УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЗУЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE TO DEFINE STATIC CHARACTERISTICS OF MATERIALS

Изобретение относится к области измерений, в частности к электризации, и может быть использовано во многих отраслях промышленности, например, в текстильной для исследования электризации тканей; в химической, нефтяной и других отраслях при составлении технических паспортов на материалы для исследования электростатических свойств различных материалов (поверхностной плотности зарядов, потенциала поверхности, времени утечки зарядов) при их контактировании и последующим разделении в зависимости от различных внешних факторов: температуры, влажности, давления.
Известно устройство для определения поверхностной плотности зарядов на материалах методом подъемного электрода [1], метод стандартизован по ГОСТ 25209-82. Сущность метода заключается в измерении напряжения на образцовом конденсаторе, соединенном с подвижным электродом, на котором индуцируется заряд от заряженной поверхности исследуемого электрета с неизвестной плотностью поверхностных зарядов. Электродное устройство обеспечивает плоскопараллельное перемещение одного из электродов вверх-вниз, причем электроды должны находиться строго друг против друга.
Существенным недостатком этого устройства является трудоемкость проведения испытаний, невозможность определения степени электризации образцов из различных материалов и снижение достоверности действительного значения плотности зарядов вследствие недостаточной параллельности поверхностей образцов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для определения электризуемости материалов в работе [2, прототип]
Принцип определения электризуемости образцов в прототипе, по существу, аналогичен методу подъемного электрода и основан на предварительном контактировании исследуемых образцов с заданным усилием и последующим разделении их поверхностей с одновременным измерением электрометром на одной из обкладок образцов поверхностной плотности электростатических зарядов, наведенных на цилиндре Фарадея, который соединен с образцовым конденсатором.
o
Устройство по [2] для определения электризуемости материалов представлено на фиг. 1 и содержит: корпус 1 и размещенные в нем соосно верхний 2 и подъемный нижний 3 электроды, гнезда 11 - верхнее, 12 - нижнее для размещения исследуемых образцов, выполненные из диэлектрического материала, выключатель S1 с заземленной ламелью m и измерительной неподвижной n ламелями, образцовый конденсатор С, электрометр 7 и самописец 8. Одно из гнезд для размещения исследуемых образцов снабжено цилиндром Фарадея 6, который закреплен между опорным диском 13 крепления верхнего электрода и опорной шайбой 14. Верхний электрод 2 совместно с опорным диском 13 размещен в изолирующей втулке 15, которая свободно перемещается на расстояние h в промежуточной шайбе 16 и фиксируется гайкой 17. Сопрягаемые торцевые поверхности исследуемого образца 4 и электрода 2 образуют плоский конденсатор, линейные размеры обкладок которого D и Dэ на порядок больше зазора между поверхностями обкладок d, при этом нижний электрод 3 снабжен кривошипно-шатунным механизмом 10 для вертикального перемещения с возможностью обеспечения контактирования с верхним образцом 4 под нагрузкой 18, а верхний электрод 2 механически связан с заземленной подвижной ламелью m выключателя S1, с возможностью перемещения под действием нижнего электрода 3 на расстояние, соответствующее замыканию образцового конденсатора С заземленной ламелью m на период контактирования с неподвижной ламелью n до последующего разделения исследуемых поверхностей образцов.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Исследуемые образцы 4 и 5 закрепляются в диэлектрических корпусах крепления образцов 11 и 12 соответственно. При движении маховика кривошипно-шатунного механизма 10 образец 5 совместно с нижним электродом 3, закрепленным на штоке 9, перемещается вертикально по оси до соприкосновения с верхней исследуемой поверхностью образца 4. Далее, после соприкосновения поверхностей образцов, совместное перемещение уже двух контактируемых поверхностей будет осуществляться до упора на расстояние h, при этом произойдет замыкание ламелей n и m и сброс предыдущих показаний потенциала на образцовом конденсаторе С до нуля за счет заземленной ламели n. При соприкосновении поверхностей образцов между их контактирующими поверхностями образуется двойной электрический слой. Давление прижатия образцов осуществляется величиной груза 18. При движении нижнего образца вниз после разделения электродов на обкладках образцов образуется разноименная плотность электростатических зарядов. Поскольку верхний образец размещен в цилиндре Фарадея, который электрически соединен с образцовым конденсатором С, то на конденсаторе С будет индуцироваться потенциал, пропорциональный плотности наведенных на поверхности образца 4 зарядов. Потенциал на конденсаторе С измеряется электрометром В7-45 и регистрируется самописцем 8. При повторном движении образца 5 к образцу 4 цикл работы повторяется со сбросом предыдущих показаний на конденсаторе С при замыкании ламелей n с m. С каждым последующим циклом контактирования исследуемых образцов плотность зарядов и, соответственно, измеряемый потенциал будут увеличиваться на поверхности образца 4 до насыщения за счет увеличения контактируемых точек, т.е. притирки исследуемых поверхностей друг к другу.
