Измерительные преобразователи параметров электростатических полей и заряженных дисперсных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность проблемы. С ускорением научно-технического прогресса возрастают масштабы применения электростатических полей и заряженных дисперсных материалов. Необходимость в этом ощущается во многих отраслях науки и техники. Диапазон изменения потенциалов электрических полей, применяемых в настоящее время, весьма широк. Потенциал поля коронирующего на воздухе электрода может достигать сотен киловольт, а меняющиеся в ходе медико-биологических экспериментов клеточные потенциалы составляют единицы микровольт. В физике ощущается необходимость в регистрации сверхслабых электростатических полей, например, при поисках дробных элементарных зарядов, а в космической области нужны приборы, позволяющие проводить исследование полей в условиях плазмы газового разряда.

Сильные электростатические поля с каждым годом все шире применяются в технологических процессах промышленности и сельского хозяйства. Электрические поля используются при окрашивании и нанесении покрытий, при распылении и улавливании аэрозолей, при электростатической сепарации и электрофлокировании; во всех этих процессах, получивших название электронно-ионных технологий, используется взаимодействие электрических полей и заряженных дисперсных материалов. В связи с этим приобретают большое значение проблемы, связанные с разработкой новых средств для получения информации о параметрах электростатических полей, характеристиках электризации материалов и зарядовых характеристиках дисперсных частиц.

В России исследования измерительных преобразователей (ИП) параметров электростатических полей начались с основополагающих работ Г.В. Рихмана, разработавшего и применившего первый в мире электрометр (1744 г.). В настоящее время этой теме посвящены работы В.С. Александрова, М.С. Векслера, П.А. Гефтера, Л.Г. Гросса, В.С. Журавлева, А.М. Илюковича, К.Л. Куликовского, В.А. Мондрусова, В.А. Прянишникова, Я.М. Шварца, и др. За рубежом аналогичные исследования проводили Дж. Н. Чабб, П.Э. Секер, Ё. Сайто и др.

Первые конструкции динамических индукционных преобразователей (ДИП) были разработаны в 1937 г. для измерения сверхвысоких мегавольтных напряжений, вырабатываемых электростатическими генераторами. В России приоритет создания ДИП для исследования вариаций электрического поля на земле и в атмосфере принадлежит коллективу ученых, работавших под руководством И.М. Имянитова. Ими же были разработаны приборы, устанавливавшиеся на борту первых космических аппаратов.

Наибольшего развития техника электростатических измерений достигла в последние десятилетия, что связано с появлением дешевых операционных усилителей с высоким входным сопротивлением, чувствительных элементов Холла и качественных модуляторов на полевых транзисторах. В настоящее время наиболее известными зарубежными фирмами-производителями измерителей параметров электростатических полей являются Keithley Instruments, Pitman Instruments, Sallivan (Великобритания), Дзюннити дэнки (Япония), Prostat Corp. (США), Элтекс-Электростатик (Германия) и др.

Систематические исследования взаимодействия заряженных дисперсных частиц и сильных электрических полей начались в середине 60-х годов под руководством академика В.И. Попкова. Для этих целей разрабатывались и применялись ИП зарядов дисперсных частиц. Большой вклад в разработку ИП зарядов аэрозолей внесен коллективом лаборатории электроаэрозолей Тартуского государственного университета (г. Тарту) под руководством Х. Таммета.

В связи с повышением актуальности вопросов охраны окружающей среды важное значение приобретает задача создания новых эффективных приборов контроля и анализа аэрозолей как загрязнителей воздуха. ИП, основанные на измерении электрических свойств частиц, обладают тем значительным преимуществом, что позволяют быстро и качественно проводить исследование аэрозолей in sity, без осаждения частиц на подложку.

Практическое значение электростатических измерений и испытаний материалов на электризуемость постоянно растет. При этом возрастают также и требования к точности и чувствительности измерительных преобразователей электростатических полей и малых зарядов. Многие из существующих в настоящее время ИП в полном объеме не удовлетворяют требованиям промышленности. Так, широко применяющиеся электронно-вакуумные и статические ИП не позволяют производить длительных измерений в изменяющихся полях, а пондеромоторные и ряд других ИП обладают малой чувствительностью.

В настоящее время наиболее перспективным является использование ДИП, позволяющих производить длительные измерения и свободных от целого ряда недостатков, присущих другим способам преобразования. Вместе с тем существующие ДИП характеризуются недостаточной чувствительностью ко входному сигналу, малой помехозащищенностью, недостаточной надежностью за счет использования скользящих контактов и относительно высокой потребляемой мощностью, что препятствует расширению масштабов их применения.

Периодическое изменение рабочей площади измерительного электрода, свойственное ДИП с вращающимся диском, является значительным недостатком при проведении измерений в условиях ионизирующих излучений и в плазме. Возникающие при этом токи помехи промодулированы с частотой модуляции полезного сигнала и влияют на работу прибора. Такие условия характерны для проведения измерений в области космического пространства.

Таким образом, задача совершенствования ДИП и создания образцов приборов, полностью удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к современным ИП параметров электростатических полей и малых зарядов, остается нерешенной, вследствие чего проведение исследований в этом направлении является актуальным и составляет одну из важных проблем современной измерительной техники. Для получения зарядовых характеристик аэрозолей перспективными являются электрооптические преобразователи (ЭОП).

Важной задачей является также разработка ИП для получения новой измерительной информации, в частности о значении удельного заряда статического электричества в потоке жидкости или аэрозолей, о значении суммарного электростатического заряда, поступающего с жидкостью при перекачке в технологический аппарат, а также о наличии и величине жесткого и наведенного дипольных моментов у аэродисперсных частиц.

