Способ определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрика и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01R29/12 

Е0

Ј ei

Hi +Н2

(1)

Изобретение относится к электроизмерениям, в частности к определению электрофизических свойств диэлектрических материалов, и может быть использовано для определения постоянной времени релаксации обьемного заряда диэлектриков, например диэлектрических жидкостей.

Цель изобретения - расширение области применения на диэлектрики с неизвестной Диэлектрической проницаемостью.

Сущность способа состоит в следующем.

Исследуемый диэлектрик помещают между плоско-параллельными электродами, хотя бы один из которых покрыт слоем вспомогательного диэлектрика с пренебре- жимо малой по сравнению с исследуемым электропроводностью и диэлектрической проницаемостью с.

К электродам прикладывают постоян- ное напряжение U, измеряют величину напряженности поля Ео на электроде, покрытом вспомогательным диэлектриком, в момент приложения напряжения U, а также измеряют постоянную времени ТЕ изме- нения напряженности поля на том же электроде.

По измеренным величинам, зная толщину вспомогательного диэлектрика, вычисляют искомую постоянную времени г.

При приложении постоянного напряжения к электродам в ме-жэлектродном пространстве возникает электрическое поле, напряженность которого в каждом из.слоев зависит от их толщин и диэлектрических проницаемостей, Пусть толщина слоя исследуемого диэлектрика равна Hi, суммарная толщина слоев вспомогательного диэлектрика равна На, диэлектрическая проницаемость исследуемого диэлектрика ei, приложенное к электродам напояжение U. Тогда величина скачка напряженности поля Ео во вспомогательном диэлектрике и на прилегающем к нему электроде в момент включения напряжения U U

После включения напряжения U за счет электропроводимости исследуемого диэлектрика в нем под влиянием поля начинает протекать электрический ток, плотность которого j пропорциональна напряженности поля EI в этом диэлектрике и его удельной объемной электропроводимости у.

(2)

В соответствии с законом сохранения заряда на границах раздела диэлектриков формируются поверхностные заряды, поверхностная плотность которых равна а . Процесс формирования этих зарядов описывается дифференциальным уравнением

да . .

(3)

Решение этого дифференциального уравнения с учетом граничных условий

у Ј0ЈE-ЈoЈiEi

(4)

и связи напряжения U с напряженностями полей в диэлектриках

U EiHi + EH2.(5)

дает выражение для напряженности Е во вспомогательном диэлектрике и, соответственно, на прилегающем электроде

Е

U

-Ј-Н1+Н2

U

Н + На

)

Ј1

О

1 6

)

(6)

где ГЕ - постоянная времени изменения напряженности поля, равная

35

+Й-н

О)

40

Подставляя в (7) выражение для ei , полученное из (1),

Р, м -

U-EoHa

(8)

45 получаем

ГЕ

U

ЕоН2

(9)

50

Отсюда определяется постоянная времени т

т-г ЕоН2 - it ii

U

(Ю)

55

Величина ТЕ может быть определена как при возрастании напряженности поля у электрода, так и при убывании после замыкания между собой электродов,

На чертеже приведено устройство, реализующее способ.

Устройство содержит исследуемый диэлектрик 1, плоско-параллельные электроды 2 и 3, вспомогательный диэлектрик 4, переключатель 5, стабилизированный источник 6 напряжения, датчик 7 напряженности электрического поля, выполненный в виде изолированного от электрода 2 металлического электрода, вычислительный блок 8, включающий в себя пороговые блоки 9 и 10 и преобразователь 11 интервала времени в напряжение, блок 12 управления, блок 13 взятия выбйрки и хранения, перемножитель 14, ключ 15 и индикатор 16.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии пластина (электрод) 3 через переключатель 5 соединена с корпусной шиной. По команде блока 12 управления через переключатель 5 на электрод 3 подается напряжение от источника 6.

Одновременно блок 13 по команде блока 12 управления запоминает начальное значение выходного напряжения датчика 7. пропорциональное Е0. В дальнейшем-напряженность поля у электрода 2 экспоненциально возрастает.

