Измерительные преобразователи параметров электростатических полей и заряженных дисперсных материалов

Показано, что для периодически меняющегося по гармоническому закону электрического поля зависимость возникающего при этом электрооптического светорассеяния в аэрозолях от напряженности электрического поля в ячейке Е(I) имеет вид системы двух замкнутых полупетель абвгбда, - своеобразной баттерфляй-петли гистерезиса электрооптического эффекта. Гистерезис электрооптического светорассеяния в аэрозолях вызывается отставанием по фазе ориентации несферических частиц от напряженности поля в ЭОПРС, в связи с чем направление вектора ориентации частицы в каждый момент времени является результатом его предыстории. Гистерезисные явления наиболее ярко проявляются при насыщении эффекта, поэтому гистерезисная петля, полученная при этих условиях, соответствует предельному циклу электрооптического эффекта.

Рис. 10

Для характеристики формы предельной петли гистерезиса электрооптического отклика ЭОПРС применены значения коэффициентов выпуклости и прямоугольности петли гистерезиса. Коэффициент выпуклости г электрооптического отклика определен как (рис. 10,в):

. (9)

Коэффициент прямоугольности предельной петли гистерезиса электрооптического отклика выражается формулой:

. (10)

Cпинку петли гистерезиса электрооптического отклика (рис. 11в) можно аппроксимировать отрезком прямоугольной гиперболы, уравнение которой имеет вид:

. (11)

Такая аппроксимация достаточно точно воспроизводит участки петли гистерезиса в первом и во втором квадрантах системы координат. Ветви гиперболы асимптотически приближаются к прямым линиям I =IS и Е =-ЕС /kП. Из уравнения гиперболы получено выражение, связывающее коэффициент выпуклости с коэффициентом прямоугольности петли: . Гиперболическая аппроксимация дает следующие соотношения между координатами характерных точек гистерезисной петли:

, и . (12)

По экспериментально полученной гистерезисной характеристике электрооптического отклика, которая соответствует предельному гистерезисному циклу, с помощью графоаналитического метода трех проекций графически был найден отклик системы аэрозолей на воздействие гармонического ориентирующего напряжения. Этот отклик соответствует экспериментальным осциллограммам процесса (рис. 10,г). Полученные результаты свидетельствуют о применимости этого метода для анализа поведения аэрозолей в электрическом поле ЭОП.

Рис. 11

Разработана схема для структурного моделирования работы ЭОП на основе программы Electronics Workbench, с помощью которой получены предельные циклы электрооптического гистерезиса (рис. 11,а), дифференциальные кривые предельной петли гистерезиса (рис. 11,б) и ее фазовые портреты (рис. 11,в).

Рис. 12

В разделе проведено исследование возможностей статистических методов анализа случайных процессов применительно к рассеянию света аэрозольными частицами в ЭОПРС, рассмотрены методы спектрального и корреляционного анализа сигнала, создана установка для проведения таких исследований.

Исследованы спектры плотности мощности сигнала ЭОП в поле прямоугольных импульсов и в гармоническом электрическом поле. Показано, что на спектрах имеются хорошо выраженные пики, соответствующие первым, вторым и более высоким гармоникам электрооптического отклика, амплитуда которых меняется с изменением частоты и напряженности поля (рис. 12). При воздействии на ЭОП двух синусоидальных напряжений с близкими частотами, наблюдается возникновение биений. Получен спектр сигнала ЭОП, соответствующий наблюдаемым биениям.

Рис. 13

Экспериментально установлено, что форма полевых характеристик ЭОП по первым, вторым и более высоким гармоникам электрооптического отклика сложным образом зависит от изменения частоты и напряженности поля, при этом некоторые характеристики имеют минимум, положение которого смещается с ростом номера гармоники в сторону больших напряженностей поля (рис. 13).

Рис. 14

При воздействии на ЭОП одновременно двух коллинеарных полей - высокочастотного и низкочастотного, получены семейства полевых и частотных характеристик, соответствующие различным значениям управляющего высоко-частотного поля, частота которого (~20 кГц) выбрана настолько высокой, чтобы заряженные частицы вследствие своей инерционности не успевали на нее реагировать. Показано, что при постоянном значении напряженности низкочастотного поля, значение выходного сигнала ЭОПРС снижается вместе с ростом напряженности управляющего высокочастотного поля (рис. 14,а-б).

Заключение

В заключении формулируются основные научные результаты диссертационной работы. В приложении к диссертации приводятся акты об использовании результатов, полученных в ходе выполнения диссертационной работы на различных предприятиях и в организациях.

