Устройство для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде Советский патент 1983 года по МПК H05F1/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ПЛОТНОСТИ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В СРЕДЕ

1

Изобретение относится к технике из-, мерения объемного заряда сред и предназначено для контроля электрического состояния воздуха атмосферы и облаков с целью снижения вредных проявлений зарядов статического электричества, осуществления активньхх воздействий на атмосферно-электрические процессы, и может быть использовано в авиации, медицине и аругих областях науки иjg

техники.

Известно устройство Для измерения заряда аэрозоли, содержащее измерительный электрод, блок питания, выпрямитель и операционный усилитель Г I 15

Однако это устройство имеет сложную схему и конструкцию и не во всех случаях обеспечивает необходимую/точность из-за наличия утечек с измерительного JQ электрода по изоляторам, контактирующим с исследуемой средой.

Наиболее близким к предложенному является устройство для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде, содержащее два электрода, один из которых охватьгеает второй и блок измерения разности потенциалов между упомянутыми электродами .

Это устройство также не обеспечивает высокой точности измерения из-за контакта испытуемой среды с изоляторами.

Целью изобретения 5голяется повышение точности измерения.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде, содержащем г два электрода, один- из которых охватывает второй, и блок измерения разности потенциалов между упомянутыми электродами, наружный электрод выполнен в виде зегмкнутой оболочки, непроницаемой для исследуемой среды.

На чертеже представлена конструктивйая схема устройства.

Устройство состоит из наружного электрода 1 с полостью объема V , внутреннего электрода 2, помещенного в эту полость, и измерителя 3 разности потенциалов между электродами. Внутренний электрод электрически изолирован от наружного электрода пространством 4, заполненным диэлектриком или откачанным до обеспечиваюшего изоляцию на куума. Работает устройство следующим образом, Его помещают в среду или создают контакт электрода 1 со средой. В обоих случаях на установившемся режиме плотность объемнЪго заряда во внутренних точках проводящей массы электрода 1 совпадает с плотностью объемного заряда измеряемой среды (условие нейтральности внутренних точек проводника Р Jn и разность потенциалов между электродами равна потенциалу электрода 2 относительно среды). Принцип, измерений основан на испрльзовании уравнения Пуассона, записанного для среды, содержащей объемный заряд Ш1отностью о ,,4IC(p-poX() где Е Е+Е - измеренная напряженность поля, складывающаяся из поля Е зарядов объема рассматриваемой дивepгeн Щ1И и поля F зарящов ок ружакяцей среды; О - плотностью объемного заряда в выполненном объеме; - диэлектрическая проницае мость среды. Уравнение выводится из рассмотрения эффектов, возникающих при нахождении тела объемом N/ , с зарядом Q и, еле- дователыга, со средней плотностью заря9-fU) в среде объемом , равномерно заряженной с объемной плотностью Ро COViSt Ф О. Для простоты при выводе положено 1). Напряженность поля Ец в-некоторой точке окрестности, создаваемая зарядами среды и тела, определяется соотнощением PoV-vtdv.rprMav, Съ) рде Y- расстояние между точкой измерения поля и объемным зарядом элемен- та объема (9М ; Y1- единичный вектор напряженности Первым интегралом производится суммирование по объему среды вне тела, вторым - по объему тела. Прибавление и вычитание в правой части (З) интеграла Jfo ndv и комбинация его имеюЧщимися приводит к соотношению tH--jrpo dv f(p-po) в (4) первый интеграл описывает компоненту напряженности поля, создаваемую равномерно распределенным объемным зарядом среды в отсутствие тела. В-пределах радиуса RQ проведенного из точки измерения поля до ближайшей границы среды с вследствие точечной симметрии объема, он равен нулю, а отличие от нуля на расстояниях, превьпна- ющих RQ , обусловленное несимметричностью объема среды, соответствует крупномасштабному полю, не связанному с присутствием тела. Второй интеграл описывает компоненту поля, обусловленную присутствием тела. Из его вида следует, что тело, заряженное со средней плотностью заряда, определяемой (2), создает в окружающей среде с плотностью объемного заряда р - электростатическое поле, возникающее в пустом пространстве при заряженности тела со средней плотностью р f-JQ . Это соответствует связи между потоком напряженности через замкнутую поверхность объема, заряженного со средней плотностью Р, и плотностью объемного заряда окружающей среды р в виде (1). Из (1) следует, что при изменении плотности объемного заряда среды во времени р г PnCt) и сохранении .заряда Q на теле последнее проявляет себя в пространство как заряженное с изменяющимся во времени избыточным зарядом Q , которое связано с истинным соотношением C.t)V.С5) Ввиду (5), потенциал тела относительно окружающей среды u(t)-.- --Uo+ Cfi.(o)-po(U ( де о (о) UQ соответственно плотность объемного заряда среды и значение потенциала тела в момент ;времени С - электрическая емкость тело. Рассмотрение распределения зарядов в шаровых концентрических слоях показьгоает. что формирование среднего ёначеняя РО , влияющего на значение потенциала тела относительно ере- ДЬ1, происходит в объеме пространства, форма которого подобна форме тела, а линейные размеры в три раза превышаю его размеры. При измерении отмечают н1ачальную разность потенциалов Ор между электро дами, соответствующую плотности объем ного заряда среды в этот момент J(o} Вариацию плотности относительно Q (о) в п ослидующие моменты времени -t onределяют по изменению разности потенциалов, используя соотношение (6), o(t)-po(o)-(Uo-0(t)) ) W-W Ти, (8) где UCt) - разность потенциалов в момент времени t ; V объем полости электрода 1; TjIX., - длительность измерения и постоянная времени линии из мерения. Предложенное решение позволяет реализовать устройство, электрические цепи которого включая изоляторы полностью изолированы от измеряемой среды, и, следовательно, пригодное для измерения в среде произвольной фезы и электрической проводимости, и повысить точность измерения. Точность измерения конкретного уст ройства, реализующего данный способ, пропорциональна соглано соотношению (6) объему полости электрода 1. Для реально осуществляемых объемов порядка 10 см она составляет 10 эсё/м , что на порядок вьпие точности, достигаемой при измерении известным устройством. формула изобретения Устройство длд измерения вариапий плотности объемного заряда в среде, содержащее два электрода, один из которьлх охватывает второй, и блок измерения разности потенциалов между упомянутъ ми электродами, отличающееся тем, что с целью повышения точности нзизмерения, наружный электрод вьшолнен в виде замкнутой оболочки, непровинае мой для исследуемой среды. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство N9 542363, кл. Н OSf 1/00, 1975. 2.Имянитов И, М, Приборы и методы дли изучения электричества атмосферы. М., Гидрометеоиздат, 1957, с. 335-345 (прототип).