Данная работа является изложением разработанных автором научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволяет получить как средства измерения электростатических полей и зарядов аэродисперсных систем, так и устройства на их основе с характеристиками, удовлетворяющими современным техническим требованиям и тем самым внести значительный вклад в развитие ряда отраслей экономики, использующих электрические поля. Работа выполнялась в течение многих лет на кафедре физической электроники и на кафедре статистической радиофизики и связи Башкирского госуниверситета.

Целью данной работы является создание и исследование ИП параметров электростатических полей и малых зарядов аэродисперсных систем, обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, внедрение которых позволит значительно улучшить качество измерений и сократить затраты на эксплуатацию широкого класса измерительной аппаратуры, использующейся в системах управления процессами электронно-ионной технологии и в системах экологического мониторинга.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

- системный анализ существующих отечественных и зарубежных конструкций ИП, применяемых для измерения параметров электростатических полей и зарядов дисперсных частиц; создание классификации типов существующих конструкций ИП и выявление влияющих факторов, ограничивающих метрологические характеристики;

- поиск путей повышения чувствительности и помехозащищенности существующих конструкций ИП на основе проведенного анализа;

- разработка и обоснование принципов построения инвариантных средств измерения параметров электростатических полей и зарядов, обладающих повышенными метрологическими свойствами;

- разработка новых высокоэффективных технических решений и развитие научно обоснованных методов их анализа и расчета на основе применения современных положений системотехники;

- разработка и создание математических моделей ИП, получение путем моделирования их параметров и технических характеристик, выработка рекомендаций для проектирования ИП;

- экспериментальное исследование параметров и технических характеристик предлагаемых ИП, а также физических закономерностей протекающих в них процессов;

- экспериментальное исследование предлагаемых средств измерений в лаборатории и проведение испытаний в реальных условиях эксплуатации;

- внедрение полученных результатов в научно-исследовательскую практику и промышленное производство.

Методы исследования.

В работе использовались эмпирические и теоретические методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретического анализа с последующим конструированием и изготовлением экспериментальных образцов ИП и созданных на их основе измерителей параметров электростатических полей и зарядов, после чего проводились исследования электрических свойств модельных образцов. Параметры ИП проверялись на стендах и в производственных условиях.

При решении поставленных задач использовались экспериментальные данные, классические разделы математического анализа, известные положения теории электрических цепей и теории электромагнитного поля, теоретической механики, оптики, теории переноса излучения, а также методы компьютерного математического моделирования в среде пакетов SpectrAn, Matlab и Electronics Workbench. Проверка основных выводов проводилась посредством натурных экспериментов.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- исследованы варианты построения схем и приборов для получения измерительной информации о параметрах электростатических полей и заряженных объектов, составлена классификация и определены пути совершенствования ИП параметров электростатических полей и заряженных объектов;

разработаны и исследованы дифференциальные ДИП (ДДИП) параметров электростатических полей [18]; показано, что их применение позволяет вдвое увеличить коэффициент преобразования ИП и до 106 раз снизить уровень синфазных помех, а также повысить чувствительность измерений в условиях промышленных помех; показана возможность применения таких ИП в полях, создаваемых заряженными плоскими и линейными образцами, а также жидкими средами; показана возможность получения измерительной информации об изменениях значений удельного и объемного зарядов в аэродисперсных системах;

исследованы на модели спектры выходного сигнала ДДИП параметров электростатических полей; показана зависимость спектрального состава сигнала от геометрии и скорости вращения модулятора поля; показана возможность использования кратных гармоник сигнала (примерно до 20-ой) для переноса полезного сигнала ИП в более высокочастотную область спектра;

разработаны и исследованы ДИП параметров электро-статических полей на основе резонансной системы - камертонного модулятора поля, характеризующиеся высокой стабильностью частоты модуляции сигнала (до 10-3 Гц), и малой потребляемой мощностью (до 0,2 Вт); показано, что использование ДИП совместно с резонансными цепями позволяет повысить коэффициент преобразования ИП до 38 дБ [17];

разработаны и исследованы многопараметрические ДИП на основе крыла, колеблющегося в потоке жидкости или газа, позволяющие получать информацию об изменении удельного заряда статического электричества в протекающей жидкости и о значениях скорости потока и расхода жидкости при перекачке, а также о значении суммарного электростатического заряда, поступающего с жидкостью в технологический аппарат [19];

разработан и исследован в потоке электрически заряженных модельных аэрозолей ЭОП рассеянного света (ЭОПРС), выполненный по схеме малоуглового рассеяния света (0ч12°); показана возможность использования таких ИП для определения фактора формы аэрозолей [14];

- экспериментально получены и исследованы в потоке электрически заряженных несферических аэрозолей характеристики ЭОПРС, такие как частотные характеристики, интегральные полевые характеристики, полевые характеристики ЭОП по первым, вторым и более высоким гармоникам электрооптического отклика, спектры плотности мощности выходного сигнала ЭОПРС; исследовано влияние электрических факторов на ход характеристик; показано, что полученные спектры и характеристики позволяют детально выяснить характер движения частиц в электрическом поле и такие их электрические свойства, как наличие и величину жесткого и наведенного дипольных моментов [5ч7,16];

- описано и исследовано явление гистерезиса полевой зависимости выходного сигнала ЭОПРС, наблюдаемое в ориентирующих полях при напряженностях 0ч12 кВ/см; показано, что эффект электрооптического гистерезиса вызывается отставанием по фазе вектора ориентации несферических частиц от напряженности поля в ячейке и может быть использован для определения электрических характеристик заряженных дисперсных частиц [11].