Основные результаты работы и выводы.

Диссертационная работа является итогом теоретических и экспериментальных исследований автора по созданию измерительных преобразователей параметров электростатических полей и малых зарядов и в области электрооптических исследований заряженных аэрозолей.

Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные результаты и выводы:

1. Проведена систематизация информации и классификация ИП параметров электростатических полей и малых зарядов, что позволило установить наиболее перспективные направления и пути их построения и дальнейшего развития.

2. Предложены принципы построения и на их основе реализованы ДДИП, частотные датчики электростатического поля, а также модуляторы поля на основе резонансной колебательной системы - камертона.

3. Показано, что использование в ДДИП балансной системы электродов позволяет в два раза увеличить коэффициент преобразования полезного сигнала при одновременном подавлении синфазной помехи во входных цепях дифференциального измерительного усилителя до 106 раз.

4. Предложено в случае сильных промышленных помех, близких к частоте модуляции, проводить регистрацию сигнала на одной из высших гармоник сигнала ДИП. Показано, что при скважности импульсов ? 7 можно использовать для этого при треугольных импульсах до 21высшей гармоники включительно, а при косинусоидальных и трапецеидальных импульсах - до 13 гармоник.

5. Показано, что использование ДИП с резонансной параметрической цепью на входе в сочетании с высокостабильным камертонным модулятором позволяет увеличить коэффициент передачи ДИП по напряжению до 38 дб и снизить мощность, необходимую для питания измерителя, до 0,2 Вт.

6. Получены закономерности изменения коэффициентов спектрального разложения в зависимости от скважности для наиболее часто используемых треугольных, трапецеидальных и косинусоидальных импульсов зарядового сигнала ДИП. Показано, что результаты спектрального анализа позволяют выбирать наиболее приемлемые формы модулирующих и приемных электродов с целью проведения регистрации на частоте одной из гармоник выходного сигнала;

7. На основе предложенных ИП построены приборы с улучшенными метрологическими параметрами: измерители напряженности электростатического поля, измерители степени электризации полимерных материалов и нитей, а также измерители электростатических зарядов для жидкостей и аэрозольных частиц.

8. На основе разработанных ИП предложены и реализованы: система автоматической нейтрализации зарядов статического электричества, устройство для измерения времени релаксации заряженных сред и измеритель положения заряженных объектов, а также предложено устройство для регулирования потенциала космического корабля.

9. Разработан электрооптический преобразователь рассеянного света (ЭОПРС), аппаратура и методика измерения электрооптических характеристик в заряженных аэродисперсных системах. Создана установка на базе микро-ЭВМ для получения спектральных характеристик выходного сигнала ЭОПРС.

10. Получены экспериментальные данные о характеристиках ЭОПРС для модельных аэродисперсных систем:

а) выявлены связи между полевыми характеристиками ЭОПРС и значением объемного заряда аэрозольной системы, а также его полярностью;

б) получены прямые экспериментальные оценки диапазона изменений выходного сигнала ЭОПРС при различных значениях влияющих величин;

в) проведено исследование спектров плотности мощности выходного сигнала ЭОПРС, показано, что спектр заметным образом зависит от напряженности и частоты изменения ориентирующего поля.

11. Экспериментальным путем выяснено влияние величины и знака заряда твердых аэродисперсных частиц на электрооптический отклик ЭОПРС и вид спектра мощности сигнала электрооптического светорассеяния.

12. С помощью ЭОПРС впервые экспериментально получены предельные петли гистерезиса в сильных электрических полях и описан гистерезисный эффект для электрооптического светорассеяния в аэрозолях. Показано, что эффект электрооптического гистерезиса вызывается отставанием по фазе вектора ориентации несферических частиц от напряженности поля в ЭОП. Построены зависимости для полной и дифференциальной крутизны электрооптического эффекта от напряженности электрического поля, рассмотрены методы аппроксимации гистерезисной петли.

13. Впервые экспериментально получены для аэрозолей полевые характеристики ЭОП по первым, вторым и более высоким гармоникам электрооптического отклика, при этом установлено, что некоторые характеристики имеют минимум, положение которого смещается с ростом номера гармоники в сторону больших напряженностей поля.

14. Большинство из разработанных устройств изготовлено в виде экспериментальных образцов и рабочих макетов, испытано на стендах и в реальных условиях эксплуатации.

