RU133319U1

RU133319U1 - RESIDUAL ELECTRICITY METER FOR DIELECTRIC MATERIALS

Info

Publication number: RU133319U1
Application number: RU2013121141/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Алейников
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-10-10

Abstract

1. Измеритель остаточного электричества диэлектрических материалов включает измерительный и вспомогательный вибрационные конденсаторы, включенные в цепь каждого конденсатора соответственно первый и второй источники постоянного напряжения и первый и второй усилители переменного тока, вибратор, вольтметр переменного тока и осциллограф, отличающийся тем, что имеет корпус, состоящий из основания, на котором установлена вертикальная стойка, верхней неподвижной платформы, закрепленной на стойке, и нижней подвижной платформы с устройством для перемещения испытываемого образца и имеющей внутреннюю полость и отверстие, во внутренней полости установлена мембрана, на верхней платформе размещен вибратор, соединенный с генератором звуковой частоты, вибрационные дисковые электроды обоих конденсаторов расположены соосно, обращены друг к другу внешними поверхностями и жестко закреплены на изоляторе, который прикреплен к мембране с возможностью перемещения вибрационных электродов в направлении оси конденсаторов, неподвижный дисковый электрод измерительного конденсатора, охваченный неподвижным кольцевым электродом, закреплен на неподвижном основании устройства для перемещения исследуемого образца, между вибрационным и охранным электродами включен первый источник постоянного напряжения, а между неподвижным и кольцевым электродами включен первый усилитель, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты, выход фильтра соединен с вольтметром и входом вертикального отклонения луча осциллографа, между электродами второго конденсатора включены последовательно соединеннные второй источник постоянного1. The meter of residual electricity of dielectric materials includes measuring and auxiliary vibrational capacitors included in the circuit of each capacitor, respectively, the first and second DC voltage sources and the first and second AC amplifiers, a vibrator, an AC voltmeter and an oscilloscope, characterized in that it has a housing consisting from the base on which the vertical strut is mounted, the upper fixed platform mounted on the strut, and the lower movable platform with the device To move the test sample and having an internal cavity and a hole, a membrane is installed in the internal cavity, a vibrator is placed on the upper platform connected to the sound frequency generator, the vibration disk electrodes of both capacitors are aligned, facing each other by external surfaces and rigidly fixed to the insulator, which attached to the membrane with the ability to move the vibration electrodes in the direction of the axis of the capacitors, a fixed disk electrode of the measuring capacitor, about pumped by a stationary ring electrode, mounted on a fixed base of the device for moving the test sample, a first DC voltage source is connected between the vibration and guard electrodes, and a first amplifier is connected between the stationary and ring electrodes, the low-frequency filter is connected to the output, the filter output is connected to a voltmeter and the input of the vertical deflection of the oscilloscope beam, between the electrodes of the second capacitor, a second constant source connected in series

Description

Измеритель относится к электроизмерительной технике, предназначен для измерения остаточного электричества в диэлектрических материалах и может быть использован в электронной, приборостроительной, электротехнической и других областях, где остаточные электрические заряды, сохраняемые в диэлектриках длительное время, играют существенную роль.The meter relates to electrical engineering, is designed to measure residual electricity in dielectric materials and can be used in electronic, instrument-making, electrical and other fields, where the residual electric charges stored in dielectrics for a long time play a significant role.