макс
2
1
2
нac
Кинематическая схема каждого цикла движения образца 5 вверх по пути ОАВС и вниз по пути CBEF во времени τ приведена на фиг. 2 (ABC - замыкание ламелей m-n, СDЕ - размыкание ламелей m-n, L - расстояние между образцами за один оборот маховика кривошипа 10; ОС - движение образца вверх; CF - движение вниз; L=80 мм), зависимость измеренного потенциала электрометром 7 одного цикла приведена на фиг. 3. В точках А, В, С, D, Ε измеряемый потенциал при замыкании ламелей m с n равен нулю, а затем при движении образца 4 вниз возрастает до потенциала U. Диаграмма накопления электростатических зарядов (потенциала) на исследуемом образце приведена на фиг. 4 (U - потенциал на образце первого цикла; U - потенциал на образце второго цикла; U - потенциал насыщения на образце после n циклов).
3
2
1
На фиг. 5 приведена зависимость накапливаемого потенциала на образце 4 циклов N при увеличении давления (Р>Р>Р) при контактировании образцов за счет увеличения нагрузки 18.
2
Плотность электростатичеких зарядов на поверхности исследуемого образца σ (мкКл/м) определяется как
,
2
где С - емкость конденсатора С, мкФ; U - измеряемый потенциал на образце, В; s - площадь исследуемого образца, м.
Существенным недостатком прототипа является:
- отсутствие информации о параметрах электризации на противоположном образце и, соответственно, отсутствие сравнительных данных электризации обоих образцов, что снижает достоверность полученных результатов электризации на измеряемом образце. Для получения данных электризации нижнего образца его необходимо закреплять в подвижном верхнем электроде и дополнительно проводить соответствующие измерения;
- дополнительная погрешность полученных результатов за счет жесткого сопряжения исследуемых образцов, в результате которого трудно обеспечить плоскопараллельное перемещение одного из электродов вверх-вниз, и поэтому не достигается полное соприкосновение поверхностей образцов друг с другом, что вносит определенную погрешность измерения поверхностной плотности электрических зарядов на поверхностях образцов, так как максимальная плотность зарядов, возникающих на поверхностях, определяется пробивной прочностью воздуха (окружающей среды), которая зависит не только от давления соприкасаемых образцов, но и от количества контактируемых между собой точек поверхности.
В предлагаемом техническом решении задача заключается в создании устройства, которое было бы свободно от отмеченных выше недостатков и определяющего параметры электризации путем последовательного контактирования и разделения образцов с одновременным измерением параметров электризации на противоположных поверхностях обоих образцов. Технический результат - повышение информативности процесса контактной электризации и повышение достоверности измеряемых параметров.
