CN108593996B - 一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法，涉及电介质材料性能测试技术领域。该装置包括直流电压系统、电流测量系统、温度监测与控制系统和真空系统；直流电压系统、电流测量系统和温度监测与控制系统依次相连；真空系统与电流测量系统相连；该测量方法实现了不同极化温度、极化电压及极化时间下电介质材料试样的TSC曲线的测量。本发明提供的基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，采用循环浴进行流体加热电极及试样，使电极试样整体加热效率高，极化到去极化过程降温速率快；同时温控装置配合加热元件，可实现温度精确控制。同时，在真空条件进行测量，可以减小空气流动对电流测量的干扰，保证测量的精确性。

Description

一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电介质材料性能测试技术领域，尤其涉及一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法。

背景技术

电介质材料中自由电子很少，其导电率很小。但在生产，加工制备过程中，电介质中不可避免的存在着一定数量的陷阱。在一定的电场作用下，电极中的电子通过场致发射和场助热发射注入到介质导带中。当注入的电子被介质中的陷阱俘获后就形成了空间电荷。这些空间电荷所形成的电场可使试样内的电场发生畸变，故空间电荷对介质的电导和绝缘破坏都影响很大。热刺激电流(TSC)方法是在介质物理基础上发展起来的一门技术，近年来用于研究介质电传导机理和电荷存储现象。测量介质TSC特性可得到某些物质(电介质、绝缘材料、半导体、驻极体)的微观参数(如活化能H、弛豫时间τ等〕。最近，在真空中绝缘介质沿面闪络的研究中引入了陷阱能级分布的概念，用以解释微放电、表面电荷分布等现象。这些研究表明，绝缘介质的陷阱分布在沿面闪络发展过程中有重要作用，并影响绝缘介质的沿面闪络性能。为适应研究需要，更为直接、客观的评价陷阱分布对介质沿面闪络特性的影响，研制开发了热刺激电流测量系统。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法，实现对电介质材料热刺激电流的测量。

一方面，本发明提供一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，包括直流电压系统、电流测量系统、温度监测与控制系统和真空系统；

所述直流电压系统包括直流高压电源、保护电阻和选择开关；高压直流电源的正输出端与保护电阻串联连接选择开关的S₁，负输出端接地；

所述电流测量系统包括静电计、恒温箱、测量电极、液体循环管路、保护电路和上位机；所述静电计一端接地，另一端与测量电极的下电极连接，且静电计两端并联保护电路；所述恒温箱箱体接地，分别通过电流信号引入接线端和引出接线端与静电计和选择开关连接；所述测量电极分为上电极和下电极，上电极和下电极之间放置电介质材料试样；同时，测量电极通过液体循环管路与温度监测与控制系统连接；所述液体循环管路两端均为Y型管路，一端的Y型管路分别与测量电极的上电极和下电极相连；所述保护电路的一端与静电计连接，另一端接地；所述静电计采用IEEE488接口与上位机连接；

所述温度监测与控制系统包括循环浴系统、低温制冷设备和温控装置；所述循环浴系统包括高温循环浴和低温循环浴，分别与液体循环管路另一端的Y型管路相连；所述高温循环浴及低温循环浴均在电流测量系统外侧；所述高温循环浴包括高温水泵和第一加热装置；所述高温水泵的出水管通过管路与液体循环管路相连；所述低温循环浴包括低温水泵和第二加热装置，并放置于低温制冷设备内；所述低温水泵的出水管通过管路与液体循环管路相连；所述高温水泵和低温水泵与液体循环管路相连的管路上均设有阀门；所述第一加热装置与第二加热装置均包括加热电源和加热器；且第一加热装置与第二加热装置均通过线路与外接电源及温控装置相连。

优选地，所述低温制冷设备包括压缩机、制冷箱、热交换器、冷凝器、储存器和膨胀阀；所述压缩机、热交换器、膨胀阀、储存器和冷凝器串联构成回路；所述热交换器还通过管路与制冷箱相连；所述压缩机还与用于驱动的电动机相连。

