Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости и устройство для его осуществления Советский патент 1989 года по МПК G01R29/12 

(21)4259313/24-09

(22)10.06.87

(46) 15.07.89. Бюл. № 26

(72) B.C. Аксельрод и К.Б. Щигловский

(53)621 .317.328(088.8)

(56) Авторское свидетельство СССР 655989, кл. G 01 R 29/12, 1970.

Аксельрод B.C. Материалы научно- технической конференции Перспективы развития судовой электротехники и технологии электромонтажных работ. Л., 1977, с. 52-55.

(54)СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

И ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕЛАКСАЦИИ В ПОТОКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО для ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель, иэ.сбретения - повьппение точности измерений. Устройство, реализующее

Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, содержит измерительный электрод 4, группы контактов 10 управления, ключ 20, измеритель 25 мгновенных значений потенциада,формирователь 26 блок измерения 27 интервалов времени, вьмислительный блок 28 и блок индикации 29. В процессе открьшания электрода 4 замыкаются группы контактов 10, управляющие формирова телем 26, который переключает каналы блока измерения 27 и управля ет-измерителем 25. Информация о мгновенных значениях потенциала с измерителя 25 и о интервалах времени с блока измерения 27 поступает в память вычислительного блока 28. Peзyльta.ты вычислений поступают на блок индикации 29. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

W

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство, реализующее способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, содержит измерительный электрод 4, группы контактов 10 управления, ключ 20, измеритель 25 мгновенных значений потенциала, формирователь 26, блок измерения 27 интервалов времени, вычислительный блок 28 и блок индикации 29. В процессе открывания электрода 4 замыкаются группы контактов 10, управляющие формирователем 26, который переключает каналы блока измерения 27 и управляет измерителем 25. Информация о мгновенных значениях потенциала с измерителя 25 и о интервалах времени с блока измерения 27 поступает в память вычислительного блока 28. Результаты вычислений поступают на блок индикации 29. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

.«

:о

00

со о:

О)

tfuf.Z

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для контроля объемно- ного электрического заряда и постояной времени его релаксации в жидкостях при транспортировке их по трубопроводам.

Цель изобретения - повьпиение точности измерений.

На фиг. 1 приведено устройство, реализующее способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его реализации в потоке диэлектрической жидкости; на фиг. 2 - схема электрическая структурная устройства.

Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации реализуется следующим образом.

При наличии электрического заряда в объеме электропроводяшего измерительного участка трубопровода, эле- кт)оизолированного от остального трубопровода, при условии, что электропроводность материала (жидкости) внутри этого участка равна нулю, а его элeкtpичecкoe сопротивление относительно земли бесконечно велико, потенциал Um этого участка, как потенциал ячейки Фарадея, в любой момент времени определяется зарядом q в объеме этого участка и его электрической емкостью С относительно земли,

Цф q/C.(1)

В случае же реальной заряженной, жидкости на стенки этого измерительного участка течет ток 1р, определяемый величиной заряда в объеме этого участка и свойствами жидкости - постоянной времени релаксации заряда i в ней

1р q/.

При стационарном режиме перекачки заряд и его распределение внутри измерительного участка можно счи- тать неизмененным во времени.

В этом случае при достаточно болшом электрическом сопротивлении этого участка относительно земли потенциал его будет изменяться по закону

U(t)

4

0

5

0

5

0

где t - время пребывания заряда в объеме измерительного участка.

