Датчик для измерения удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей Советский патент 1991 года по МПК G01R15/00 G01R27/26 G01N27/07 

Изобретение относится к устройствам для электрических измерений и может быть использовано для измерения в электролите удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей (далее объект измерения), в частности при производстве алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов.

Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения величины тангенциального отклонения силовых линий электрического поля, вызванного наличием зазора, путем изменения конструкции датчика.

На фиг. 1 изображен датчик, разрез; на фиг 2 - известный датчик, разрез; на фиг. 3-12 - модели датчиков для расчета искажений электрического поля от наличия зазора; на фиг 13 -область верхней полуплоскости; на фиг 14 - модель идеального конденсатора.

Есл ч рассмотреть известный датчик, изображенный на фиг. 2, то видно, что измерительный 1 и охранный 2 электроды размещены на диэлектрическом основании 3. Для такой конструкции датчика между охранным электродом 2 (обычно выполняется в виде плоского кольца) и измерительным электродом 1 (обычно выО

оо

00

VJ

кэ

полняется в виде плоского цилиндра ) необходимым является наличие зазора 4 для обеспечения электрической изоляции упомянутых электродов друг от друга, так как при измерении через измерительный электрод 1 протекает измерительный ток, а охранный электрод 2 подключается к специальному устройству, которое.поддерживает потенциал этого электрода, равным потенциалу измерительного электрода 1 (2). Наличие зазора вызывает искажение однородности электрического поля в зоне измерения между измерительным электродом 1 и объектом 5 измерения в электролите 6. Охранный электрод 2 служит для исключения влияния краевых эффектов, возникающих на краю датчика, его ширина в зависимости от расстояния датчика до объекта 5 измерения выбирается такой, чтобы при отсутствии зазора между электродами 1 и 2, электрическое поле в зоне измерения было однородным. Фактически измерение удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей сводится к измерению параметров электролитического конденсатора, образующегося при размещении датчика около объекта измерения 5 в электролите 6,причем этот конденсатор включает измерительный электрод 1, у-а- сток объекта 5 измерения, противолежащий измерительному электроду 1 и объем электролита 6 между ними. Тангенциальное отклонение силовых линий электрического поля 7 (на фиг. 2 изображены линии равного потока), ВЫХОАЯ- щих из измерительного электрода 1, ча объекте 5 измерения, вызывает увеличение размеров измеряемого участка объекта 5 измерения и делает электрическое поле неоднородным, что вносит погрешность в измерения. В настоящее время некоторые виды объектов 5 измерения имеют очень разветвленную поверхность, покрытую тонким слоем диэлектрика порядка одного - нескольких десятков ангстрем (например, травленная алюминиевая фольга для оксидных электролитических конденсаторов, покрытая слоем естественного оксида), т.е. имеют очень высокую удельную емкость порядка (150000-60000) мкФ/дм , что вызывает необходимость максимально приближать датчик к поверхности объекта 5 измерения, так к.ж обьем электролита 6, участвующий в измерении увеличивает (даже, фактически определяет) тангенс угла потерь измеряемого электролитического конденсатора и мо-

жет сделать невозможным измерения обычными устройствами для измерения емкости и тангенса угла потерь (например, когда тангенс угла потерь больше 1). Малые расстояния между датчиком и объектом 5 измерения можно получить, применяя пропитанные электролитом б пористые прокладки (на фиг. 1 и 2 условно не показаны) толщиной порядка от нескольких единиц до

0 нескольких десятков микрон, например бумагу для электролитических конденсаторов, капрон, миткаль и т.д. В этом случае уменьшить величину тангенциального отклонения силовых линий электрического поля 7 (улуч5 шить однородность электрического поля в зоне измерения) можно, применив датчик, конструкция которого показана на фиг. 1.

