СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING RELAXATION TIME CONSTANT OF SPACE CHARGE IN DIELECTRIC LIQUIDS

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.
0
Известны способ и устройство для измерения диэлектрической проницаемости ε и удельного объемного электрического сопротивления ρ, по значениям которых определяется постоянная времени релаксации τ=εερ (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.
1
2
1
2
Поставленная цель достигается тем, что подключают дополнительные конденсаторы C или C параллельно конденсаторной ячейке, измеряют постоянные времени изменения напряжения между электродами τ и τ 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.
1
2
1
3
Устройство содержит измерительную конденсаторную ячейку 1, источник постоянного напряжения 2, измеритель постоянной времени спада напряжения 3, программно-вычислительное устройство 4, индикатор 5, конденсаторы C и C и ключи K…K
На фиг.2 представлена эквивалентная схема ячейки с подключенным параллельно конденсатором:
0
C - электрическая емкость ячейки, заполненной исследуемой жидкостью;
R - сопротивление растекания между электродами;
1
2
C(C) - подключаемые дополнительные конденсаторы;
3 - измеритель постоянной времени спада напряжения;
2 - источник постоянного напряжения.
1
2
Способ заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в пространство между двумя электродами, подключают параллельно этим электродам сначала один дополнительный конденсатор емкостью C, подключают постоянное напряжение между электродами и измеряют постоянную времени спада напряжения после отключения напряжения. Затем подключают также второй дополнительный конденсатор емкостью С 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.
0
Постоянная времени τ релаксации объемного заряда исследуемой жидкости τ=RC.
0
1
2
Для постоянных времени системы C-C(C)-R в зависимости от подключенного дополнительного конденсатора получаем систему уравнений:
0
Решая эту систему уравнений относительно RC, 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.
1
2
Погрешность определения τ предложенным способом зависит только от точности измерений величин τ и τ и точности определения величин емкостей дополнительных конденсаторов и может быть получена в пределах от 3 до 5%.
Устройство работает следующим образом.
1
2
Перед началом измерений определяются величины емкостей дополнительных конденсаторов C и C с учетами емкостей монтажа и входа измерителя 3.
2
1
1
1
1
3
2
1
2
2
Значение этих емкостей вводятся в память программно-вычислительного устройства 4 и в дальнейшем остаются неизменными. Конденсаторная ячейка 1 заполняется исследуемой жидкостью. С помощью ключа K к ячейке подключается дополнительный конденсатор C, после чего с помощью ключа K к электродам ячейки подключается выход источника постоянного напряжения 2. Затем источник 2 отключается и с помощью измерителя 3 производится измерение постоянной времени τ спада напряжения между электродами ячейки. Результат измерения запоминается оперативной памятью программно-вычислительного устройства 4. После этого конденсатор C отключается, и с помощью ключа K подключается второй дополнительный конденсатор C (возможно подключение второго конденсатора без отключения первого, тогда величина второй емкости, заложенная в памяти программно-вычислительного устройства, равна сумме емкостей конденсаторов C и C), после чего операции измерения постоянной времени спада напряжения между электродами повторяются, и второе ее значение τ 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.