优选地，所述温控装置包括第一温控装置、第二温控装置和第三温控装置；所述第一温控装置通过线路与高温循环浴内加热装置连接；所述第二温控装置通过线路与低温循环浴内加热装置连接；所述第三温控装置通过线路分别连接制冷箱、热交换器和膨胀阀；所述热交换器通过线路与制冷箱相连；所述温控装置通过传输线与上位机连接，实现对温度信号的实时查询和记录。

优选地，所述真空系统包括储气罐、压缩机、过滤吸收装置和真空泵气体连接管路；所述储气罐通过管路与恒温箱连接；同时，储气罐还通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置。

优选地，所述保护电阻为固体无感电阻，起到对电路限流保护的作用，两端分别连接高压直流电源和选择开关；所述选择开关为单刀双掷开关，用于对电介质材料极化过程和去极化过程的切换。

优选地，所述静电计电流测量范围为1fA-20mA，用于测量弱电流；所述上位机内置采用SCPI语言命令编写的应用软件；所述应用软件进行数据的采集并写入上位机硬盘当中；所述测量电极的上电极和下电极均为由黄铜制成的柱状罐体，兼具液体容器的功能；所述保护电路由一个双向二极管及滤波电容与静电计并联组成。

优选地，所述高温水泵和低温水泵为两台能够在实验温度条件下稳定运行的特种电机，为循环浴中的液体循环提供动力。

优选地，所述加热电源连续可调，实时显示当前电压电流及功率，在工作时通过直接旋转面板上旋钮随时随意调整电源的电压大小；所述加热器为聚酰亚胺PI加热薄膜。

优选地，所述循环浴系统内流体均为乙二醇与去离子水混合后的水溶液。

另一方面，本发明还提供采用上述基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置进行电介质热刺激电流测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用真空系统除去恒温箱内残余的气体，将恒温箱抽真空，减小空气流动对电流测量的干扰；

步骤2：利用高温循环浴内部加热装置配合外部温控设备，使其内部流体保持恒定高温，使电介质材料试样的温度上升到设定的极化温度T_p，并保持该温度；

步骤3：将选择开关闭合到直流高压电源侧S₁，对电介质材料试样施加极化电压V_p一定时间，该时间为极化时间t_p；

步骤4：保持极化电压V_p不变，利用低温循环浴外部冷却装置配合外部温控设备使电介质材料试样迅速降低到设定低温T₀；

步骤5：将选择开关闭合到S₂，撤掉极化电压V_p；通过电流表会观测到微弱的电流流过，这是试样表面的杂散电荷，随时间的推移这种电流会逐渐减弱，等到电流减到零时，则电介质材料试样表面杂散电荷已经被消除；

步骤6：关闭低温循环浴所在制冷箱的制冷功能，并开启第二加热装置及温控装置，利用温控装置中的反馈电路，调节加热功率，使循环液体匀速升温到T_c，测量该过程电流信号，从温控装置上获取TSC曲线的实时温度数据；

步骤7：改变极化温度T_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化温度下的TSC曲线；

步骤8：改变极化电压V_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化电压下的TSC曲线；

步骤9：改变极化时间t_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化时间下的TSC曲线。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置及方法，采用流体加热电极及试样，使电极试样整体加热效率高，极化到去极化过程降温速率快；同时循环浴系统内流体加热部分在回路外侧，利用温控装置配合加热元件，可实现温度精确控制，且循环浴系统内流体可重复利用。同时，在真空条件进行测量，可以减小空气流动对电流测量的干扰，保证测量的精确性。静电计并联双向二极管及电容，可以保护静电计，防止极化及去极化过程中潜在放电造成过电压及过电流对静电计的破坏。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的循环浴系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的低温制冷设备的结构框图；