15. Некоторые ИП и приборы на их основе, а также методики проведения измерений параметров электростатических полей и методики проведения испытаний электризующихся материалов внедрены в ряде научных и производственных организаций г.г. Москвы, Санкт-Петербурга, Киева, Вильнюса, Одессы, Макеевки и Стерлитамака. Отдельные результаты работы использованы в учебном процессе в БашГУ.

Таким образом, в результате проведенных исследований осуществлено комплексное решение крупной научно-технической проблемы, а именно: созданы и исследованы ИП для измерения параметров электростатических полей и малых зарядов дисперсных частиц с улучшенными метрологическими характеристиками, отвечающими современным требованиям.

Литература

1. Измеритель величины поверхностной плотности заряда диэлектриков / Р.З. Бахтизин, С.С. Гоц, Б.К. Сушко // Приборы и техника эксперимента. -1981.- №1. - С.250-253. (0,4 п.л.).

2. Измеритель полей электростатических зарядов / Р.З. Бахтизин, С.С. Гоц, Б.К. Сушко // Приборы и техника эксперимента.-1982.- №3.- С.240. (0,1 п.л.).

3. Автоматическое устройство для исследования релаксационных процессов в диэлектриках / Р.З. Бахтизин, С.С. Гоц, Б.К. Сушко // Измерительная техника. - 1983. - №5. - С.61-63. (0,375 п.л.).

4. Измерение объемного заряда аэрозольных частиц / Б.К. Сушко, Р.З. Бахтизин, Л.С. Ивлев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 1989. - №10. - С. 35-39. (0,5 п.л.).

5. Электрооптические свойства аэрозолей хлорида аммония / Б.К. Сушко, Р.З. Бахтизин, Л.С. Ивлев // Оптика атмосферы и океана.-1993.-Т.6.-№5.-С.496-499. (0,4 п.л.).

6. Сушко Б.К. Влияние электрических полей на рассеяние света аэрозольны-ми частицами // Вестник Башкирского гос. ун-та.-1999.-№3.-С.35-39. (0,75 п.л.).

7. Сушко Б.К. Влияние электрических полей на рассеяние света заряженными аэрозольными частицами // Вестник Башкирского гос. ун-та. -2000.- №2-3.-C.10-14. (0,75 п.л.).

8. Сушко Б.К. Измеритель плотности электростатического заряда на линейных объектах // Известия ВУЗ-ов. Технология текстильной промышленности. - 2001.- №1.- С.29-31. (0,6 п.л.).

9. Сушко Б.К. Спектральный анализ сигналов электрооптического рассеяния света в аэродисперсной среде // Вестник Башкирского гос. ун-та. -2001.-№3.-С.15-18. (0,6 п.л.).

10. Сушко Б.К. Измеритель параметров электростатических полей с передачей показаний по волоконной линии связи // Датчики и системы.-2001.-№2.-С.29-31. (0,45 п.л.).

11. Сушко Б.К. Гистерезис полевой зависимости сигнала электрооптического светорассеяния в аэрозолях // Вестник Башкирского гос. ун-та.- 2001.-№4.- С.19-23. (0,75 п.л.).

12. Сушко Б.К. Измеритель удельной плотности электростатического заряда аэрозольных частиц // Датчики и системы. -2002.-№1. -С.45-48. (0,6 п.л.).

13. Сушко Б.К. Установка для проведения электрооптических исследований в аэрозольных системах // Экологические системы и приборы.-2002.-№7.-С.12-15 (0,8 п.л.).

14. Сушко Б.К. Контроль дисперсности и фактора формы аэрозольных частиц методом электрооптического рассеяния света под малыми углами // Экологические системы и приборы. - 2002. - №11. - С.7-9. (0,6 п.л.).

15. Сушко Б.К. Анализатор электрических подвижностей аэрозолей с емкостным коммутатором // Экологические системы и приборы. -2003.-№3.-С.10-14. (1,0 п.л.).

16. Сушко Б.К. Спектральный анализ токового сигнала при электрооптическом рассеянии света в аэрозолях // Экологические системы и приборы.-2003.-№11.-С.26-29. (0,8 п.л.).

17. Сушко Б.К. Методы измерения электризации аэрозолей // Экологические системы и приборы. - 2004. - №1. - С.18-22. (1,0 п.л.).

18. Сушко Б.К. Измеритель напряженности электростатического поля с дифференциальным датчиком // Датчики и системы.- 2004. - №4.- С.33-36. (0,6 п.л.).

19. Сушко Б.К. Измеритель заряда статического электричества в набегающем потоке // Датчики и системы. - 2004. - №9. - С.40-43. (0,6 п.л.).