На диэлектрическом основании 3 размещается охранный электрод 2, а измери0 тельный элзктрод 1 размещен на охранном электроде 2 через диэлектрическую прокладку 8. В такой конструкции датчика сумма толщин измерительного электрода 1 и диэлектрической прокладки 8 эквивалент5 ная величине зазора в прототипе, т.е. является некоторым эквивалентным зазором, что также приводит к неоднородности электрического поля в зоне измерения. В настоящее время в промышленности широко

0 используются диэлектрические пленки и металлические фольги толщиной порядка одного-нескольких десятков микрон, поэтому, если изготовить диэлектрическую прокладку 8 и измерительный электрод 1 из таких

5 материалов, то легко можно получить эквивалентный зазор порядка нескольких десятков микрон. Например, если диэлектрическую прокладку 8 изготовить из фторопластовой пленки толщиной 20 мкм, а

0 измерительный электрод 1 из металлической фольги толщиной 35 мкм, то эквивалентный зазор составляет 55 мкм.

Составные части предлагаемого датчика можно соединять склеиванием. Крепить

5 датчик можно за диэлектрическое основание 3.

Ввиду большого разнообразия вариантов крепления датчика элементы крепежа на фиг. 1 не показаны. Электрическое сое0 динение с электродами датчика можно осу ществить например, выводом 9 от охранного электрода 2 и выводом 10 от из мерительного электрода 1, аналогично изве стному датчику.

5 Определить величину тангенциального отклонения силовых линий электрического поля на поверхности объекта 5 измерения, выходящих из измерительного электрода 1, можно путем расчета электрического поля. Такие расчеты производятся, например,

с применением методов теории функции комплексного переменного. Учитывая сложность таких расчетов, проведем расчет-анализ, позволяющий определить величину тангенциального отклонения силовых линий электрического поля на поверхности объекта измерения 5.

На фиг. 3 упрощенно изображен известный датчик, на фиг. 4 - предлагаемый. Создадим модели, исходя из конфигурации электродных систем фиг. 4 и 3, которые позволят применить методы теории функций комплексного переменного, в частности метод конформных отображений. Далее нечетные номера фигур относятся к моделям известного датчика, четные - предлагаемого датчика (до фиг. 13).

Первое приближение. Реальные электроды и объект измерения заменяем бесконечно тонкими проводниками, следы которых на плоскости изображены на фиг. 6 и 5.

Второе приближение. Так как рассматриваемые датчики осесимметричны, то электрическое поле также осесимметрично. Поэтому рассмотрим плоское электрическое поле только с одной стороны от оси симметрии (справа), а электроды слева от оси симметрии продлим до бесконечности (фиг. 8 и 7).

Третье приближение. Так как геометрические размеры охранных электродов выбирают такими, чтобы электрическое поле в зоне зазора при бесконечно малом зазоре было однородным, то охранные электроды можно продлить вправо до бесконечности (фиг. 10 и 9).

Четвертое приближение. Для создания области, в которой изучается электрическое. поле, введем бесконечно тонкие разрывы и далее рассмотрим поле в области W. Вводим координатные оси U и V (фиг. 12 и 11). Объект 5 измерения находится под потенциалом р-, а измерительные и охранные электроды - под потенциалом pi, hi - расстояние от измерительного электрода 1 до объекта 5 измерения, ha - величина зазора.

Исходя из симметричности области W относительно оси V (фиг. 11), можно сделать вывод, что тангенциальное отклонение силовых линий электрического поля на поверхности объекта 5 измерения, выходящих из точек с координатами h2/2, 0 и -П2/2, 0 равно h2/2.

Для определения тангенциального отклонения силовых линий на поверхности объекта 5 измерения для фиг. 12 воспользуемся конформным отображением области . (фиг. 13) верхней полуплоскости (на область W - фиг. 12), а также воспользуемся отображением верхней полуплоскости (области Z)

на область W, ограниченную бесконечно протяженными параллельными линиями - модель идеального плоского конденсатора - фиг. 14. Для модели идеального плоского конденсатора силовые линии электрического поля идут параллельно оси V. Эти силовые линии на плоскости Z отобразятся полуокружностями с общим центром в точке 34 (фиг. 13 и 14).