Оригинальность разработок и новизна технических решений подтверждена полученными авторскими свидетельствами и патентами России [20ч34].

Практическую ценность имеют:

- полученные в работе экспериментальные данные и технические характеристики разработанных средств измерения параметров электростати-ческих полей и малых зарядов дисперсных частиц;

- рекомендации по проектированию, применению и использованию разработанных средств измерения параметров электростатических полей и малых зарядов дисперсных частиц, обеспечивающие повышение (в 2ч10 раз) чувствительности измерений в условиях промышленных помех за счет увеличения коэффициента преобразования ИП и снижения до 106 раз уровня синфазных помех;

- техническая документация (в виде, принципиальных схем, чертежей, методического обеспечения, алгоритмов и программ) для изготовления и использования разработанных измерительных преобразователей, а также сами экспериментальные образцы этих преобразователей, обеспечивающие лучшие метрологические и эксплуатационные показатели, чем применяемые аналоги.

- установленная закономерность возникновения гистерезиса полевой зависимости электрооптического преобразователя при больших напряженностях ориентирующего поля, представляющая методологическую основу для создания нового типа измерителей электрооптических и электрических характеристик дисперсных частиц.

Применение разработанных и созданных приборов позволяет проводить изучение кинетики процессов заряжения и релаксации зарядов в твердых телах, жидкостях и аэродисперсных системах, производить измерение счетной и массовой концентрации заряженных частиц и изучение электроповерхностных и электрооптических явлений в аэрозольных системах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- воспроизводимостью результатов проведенных исследований;

- хорошей сходимостью теоретических результатов с данными эксперимента и результатами промышленной эксплуатации созданного оборудования, а также с результатами исследований других авторов;

- положительными результатами применения разработанных устройств и систем в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием надежных стандартных алгоритмов, применяемых для анализа и обработки информационных сигналов, достаточным количеством идентичных измерений, применением простых и хорошо апробированных экспериментальных методов, комплексным характером проведенных исследований, ясной физической картиной изученных явлений, хорошо согласующейся с разработанными представлениями физики.

Достоверность новизны технических решений подтверждается полученными патентами РФ и авторскими свидетельствами на изобретения.

Реализация результатов работы. Научные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также практические разработки внедрены и использованы в следующих организациях:

Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев) - Исследования проводились в рамках государственной научно-технической программы (решение комиссии СМ СССР №22 от 20.01.80 г. и решение ВПК №133 от 16.04.86 г.). Разработана серия приборов для измерения параметров электростатических полей, которые использовались для исследования степени электризации полимерных материалов, используемых в интерьере корабля и для измерения степени грозовой опасности в период стартовой готовности. Измерения имеют методическое обеспечение по форме ЗЗУ, разработанное с участием соискателя. НИР: 1) Исследование электростатических характеристик и порога пробоя неметаллических материалов: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Н. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.-60-76; №ГР76058657-Уфа, 1977.-171 с. 2) Определение электрических и электростатических характеристик неметаллических материалов. Разработка методов и нестандартной аппаратуры для измерения электрических свойств материалов: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Науч. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.- 60-80; №ГР 80010318-Уфа, 1982.-150 с. (акты внедрения результатов НИР и ОКР, акты использования изобретений).

НИИ безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка) - измеритель напряженности электростатических полей для исследования электризации угольной пыли (отзыв и акты использования изобретений).

Центральная научно - практическая лаборатория аттестации материалов Черноморского водздравотдела (ЦНПЛАМ ЧВЗО, г. Одесса) - устройство для определения электростатических свойств диэлектрических материалов (акты использования изобретений).

ВНИИ гигиены и токсикологии пестицидов, полимеров и пластмасс (ВНИИГИНТОКС, г. Киев) - измерители поверхностной плотности зарядов диэлектриков и устройства для определения электростатических свойств диэлектрических материалов (акты внедрения результатов НИР и акты использования изобретений).

Стерлитамакский пединститут - установка для исследования электризации полимеров (акты внедрения результатов НИР).

НИИФ СПбГУ (лаборатория физики аэрозолей НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета) - НИР «Разработка и изготовление комплекса приборов для контроля и анализа аэрозольных частиц - загрязнителей воздуха: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Науч. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.-145-93; №ГР 01.9.30010601-Уфа, 1993-73 с.

БАКБП (Башкирская Академия комплексной защиты предпринимательства) - вопросы контроля и использования электростатических полей в практикумах и лекциях по дисциплинам «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» и «Средства технического обеспечения, обработки и передачи информации».

БашГУ (Башкирский государственный университет) - вопросы измерения параметров электростатических полей в лекциях и практикумах по дисциплинам «Теория электрических цепей», «Безопасность жизнедеятельности» и спецкурсу «Физические методы мониторинга окружающей среды», а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

Разработанные с участием автора измерители электростатических полей экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены бронзовой медалью.

Измеритель напряженности электростатического поля ИПЗ нашей конструкции был включен в обязательный перечень аппаратуры, обеспечивающей выполнение стандарта РСТ Казахской ССР 783-87 «Система показателей качества продукции. Строительство. Полы животноводческих помещений. Обеспечение допустимых пределов напряженности электростатического поля на материале покрытия. Метод определения напряженности электростатического поля».