Измеритель основан на возникновении электрического тока в цепи вибрационного конденсатора, в зазоре которого находится заряженный диэлектрик. Уравнение тока, связывающее исследуемые параметры остаточного электричества и измеряемые параметры вибрационного конденсатора, приведено в работе (Алейников А.Н., Алейников Н.М. Индукционные методы определения параметров остаточного заряжения диэлектрических материалов, “Материаловедение”. - М., Наука и технологии, №3, с.26-33, 2001). В результате анализа этого уравнения разработан ряд индукционных способов измерений остаточного электричества в диэлектрических материалах с использованием вибрационного измерительного конденсатора (RU №2231804, МПК G01R 29/12, 2004; №2260811, МПК G01R 29/24, 20.09.05; RU №2287835, МПК G01R 29/24, 20.11.06; RU №2298199, МПК G01R 29/24, 27.04.07). В то же время, в научно-технической литературе недостаточно публикаций с описанием устройств, реализующих эти способы.The meter is based on the occurrence of an electric current in the circuit of a vibrational capacitor, in the gap of which is a charged dielectric. The current equation linking the studied parameters of the residual electricity and the measured parameters of the vibrational capacitor is given in (Aleinikov A.N., Aleinikov N.M. Induction methods for determining the parameters of the residual charge of dielectric materials, “Materials Science.” - M., Science and Technology, No. 3, p. 26-33, 2001). As a result of the analysis of this equation, a number of induction methods have been developed for measuring residual electricity in dielectric materials using a vibration measuring capacitor (RU No. 2231804, IPC G01R 29/12, 2004; No. 2260811, IPC G01R 29/24, 09/20/05; RU No. 2287835, IPC G01R 29/24, 11/20/06; RU No. 2298199, IPC G01R 29/24, 04/27/07). At the same time, in the scientific and technical literature there are not enough publications describing devices that implement these methods.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному измерителю является измеритель (прототип), описание которого приводится в патенте (Патент RU №2231804, МПК G01R 29/12, 27.06.04.).The closest in technical essence to the claimed meter is a meter (prototype), the description of which is given in the patent (Patent RU No. 2231804, IPC G01R 29/12, 06/27/04.).

Недостатки прототипа - невысокая точность и низкая чувствительность измерений. Ошибки измерений возникают в результате образования паразитной динамической емкости между внешней поверхностью вибрационного электрода и неподвижными элементами измерителя. Ошибки вносятся также известными краевыми эффектами плоского измерительного вибрационного конденсатора, размеры обкладок которого соизмеримы с величиной зазора конденсатора. Существенным недостатком является то, что вход высокочувствительного усилителя тока находится под высоким потенциалом источника постоянного напряжения, допускаемая величина которого может существенно ограничиваться эксплуатационными характеристиками усилителя. Это сужает интервал измеряемых величин и является дополнительным источником ошибок из-за высокочастотных помех, наводимых на входе усилителя.The disadvantages of the prototype are the low accuracy and low sensitivity of the measurements. Measurement errors arise as a result of the formation of a parasitic dynamic capacitance between the outer surface of the vibrating electrode and the stationary elements of the meter. Errors are also introduced by the known edge effects of a flat measuring vibrational capacitor, the dimensions of the plates of which are commensurate with the size of the gap of the capacitor. A significant drawback is that the input of a highly sensitive current amplifier is at a high potential of a constant voltage source, the permissible value of which can be significantly limited by the operational characteristics of the amplifier. This narrows the range of the measured values and is an additional source of errors due to high-frequency noise induced at the input of the amplifier.

Задача полезной модели - создание высокочувствительного индукционного измерителя параметров остаточного электричества в диэлектрических материалах.The objective of the utility model is the creation of a highly sensitive induction meter for the parameters of residual electricity in dielectric materials.

Технический результат - повышение точности и расширение интервала измерений параметров остаточного электричества в диэлектриках.EFFECT: increased accuracy and extension of the measurement interval of parameters of residual electricity in dielectrics.