20. А.с. 769769 СССР, МКИ3 H05F 3/04. Система управления униполярным нейтрализатором / Р.З. Бахтизин, Б. К. Сушко // Открытия. Изобретения. -1980.- № 37.

21. А.с. 932429 СССР, МКИ3 G01R 29/12. Измеритель поверхностной плотности зарядов диэлектриков / Р. З. Бахтизин, С. С. Гоц, В. А. Елизаров, Б. К. Сушко, Н. Н. Смирнов // Открытия. Изобретения.- 1982.- № 20.

22. А.с. 966626 СССР, МКИ3 G01R 29/24. Измеритель поверхностной плотности заряда диэлектриков / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, С. С. Гоц // Открытия. Изобретения. - 1982. - № 38.

23. А.с. 1041962 СССР, МКИ3 G01R 29/12. Устройство для измерения напряженности электростатического поля / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, П. Е. Михайлов, Н. Н. Смирнов // Открытия. Изобретения. - 1983. - № 34.

24. А.с. 1064485. МКИ3 H05F 1/00. Устройство для определения электростатических свойств диэлектрических материалов / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, Р. А. Волков и др. // Открытия. Изобретения.-1983.- №48.

25. Устройство для определения электростатических свойств диэлектрических материалов (А. с.№1064485) / Бахтизин Р. З., Волков Р. А., Сушко Б. К. и др. // Внедренные изобретения.- 1986.-№3.-С.652.

26. А.с. 1160334. СССР, МКИ3 G01R 29/24. Устройство для исследования электростатических свойств неметаллических материалов / Р. З.Бахтизин, С. С. Гоц, Б. К.Сушко и др. // Открытия. Изобретения. - 1985. - №21.

27. А.с. СССР №1325379, МКИ3 G 01R28/12. Измеритель напряженности электростатического поля / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, Л. С. Ивлев // Открытия. Изобретения. - 1987. - №27.

28. А.с. СССР № 1397852, МКИ3 G 01R 29/12. Измеритель плотности заряда статического электричества / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин // Открытия. Изобретения. - 1988. - №19.

29. А.с. 1718150 СССР, МКИ3 H05F 3/04. Измеритель напряженности электростатического поля / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, Л. С. Ивлев, А. Т. Любчак // Открытия. Изобретения.- 1992.- № 9.

30. А.с. 1723499 СССР, МКИ3 G 01N 15/02. Гранулометр аэрозоля / Б.К. Сушко, Л. С. Ивлев // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 12.

31. А.с. СССР № 1763998, МКИ3 G 01R 29/24. Устройство для измерения заряда в воздушном потоке / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, Л. С. Ивлев // Открытия. Изобретения. - 1992. - № 35.

32. А.с. СССР № 1800319, МКИ3 G 01N 15/02. Способ дисперсионного анализа взвешенных частиц и устройство для его осуществления / Б. К. Сушко, Р. З. Бахтизин, Л. С. Ивлев // Открытия. Изобретения. - 1993. - № 9.

33. Сушко Б. К., Бахтизин Р. З. Измеритель заряда статического электричества // Патент №2196339, Россия, МКИ7 G01R 29/12 по заявке № 2001121220/09 с приоритетом от 27.07.2001 г. Опубл. 10.01.03 г. Бюл. № 1.

34. Сушко Б. К., Бахтизин Р. З. Измеритель положения заряженного объекта. // Патент по заявке № 2001103978/09, Россия, МКИ7 G01R 29/24, дата публикации 10.02.03 г.

Статьи в периодических изданиях и сборниках трудов:

35. Сушко Б. К. Измерители электростатических полей и зарядов в углеводородных жидкостях // Тр. науч. конф. по науч.-тех. программам Минобразования России. Уфа: Изд. Баш. гос. ун-та, 1977. - С.155-158.

36. Автоматическое устройство для исследования релаксационных процессов в диэлектриках / Р.З. Бахтизин, С.С. Гоц, Б.К. Сушко // Новые методы гигиенич. контроля за применением полимеров в народном хозяйстве: Тр. III Всесоюзн. совещания, Киев: ВНИИГИНТОКС, 1981. - C.362-366.

37. Временные параметры процессов поляризации в полимерных диэлектриках / Р.З. Бахтизин, С.С. Гоц, Б.К. Сушко // Новые методы гигиенического контроля за применением полимеров в народном хозяйстве: Тр. III Всесоюзн. совещания, Киев: ВНИИГИНТОКС, 1981. - C.366-370.

38. Сушко Б.К., Бахтизин Р.З. Системы автоматической нейтрализации зарядов статического электричества // Электронная обработка материалов. - 1990. - №4 (154). - С. 31-33.