Однако, если до начала измерения внутреннюю поверхность измерительного участка экранировать от заряда в нем, в этом состоянии заземлить, а затем, отключив от земли, экспонировать ее в поле этого заряда, то потенциал в момент полного открывания (экспонирования) поверхности будет соответствовать выражению (1) при условии мгновенного открьшания .Реально же открывание поверхности требует время. Тогда по мере увеличения площади экспонируемой поверхности будет возрастать ток релаксации на эту поверхность, и функция изменения потенциала будет иметь вид

U(t) q(t) q(t)dt. (2),

где q(t) - функция изменения заряда в области экспонируемой части поверхности. Если например, предположить, что заряд во всем объеме измерительного участка распределен равномерно, а открьшание производят вдоль оси участка с равномерной скоростью в

5

q(t)

t, и выражение (2) притечение интервала времени

q

vt, мет видq

t

то

U(t)

Cut,

а потенциал U, в момент &.t, будет

и,

Ч Г1 + . С 2 М

(3)

в дальнейшем, после интервала fit,, ток релаксации постояннен и равен IP q/ , а потенциал растет по закону

U(t)

+ il

и, + t при t)ut,. (4)

о

Теперь из выражений (3) и (4) ири известных значениях At,, t по измеренным потенциалам в моменты

времени ut , и ut можно определить q и С .

Однако, реальное распределение заряда в объеме измерительного участка может быть неоднородным. Он

Спадать от начала к концу участка по направлению потока жидкости по закону

С/И р(1) рое , (5)

где 1 - расстояние от начала измерительного участка вдоль его оси;

Р - плотность объемного заряда РО - плотность объемного заряда на входе в измерительный участок;

- длина релаксации, равная произведению скорости течения V и постоянной времени релаксации заряда Л VT.

Если же о зависит от плотности заряда (что заметно при достаточно больших плотностях заряда) , а А достаточно мало, то выражение (5) приобретает вид

,,. -е/ Л1р) ,,. р.(1) РО е . (6)

Даже при соблюдении условия (5) приращение потенциала UU, вызванно током релаксации за время определяется выражением

где а - скорость перемещения экрана и для определения q и (7 становится необходимым знание еще и скорости течения, не говоря уже о сложности вычислительного характера. При условил же (6) , когда функция А (р) заранее не известна, измерения по- тен ц1алов, времени и скорости течения не дают возможности однозначно определить q и с

Таким образом, с точки зрен1;я погрешностей определения q и 1. эк.споиирование внутренней поверхности измерительного участка с увеличением его площади вдоль оси неприемлемо. Выходом из положения является экспонирование поперек образующих цилиндра. В этом случае на экспонируемую поверхность в любой момент времени действовало бы поле всего заряда, расположенного с любым осесимметричным распределением вдоль оси измерительного участка. Действительно, при таком процессе экспонирования электрода на каждый линейный элемент поверхности dS, расположенный вдоль длины L изм.ри- тельного участка радиусом R

dS LRdtf. где ( - центральный угол раскрытия

экспонируемого электрода, течет ток.

I

27

ЧР

dq,

0

5

0

5

где

0

5

Oj - средняя постоянная времени релаксации заряда в объеме измерительного участка с учетом того, что постоянная времени релаксации зависит от плотности заряда, распре деле йного вдоль этого участка неизменным образом. Эта величина Гер определяется теперь как отношение заряда q к току релаксации при полностью открытой полю заряда внутренней поверхности измерительного участка.

При этом очевидно, что организовать экспонирование всей внутренней поверхности измерительного участка указанным способом невозможно. Однако есть возможность выделить часть этой поверхности, назьгоаемую далее измерительным электродом, с раничен- 5 ную образующими и границами этого участка, и экспонировать ее перемещением соответствующих экранов. Тогда потенциал полностью открытой этой части поверхности (измерительного Q электрода) и ток на нее будет зависеть от того, какую долю она составляет от всей поверхности измерительного участка. Кроме того, на эти потенциал и ток будут оказьюать влияние эффекты перераспределения поля заряда вблизи границ измерительного электрода между экраном и этим электродом за счет их геометрии и расположения (их диаметры, естественно, различны). Учесть расчетным путем эти эффекты затруднительно, однако они учитьшаются при калибровке, так как вызванная ими погрешность имеет систематический характер.

В этом случае формулы для определения РИС необходимо записать в виде, который учитьшает эти неопределенности

ли

K(U - К. At,)

(7)

55

fn V А A (Я

.

Действительно, при расположении вдоль оси измерительного участка цилиндрического калибровочного элек-.