图4为本发明实施例提供的真空系统的结构框图；

图5为本发明实施例提供的采用基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置进行测量的方法的流程图。

图中：1、直流高压电源；2、保护电阻；3、选择开关；4、测量电极；5、电介质材料试样；6、恒温箱；7、双向二极管；8、滤波电容；9、静电计；10、液体循环管路；11、膨胀阀；12、压缩机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，如图1所示，包括直流电压系统、电流测量系统、温度监测与控制系统和真空系统；

直流电压系统包括直流高压电源1、保护电阻2和选择开关3；高压直流电源1的正输出端与保护电阻2串联连接选择开关3的S₁，负输出端接地。保护电阻2为固体无感电阻，起到对电路限流保护的作用，两端分别连接高压直流电源1和选择开关3。选择开关3为单刀双掷开关，用于对电介质材料极化过程和去极化过程的切换。

电流测量系统包括静电计9、恒温箱6、测量电极4、液体循环管路10、保护电路和上位机。静电计9一端接地，另一端与测量电极4的下电极连接，且静电计9两端并联保护电路；恒温箱6箱体接地，分别通过电流信号引入接线端和引出接线端与静电计9和选择开关3连接；测量电极4分为上电极和下电极，上电极和下电极之间放置电介质材料试样5；同时，测量电极4通过液体循环管路10与温度监测与控制系统连接；所述液体循环管路10的两端均为Y型结构，一端的Y型管路分别与测量电极的上电极和下电极相连。保护电路的一端与静电计9连接，另一端接地；静电计9采用IEEE488接口与上位机连接。静电计9电流测量范围为1fA-20mA，用于测量弱电流；上位机内置采用SCPI语言命令编写的应用软件；应用软件进行数据的采集并写入上位机硬盘当中；测量电极4的上电极和下电极均为由黄铜制成的柱状罐体，兼具液体容器的功能；保护电路由一个双向二极管7及滤波电容8与静电计9并联组成。

温度监测与控制系统包括循环浴系统、低温制冷设备和温控装置。循环浴系统，如图2所示，包括高温循环浴和低温循环浴，分别与液体循环管路10另一端的Y型管路相连，进而与测量电极4的上电极和下电极连接，构成液体循环系统，且循环浴系统内流体均为乙二醇与去离子水混合后的水溶液。高温循环浴及低温循环浴均在电流测量系统外侧；高温循环浴包括高温水泵和第一加热装置，用于极化过程中使流体保持恒定温度；高温水泵的出水管通过管路与液体循环管路相连；低温循环浴包括低温水泵和第二加热装置，并放置于低温制冷设备内，在极化过程对电介质材料试样5迅速降温和，去极化过程中，将低温循环浴从制冷箱中取出，并连接上加热及温控装置，利用温控装置中的反馈电路，调节加热功率，使循环液体匀速升温，测量该过程电流信号。高温水泵和低温水泵与液体循环管路相连的管路上均设有阀门，分别为阀1、阀2、阀3和阀4。第一加热装置与第二加热装置均包括加热电源和加热器，且第一加热装置与第二加热装置均与温控装置相连；高温水泵和低温水泵为两台能够在实验温度条件下稳定运行的特种电机，为循环浴中的液体循环提供动力。加热电源连续可调，实时显示当前电压电流及功率，在工作时通过直接旋转面板上旋钮随时随意调整电源的电压大小；加热器为聚酰亚胺PI加热薄膜。对电介质材料试样5进行测量时，高温循环浴利用其内部加热装置配合外部温控设备，使其流体保持恒定高温，可提供最高至100℃高温。低温循环浴放置于低温制冷设备内，保证提供-65℃低温，使低温水溶液处于-65℃恒温状态。电介质材料试样5极化时，打开阀1与阀4，高温流体通过测量电极，可以提供极化时必须的高温。之后关闭阀1与阀4，打开阀2与阀3，则测量电极被低温流体迅速降温，至-65℃，同时电介质材料试样温度迅速降低，并维持一段时间。