На защиту выносятся:

- результаты системного анализа отечественных и зарубежных ИП параметров электростатических полей и зарядов, созданная на его основе классификация типов существующих конструктивных решений ИП и путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором натурных испытаний;

- созданные и защищенные авторскими свидетельствами и патентами новые ИП и способы измерения параметров электростатических полей и малых зарядов, позволяющие существенно поднять чувствительность измерений, снизить потребляемую мощность и габариты и повысить помехозащищенность ИП;

- разработанные теоретические положения, аппроксимирующие зависимости и математические модели предлагаемых ИП, а также рекомендации по проектированию измерительных приборов на их основе;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований предлагаемых ИП и выполненных на их основе приборов;

- экспериментальные данные, впервые показывающие наличие гистерезиса полевой зависимости выходного сигнала ЭОПРС в аэрозолях.

Апробация работы.

Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения хоздоговорных и инновационных работ, в частности проводимых в рамках межвузовских научно- технических программ Госкомвуза России и научно-исследовательских программ Минобразования России «Университеты России» 1993ч1996 гг. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных форумах:

на I республиканской научно-технической конференции «Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 1982 г.), на III и IV Всесоюзных научно-технических конференциях по защите от вредного влияния статического электричества в народном хозяйстве (г. Северодонецк, 1984 и 1989 г.г.), на ХIV Всесоюзной конференции по физике аэродисперсных систем (г. Одесса,1986 г.), на VI Всесоюзной конференции по горению полимеров и созданию ограниченно горючих материалов (г. Суздаль, 1988 г.), на II Всесоюзном совещании по приборостроению в области коллоидной химии и физико-химической механики (г. Яремча, 1990 г.), на IV межотраслевой научно-технической конференции по электризации (г. Томск, 1990 г.), на Всесоюзной научной конференции по токсикологии и гигиене применения пестицидов и полимерных материалов в народном хозяйстве (г. Киев, 1990 г.), на V научно- технической конференции «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов» (г. Вильнюс, 1991 г.), на научной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (г. Одесса, 1993 г.), во время научной школы-конференции «Вибротехнология -95» (г. Одесса, 1995 г.), на научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)» (г. Москва, 1995 г.), на научной конференции по программе “Университеты России” (г. Уфа, 1995 г.), .на Всероссийской конференции “Информационные и кибернетические системы управления и их элементы”. (г. Уфа, 1995 г.), на научно -техническом семинаре по радиационным эффектам в твердых телах. (г. Севастополь, 1995 г.), на научной конференции по научно -техническим программам Госкомвуза России (г. Уфа, 1996 г.), на II международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), на IХ, X и XI научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Москва - Гурзуф, 1997, 1998 и 1999 г.г.), на международной конференции "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации" (г. Ульяновск, 1999 г.), на VI Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники» (г. Москва, 2001 г.), на III Уральской региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы физического образования на рубеже веков в педагогических вузах» (г. Уфа, 2001 г.), на XLII и XLIV международных научно-технических конференциях «Достижения науки - агропромышленному производству» (г. Челябинск, ЧГАУ, 2003 и 2005 г.г.), на международной научно-практической конференции (к 13 международной специализированной выставке «АГРО-2003» (г. Уфа, 2003 г.), а также на научных семинарах кафедры физической электроники БашГУ и лаборатории физики аэрозолей НИИФ СпБГУ.

преобразователь измерительный электростатический помехозащищенность

1. Состояние проблемы измерения параметров электростатических полей на современном этапе

В настоящее время в стране и за рубежом выпускаются приборы различного назначения и применения, позволяющие проводить измерения параметров электростатических полей в широких диапазон ах значений. В связи с этим возникает задача проведения сравнительного и сопоставительного анализа характеристик приборов, различных по назначению и принципу действия. Несмотря на значительное количество работ по измерению параметров электростатических полей, в настоящее время отсутствует обобщенная классификация таких устройств. В работе предложена классификация измерительных преобразователей параметров электростатических полей, позволяющая лучше ориентироваться среди существующих конструкций, что способствует созданию образцов новой техники.

Выполнен анализ измерителей параметров электростатических полей отечественного и зарубежного производства. Показано, что несмотря на наличие значительного количества разработок устройств для измерения параметров электростатических полей, состояние данной области техники не является удовлетворительным. В первую очередь это относится к отраслям, где необходимо проводить длительные измерения в слабых полях, а также измерения в условиях промышленных помех и измерения в ионизированных средах. В конце главы поставлены задачи исследования.

2. Типы динамических индукционных преобразователей параметров электростатических полей, схемы выполнения ИП

Значительное место уделено рассмотрению методов расчета ИП, позволяющих учесть различные факторы, влияющие на их метрологические свойства.

Для измерения напряженности электростатического поля в первом типе приборов (рис. 1,а-б) применяется ДДИП, использующий принцип модуляции - демодуляции полезного сигнала. Датчик прибора устанавливается в отверстие од т ной из пластин плоского конденсатора. При вращении модулирующего электрода с секторными прорезями, установленного на оси электродвигателя, осуществляется периодическое экранирование приемных электродов датчика, разделенных на две группы и установленных с чередованием секторов.

Использование балансной системы электродов позволяет в два раза увеличить коэффициент преобразования полезного сигнала при одновременном подавлении синфазной помехи во входных цепях дифференциального измерительного усилителя. Поток вектора напряженности Е электростатического поля заряженного образца модулируется заземленным электродом, в результате чего на входе усилителя появляется периодический сигнал, пропорциональный напряженности поля или плотности поверхностного электростатического заряда. Среднее (за полпериода) напряжение, действующее на входе усилителя, определяется по формуле:

, (1)

где S - эффективная площадь измерительной пластины, R - входное сопротивление усилителя, ф/м - диэлектрическая постоянная, f - частота модуляции сигнала.

