СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ Российский патент 2012 года по МПК G01R29/12 

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.

Известны способ и устройство для измерения диэлектрической проницаемости ε и удельного объемного электрического сопротивления ρ, по значениям которых определяется постоянная времени релаксации τ=ε₀ερ (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.

Поставленная цель достигается тем, что подключают дополнительные конденсаторы C₁ или C₂ параллельно конденсаторной ячейке, измеряют постоянные времени изменения напряжения между электродами τ₁ и τ₂ 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.

Устройство содержит измерительную конденсаторную ячейку 1, источник постоянного напряжения 2, измеритель постоянной времени спада напряжения 3, программно-вычислительное устройство 4, индикатор 5, конденсаторы C₁ и C₂ и ключи K₁…K₃

На фиг.2 представлена эквивалентная схема ячейки с подключенным параллельно конденсатором:

C₀ - электрическая емкость ячейки, заполненной исследуемой жидкостью;

R - сопротивление растекания между электродами;

C₁(C₂) - подключаемые дополнительные конденсаторы;

3 - измеритель постоянной времени спада напряжения;

2 - источник постоянного напряжения.

Способ заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в пространство между двумя электродами, подключают параллельно этим электродам сначала один дополнительный конденсатор емкостью C₁, подключают постоянное напряжение между электродами и измеряют постоянную времени спада напряжения после отключения напряжения. Затем подключают также второй дополнительный конденсатор емкостью С₂ 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.

Постоянная времени τ релаксации объемного заряда исследуемой жидкости τ=RC₀.

Для постоянных времени системы C₀-C₁(C₂)-R в зависимости от подключенного дополнительного конденсатора получаем систему уравнений:

Решая эту систему уравнений относительно RC₀, 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.

Погрешность определения τ предложенным способом зависит только от точности измерений величин τ₁ и τ₂ и точности определения величин емкостей дополнительных конденсаторов и может быть получена в пределах от 3 до 5%.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений определяются величины емкостей дополнительных конденсаторов C₁ и C₂ с учетами емкостей монтажа и входа измерителя 3.

Значение этих емкостей вводятся в память программно-вычислительного устройства 4 и в дальнейшем остаются неизменными. Конденсаторная ячейка 1 заполняется исследуемой жидкостью. С помощью ключа K₂ к ячейке подключается дополнительный конденсатор C₁, после чего с помощью ключа K₁ к электродам ячейки подключается выход источника постоянного напряжения 2. Затем источник 2 отключается и с помощью измерителя 3 производится измерение постоянной времени τ₁ спада напряжения между электродами ячейки. Результат измерения запоминается оперативной памятью программно-вычислительного устройства 4. После этого конденсатор C₁ отключается, и с помощью ключа K₃ подключается второй дополнительный конденсатор C₂ (возможно подключение второго конденсатора без отключения первого, тогда величина второй емкости, заложенная в памяти программно-вычислительного устройства, равна сумме емкостей конденсаторов C₁ и C₂), после чего операции измерения постоянной времени спада напряжения между электродами повторяются, и второе ее значение τ₂ 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.

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. Способ состоит в том, что исследуемую жидкость помещают в двухэлектродную измерительную ячейку, подключают параллельно электродам ячейки дополнительные конденсаторы различной емкости, измеряют постоянные времени спада напряжения между электродами при каждом подключенном конденсаторе, а постоянную времени релаксации объемного заряда жидкости определяют по формуле:

,

где τ - пост. вр. релаксации объемного заряда жидкости; τ₁ - пост. вр. спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе C₁; τ₂ - пост. вр. спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе С₂; С₁ и С₂ - емкости подключаемых конденсаторов. Также заявлено устройство, реализующее заявленный способ. Технический результат заключается в повышении точности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей по измеренной величине постоянной времени разряда конденсаторной ячейки, заполненной исследуемой жидкостью, отличающийся тем, что параллельно электродам ячейки подключают дополнительные конденсаторы, измеряют постоянные времени спада напряжения между электродами при каждом подключенном конденсаторе и определяют постоянную времени релаксации объемного заряда жидкости по формуле где τ - постоянная времени релаксации объемного заряда жидкости; τ₁ - постоянная времени спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе C₁; τ₂ - постоянная времени спада напряжения между электродами при подключенном конденсаторе С₂; C₁ и С₂ - электрические емкости подключаемых конденсаторов.

2. Устройство для измерения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрических жидкостей, содержащее конденсаторную ячейку с исследуемой жидкостью в качестве диэлектрика, источник постоянного напряжения и измеритель постоянной времени спада напряжения между электродами ячейки, отличающееся тем, что он содержит дополнительные ключи и по крайней мере два дополнительных конденсатора, подключаемых с помощью указанных ключей параллельно ячейке, и программно-вычислительное устройство, определяющее величину постоянной времени релаксации по формуле: где τ - постоянная времени релаксации объемного заряда; τ₁ - постоянная времени изменения напряжения между электродами ячейки при подключенном к ней первом дополнительном конденсаторе; τ₂ - постоянная времени изменения напряжения между электродами ячейки при подключенном к ней втором дополнительном конденсаторе; С₁ - емкость первого дополнительного конденсатора; С₂ - емкость второго дополнительного конденсатора.