ИЗМЕРИТЕЛЬ ОСТАТОЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Измеритель относится к электроизмерительной технике, предназначен для измерения остаточного электричества в диэлектрических материалах и может быть использован в электронной, приборостроительной, электротехнической и других областях, где остаточные электрические заряды, сохраняемые в диэлектриках длительное время, играют существенную роль.
Измеритель основан на возникновении электрического тока в цепи вибрационного конденсатора, в зазоре которого находится заряженный диэлектрик. Уравнение тока, связывающее исследуемые параметры остаточного электричества и измеряемые параметры вибрационного конденсатора, приведено в работе (Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, “Материаловедение”. - М., Наука и технологии, №3, с.26-33, 2001). В результате анализа этого уравнения разработан ряд индукционных способов измерений остаточного электричества в диэлектрических материалах с использованием вибрационного измерительного конденсатора (RU №2231804, МПК G01R 29/12, 2004; №2260811, МПК G01R 29/24, 20.09.05; RU №2287835, МПК G01R 29/24, 20.11.06; RU №2298199, МПК G01R 29/24, 27.04.07). В то же время, в научно-технической литературе недостаточно публикаций с описанием устройств, реализующих эти способы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному измерителю является измеритель (прототип), описание которого приводится в патенте (Патент RU №2231804, МПК G01R 29/12, 27.06.04.).
Недостатки прототипа - невысокая точность и низкая чувствительность измерений. Ошибки измерений возникают в результате образования паразитной динамической емкости между внешней поверхностью вибрационного электрода и неподвижными элементами измерителя. Ошибки вносятся также известными краевыми эффектами плоского измерительного вибрационного конденсатора, размеры обкладок которого соизмеримы с величиной зазора конденсатора. Существенным недостатком является то, что вход высокочувствительного усилителя тока находится под высоким потенциалом источника постоянного напряжения, допускаемая величина которого может существенно ограничиваться эксплуатационными характеристиками усилителя. Это сужает интервал измеряемых величин и является дополнительным источником ошибок из-за высокочастотных помех, наводимых на входе усилителя.
Задача полезной модели - создание высокочувствительного индукционного измерителя параметров остаточного электричества в диэлектрических материалах.
Технический результат - повышение точности и расширение интервала измерений параметров остаточного электричества в диэлектриках.
Технический результат достигается тем, что измеритель остаточного электричества диэлектрических материалов, включающий измерительный и вспомогательный вибрационные конденсаторы, включенные в цепь каждого конденсатора соответственно первый и второй источники постоянного напряжения и первый и второй усилители переменного тока, вибратор, вольтметр переменного тока и осциллограф, отличается тем, что имеет корпус, состоящий из основания, на котором установлена вертикальная стойка, закрепленной на стойке верхней неподвижной платформы, и установленной на стойке нижней подвижной платформы с устройством для перемещения испытываемого образца и имеющей внутреннюю полость и отверстие, во внутренней полости установлена мембрана, на верхней платформе размещен вибратор, соединенный с генератором звуковой частоты, вибрационные дисковые электроды обоих конденсаторов расположены соосно, обращены друг к другу внешними поверхностями и жестко закреплены на изоляторе, который прикреплен к мембране с возможностью перемещения вибрационных электродов в направлении оси конденсаторов, неподвижный дисковый электрод измерительного конденсатора, охваченный неподвижным кольцевым электродом, закреплен на неподвижном основании устройства для перемещения исследуемого образца, между вибрационным и охранным электродами включен первый источник постоянного напряжения, а между неподвижным и кольцевым электродами включен первый усилитель, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты, выход фильтра соединен с вольтметром и входом вертикального отклонения луча осциллографа, между электродами второго конденсатора включены последовательно соединенные второй источник постоянного напряжения и второй усилитель переменного тока, выход которого соединен с входом внешней синхронизации горизонтальной развертки луча осциллографа.
Измеритель отличается тем, что устройство для перемещения образца состоит из столика для установки образца, закрепленного на неподвижном основании с возможностью перемещения в вертикальной направлении с помощью регулировочной гайки.
Предлагаемый измеритель основан на индуцировании переменного электрического тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре.
Жесткое закрепление на изоляторе вибрационных электродов и соосное их расположение способствуют исключению образования паразитных динамических емкостей между внешними поверхностями вибрационных электродов и неподвижными деталями конструкции измерителя.
С целью исключения высокочастотных помех в измеритель включен фильтр низкой частоты.
На фиг.1 представлена схема измерителя.