Технический результат достигается тем, что измеритель остаточного электричества диэлектрических материалов, включающий измерительный и вспомогательный вибрационные конденсаторы, включенные в цепь каждого конденсатора соответственно первый и второй источники постоянного напряжения и первый и второй усилители переменного тока, вибратор, вольтметр переменного тока и осциллограф, отличается тем, что имеет корпус, состоящий из основания, на котором установлена вертикальная стойка, закрепленной на стойке верхней неподвижной платформы, и установленной на стойке нижней подвижной платформы с устройством для перемещения испытываемого образца и имеющей внутреннюю полость и отверстие, во внутренней полости установлена мембрана, на верхней платформе размещен вибратор, соединенный с генератором звуковой частоты, вибрационные дисковые электроды обоих конденсаторов расположены соосно, обращены друг к другу внешними поверхностями и жестко закреплены на изоляторе, который прикреплен к мембране с возможностью перемещения вибрационных электродов в направлении оси конденсаторов, неподвижный дисковый электрод измерительного конденсатора, охваченный неподвижным кольцевым электродом, закреплен на неподвижном основании устройства для перемещения исследуемого образца, между вибрационным и охранным электродами включен первый источник постоянного напряжения, а между неподвижным и кольцевым электродами включен первый усилитель, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты, выход фильтра соединен с вольтметром и входом вертикального отклонения луча осциллографа, между электродами второго конденсатора включены последовательно соединенные второй источник постоянного напряжения и второй усилитель переменного тока, выход которого соединен с входом внешней синхронизации горизонтальной развертки луча осциллографа.The technical result is achieved in that the meter of residual electricity of dielectric materials, including measuring and auxiliary vibrational capacitors included in the circuit of each capacitor, respectively, the first and second DC voltage sources and the first and second AC amplifiers, vibrator, AC voltmeter and oscilloscope, is characterized in that has a housing consisting of a base on which a vertical rack is mounted, mounted on a rack of the upper fixed platform, mounted on a rack of a lower movable platform with a device for moving the test sample and having an internal cavity and a hole, a membrane is installed in the internal cavity, a vibrator is connected to the upper platform connected to the sound frequency generator, the vibration disk electrodes of both capacitors are aligned, facing each other by external surfaces and are rigidly fixed to an insulator that is attached to the membrane with the ability to move the vibrational electrodes in the direction of the condensate axis s, the fixed disk electrode of the measuring capacitor, covered by a fixed ring electrode, is mounted on the fixed base of the device for moving the test sample, the first DC voltage source is connected between the vibration and guard electrodes, and the first amplifier is connected between the stationary and ring electrodes, the low filter is connected to its output frequency, the filter output is connected to a voltmeter and the input of the vertical deflection of the oscilloscope beam, between the electrodes of the second capacitor lyucheny serially connected second direct voltage source and a second alternating current amplifier, whose output is connected to an input of an external synchronizing the horizontal scanning beam of the oscilloscope.

Измеритель отличается тем, что устройство для перемещения образца состоит из столика для установки образца, закрепленного на неподвижном основании с возможностью перемещения в вертикальной направлении с помощью регулировочной гайки.The meter is characterized in that the device for moving the sample consists of a table for installing the sample, mounted on a fixed base with the ability to move in the vertical direction with the help of an adjusting nut.

Предлагаемый измеритель основан на индуцировании переменного электрического тока в цепи вибрационного конденсатора с заряженным диэлектриком в его зазоре.The proposed meter is based on the induction of an alternating electric current in the circuit of a vibrational capacitor with a charged dielectric in its gap.

Жесткое закрепление на изоляторе вибрационных электродов и соосное их расположение способствуют исключению образования паразитных динамических емкостей между внешними поверхностями вибрационных электродов и неподвижными деталями конструкции измерителя.Rigid fastening of the vibrational electrodes on the insulator and their coaxial arrangement contribute to the elimination of the formation of spurious dynamic capacitances between the outer surfaces of the vibrational electrodes and the stationary parts of the meter construction.

С целью исключения высокочастотных помех в измеритель включен фильтр низкой частоты.In order to eliminate high-frequency interference, a low-pass filter is included in the meter.

На фиг.1 представлена схема измерителя.Figure 1 presents the diagram of the meter.