трода и подаче на негопостоянного напряжения U,| относительно земли, за ряд q на нем в пределах нчмеритель- ного участка определяется его радиусом г,радиусом R внутренней поверхности измерительного участка и его длиной L

27ебоЬ Чк

InR/r

и

U

После заряда цилиндрического электрода направлено радиально вдоль всего измерительног о участка и имитирует поле объемного заряда осесим- метрично распределенного в объеме этого участка. При этом, при отсутствии жидкости в объеме измерительного участка гок на его внутреннюю поверхность ранен нулю, и потенциал ид полностью экспонированного измерительного электрода определяется только зарядом q , размерами иэ мерите:тр,ного электрода и конструктивными особенностями устройства (взаимным расположением и размерами экранирующего и измерительного электрода) и его электрической емкостью относительно земли

и,, Чк/К.

1К

Измерив таким образом потенциал

и

к

определяют коэффициент

К Пк/Ь ,к

Занолнив теперь измерительный участок жидкостью с известной относительной диэлектр гческой проницаемостью, производят операции измерения в последовательности, указанно в формулировке предмета изобретения.

Предварительно заземленный и экранированный от поля заряда измерительный электрод имеет потенциал, раный нулю. После снятия заземления по мере увеличения экспонируемой площади потенциал измерительного электрода увеличивается как за счет непосредственного влияния заряда калибровочного электрода, так и за счет заряда, накапливающегося на измерительном электроде от тока проводимости в жидкости. Величина этого накопленного заряда 3d время At, от начала экспонирования до полного открьшания электрода также определяется конструктивными особенностями устройства и, кроме того, свойствами жидкости и характером движения

экранирующего электрода (функцией S(t), где S - экспонируемая площадь измерительного электрода).

Изменение потенциала полностью открытого измерительного электрода происходит линейно во времени и определяется теми же конструктинными особенностями устройства и теми же свойствами жидкости. Скорость при- ращс1 ия этого потенциала может быть определена по его приращению Д1 за интервал времени At, при условии повторяемости характера функции S(t) эта скорость однозначно связана с приращением потенциала &Up за время изменения экспонируемой пло- шади измерительного электрода, выз - ванным током проводимости (в реальных условиях - током релаксации)

Лик

)

К, ut,

At,

где К - коэффициент пропорциональности .

Повторяемость функции S(t) легче всего осуществляется равномерным увеличением экспонируемой площади измерительного электрода.

Так как заряд калибровочного электрода при наличии жидкости в измерительном участке в 6 раз больше,чем при определении коэффициента К, то к концу увеличения площади экспонируемой поверхности измерительного электрода (в конце интервала времени ut),

часть потенциала, определяемая зарядом q будет

и би,,,

Потенциал ,и If, измеренный в конце

г

интервала времени равен сумме

ut

i

будет

и„ и

&U

р

gb-,,-K,bt.|

К,

Отсюда определяется коэффициент

к - с -

к,.

&t, bt Устройство для реализации спосо5

ба

включает в себя корпус 1, подсоединяемый к трубопроводу 2, например, при помощи фланцевых соеди,- нений 3. В этом корпусе смонтированы измерительный электрод 4 в виде части цилиндрического отрезка 5, ограниченной образующими этого от- речка и его границами, подвижный

заяемленный экранирующий электрод 6 с вырезами 7,соответствующими измерительному электроду А, внутренняя, часть 8 муфты сцепления и толкатели 9 контактов 10 управления измерителями. На корпусе смонтированы наружная часть муфты сцепления I1, спусковой механизм 12 и контакты 10 управления измерителями.

Спусковой механизм 12 представляет собой кольцо 13, приводимое во вращательное движение двигателем 14 через систему зубчатых колес 15. Эт кольцо 13 в исходном состоянии от- тянуто от муфты сцепления 8, 11 и зафиксировано в этом состоянии защелкой 16. При этом, удерживается в сжатом состоянии пружина 17. Колцо 13 снабжено одной частью 18 маг- нитной муфты, другая часть I9 которой закреплена на муфте сцепления 8, И.