Рис. 1

На рис. 1,в изображена эквивалентная схема, а на рис. 1,г - принципиальная электрическая схема ДДИП. Межэлектродные емкости, используемые в эквивалентной электрической схеме, на принципиальной схеме обозначены пунктиром и включены между соответствующими электродами прибора.

Показано, что значение коэффициента преобразования ДДИП по напряжению в два раза больше, чем у ДИП и выражается формулой:

. (2)

Проведен анализ процесса подавления синфазных помех в измерителях заряда с дифференциальными датчиками и сделаны оценки коэффициента подавления синфазных помех КП:

, (3)

где Z - соответствующее комплексное сопротивление (рис. 1в). При этом Показано, что вследствие устранения разбаланса входных цепей и использования свойств операционного усилителя, измерители зарядов с ДДИП обладают большими возможностями в подавлении синфазных промышленных помех (103ч106 раз), что обеспечивает высокую чувствительность проводимых измерений.

Рис. 2

На рис. 1,д представлены зависимости передаточных коэффициентов hД от частоты модуляции f, снятые для ДИП и ДДИП при одном значении напряженности поля Е. Зависимость передаточных характеристик ДДИП для различных частот модуляции поля изображена на рис. 1,е.



Рис. 3

С помощью программы SpectrAn проведен спектральный анализ выходного сигнала ДИП с различной геометрией электродов, определяющей закон изменения емкости со временем и спектральный состав выходного сигнала. Имеющиеся в ДИП дополнительные RC-цепи только ослабляют ряд составляющих спектра. На рис. 2,а-б представлены две разновидности модуляторов поля и соответствующие им законы изменения емкости ДИП. Здесь 1 - форма модулирующего, а 2 - форма приемного электродов ДИП. Проанализировано изменение коэффициентов спектрального разложения в зависимости от изменения скважности для наиболее часто используемых треугольных, трапецеидальных и косинусоидальных импульсов зарядового сигнала ДИП. Результаты анализа для трапецеидальных импульсов представлены на рис. 2,в, а для треугольных - на рис. 2,д-е, где бi - весовые коэффициенты соответствующей i - ой гармоники сигнала ДИП.

Из графиков видно, что изменение коэффициентов разложения импульсов в зависимости от их скважности имеет сложный характер. Результаты анализа спектра позволяют выбирать наиболее приемлемые формы модулирующих и приемных электродов с целью проведения регистрации на максимуме одной из гармоник выходного сигнала. На рис. 2,г приведена выборка гармоник для случая косинусоидального сигнала из области второго максимума спектра, положение которого смещается при изменении скважности сигнала Т/ф.

То обстоятельство, что сигнал ДИП имеет линейчатый спектр, состоящий из ряда гармоник, кратных основной частоте модуляции, позволяет проводить регистрацию сигнала на одной из высших гармоник, на частоту которой настраивается контур избирательного усилителя. Это может быть полезным в случае наличия сильных промышленных помех, близких к частоте модуляции. На рис. 3 приведены осциллограммы и спектры сигнала ДИП до и после избирательного усилителя, настроенного на 16 гармонику частоты модуляции. Показано, что при скважности импульсов из диапазона 1ч7 и при треугольной форме импульсов можно использовать для регистрации сигнала до 21 гармоники включительно. У косинусоидальных и трапецеидальных импульсов можно использовать только до 13 гармоники, но значения весовых коэффициентов для соотвествующих гармоник у них выше, чем у треугольных импульсов.

В разработанных ДИП второго типа также используется принцип модуляции-демодуляции полезного сигнала, что позволяет добиться малого дрейфа нуля при высокой разрешающей способности прибора (рис. 7,а). Особенностью этого устройства, позволившей снизить его энергопотребление, является применение резонансной электромеханической системы - камертонного датчика в качестве модулятора электростатического поля ИП. Для определения собственной частоты колебаний f камертонного модулятора используется приближенное выражение:

. (4)

Здесь L - длина ветви камертона, l - ее толщина, с - плотность материала, Е - модуль Юнга плоской пружины.

Камертон включается в схему генератора периодических колебаний в качестве частотнозадающего элемента. Возбуждающая катушка и катушка обратной связи генератора располагаются на магнитопроводах, охватывающих ножку камертона. При включении напряжения питания устанавливается автоколебательный режим работы системы возбуждения колебаний камертона. Вместе с камертоном колеблются и жестко связанные с ним заземленные пластины с прорезями, установленные перед измерительным электродом и осу-ществляющие периодическое экранирование и экспонирование измерительного электрода. При внесении прибора в электростатическое поле заряженного образца в цепи измерительного электрода возникает переменное напряжение, усиливаемое электрометрическим усилителем. Камертон обеспечивает высокую стабильность частоты модуляции сигнала (510-4 Гц). Использование в измерителе селективного усилителя в сочетании с высокостабильным модулятором позволяет повысить отношение сигнал / шум усиленного сигнала и чувствительность измерений. Мощность, необходимая для питания измерителя, не превышает 0,2 Вт, что обеспечивает его портативность и автономность питания. Диапазон измерения плотности объемного заряда - 10-11 10-6 Кл/м. Конструкции ДИП были практически реализованы и внедрены на разных предприятиях.

Рассмотрены методы увеличения коэффициента преобразования ДИП. На модели Electronics Workbench исследованы ДИП с резонансной параметрической цепью на входе. Показано, что использование таких цепей в сочетании с высокостабильным камертонным модулятором позволяет увеличить коэффициент передачи ДИП по напряжению до 38 дб.

Основные результаты опубликованы в [1-2,18,52], новизна подтверждена изобретениями [21-23,27-28].