Измеритель содержит корпус, состоящий из основания 1, на котором установлена вертикальная стойка 2, закрепленной на стойке 2 нижней подвижной платформы 3 с устройством 4 для перемещения испытываемого образца и, установленной на стойке 2 с возможностью перемещения вдоль нее верхней неподвижной платформы 5, имеющей внутреннюю полость 6 и отверстие 7. Во внутренней полости 6 установлена мембрана 8, на верхней стороне неподвижной платформы 5 расположен вибратор 9, соединенный с генератором 10 звуковой частоты. Вибрационные дисковые электроды 11 и 12 измерительного 13 и вспомогательного 14 конденсаторов расположены соосно, обращены друг к другу внешними поверхностями и жестко закреплены на изоляторе 15, который прикреплен к мембране 8 с возможностью перемещения в отверстии 7 в вертикальном направлении. Неподвижный дисковый электрод 16 измерительного конденсатора 13, охваченный неподвижным кольцевым охранным электродом 17, закреплен на неподвижном основании 18 устройства 5 для перемещения исследуемого образца. Между вибрационным 11 и охранным 17 электродами включен первый источник 19 постоянного напряжения, а между неподвижным 16 и охранным 17 электродами включен первый усилитель 20, к выходу которого подключен фильтр низкой частоты 21. Выход фильтра 21 соединен с вольтметром 22 и входом «Y» вертикального отклонения луча осциллографа 23.The meter contains a housing consisting of a base 1 on which a vertical strut 2 is mounted, mounted on a strut 2 of the lower movable platform 3 with a device 4 for moving the test sample and mounted on the strut 2 with the possibility of moving along the upper stationary platform 5 having an internal cavity 6 and hole 7. In the inner cavity 6, a membrane 8 is installed, on the upper side of the fixed platform 5 there is a vibrator 9 connected to the sound frequency generator 10. Vibration disk electrodes 11 and 12 of the measuring 13 and auxiliary 14 capacitors are coaxial, facing each other by external surfaces and rigidly mounted on the insulator 15, which is attached to the membrane 8 with the possibility of movement in the hole 7 in the vertical direction. The fixed disk electrode 16 of the measuring capacitor 13, covered by a fixed ring guard electrode 17, is mounted on a fixed base 18 of the device 5 for moving the test sample. The first constant voltage source 19 is connected between the vibrating 11 and the guard 17 electrodes, and the first amplifier 20 is connected between the fixed 16 and the guard 17 electrodes, the low-pass filter 21 is connected to its output. The output of the filter 21 is connected to a voltmeter 22 and a vertical deviation input “Y” oscilloscope beam 23.

Исследуемый плоский образец 24 размещается в зазоре измерительного конденсатора 13 на столике 25. Резьбовое соединение столика с гайкой 26 позволяет вращением гайки перемещать образец в направлении оси конденсатора, изменяя зазор между образцом 24 и электродом 16. Закрепленные на основании 18 электроды 16 и 17, могут перемещаться, благодаря скользящей втулке 27, вместе с образцом 24 вдоль оси конденсатора 13, с изменением зазора между электродами 11 и 18 без изменения зазора между электродом 16 и образцом 24.The investigated flat sample 24 is placed in the gap of the measuring capacitor 13 on the stage 25. The threaded connection of the stage with the nut 26 allows the nut to rotate to move the sample in the direction of the axis of the capacitor, changing the gap between the sample 24 and the electrode 16. The electrodes 16 and 17 fixed to the base 18 can move due to the sliding sleeve 27, together with the sample 24 along the axis of the capacitor 13, with a change in the gap between the electrodes 11 and 18 without changing the gap between the electrode 16 and the sample 24.

На нижней стороне неподвижной платформы 5 соосно с подвижным электродом 12 установлен неподвижный электрод 27 вспомогательного конденсатора 14. Второй усилитель 30 вместе с последовательно соединенным вторым источником 29 постоянного напряжения включен между электродами 12 и 27 вспомогательного вибрационного конденсатора 14. Выход усилителя 30 соединен с входом внешней синхронизации горизонтальной развертки луча осциллографа. Вибрационные электроды 11 и 12 механически жестко соединены изолятором 15 с мембраной 8.On the lower side of the fixed platform 5, coaxial with the auxiliary electrode 12 is mounted coaxially with the auxiliary capacitor 14. The second amplifier 30, together with the second DC voltage source 29 connected in series, is connected between the electrodes 12 and 27 of the auxiliary vibration capacitor 14. The output of the amplifier 30 is connected to the external synchronization input horizontal sweep of the oscilloscope beam. Vibration electrodes 11 and 12 are mechanically rigidly connected by an insulator 15 to the membrane 8.

