройство содержит экранирующую и измерительную пластины, изоляторы, корпус-основание, двигатель, усилитель тока, маркированный маховик, источник подсветки, фотодиод, мост, пороговый блок, полосовой фильтр, блок приема-передачи данных и блок стабилизации скорости вращения двигателя, сетку, дополнительные изоляторы, синхронный детектор, интегратор, регулируемый источник напряжения и аналого-цифровой преобразователь. При этом экранирующая пластина электрически соединена с корпусом-основанием и расположена в нем на валу двигателя над измерительной пластиной соосно с ней, на валу также укреплен маркированный маховик, вблизи которого расположены источник подсветки и фотодиод, который через последовательно соединенные мостовую схему и пороговый блок подключен к одному из входов синхронного детектора, измерительная пластина и экранирующая пластина соединены со входами усилителя тока, а его выход через полосовой фильтр - с другим входом синхронного детектора. Выход аналого-цифрового преобразователя через блок приема-передачи данных соединен с информационным выходом устройства, вход и выход блока стабилизации скорости вращения двигателя подключены, соответственно, к выходу и входу двигателя, причем лопасти экранирующей пластины несколько повернуты в горизонтальной плоскости, сетка на дополнительных изоляторах укреплена на корпусе-основании в непосредственной близости от экранирующей пластины, выход синхронного детектора через интегратор подключен к управляющему входу регулируемого источника напряжения, а его выход подключен к сетке и ко входу аналого-цифрового преобразователя. Технический результат - повышение точности, надежности и диапазона измерения электрического поля. 2 ил.

Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля // 2539130

Изобретение относится к измерительным устройствам на основе волоконно-оптических фазовых поляриметрических датчиков. Оптимизация структуры датчика, обуславливающая возникновение разноименной модуляции показателя преломления при подаче на двухканальный модулятор разности фаз напряжения одной полярности, приводит к возможности использования для модуляции фазы любой частоты управляющего сигнала и к отсутствию необходимости создания линии задержки. Повторное прохождение отраженного от зеркала света через интегрально-оптический чувствительный элемент и второе подводящее оптическое волокно с двойным лучепреломлением, а также поворот плоскости поляризации света в фарадеевском вращателе на 90 градусов и использование второго фотодетектора обеспечивают удвоение амплитуды модуляции, снижение оптических шумов источника. Техническим результатом является повышение точности измерения напряженности электрического поля и понижение частоты модуляции сигнала. 3 ил.

Устройство воспроизведения электрического поля // 2553572

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано в качестве рабочего эталона при калибровке и поверке рабочих средств измерений переменного электрического поля. Устройство выполнено на основе окружающего рабочую зону 1 конденсатора в виде набора из соосно расположенных пяти тонкостенных, металлических пластинчатых колец 2, закрепленных на диэлектрических стойках. Кольца 2 имеют одинаковую высоту H и расположены на равных расстояниях h (по высоте) друг от друга. Каждое кольцо 2 разрезано на четыре равные части, отстоящие друг от друга по окружности на равные промежутки L. Части колец расположены друг над другом симметрично относительно соответствующих частей других колец. Каждые две части соседних колец образуют отрезок двухпроводной линии передачи, на концах которого включены согласованные нагрузки 3. Входами 4 высокочастотного напряжения являются зазоры между соответствующими частями соседних колец (посередине этих частей). У каждого входа предусмотрен согласующий переход 5 в зазоре между кольцевыми элементами. Технический эффект заключается в увеличении объема рабочей зоны и повышении верхней граничной частоты воспроизведения однородного электрического поля при сохранении относительно небольших габаритных размеров устройства. 3 ил.

Обнаружение аэрозолей // 2568068

Устройство для обнаружения аэрозолей содержит летательный аппарат, имеющий диэлектрический элемент, такой как окно (10), размещенный в его корпусе (12), так что поверхность диэлектрического элемента образует часть наружной поверхности летательного аппарата. Средство обнаружения (16), такое как устройство для контроля статического электричества, расположено внутри летательного аппарата и предназначено для обнаружения электрического поля, возникающего в результате поляризации диэлектрического элемента внутри летательного аппарата. Выходные данные устройства для контроля статического электричества или их скорость изменения характеризуются тесным соотношением с концентрацией частиц, когда летательный аппарат пролетает через аэрозоль, например облако вулканического пепла. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, а также в том, что может использоваться любой летательный аппарат общего назначения. Аэрозольные частицы можно обнаружить и наносить на карту при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением более простым и быстрым способом, чем посредством таких устройств, как оптические спектрометры, установленные на специальных исследовательских летательных аппаратах, или устройства для контроля статического электричества, установленные снаружи летательного аппарата. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Устройство для определения электризуемости материалов // 2568988