39. Сушко Б.К., Бахтизин Р.З. Анализатор электрической подвижности аэрозолей // Тр. науч. конф. по программе “Университеты России”. Уфа: БашГУ, 1995. - С.137-141.

40. Сушко Б.К., Черепанов А.Н. Измеритель параметров электростатических полей с частотным выходом // Измерит. преобразователи и информ. технологии: Межвузовск. научн. сб. Уфа: УГАТУ, 1999. - С.105-109.

41. Сушко Б.К., Черепанов А.Н. Измеритель напряженности электростатического поля с частотным выходом // Реляторная схемотехника и средства преобразования аналоговой информации: Труды междунар. конф. "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации". Том 2, Ульяновск: УлГТУ, июнь 1999. - С.80-82.

42. Ивлев Л.С., Сушко Б.К. Измеритель электростатических зарядов аэрозолей с частотным выходом // Естественные и антропогенные аэрозоли: II междунар. конф.: Санкт-Петербург, Петродворец, 27 сентября-1 октября 1999 г.: Сборник материалов. - СПб, под ред. д.ф.-м.н. Л.С.Ивлева. - С.173-176.

43. Информационно-измерительный комплекс для электрооптических исследований аэрозолей / Л.С. Ивлев, Б.К. Сушко, С.С. Гоц // Естественные и антропогенные аэрозоли: II междунар. конф.: Санкт-Петербург, Петродворец, 27 сентября -1 октября 1999 г.: Сборник материалов.- СПб.- С.43-45.

44. Ивлев Л.С., Сушко Б.К. Генератор высоковольтных импульсов для электрооптических исследований в аэрозольных системах // Естественные и антропогенные аэрозоли: II междунар. конф.: Санкт-Петербург - Петродворец, 27 сентября -1 октября 1999 г.: Сборник материалов.- СПб. - С.177-180.

45. Сушко Б.К. Многопараметрический измеритель зарядов в аэрозолях // Инж.-физич. проблемы новой техники: Материалы 6-го Всерос. совещания-семинара, М: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 16-18 мая 2001г. - С.178-179.

46. Сушко Б.К. Методы исследования аэрозольных загрязнителей, характерных для республики Башкортостан // Тр. Стерлитамакского филиала АН РБ. Сер. “Физ.-мат. и технич. науки”. -Уфа: Гилем, 2001. - Вып.2. - С.281-283.

47. Сушко Б.К. Ориентационные эффекты при электрооптическом рассеянии света в несферических аэрозолях // Тр. Стерлитамакского филиала АН РБ. Сер. “Физ.-мат. и технич. науки”. - Уфа: Гилем, 2001. - Вып.2. - С.277-280.

48. Сушко Б.К. Использование электрооптического эксперимента в подготовке студентов-физиков // Актуальные проблемы физического образования на рубеже веков в педагогич. вузах: Матер. III Уральск. региональн. науч.-практ. конф. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2001. - C.172-174.

49. Сушко Б.К. Анализатор электрических подвижностей аэрозолей - прибор для измерения запыленности атмосферы // Материалы XLII междунар. науч.-тех. конф. - Челябинск: ЧГАУ, 2003. - Ч.3. - С.145-150.

50. Анализ электрических подвижностей аэрозолей / Б.К. Сушко, Р.М. Ибрагимов, В.В. Воронин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. (к 13 междунар. специализир. выставке «АГРО-2003» 18-20 февраля 2003 г.).-Уфа: БГАУ, 2003. - Ч.1. - С.298-300.

51. Сушко Б.К., Шабанов М.А. Измеритель параметров электростатических полей с частотной передачей данных // Материалы XLII междунар. науч.-тех. конф. - Челябинск: ЧГАУ, 2003. - Ч.3. - С.150-155.

52. Сушко Б.К., Шабанов М.А. Измеритель электростатического поля с дифференциальным датчиком // Достижения аграрной науки - производству / Материалы 110 науч.-практ. конф. В 8 частях. Механизация и электрификация сельского х-ва. - Уфа: БГАУ, 2004. - С.112-115.

53. Сушко Б.К., Хасанов М.И. Прибор для изучения воздействия статического электричества на человека // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. ст./ Ред.: А.И. Громыко, А.В. Сарафанов; Отв. за вып.: В.В. Сухотин.- Красноярск: Сибирский федеральный ун-т; Политехнический ин-т, 2007. - 690 с. - С.366-369.

Размещено на Allbest.ru