Измеритель содержит корпус, состоящий из основания 1, на котором установлена вертикальная стойка 2, закрепленной на стойке 2 нижней подвижной платформы 3 с устройством 4 для перемещения испытываемого образца и, установленной на стойке 2 с возможностью перемещения вдоль нее верхней неподвижной платформы 5, имеющей внутреннюю полость 6 и отверстие 7. Во внутренней полости 6 установлена мембрана 8, на верхней стороне неподвижной платформы 5 расположен вибратор 9, соединенный с генератором 10 звуковой частоты. Вибрационные дисковые электроды 11 и 12 измерительного 13 и вспомогательного 14 конденсаторов расположены соосно, обращены друг к другу внешними поверхностями и жестко закреплены на изоляторе 15, который прикреплен к мембране 8 с возможностью перемещения в отверстии 7 в вертикальном направлении. Неподвижный дисковый электрод 16 измерительного конденсатора 13, охваченный неподвижным кольцевым охранным электродом 17, закреплен на неподвижном основании 18 устройства 5 для перемещения исследуемого образца. Между вибрационным 11 и охранным 17 электродами включен первый источник 19 постоянного напряжения, а между неподвижным 16 и охранным 17 электродами включен первый усилитель 20, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты 21. Выход фильтра 21 соединен с вольтметром 22 и входом «Y» вертикального отклонения луча осциллографа 23.
Исследуемый плоский образец 24 размещается в зазоре измерительного конденсатора 13 на столике 25. Резьбовое соединение столика с гайкой 26 позволяет вращением гайки перемещать образец в направлении оси конденсатора, изменяя зазор между образцом 24 и электродом 16. Закрепленные на основании 18 электроды 16 и 17, могут перемещаться, благодаря скользящей втулке 27, вместе с образцом 24 вдоль оси конденсатора 13, с изменением зазора между электродами 11 и 18 без изменения зазора между электродом 16 и образцом 24.
На нижней стороне неподвижной платформы 5 соосно с подвижным электродом 12 установлен неподвижный электрод 27 вспомогательного конденсатора 14. Второй усилитель 30 вместе с последовательно соединенным вторым источником 29 постоянного напряжения включен между электродами 12 и 27 вспомогательного вибрационного конденсатора 14. Выход усилителя 30 соединен с входом внешней синхронизации горизонтальной развертки луча осциллографа. Вибрационные электроды 11 и 12 механически жестко соединены изолятором 15 с мембраной 8.
Мембрана представляет тонкую пластину, выполненную из упругого магнитомягкого ферромагнетика, и является якорем электромагнита вибратора 9, от которого отделена небольшим воздушным зазором. Электрическое напряжение от генератора звуковой частоты 10 подается на обмотку, находящуюся внутри сердечника электромагнита.
Вибрационный конденсатор расположен в экранирующем корпусе, который на рисунке не показан. Не показаны также соединительные элементы конструкции измерителя.
Методики определения параметров остаточного заряжения в плоских диэлектриках рассмотрены в патенте RU №2298199 (МПК G 01 R 29/24, 2007).
Работает измеритель следующим образом.
01
02
U1
01
1
02
2
U1
1
0
Исходную осциллограмму тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора 13 наблюдают при пустом зазоре конденсатора. Для трех состояний образца наблюдают формы осциллограмм тока вибрационного конденсатора и измеряют вольтметром 22 переменные напряжения U, U и U. Здесь U - показания вольтметра при нулевом постоянном напряжении на вибрационном измерительном конденсаторе и величине зазора l между образцом и электродом 16, U - показания вольтметра при нулевом постоянном напряжении и величине зазора l, U - показания вольтметра при величине зазора l и постоянном напряжении U, подаваемым от источника 19.
01
02
U1
01
02
U1
Если какая-то из наблюдаемых осциллограмм колебаний U U или U противофазна исходной осциллограмме, то при вычислениях, согласно (RU №2298199), значения U, U или U нужно брать отрицательными.
Среднее положение  распределенного в образце заряда, отсчитываемое от поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду 16, вычисляют по формуле
.
r
Поверхностную плотность реального заряда образца σ вычисляют по формуле
.
L
Поверхностную плотность эффективного заряда σ, приведенную к поверхности образца, обращенной к вибрационному электроду 11, вычисляют по формуле
.
0
Поверхностную плотность эффективного заряда σ, приведенную к поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду 16, вычисляют по формуле
0
r
L
σ=σ-σ.
0
2
1
1
2
-12
Здесь ε=8,86·10 Ф/м - электрическая постоянная, Δl=l-l - величина перемещения образца из первого положения l во второе l, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала образца.
l
0
1
2
Из вышеприведенных вычислительных формул следует, что для определения величин , σ, σ необходимо знать значение относительной диэлектрической проницаемости ε материала испытуемого образца. Данный измеритель позволяет определить величину ε. На фиг.2 показана принципиальная схема измерений ε, реализующая методику патента RU №2303787 (МПК G01R 27/26, 27.07.07). Цифровые обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1. К электродам 11 и 16 измерительного конденсатора 13 вместо источника 19 постоянного напряжения (фиг.1.) подключен генератор 10 звуковой частоты. Вольтметром 22 измеряются два напряжения: в первом случае U - при наличии образца в зазоре конденсатора и во втором случае U - после удаления образца из зазора. В обоих случаях величина зазора остается неизменной и равной толщине
1
2
образца. Величину В вычисляют по формуле ε=U/ U.