低温制冷设备，如图3所示，包括压缩机11、制冷箱、热交换器、冷凝器、储存器和膨胀阀12；压缩机11、热交换器、膨胀阀12、储存器和冷凝器串联构成回路；热交换器还通过管路与制冷箱相连，压缩机11还与用于驱动的电动机相连。

温控装置包括第一温控装置、第二温控装置和第三温控装置；第一温控装置通过线路与高温循环浴内加热装置连接；第二温控装置通过线路与低温循环浴内加热装置连接；第三温控装置通过线路分别连接制冷箱、热交换器和膨胀阀；热交换器通过线路与制冷箱相连；温控装置通过传输线与上位机连接，实现对温度信号的实时查询和记录。

真空系统，如图4所示，包括储气罐、压缩机、过滤吸收装置和真空泵气体连接管路。储气罐通过管路与恒温箱连接；同时，储气罐还通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置。

本实施例中，采用上述基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置进行电介质热刺激电流测量的方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：利用真空系统除去恒温箱6内残余的气体，将恒温箱6抽真空，减小空气流动对电流测量的干扰；

步骤2：利用高温循环浴内部加热装置配合外部温控设备，使其内部流体保持恒定高温，使电介质材料试样5的温度上升到设定的极化温度T_p，并保持该温度；

步骤3：将选择开关3闭合到直流高压电源侧S₁，对电介质材料试样5施加极化电压V_p一定时间，该时间为极化时间t_p；

步骤4：保持极化电压V_p不变，利用低温循环浴外部冷却装置配合外部温控设备使电介质材料试样5迅速降低到设定低温T₀；

步骤5：将选择开3关闭合到S₂，撤掉极化电压V_p；通过电流表会观测到微弱的电流流过，这是试样表面的杂散电荷，随时间的推移这种电流会逐渐减弱，等到电流减到零时，则电介质材料试样5表面杂散电荷已经被消除；

步骤6：关闭低温循环浴所在制冷箱的制冷功能，并开启第二加热装置及温控装置，利用温控装置中的反馈电路，调节加热功率，使循环液体匀速升温到T_c，测量该过程电流信号，从温控装置上获取TSC曲线的实时温度数据；

步骤7：改变极化温度T_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化温度下的TSC曲线；

步骤8：改变极化电压V_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化电压下的TSC曲线；

步骤9：改变极化时间t_p，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化时间下的TSC曲线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：包括直流电压系统、电流测量系统、温度监测与控制系统和真空系统；

所述直流电压系统包括直流高压电源、保护电阻和选择开关；高压直流电源的正输出端与保护电阻串联连接选择开关的S₁，负输出端接地；

所述电流测量系统包括静电计、恒温箱、测量电极、液体循环管路、保护电路和上位机；所述静电计一端接地，另一端与测量电极的下电极连接，且静电计两端并联保护电路；所述恒温箱箱体接地，分别通过电流信号引入接线端和引出接线端与静电计和选择开关连接；所述测量电极分为上电极和下电极，上电极和下电极之间放置电介质材料试样；同时，测量电极通过液体循环管路与温度监测与控制系统连接；所述液体循环管路两端均为Y型管路，一端的Y型管路分别与测量电极的上电极和下电极相连；所述保护电路的一端与静电计连接，另一端接地；所述静电计采用IEEE488接口与上位机连接；

所述温度监测与控制系统包括循环浴系统、低温制冷设备和温控装置；所述循环浴系统包括高温循环浴和低温循环浴，分别与液体循环管路另一端的Y型管路相连；所述高温循环浴及低温循环浴均在电流测量系统外侧；所述高温循环浴包括高温水泵和第一加热装置；所述高温水泵的出水管通过管路与液体循环管路相连；所述低温循环浴包括低温水泵和第二加热装置，并放置于低温制冷设备内；所述低温水泵的出水管通过管路与液体循环管路相连；所述高温水泵和低温水泵与液体循环管路相连的管路上均设有阀门；所述第一加热装置与第二加热装置均包括加热电源和加热器；且第一加热装置与第二加热装置均通过线路与外接电源及温控装置相连；