Изобретение относится к области измерений электростатических параметров и может быть использовано для исследования электростатических свойств различных материалов (поверхностной плотности зарядов, потенциала поверхности, время утечки зарядов) при их контактировании и последующим разделении в зависимости от различных внешних факторов: температуры, влажности, давления. Устройство для определения электризуемости материалов контактным методом содержит два электрода с диэлектрическими гнездами для исследуемых образцов, образцовые конденсаторы, выключатели заземления, переключатель цилиндров Фарадея, электрометр и кривошипно-шатунный механизм. Гнезда для образцов выполнены в виде цилиндров Фарадея, поочередное подключение которых к электрометру осуществляется замыканием измерительных ламелей выступом переключателя, который расположен на вновь введенном и закрепленном на оси кривошипа диске, а размыкание электрической связи с землей на период измерения осуществляется размыканием контактов выключателей впадиной второго вновь введенного диска. Для повышения достоверности результатов, за счет увеличения плотности контакта и исключения перекосов образцов, нижний подвижный электрод цилиндра Фарадея закреплен шарнирно со штоком кривошипно-шатунного механизма с помощью шарового шарнира. Технический результат заключается в повышении информативности и достоверности измеряемых параметров электризации. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Устройство измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий // 2601248

Изобретение относится к методам исследования электрофизических свойств диэлектрических покрытий и может быть использовано, в частности, для изучения электронно-индуцированных процессов зарядки, накопления и кинетики зарядов в диэлектриках. Устройство содержит неподвижный измерительный электрод со средством регистрации индуцированного переменного тока, исследуемый образец покрытия, расположенный на вращающемся цилиндре, выполненным из материала с высокой электропроводностью, в углублении в радиальном направлении и размещенный над ним измерительный электрод, при этом поперечные размеры измерительного электрода и ширина углубления для образца выполнены равными, расстояние электрод-образец составляет 0,1-0,2 мм, а скорость вращения держателя образца не менее 200 об/мин. Согласно изобретению для расширения функциональных возможностей устройства и повышения точности измерения потенциала поверхности диэлектрических покрытий, над держателем образца на равном расстоянии от оси вращения с измерительным электродом расположен источник электронов, а измерительный тракт регистрации индуцированного переменного тока предварительно проградуирован с помощью дисковых элементов питания. 2 ил.

Датчик электростатического поля // 2623690

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам измерения напряженности электростатических полей, в том числе и в условиях космического пространства. Датчик электростатического поля содержит вибрационный модулятор, состоящий из катушки индуктивности, постоянных магнитов, гибкой подвижной балки в виде изогнутой профилированной полосы с эллиптическим экранирующим отверстием, корпуса и основания. Гибкая подвижная балка изготовлена из ферромагнитного материала и расположена на оси симметрии катушки индуктивности. Постоянные магниты расположены симметрично относительно оси катушки индуктивности, ортогонально плоскости балки так, что поле постоянного магнита ортогонально магнитному полю катушки индуктивности. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных параметров измерительных устройств, увеличении точности измерения, помехоустойчивости (соотношение сигнал/шум) и разрешающей способности. Кроме того, повышается технологичность изделия за счет изготовления групповым методом отдельных элементов конструкции. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ измерения напряженности электрического поля // 2626065

Способ измерения напряженности электрического поля относится к измерительной технике и может использоваться для исследования электрических полей земной атмосферы и космического пространства. Способ измерения напряженности электрического поля, основанный на том, что в датчике напряженности электрического поля, содержащем управляемый диэлектрик (с изменяемой под действием электрического поля диэлектрической проницаемостью), регистрация напряженности электрического поля производится посредством измерения сдвига фазы сигнала в полосковой линии передачи, на основе которой выполнен датчик. С целью уменьшения размеров датчика он может быть выполнен на основе резонансного отрезка линии передачи, т.е. полоскового резонатора. Для расширения динамического диапазона возможна реализация датчика на основе системы взаимодействующих полосковых резонаторов, которая, по сути, представляет собой полосно-пропускающий фильтр, у которого под действием внешнего электрического поля перестраивается центральная частота и смещается фазочастотная характеристика. Благодаря этому на частотах полосы пропускания происходит сдвиг фазы сигнала, по величине которого определяется напряженность электрического поля. Техническим результатом, реализуемым при использовании заявляемого способа, является повышение чувствительности и уменьшение размеров. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.