3. Способы электризации твердых материалов, методы проведения испытаний на электризуемость, основные типы установок для исследования электризации твердых тел и порошков

Рис. 4

Приведены схемы устройства для измерения электростатических свойств полимерных материалов, заряжаемых в коронном разряде. Измерение поверхностного заряда на образце происходит в моменты времени между заряжающими импульсами высокого напряжения, что дает возможность получать более полную и точную информацию о процессах заряжения и разряжения материала (рис. 4,а). Рассмотрена схема устройства для измерения электростатических свойств полимеров, заряжаемых методом трения качения.

Предложена созданная на основе ДИП с дифференциальным балансным датчиком схема измерителя плотности электростатического заряда на линейных объектах (нитях), обладающая повышенной чувствительностью и помехо-защищенностью (рис. 4,б).

Линейная плотность электрического заряда , которая характеризует электростатические свойства исследуемой нити, связана с потенциалом ц на ней следующим выражением:

. (5)

Здесь r1 - радиус нити; r2 - радиус приемных электродов прибора, расположенных на цилиндрической поверхности; 0 - диэлектрическая постоянная.

Рассмотрена схема измерителя электростатических потенциалов с частотным датчиком и передачей показаний по волоконной линии связи. Измеряемый потенциал меняет частоту сигнала, вырабатываемого датчиком; получаемый при этом сигнал легко вводится в ЭВМ и удобен для передачи на большие расстояния (рис. 4,в). Описана схема устройства для измерения энергии электростатических разрядов, возникающих в процессе электризации образца методом трения качения или с помощью коронного разряда. Содержание раздела изложено в работах [8,10,36,42,44,45,54], новизна предложенных методов подтверждена изобретениями [24-26,29].

Во втором разделе главы рассмотрены способы измерения зарядов и токов электризации жидкости, а также методы проведения испытаний жидкости на электризуемость. Утверждается, что наряду с новыми измерителями заряда нужна разработка устройств для возбуждения (генерации) контролируемой электризации в жидкости, использующих основные механизмы электризации. Показано, что измерение электризации жидкости может проводиться как на постоянном, так и на переменном токе с использованием метода модуляции, при этом измерения на постоянном токе менее чувствительны и чаще используются там, где происходит накопление значительных зарядов статического электричества.

Описана созданная на основе ДИП с дифференциальным балансным датчиком схема измерителя объемной плотности зарядов в протекающей жидкости (рис. 4,г), обладающая повышенной чувствительностью и помехозащищенностью.

Предложен способ построения измерителей заряда статического электричества на основе крыла, колеблющегося в потоке протекающей жидкости.

Приведены соотношения для нахождения напряжения на выходе емкостного преобразователя, созданного на основе колеблющегося крыла, через угол отклонения крыла от среднего положения и ток электризации. Рассмотрена задача об изменении емкости ДС конденсатора, образованного нанесенными на плоские поверхности крыльев электродами длиной b, в результате отклонения колеблющегося крыла на некоторый угол и относительно плоскости неподвижного крыла. Получено, что:

, (6)

где L - ширина электрода конденсатора; - угол поворота колеблющегося крыла; М - максимальное значение угла поворота крыла; 0 - расстояние между крыльями в положении, когда электроды параллельны; 0 - диэлектрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость жидкости в межэлектродном пространстве; С0 - среднее значение изменяющейся емкости (при =0). За время колебания крыла напряжение на конденсаторе меняется на величину ДU, где Q - заряд конденсатора:

. (7)

Приводятся схемы ДИП заряда статического электричества на основе колеблющегося крыла с использованием синхронного детектирования сигнала и с применением пикового детектора. Доказывается, что применение ДИП заряда на основе колеблющегося крыла позволяет повысить точность результатов измерения суммарного заряда, поступающего в технологический аппарат вместе с перерабатываемой средой за определенное время в условиях изменяющихся напора, скорости налива и степени электризации.

Показано, что применение подобных приборов позволяет повысить информативность проводимых измерений за счет получения возможности регистрировать с помощью одного прибора не только величину удельного заряда статического электричества в протекающей жидкости, но и значения расхода и скорости потока жидкости, а также значение суммарного электрического заряда, поступающего с жидкостью в аппарат.

Содержание раздела изложено в [19,34], новизна методов подтверждена изобретениями [28,32].

В третьем разделе главы приводятся некоторые примеры применения разработанных измерителей параметров электростатических полей.

Рассматривается система управления нейтрализатором зарядов статического электричества, которая содержит измеритель напряжённости электростатического поля, выполненный по схеме ДИП с аналоговым выходом. Выходной сигнал измерителя управляет работой источника питания высоковольтного нейтрализатора постоянного напряжения. Типоразмер нейтрализатора выбирается, исходя из линейной плотности ионного тока IU, которую он может обеспечить, и скорости движения V нейтрализуемого материала:

, (8)

где - кратность снижения начального заряда, К - эмпирический коэффициент, зависящий от расположения нейтрализатора относительно заземленных частей оборудования.

Рис. 5

Приведены варианты структурных схем нейтрализаторов, реагирующих на изменение уровня и знака нейтрализуемого заряда. Порог поверхностной плотности зарядов, начиная с которого нейтрализатор автоматически включается в работу, задаётся регулировкой коэффициента усиления. Нейтрализатор эффективно работает вплоть до плотностей заряда порядка 10 -13 Кл /см 2.