После достижения установившегося значения напряженности поля Е по сигналу блока 12 переключатель 5 замыкает электрод 3 на корпус. Напряженность поля на электроде 2 и, соответственно, выходное напряжение датчика 7 экспоненциально уменьшается. При этом последовательно срабатывают пороговые блоки 9 и 10, отмечая моменты времени достижения напряженности электрического поля Е и Е .

На выходе блока 11 формируется напряжение, пропорциональное ТЕ , в соответствии с формулой

--FT

In

At

Ё1

(11)

-и

А

где At - интервал времени между моментами достижения заданных уровней Е1 и Е.

На выходе перемножителя ,14 в соответствии с (10) формируется сигнал, пропорциональный г , который через ключ 15 после срабатывания второго порогового блока, т.е. после завершения формирования сигнала на выходе блока 14, передается на индикатор 16, отградуированный в значениях постоянной времени г .

Таким образом, благодаря измерению напряженности поля Е0 на электроде в момент непосредственно после подачи напряжения достигнута возможность определения г для диэлектриков с неизве

0

5

0

5

стной заранее диэлектрической проницаемостью.

Формула изобретения

1. Способ определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектрика, согласно которому исследуемым диэлектриком заполняют пространство между плоско-параллельными электрода- ми, хотя бы один из которых покрыт слоем вспомогательного диэлектрика с электрической проводимостью много меньшей, чем у исследуемого, к электродам прикладывают постоянное напряжение U и измеряют постоянную времени ТЕ изменения напряженности электрического поля на покрытом вспомогательным диэлектриком электроде, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения на диэлектрики с неизвестной диэлектрической проницаемостью, измеряют напряженность поля Ео на покрытом вспомогательным диэлектриком электроде в момент приложения постоянного напряжения, а постоянную времени г определяют по формуле

30

Г ГЕ

ЕоН U

5

0

е;

0

5

где Н - толщина слоя вспомогательного диэлектрика.

2.Устройство для определения постоянной времени релахсэцки объемного заряда диэлектрика, содержащее два плоско-параллельных электрода, хотя бы один из которых покрыт слоем вспомогательного диэлектрика с проводимостью много меньшей, чем у исследуемою диэлектрика, ис.точник на-пряжения, через ключ подключенный к эпектродам, датчик напряженности электрического поля, расположенный на покрытом вспомогательным диэлектриком электроде, соединенный с вычислительным блоком, индикатор и блок управления, соединенный с управляющим входом ключа, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, в него введены перемножитель и блок выборки-хранения, вход которого соединен с датчиком напряженности электрического поля, управляющий вход - с блоком управления, а выход - с первым в колом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блок.з. а выход соединен с индикатором.

3.Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что вычислительный блок выполнен

в виде двухпороговых блоков, входы кото- ключены к входам преобразователя интер- рых соединены параллельно, а выходы под- вала времени в напряжение.

Изобретение относится к электроизмерениям, в частности к определению электрофизических свойств диэлектрических материалов, и может быть использовано для определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектриков, например диэлектрических жидкостей. Цель изобретения - расширение области применения способа. Для измерения постоянной вре- мени релаксации объемного заряда исследуемым диэлектриком 1 заполняют пространство между двумя плоскопараллельны- Г ми электродами 2 и 3, хотя бы один из которых покрыт слоем вспомогательного диэлектрика 4 с проводимостью много меньшей, чем у исследуемого, и прикладывают к электродам постоянное напряжение от источника 6. Вычислительный блок 8 при этом определяет постоянную времени изменения напряженности электрического поля ТЕ , измеряемой с помощью датчика 7 у поверхности электрода 2. Благодаря измерению начального значения напряженности поля в момент приложения с помощью блока 13 выборки-хранения и перемножения его с ГЕ перемножителем 14 достигнута, возможность определения постоянной времени релаксации объемного заряда диэлектриков с неизвестной диэлектрической проницаемостью. Реализующее способ устройство содержит также переключатель 5, пороговые блоки 9 и 10, преобразователь 11 интервала времени в напряжение, блок 12 управления, ключ 15, индикатор 16. 2 с. и 1 з.г,. ф-лы, 1 ил. S (Л Vearar