В предлагаемом устройстве (фиг. 6) противоположное гнездо размещения нижнего электрода снабжено вторым цилиндром Фарадея, вторым образцовым конденсатором и вторым выключателем с заземленной и измерительной ламелями, при этом нижний подвижный электрод механически связан с заземленной подвижной ламелью второго выключателя, а измерительная ламель его соединена со вторым цилиндром Фарадея, вторым образцовым конденсатором и с измерительной ламелью вновь введенного и закрепленного стационарно на станине кривошипного механизма переключателя, средняя ламель которого соединена с электрометром и синхронно связана с маховиком кривошипа, а крайние измерительные ламели переключателя соединены с верхним и нижним цилиндрами Фарадея и образцовыми конденсаторами, соответственно, причем маховик кривошипа снабжен двумя жестко связанными на оси диэлектрическими дисками: одним - с выступом, замыкающим поочередно ламели переключателя на период сьема информации электрометром, и вторым - с двумя противоположно расположенными на внешней окружности выемками, которые размыкают ламелями обоих выключателей электрическую связь электрометра с землей поочередно, на аналогичный период съема информации. Кроме того, для повышения достоверности результатов, за счет увеличения контактируемых точек при соприкосновении образцов, нижний подвижный электрод цилиндра Фарадея закреплен шарнирно со штоком кривошипно-шатунного механизма. В качестве шарнира использован шаровой шарнир.
Конструктивное исполнение нижнего подвижного электрода при дополнении его вторым цилиндром Фарадея, вторым образцовым конденсатором, в совокупности с работой вновь введенных второго нижнего выключателя, переключателя, диэлектрического диска с выступом и второго диэлектрического диска с выемками, позволяют повысить информативность процесса электризации за счет одновременного измерения параметров на обоих образцах, а закрепление нижнего подвижного электрода шарнирно на штоке кривошипа повышает достоверность полученных результатов за счет улучшения сопрягаемости контактируемых поверхностей образцов, тем самым, увеличивая поверхностную плотность образуемых зарядов.
На фиг. 6 приведена предлагаемая функциональная схема устройства для определения электризуемости материалов контактным методом при подъеме нижнего электрода; на фиг. 7 - электрическая схема устройства; на фиг. 8 - зависимость изменения потенциала U(B), измеренного электрометром 7 одного цикла на двух электродах; на фиг. 9 - диаграмма накопления электростатических зарядов (потенциала) на образцах; на фиг. 10 - зависимость накапливаемого потенциала на образцах, измеренного электрометром при увеличении давления на образцы Ρ (кПа).
1
o
э
1
1
Устройство для определения электризуемости материалов (фиг. 6) содержит корпус 1, в котором размещены: соосно расположенные между собой верхний 2 и нижний подвижный 3 электроды, гнезда для размещения исследуемых образцов 4 и 5 (верхнее 11, нижнее 12), выполненные из диэлектрического материала, выключатель S с заземленной подвижной m и измерительной неподвижной n ламелями, образцовый конденсатор С, электрометр 7 и самописец 8. Верхнее гнездо 11 снабжено цилиндром Фарадея 6, который закреплен между опорным металлическим диском 13 крепления верхнего электрода и опорной шайбой 14. Верхний электрод 2 совместно с опорным диском 13 размещен в изолирующей втулке 15, которая свободно перемещается в промежуточной шайбе 16 и фиксируется гайкой 17. Сопрягаемые торцевые поверхности исследуемого образца 4 и электрода 2 образуют плоский конденсатор, линейные размеры обкладок которого Dи D на порядок больше зазора между поверхностями обкладок d, при этом нижний электрод 3 снабжен кривошипно-шатунным механизмом 10 для вертикального перемещения с возможностью обеспечения контактирования с верхним образцом 4 под нагрузкой 18, а верхний электрод 2 механически связан с заземленной подвижной ламелью m выключателя S с возможностью перемещения под действием нижнего электрода 3 на расстояние h, соответствующее замыканию образцового конденсатора C заземленной ламелью m на период контактирования с неподвижной ламелью n до последующего разделения исследуемых поверхностей образцов.