Измерительный электрод А и экранирующий электрод 6 снабжены ключом 20, и замкнуты между собой в исходном состоянии. Экранирующий электрод 6 снабжен выступами 21, управляющими движением толкателей 9, и ограничителем перемещения, включающим секторную прорезь 22, в которую входит штифт 23, ограничивающий движение этого электрода вокруг своей оси. В исходном состоянии экранирующий электрод 6 удерживается пружиной 24, один конец которой закреплен на корпусе I, а другой - на экранирующем электроде 6.

Измерительный электрод 4 соединен со входом измерителя 25 мгновенных значений потенциала, управляющие входы которого через формирователь 26 соединены с выходами первой и второй контактных групп 10. Через тот же формирователь 26 контактные группы 10 соединены со входом блока измерения интервалов времени 27. Выходы блоков 25 и 27 подключены ко входам вычислительного блока 28,запрограммированного на вычисление объемного заряда и постоянной времени его релаксации. Выход вычиг.литегьног блока 27 подключен ко входу блока индикации 29. Формирователь 26 представляет собой последовательно включенные триггер и ждущий мультивибратор, формирующие управляющие им- пульсы для измерителей мгновенных

25

f Ю

15

35

Q

30

0

5

значений потенциала и интервалов времени .

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении экранирующий электрод 6 уде1)жияается пружиной 24 в первом крайнем положении, при котором измерительный электрод 4 полностью экранирован от поля переносимого жидкостью заряда. Поле этого заряда замыкается на экранирующий электрод 6 и открытую этому полю (через прорези экранирующего электрода) часть измерительного участка трубо- 11ровода. Части муфты 18 и 19 разведены, пружина 17 сжата и кольцо 13 удерживается в этом положении защелкой 16. При включении привода 14 Начинает вращаться кольцо 13, свя- s)HHoe с приводом 14 через зубчатую П1 редачу 15. Иоспе достижения уста- новивисгсси 1. жи --., вр цения кольца 13 отжатием защелки 16 вклк1ча ;тся спусковой механизм 12, у ре льтате чего пружина 17, разжимаясь, перемещает кольцо I3 до сцепления частей 18 и 19 муфты. Начинается вращательное движение наружной части 11 муфты сцепления, которая захватывает внутреннюю ее часть 8, механически связанную с экранирующим электродом 6. Ключ 20 размыкается и измерительный электрод 4 отключается от земли. По достижении электродом 6 этой же скорости движения, что и у кольца 13 (с учетом проскальзывания муфты 18-19 и муфгы сцепления 8-11 в начальный период движения) край выреза 7 экранирующего электрода 6 достигает края измерительного электрода 4, и начинается процесс экспонирования измерительного электрода в поле переносимого жидкостью заряда.

В тотже момент первый выступ 21 экранирующего электрода 6 нажимает соответствующий толкатель 9 и за мыкает первую контактную группу lO. Замыкание этого контакта вызьшает в формирователе 26 импульс запуска первого канала блока измерения интервалов времени 27 (опрокидьшание триггера) Экранирующий электрод 6 продолжает равномерное движение, экспонируемая площадь измерительного электрода 4 увелпчпнаеТся до полного его открывания, и потенциал

его увеличивается за счет увеличения ютока напряженности электрического поля от измеряемого заряда и за счет, тока релаксации на его поверхность. В момент полного открьтания измерительного электрода А второй выступ 21 экранирующего электрода 6 нажимает на толкат ель второй контактной группы 10 и замыкает соответствующий контакт. Замыкание этого контакта вызьюает второй импульс в формирователе 26 (второе опрокидьша- ине триггера), останавливающий пер- 9ЫЙ канал блока измерения интервалов времени 26 и запускающий его второй канал. Тот же импульс является ко- мандой для измерителя мгновенных значений п тенциала 25, сигнал U с выхода которого поступает в память вычислительного блока 28. Одновременно в формирователе 26 запускается формирователь интеграла времени экспонирования полностью открытого измерительного электрода 4 до измерения следующего значения потенциала (запуск ждущего мультивибратора). По прошествии интервала времени utj, ( восстановление едущего мультивибратора в исходное состояние) в формирователе 26 формируется импульс, поступающий на вход блока измерения интервалов времени 27 и на управляющий вход измерителя 25. Сигнал U, t, с выхода измерителя 25 поступает в память вычислительного блока 28, в блоке 27 формируется информация об интервалах времени At, к ut и поступает также в вьиислительный 5лок 28, где производятся вычисления по формулам (7) и (8),