При отсутствии искажений силовых линий электрического поля для рассматриваемой модели предлагаемого датчика на области W (фиг. 12) силовая линия, начинающаяся в точке 0,0 должна попасть в точку (О, -jhi) и быть параллельной оси V. На плоскости Z (фиг. 13) эта линия должна отобразиться полуокружностью с центром в точке (1,0) радиусом 1, т.е. начинаться в точке (0,0) и заканчиваться в точке (2,0). Таким образом, можно сделать вывод, что при отсутствии искажений точка (2,0) плоскости Z (фиг. 13) должна отобразиться на точку (0, -jhi) плоскости W (фиг. 12). Смещение этой точки на плоскости W от указанных координат, в частности по оси U, равно тангенциальному

смещению силовой линии электрического поля 7.

Функция конформного отображения области Z (фиг. 13) на область W - (фиг. 12) имеет вид

35

(1-Z)(1 +

я

0 где W - U + JV, Z x + jy.

JlLy h2

(1) (2) (3)

Рассмотрим далее только действитель- вые части (1). так как определяем тангенци- альное отклонение силовой линии электрического поля, которое происходит го действительной оси U (фиг. 12) с учетом | го, что

In у ln lyl +j argy,(4)

где у а + j p 1-Z (1-x)-jy,

1 +

Ј -о+-&)

(5) (6)

(7)

при х 2, у 0

--

hl h2

In 1 +4;- In 11+2

ж

.ILL

h2

1

+ 2-Јb

Г12

(8)

Максимальное значение hi - расстояние от измерительного электрода 1 предлагаемого датчика до обьекта 5 измерения - в зависимости от величины h. - толщины диэлектрической прокладки 8, - при котором начинают проявляться положительные свойства датчика, определим из условия U ri2/2 (постоянной, максимальной величине тангенциального отклонения силовых линий электрического поля известного датчика).

При этом условии

/t hi h2-J-«-l- l,9h2(9)

Таким образом, преимущество данного датчика проявляется когда ,9 h2 и менее. Так, например, если hi п 3

1

U

л In 1.5

7Г

h2

Г12, ТО

0,35 пз; если hi 0,5 h2, то

,13h2.

Таким образом, искажение электрического поля от наличия зазора в данном датчике меньше, чем в известном датчике, при

0

условии, что расстояние от измерительного электрода 1 до объекта 5 измерения менее, чем примерно удвоенная толщина диэлект- рической прокладки 8.

Предлагаемый датчик при указанном выше условии обеспечивает более точное измерение удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей.

Формула изобретения

Датчик для измерения удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей, содержащий диэлектрическое основание, измерительный электрод и охранный электрод, размещенный на диэлектрическом основании, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения величины тангенциального отклонения силовых линий электрического поля, в него введена диэлектрическая прокладка, расположенная на охранном электроде, а измерительный электрод размещен на охранном через диэлектрическую прокладку, причем расстояние от измерительного электрода до объекта измерения и толщина диэлектрической прокладки связаны соотношением

hi 1,9 h2, где hi - расстояние от измерительного электрода до объекта измерения; h2 толщина диэлектрической прокладки,

Изобретение относится к устройствам для электрических измерений и может быть использовано для измерения в электролите удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей (далее объект измерения), в частности при производстве алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения величины тангенциального отклонения силовых линий электрического поля, вызванного наличием зазора, путем изменения конструкции датчика. Устройство содержит измерительный электрод 1 с выводом 10, охранный электрод 2 с выводом 9, диэлектрическое основание 3, объект 5 измерения и электролит 6. Введение в известное устройство диэлектрической прокладки 8 позволяет уменьшить искажение электрического поля от наличия зазора в датчике, что обеспечивает более точное измерение удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей 14 ил.

в J

f-ft.irL .( -t,- -{-S. / /SS Xх

x4 TV:/z-V-z-fz-t-i V: V-- -/ /- .-JT-. -I- -J -

ii//)e/S//S///////////////////SS///S/S/s/S// /

. J

Фиг.5

. $&/г2

ФиъЛ

Фи&.б

/ 2

Фиг.

1 г

W&L

Фиг. П

иКЖ

Vs-J

Фиг. 8

Фиг. Ю

Фиг. К

а,

а.

/

%

а3 ukо, х

Фиг. /J

о у,

Фаг. /4