2
3
2
3
1
3
1
2
Нижнее подвижное гнездо 12, в котором размещен нижний подвижный электрод 3, снабжено вторым цилиндром Фарадея 21, который электрически соединен с неподвижной ламелью второго, вновь введенного выключателя S с нижней неподвижной ламелью ν переключателя S и со вторым образцовым конденсатором С. Верхняя ламель z переключателя S соединена с верхним цилиндром Фарадея и неподвижной ламелью n выключателя S. Средняя ламель g переключателя S конструктивно выполнена из двух электрически и механически связанных ламелей g и g, которые соединены с электрометром 7. Нижний подвижный электрод 3 устройства закреплен шарнирно со штоком кривошипно-шатунного механизма 10.
1
3
2
1
2
3
1
2
1
2
1
2
Синхронное поочередное подключение обоих цилиндров Фарадея и образцовых конденсаторов к электрометру 7 поясняется функциональной схемой (фиг. 6) и электрической схемой, приведенной на фиг. 7, и осуществляется замыканием средней ламели g с ламелью z переключателя S при движении нижнего образца 5 вверх от оси I-I до оси II-II и обратно вниз до оси I-I, а нижнего цилиндра Фарадея замыканием ламели g с ламелью v при движении образца 5 вниз от оси I-I до оси О-О и обратно вверх до оси I-I. Замыкание ламелей g с z и g с ν переключателя S осуществляется выступом 25 (фиг. 7) диэлектрического диска 22 при вращении его на угол α на период съема информации электрометром 7. Таким образом, осуществляется синхронное поочередное измерение параметров с обоих цилиндров за один оборот (360°) маховика кривошипа при движении образца 5 вверх до контактирования с образцом 4 и вниз на расстояние L. Сброс предыдущих показаний каждого цикла до нуля с цилиндров Фарадея и с конденсаторов С, С осуществляется выключателями S (замыкание n-m) и S (замыкание r-k) при вращении второго диска 23 на угол вращения 360° - 2α, т.е. контакты n-m и r-k выключателей S и S на период вращения диска 23 на угол α всегда разомкнуты.
Угол α, величина выступа диска 22 (впадины диска 23), радиус и угловая скорость маховика ω выбираются экспериментально из условия
ω=α/Δt,
1
2
где Δt - время съема информации электрометром (путь прохождения ламелями g и g по выступу диска 22), которое должно удовлетворять условию
вх
вх
Δt≤τ; τ=R·C,
вх
вх
14
15
-12
где τ - время утечки (релаксации) электростатических зарядов с образцовых конденсаторов через входные параметры электрометра: R - входное сопротивление электрометра (10-10 Ом); С - входная емкость электрометра (5…10·10 Ф).
На фиг. 8 приведена диаграмма измеряемых параметров потенциала с обоих цилиндров Фарадея за один цикл движения нижнего подвижного электрода. На фиг. 9 приведена зависимость накопления потенциала до насыщения зарядами поверхности исследуемых образцов. На фиг. 10 приведена зависимость накопления потенциала n циклов до насыщения зарядами поверхности исследуемых образцов при увеличении давления на образцы Ρ (кПа). На данных фигурах приведены измерения потенциалов образцов, имеющих одинаковое накопление зарядов с противоположными знаками.
Как видно из приведенных диаграмм, предлагаемое устройство определения электризуемости материалов контактным методом позволяет определять параметры электризации одновременно на обеих поверхностях образцов с высокой достоверностью, увеличивает производительность измерений и позволяет проводить исследования пожароопасных и чувствительных к тепловым и электростатическим разрядам материалов.
В настоящее время на конструкцию предложенного устройства разработан эскизный проект и проводится отработка макета устройства.
Литература
1. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров / Г.А. Лущейкин - М.: Химия, 1988. - С. 105-107.
2. Овчаренко А.Г., Раско С.Л. Измерение электростатических дисперсных и сплошных твердых материалов // Ползуновский вестник. 2008. №4. - С. 123, 124.