способ определения электрофизических характеристик диэлектриков методом разряда

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;

/ ₁ - отношение диэлектрических проницаемостей диэлектрика соответственно в постоянном и высокочастотном переменном электрических полях, определяемое по зависимости f(t) = ln U₀/U,

а время релаксации ориентационной составляющей поляризации диэлектрика вычисляют по формуле

= ,

где - - скорость изменения функции f(t)= ln в момент t = 0;

U - изменение напряжения за время t от начала разряда.

Описание изобретения к патенту

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 U_o" в момент времени t= 0 до некоторого также произвольно выбранного значения U" в момент времени разряда t.

Разряд происходит в соответствии с законом

U" = U_o" 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 18^оС, относительная влажность воздуха 51% ). Из анализа данных табл. 1. очевидна существенная зависимость измеряемых значений R от условий измерения: выбираемых значений U_o" 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 U_o эти составляющие

Р₁ = k₁U₀ P₂= k₂(1-l^-T/)U₀ (3)

и общая поляризация Р

Р= Р₁+Р₂= [k₁+k₂(1-l^-T/ )] U₀. (4) где - время релаксации ориентированной составляющей Р₂;

k₁ и k₂ - соответствующие диэлектрические воспроизводимости;

Т - время предварительной выдержки диэлектрика при постоянном контролируемом напряжении U₀;

U₀ = U_o" - Р - суммарное напряжение в диэлектрике, измеряемое вольтметром измерительной схемы.

При этом внешнее напряжение U_o" на диэлектрике

U_o" = U₀ + P = (T)U₀, (5) где

(T)= 1+k₁+k₂(1-l^-T/ ) (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/ )U₀l^-t/ +k₂(1-l^-t/)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/)U₀, одновременно возрастая за счет действующего снижающегося напряжения U. Внешнее напряжение U¹ на диэлектрике при этом равно

U"= U+P= U+P₁+P₂=

= ( t)U+k₂(1 - l^-T/)U₀l^-t/ , (8) где (t)= 1+k₁+k₂(1 - l^-t/ ) (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/) (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) (Т)= 1+k₁= ₁ и k₂(Т)= 0, а следовательно

f(t) = + ln , (13)

где величина ₁= 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> > соотношение (13) получает вид:

f(t) = + ln , (14)

где величина

= (t> > )= 1+k₁+k₂ (15)

есть диэлектрическая проницаемость диэлектрика в постоянном электрическом поле статическая диэлектрическая проницаемость.

Таким образом при достаточно больших временах разряда t>> 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 /₁.

Электросопротивление диэлектрика, согласно равенству (14) определяют по формуле

R = (16)

Время релаксации 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/ , то согласно равенству (13) имеем

₊ , (17)

откуда с учетом того, что k₂= -₁ и (t)= (0)= ₁, 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 U= U₀<0 - достаточно малое изменение напряжения за время t от начала разряда.

С определением значения производной из выражения (18) получают

= (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 ( /₁, R, ).

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 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 /₁, т. е. и значение отношения /₁ . По формуле (16) вычисляют электросопротивление образца R. Определяют значение производной f₀ и по формуле (19) вычисляют время релаксации 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 18^оС, 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>> ) временах разряда.

Определение значения ln /₁ 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 /₁, 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.