СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЭЛЕКТРИКОВ МЕТОДОМ РАЗРЯДА Российский патент 1994 года по МПК G01R27/04 G01R27/26 

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/τ)U₀ (3)
и общая поляризация Р
Р= Р₁+Р₂= [k₁+k₂(1-l^-T/τ )] U₀. (4) где τ - 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 = ε (T)U₀, (5) где
ε (T)= 1+k₁+k₂(1-l^-T/τ ) (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/τ )U₀l^-t/τ +k₂(1-l^-t/τ)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/τ)U₀, одновременно возрастая за счет действующего снижающегося напряжения U. Внешнее напряжение U¹ на диэлектрике при этом равно
U'= U+P= U+P₁+P₂=
= ε ( t)U+k₂(1 - l^-T/τ)U₀l^-t/τ , (8) где ε (t)= 1+k₁+k₂(1 - l^-t/τ ) (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/τ) (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) ε (Т)= 1+k₁= ε₁ и k₂(Т)= 0, а следовательно
f(t) = + ln , (13)
где величина ε₁= 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> > τ соотношение (13) получает вид:
f(t) = + ln , (14)
где величина
ε= ε (t> > τ)= 1+k₁+k₂ (15)
есть диэлектрическая проницаемость диэлектрика в постоянном электрическом поле статическая диэлектрическая проницаемость.

Таким образом при достаточно больших временах разряда t>>τ 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 ε/ε₁.

Электросопротивление диэлектрика, согласно равенству (14) определяют по формуле
R = (16)
Время релаксации τ 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/τ , то согласно равенству (13) имеем
₊ , (17)
откуда с учетом того, что k₂= ε-ε₁ и ε(t)= ε(0)= ε₁, 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 ΔU= U₀<0 - достаточно малое изменение напряжения за время Δt от начала разряда.

С определением значения производной из выражения (18) получают
τ = (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 ( ε/ε₁, R, τ ).

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 ε 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 ε/ε₁, т. е. и значение отношения ε/ε₁ . По формуле (16) вычисляют электросопротивление образца R. Определяют значение производной f₀ и по формуле (19) вычисляют время релаксации τ 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>> τ ) временах разряда.

Определение значения ln ε/ε₁ 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 ε/ε₁, 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.

Использование: в электротехнической, радиоэлектронной, текстильной, легкой, медицинской и других отраслях промышленности. Сушность изобретения: способ заключается в том, что через первоначально неполяризованный диэлектрик производят разряд конденсатора калиброванной емкости, вычисляют электросопротивление R диэлектрика по формуле, приведенной в тексте описания. Учет поляризации диэлектрика позволяет повысить точность измерения R, расширить функциональные возможности за счет определения дополнительно ε/ε, t. 2 ил.

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;
ε / ε₁ - отношение диэлектрических проницаемостей диэлектрика соответственно в постоянном и высокочастотном переменном электрических полях, определяемое по зависимости f(t) = ln U₀/U,
а время релаксации τ ориентационной составляющей поляризации диэлектрика вычисляют по формуле
τ = ,
где - - скорость изменения функции f(t)= ln в момент t = 0;
Δ U - изменение напряжения за время Δ t от начала разряда.