Мембрана представляет тонкую пластину, выполненную из упругого магнитомягкого ферромагнетика, и является якорем электромагнита вибратора 9, от которого отделена небольшим воздушным зазором. Электрическое напряжение от генератора звуковой частоты 10 подается на обмотку, находящуюся внутри сердечника электромагнита.The membrane is a thin plate made of an elastic magnetically soft ferromagnet, and is the anchor of the electromagnet of the vibrator 9, from which it is separated by a small air gap. The electrical voltage from the audio frequency generator 10 is supplied to the winding located inside the core of the electromagnet.

Вибрационный конденсатор расположен в экранирующем корпусе, который на рисунке не показан. Не показаны также соединительные элементы конструкции измерителя.The vibration condenser is located in a shielding case, which is not shown in the figure. The connecting elements of the meter construction are also not shown.

Методики определения параметров остаточного заряжения в плоских диэлектриках рассмотрены в патенте RU №2298199 (МПК G 01 R 29/24, 2007).Methods for determining the parameters of the residual charge in flat dielectrics are discussed in patent RU No. 2298199 (IPC G 01 R 29/24, 2007).

Работает измеритель следующим образом.The meter operates as follows.

Исходную осциллограмму тока в цепи измерительного вибрационного конденсатора 13 наблюдают при пустом зазоре конденсатора. Для трех состояний образца наблюдают формы осциллограмм тока вибрационного конденсатора и измеряют вольтметром 22 переменные напряжения U₀₁, U₀₂ и U_U1. Здесь U₀₁ - показания вольтметра при нулевом постоянном напряжении на вибрационном измерительном конденсаторе и величине зазора l₁ между образцом и электродом 16, U₀₂ - показания вольтметра при нулевом постоянном напряжении и величине зазора l₂, U_U1 - показания вольтметра при величине зазора l₁ и постоянном напряжении U₀, подаваемым от источника 19.The initial current waveform in the circuit of the measuring vibrational capacitor 13 is observed with an empty capacitor gap. For three states of the sample, the waveforms of the current of the vibrational capacitor are observed and the alternating voltage U ₀₁ , U ₀₂ and U _U1 are measured with a voltmeter 22. Here, U ₀₁ is the voltmeter reading at zero constant voltage at the vibration measuring capacitor and the gap value l ₁ between the sample and the electrode 16, U ₀₂ is the voltmeter reading at zero constant voltage and the gap value is l ₂ , U _U1 is the voltmeter reading at the gap value l ₁ and a constant voltage U ₀ supplied from the source 19.

Если какая-то из наблюдаемых осциллограмм колебаний U₀₁ U₀₂ или U_U1 противофазна исходной осциллограмме, то при вычислениях, согласно (RU №2298199), значения U₀₁, U₀₂ или U_U1 нужно брать отрицательными.If any of the observed oscillograms of oscillations of U ₀₁ U ₀₂ or U _{U1 is out of} phase with the original oscillogram, then in the calculations, according to (RU No. 2298199), the values of U ₀₁ , U ₀₂ or U _U1 must be taken negative.

Среднее положение

распределенного в образце заряда, отсчитываемое от поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду 16, вычисляют по формулеMiddle position

distributed in the sample charge, measured from the surface of the sample facing the stationary electrode 16, is calculated by the formula

.

Поверхностную плотность реального заряда образца σ_r вычисляют по формулеThe surface density of the real charge of the sample σ _{r is} calculated by the formula

.

Поверхностную плотность эффективного заряда σ_L, приведенную к поверхности образца, обращенной к вибрационному электроду 11, вычисляют по формулеThe surface density of the effective charge σ _L , reduced to the surface of the sample facing the vibrating electrode 11, is calculated by the formula

.