所述低温制冷设备包括压缩机、制冷箱、热交换器、冷凝器、储存器和膨胀阀；所述压缩机、热交换器、膨胀阀、储存器和冷凝器串联构成回路；所述热交换器还通过管路与制冷箱相连；所述压缩机还与用于驱动的电动机相连；

所述温控装置包括第一温控装置、第二温控装置和第三温控装置；所述第一温控装置通过线路与高温循环浴内加热装置连接；所述第二温控装置通过线路与低温循环浴内加热装置连接；所述第三温控装置通过线路分别连接制冷箱、热交换器和膨胀阀；所述热交换器通过线路与制冷箱相连；所述温控装置通过传输线与上位机连接，实现对温度信号的实时查询和记录。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述真空系统包括储气罐、压缩机、过滤吸收装置和真空泵气体连接管路；所述储气罐通过管路与恒温箱连接；同时，储气罐还通过气体连接管路分别连接压缩机和真空泵，真空泵连接过滤吸收装置。

3.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述保护电阻为固体无感电阻，起到对电路限流保护的作用，两端分别连接高压直流电源和选择开关；所述选择开关为单刀双掷开关，用于对电介质材料极化过程和去极化过程的切换。

4.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述静电计电流测量范围为1fA-20mA，用于测量弱电流；所述上位机内置采用SCPI语言命令编写的应用软件；所述应用软件进行数据的采集并写入上位机硬盘当中；所述测量电极的上电极和下电极均为由黄铜制成的柱状罐体，兼具液体容器的功能；所述保护电路由一个双向二极管及滤波电容与静电计并联组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述高温水泵和低温水泵为两台能够在实验温度条件下稳定运行的特种电机，为循环浴中的液体循环提供动力。

6.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述加热电源连续可调，实时显示当前电压电流及功率，在工作时通过直接旋转面板上旋钮随时随意调整电源的电压大小；所述加热器为聚酰亚胺PI加热薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置，其特征在于：所述循环浴系统内流体均为乙二醇与去离子水混合后的水溶液。

8.采用权利要求1所述的基于液体导热的电介质热刺激电流测量装置进行电介质热刺激电流测量的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用真空系统除去恒温箱内残余的气体，将恒温箱抽真空，减小空气流动对电流测量的干扰；

步骤2：利用高温循环浴内部加热装置配合外部温控设备，使其内部流体保持恒定高温，使电介质材料试样的温度上升到设定的极化温度T _p ，并保持该温度；

步骤3：将选择开关闭合到直流高压电源侧S₁，对电介质材料试样施加极化电压V _p 一定时间，该时间为极化时间t _p ；

步骤4：保持极化电压V _p 不变，利用低温循环浴外部冷却装置配合外部温控设备使电介质材料试样迅速降低到设定低温T ₀ ；

步骤5：将选择开关闭合到S₂，撤掉极化电压V _p ；通过电流表会观测到微弱的电流流过，这是试样表面的杂散电荷，随时间的推移这种电流会逐渐减弱，等到电流减到零时，则电介质材料试样表面杂散电荷已经被消除；

步骤6：关闭低温循环浴所在制冷箱的制冷功能，并开启第二加热装置及温控装置，利用温控装置中的反馈电路，调节加热功率，使循环液体匀速升温到T_c，测量循环液体匀速升温到T_c这个过程电流信号，从温控装置上获取TSC曲线的实时温度数据；

步骤7：改变极化温度T _p ，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化温度下的TSC曲线；

步骤8：改变极化电压V _p ，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化电压下的TSC曲线；

步骤9：改变极化时间t _p ，重复步骤2-步骤6，并从上位机上得到不同极化时间下的TSC曲线。