Описывается измеритель времени релаксации зарядов, входящий в состав измерителя напряжённости электростатического поля, общий вид которого приведен на рис. 6. Постоянную времени релаксации определяют, измеряя интервал времени , где моменту t1 соответствует напряжение U1, пропорциональное максимальной величине электростатического заряда в момент начала процесса разряжения, моменту времени t2 - напряжение U1/ve а моменту времени t3 - напряжение U1/e. Для экспоненциальной релаксационной кривой выполняется соотношение: ; Устройство позволяет измерять время релаксации заряда в интервале времен 0,1104с с погрешностью не хуже 3%.

Рис. 6

Приведены структурные и принципиальные схемы координатно-чувствительных измерителей положения заряженных объектов, которые предназначены для регистрации линейных перемещений заряженных тел и могут использоваться в устройствах автоматического регулирования и контроля, следящих и самонаводящихся электронных системах и т.д. Разработанные измерители положения пригодны как для однокоординатного, так и для двух- или трехкоординатного применения. В первом случае величина и знак выходного сигнала, снимаемого с двухэлектродного ИП электрического поля, однозначно определяются местоположением заряженного объекта, движущегося вдоль направления, параллельного линии, соединяющей эти электроды. Во втором случае ИП содержит две пары приемных электродов, при этом величина и знак сигналов, снимаемых с диаметрально противоположных пар электродов, однозначно определяются смещением заряженного объекта относительно центра базовой площадки измерителя. В этом случае на поверхности базовой площадки существует единственная расположенная в центре симметрии точка, при нахождении над которой заряженного объекта измеритель будет давать нулевые показания по обеим координатам. В окрестностях этой точки вольт-координатная характеристика прибора будет линейной. Трехкоординатный измеритель содержит три пары приемных электродов 4, при этом попарно работают ИП, размещенные на пересечении соответствующих координатных осей с поверхностью сферы, ограничивающей контролируемое пространство (рис. 6). Использование стробоскопических детекторов позволяет повысить чувствительность измерений и проводить измерения слабого сигнала на фоне сильных помех и собственных шумов усилительного тракта.

Рассматривается устройство для регулирования потенциала космического корабля. При полетах на больших высотах, где концентрация ионов мала, космический аппарат заряжается положительно за счет фотоэлектрического эффекта, а при работе электростатических ракетных двигателей на корпусе аппарата возникают значительные отрицательные потенциалы. Заряжение космического аппарата вызывает целый ряд нежелательных последствий. Описываемое автоматическое устройство работает в импульсном режиме, оно создано на базе автоэмиссионной электронной пушки и предназначено для выравнивания электрического потенциала космического аппарата. Поле электрических зарядов воздействует на ДИП напряженности поля, размещенные на диаметрально противоположных сторонах аппарата. С помощью преобразователя напряжение-частота, сигнал, поступающий с ДИП, преобразуется в серию одинаковых импульсов, частота следования которых пропорциональна напряженности поля. Электронная пушка работает в импульсном режиме, генерируя пучки электронов, выравнивающие конфигурацию облака электронов вокруг корабля и снижающие разность электрических потенциалов между спутником и окружающим пространством.

Рассматривается измерительное устройство, используемое при изучении воздействия статического электричествa на человека. Устройство имеет несколько дискретных выходов (да-нет), что позволяет включать и отключать регистраторы времени, запускать технологическую аппаратуру или систему нейтрализации заряда, подавать световой или звуковой сигнал в момент достижения электростатическим полем определенного значения, а также измерять время экспозиции поля заданной напряженности.

Содержание раздела изложено в [3,36,38,53], новизна предложенных методов подтверждена изобретениями [20,34].

4. Методы электризации аэрозольных частиц, в том числе механизмы зарядки частиц за счет столкновения с ионами и ионными кластерами, такие, как метод униполярной диффузионной зарядки аэрозолей и метод ударной зарядки аэрозолей в электрическом поле, связь получаемого частицей заряда и ее радиуса особенности зарядки несферических аэрозольных частиц

Рис. 7

Приведена классификация методов и приборов для измерения зарядов на дисперсных частицах, рассмотрены основные методы измерения распределения зарядов на частицах, описано устройство для зарядки аэрозольных частиц.

Показано, что к настоящему времени разработан ряд методов и приборов, пригодных для измерения малых электростатических зарядов, многие из которых применяются для измерения зарядов дисперсных сред. Однако в целом эти методы обладают рядом недостатков, которые препятствуют их широкому использованию в аэрозольных измерениях, и поэтому требуют доработки.

Обоснована необходимость использования ДДИП для повышения чувствительности измерений и подавления синфазных помех в измерителях зарядов аэрозолей. Рассмотрены схемы устройств для измерения объемного заряда аэрозольных частиц с ДИП и модулятором на основе резонансной колебательной системы (рис. 7,а). Описанные приборы позволяют непрерывно определять знак и измерять значение заряда аэродисперсных систем. Способ измерения плотности объемного заряда аэрозолей заключается в определении напряженности E электростатического поля у одной из пластин плоского конденсатора, помещенного в исследуемую среду, при этом обкладки конденсатора заземляются, а сам он помещается в пылевое облако. Средняя плотность объемного заряда внутри конденсатора и напряженность поля E у его пластины связаны выражением: , где h - расстояние между пластинами конденсатора, - диэлектрическая проницаемость среды.

Предложена схема (рис. 7,б) измерителя удельной плотности электро-статического заряда аэрозольных частиц, представляющая собой сочетание двухлучевой абсорбционной фотометрической системы и ДИП, что позволяет определять среднее значение заряда, приходящееся на одну аэрозольную частицу.