Поверхностную плотность эффективного заряда σ₀, приведенную к поверхности образца, обращенной к неподвижному электроду 16, вычисляют по формулеThe surface density of the effective charge σ ₀ , reduced to the surface of the sample facing the stationary electrode 16, is calculated by the formula

σ₀=σ_r-σ_L.σ ₀ = σ _r -σ _L.

Здесь ε₀=8,86·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная, Δl=l₂-l₁ - величина перемещения образца из первого положения l₁ во второе l₂, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала образца.Here ε ₀ = 8.86 · 10 ^-12 F / m is the electric constant, Δl = l ₂ -l ₁ is the displacement of the sample from the first position l ₁ to the second l ₂ , ε is the relative dielectric constant of the sample material.

Из вышеприведенных вычислительных формул следует, что для определения величин

, σ_l, σ₀ необходимо знать значение относительной диэлектрической проницаемости ε материала испытуемого образца. Данный измеритель позволяет определить величину ε. На фиг.2 показана принципиальная схема измерений ε, реализующая методику патента RU №2303787 (МПК G01R 27/26, 27.07.07). Цифровые обозначения на фиг.2 те же, что и на фиг.1. К электродам 11 и 16 измерительного конденсатора 13 вместо источника 19 постоянного напряжения (фиг.1.) подключен генератор 10 звуковой частоты. Вольтметром 22 измеряются два напряжения: в первом случае U₁ - при наличии образца в зазоре конденсатора и во втором случае U₂ - после удаления образца из зазора. В обоих случаях величина зазора остается неизменной и равной толщинеFrom the above computational formulas it follows that to determine the quantities

, σ _l , σ ₀ it is necessary to know the value of the relative dielectric constant ε of the material of the test sample. This meter allows you to determine the value of ε. Figure 2 shows a schematic diagram of measurements of ε, which implements the methodology of patent RU No. 2303787 (IPC G01R 27/26, 07.27.07). Digital designations in figure 2 are the same as in figure 1. To the

electrodes

11 and 16 of the measuring capacitor 13, instead of a constant voltage source 19 (Fig. 1.), an audio frequency generator 10 is connected. Voltmeter 22 measures two voltages: in the first case, U ₁ - in the presence of a sample in the capacitor gap, and in the second case, U ₂ - after removing the sample from the gap. In both cases, the gap value remains unchanged and equal to the thickness

образца. Величину В вычисляют по формуле ε=U₁/ U₂.sample. The value of B is calculated by the formula ε = U ₁ / U ₂ .

Claims

1. The meter of residual electricity of dielectric materials includes measuring and auxiliary vibrational capacitors included in the circuit of each capacitor, respectively, the first and second DC voltage sources and the first and second AC amplifiers, a vibrator, an AC voltmeter and an oscilloscope, characterized in that it has a housing consisting from the base on which the vertical strut is mounted, the upper fixed platform mounted on the strut, and the lower movable platform with the device To move the test sample and having an internal cavity and a hole, a membrane is installed in the internal cavity, a vibrator is placed on the upper platform connected to the sound frequency generator, the vibration disk electrodes of both capacitors are aligned, facing each other by external surfaces and rigidly fixed to the insulator, which attached to the membrane with the ability to move the vibration electrodes in the direction of the axis of the capacitors, a fixed disk electrode of the measuring capacitor, about pumped by a stationary ring electrode, mounted on a fixed base of the device for moving the test sample, a first DC voltage source is connected between the vibration and guard electrodes, and a first amplifier is connected between the stationary and ring electrodes, the low-frequency filter is connected to the output, the filter output is connected to a voltmeter and the input of the vertical deflection of the oscilloscope beam, between the electrodes of the second capacitor, a second constant source connected in series voltage and a second AC amplifier, the output of which is connected to the external synchronization input of the horizontal scan of the oscilloscope beam.

2. The meter according to claim 1, characterized in that the device for moving the sample consists of a table for installing the sample, mounted on a fixed base with the ability to move in the vertical direction using the adjusting nut.