Результаты вычислений поступают на блок индикации 29.

Устройство приводится в исходное состояние, после чего оно готово к следующему измерению.

Формула изобретения

o

0

5

электрод, вьтолненный в виде учас i цилиндрической поверхности, соосний с трубопроводом, ограниченного образующими и линиями пересечения цилиндрической поверхности и двух плоскостей, перпендикулярных оси, заземляют и экранируют от поля переносимого жидкостью заряда экранирующим электродом, затем отключают его от земли и экспонируют его в поле этого заряда при равномерном вращении экранирующего электрода вокруг оси относительно измерительного электрода, измеряют потенциал U измерительного электрода в момент его полного экспонирования и определяют приращение его потенциала ди за интервал времени utj после достижения полного экспонирования и определяют плотность р объемного электрического заряда и постоянн то времени его релаксации по формулам

Ли

К(и - К,

At,

At,)

)

г

(и-кМ,,,,

ЬЧ

At.

где At,

К и К,

К

-интервал времени от начала экспонирования до полного экспонирования измерительного электрода;

-объем измерительного участка трубопровода;

-константы калибровки, определяемые до начала измерений по формулам

q/U,K

. и t-Eu,,

At. ли „ /At,

где - электрическая проницаеq 0

5

мость жидкоети заряд в пределах измерительного участка трубопро- провода при подаче на калибровочный электрод пЬ- стоянного напряжения и размещении его оси мерительного учасТка трубопровода;

и ,„--потенциал полностью экспонированного измерительного электрода при отсутствий

U

жидкости в измерительном участке трубопровода; и - потенциал полностью экспонированного электрода; uUif - приращение потенциала за время ut при полностью экспонированном измерительном электроде при запонении измерительного участ ка трубопровода жидкостью с известной диэлектрическо проницаемостью при равноменом увеличении эк-спониро- ванной площади измеритель- ного электрода.

электроде, а внешняя часть этой муфты сцепления с установленной на ней частью второй муфты сцепления (она не обязательно магнитная, а может быть, например, фрикционной) размещена на внешней поверхности корпуса с возможностью вращения, кольцо с другой частью второй муфты сцепления в стороне от магнитной муфты с возможностью вращательного и поступательного движения, входящее в зацепление с шестерней введенного двигателя и фиксируемое в крайнем положении на корпусе введенной защелкой, пружина, упираяющаяся одним концом в торец кольца, противоположный второй муфте сцепления, и соз- дающ;ая усилие, направленное к внешней части муфты сцепления, первый и второй выступы и ограничитель пермещения, размещенные на другом конце экранирующего электрода, первая и вторая контактные группы, размещенные на внешней поверхности, толкатели которых размещены в отверстиях стенки корпуса и контактируют с первым и вторым выступами соответственно при заданных углах поворота экранирующего электрода, ключ, соединяющий измерительный и экранирующий электроды, причем экранирующий электрод заземлен, электроизмрительный прибор выполнен в виде измерителя мгновенного значения потенциала, выход которого подключен к первому входу введенного вычислительного блока, выход которого подсоединен к входу введенного блока индикации, последовательно соединенные формирователь, первый и второй входы которого подключены к выходам первой и второй контактных групп соответственно, и блок измерения, интервалов времени, вь1ход которого подсоединен к второму, входу вьнис- лительного блока.

сч

l