Рассмотрены схемы анализаторов электрических подвижностей аэрозолей. Предложена схема прибора, состоящая из секционированного аспирационного конденсатора, емкостного коммутатора и ДИП. Показано, что введение в схему анализатора новых элементов позволяет автоматизировать процесс измерения спектрального распределения аэрозольных частиц и в 3 раза повысить точность получаемого распределения частиц по электрическим подвижностям при наличии одного канала усиления по переменному току. Содержание главы изложено в [4,12,15,17,39,41,49-50], новизна методов подтверждена изобретением [30].

5. Анализ экспериментальных работ по изучению светорассеяния ориентированными под действием внешнего поля комплексами несферических коллоидных частиц и критический обзор теоретических работ, рассматривающих процессы ориентации частиц и возникновения анизотропий коэффициентов рассеяния света в ориентированных системах

Анализ этих материалов приводит к выводу, что электрооптические свойства аэрозолей как в экспериментальном, так и в теоретическом плане изучены недостаточно полно, и постановка задачи исследований, сформулированная во введении, является оправданной. Приводится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению рассеяния света несферическими частицами, а также частицами, ориентированными ламинарным потоком и электрическим полем.

Рис. 8

Приведено описание экспериментальной установки для исследования характеристик ЭОПРС, приведены ее схемы и параметры (рис. 8). Центральным элементом ЭОПРС является электрооптическая ячейка, внутри которой размещены плоскопараллельные электроды 3, соединенные с генератором высоковольтных импульсов 8. Модельные аэрозоли протягиваются через ячейку в виде струи. Световой поток от источника 1 проходит через ЭОПРС под углом 45 или 90 к направлению светового пучка, рассеивается аэрозольной системой и попадает в фотоумножитель (ФЭУ) 5. Сигнал с выхода ФЭУ обрабатывается с помощью микро-ЭВМ, позволяющей производить спектральный анализ сигнала электрооптического светорассеяния в диапазоне частот 210-2 2104 Гц. При подаче импульсов ориентирующего поля на электроды ЭОП с высоковольтного генератора осуществляется периодическая ориентация аэродисперсных частиц в электрическом поле, зависящая как от параметров поля, так и от физико-химических характеристик аэрозолей, при этом возникают периодические изменения пространственного распределения рассеянного частицами света. Описаны методы заряжения аэрозолей и измерительно-вычислительный комплекс для исследования спектральных характеристик сигнала ЭОПРС.

Дается описание ЭОПРС, выполненного по схеме малоуглового рассеяния света, с помощью которого получены малоугловые индикатрисы рассеяния света на несферических частицах, соответствующие максимальному и минимальному сечениям рассеяния. Предложен метод определения коэффициента формы частиц.

Коммутация высокого напряжения на обкладках ячейки ЭОПРС вызывает переход от неориентированной аэрозольная системы к ориентированной. В этом поле частица поляризуется и на нее начинает действовать механический момент сил, разворачивающий частицу по направлению поля. Происходит так называемый процесс электрического ориентирования частицы. На рис. 9,а изображены силы, действующие на эллипсоидальную частицу, находящуюся в электрическом поле.

Нарастание электрооптического отклика при наложении электрического поля позволяет определить соотношение постоянного и индуцированного дипольных моментов частиц. По спаду электрооптического эффекта измерены значения коэффициента вращательной диффузии аэрозольных частиц D (рис. 9,б). На рис. 9,в изображены зависимости времени полуспада сигнала и коэффициента вращательной диффузии от напряженности ориентирующего поля. Из графика видно, что увеличение поля от 1 до 5 кВ/см приводит почти к семикратному уменьшению значения времени полуспада электрооптического отклика. Приводятся результаты исследования характеристик ЭОПРС для случая модельной системы аэрозолей. На рис. 9,г изображена характерная зависимость выходного сигнала ЭОПРС (для заряженных и электрически нейтральных частиц) снятая при изменении напряженности ориентирующего поля.

Представлены экспериментальные результаты по влиянию величины и знака заряда аэрозолей на электрооптический отклик ЭОПРС. Показано, что зарядовые зависимости электрооптического отклика несимметричны относительно знака заряда аэрозолей. Для модельных частиц хлорида аммония величина фотоотклика увеличивается при положительном заряде и уменьшается при отрицательном. Эффект выражен тем ярче, чем больший заряд приобретают частицы, однако в то время как уменьшение фотоотклика может происходить почти до нуля, увеличение его имеет явно выраженный предел. Обсуждены возможности статистических методов анализа случайных процессов применительно к электрооптическому рассеянию света аэрозольными частицами. Исследованы спектры мощности сигналов электрооптического светорассеяния для заряженных и нейтральных аэрозолей, а также для аэрозольных систем, образующихся в результате процесса ассоциации частиц, происходящего под влиянием электрических полей и адсорбционной коагуляции аэрозолей. Содержание главы изложено в [5-7,13,14,44,47,48], новизна подтверждена изобретением [32].



Рис. 9

6. Результаты экспериментальных исследований низкочастотной динамики электрооптического светорассеяния, индуцируемого переменным электрическим полем в системе аэродисперсных частиц, проходящих через ЭОПРС

Описана установка для получения и исследoвания характеристик сигнала электрooптическoгo рассеяния света на несферических аэрозолях.

На основе графика полевой зависимости электрооптического эффекта путем графического дифференцирования построены зависимости для полной и дифференциальной крутизны электрооптического эффекта от напряженности электрического поля (рис. 10,а). Установлено, что зависимость возникающего в сильных переменных электрических полях эффекта электрооптического светорассеяния в аэрозолях от напряженности электрического поля в ЭОП можно изобразить в виде петли гистерезиса электрооптического эффекта (рис. 10,б-в).

...