Термошумовий спосіб контролю якості діелектричних матеріалів

Термошумовий спосіб контролю якості діелектричних матеріалів, який полягає в тому, що з матеріалу, що досліджується, знімають шумову напругу, посилюють її в смузі частот теплових флюктуацій, квадратують миттєві значення шумової напруги разом з власними шумами посилюючого тракту, усереднюють квадратовану напругу і виділяють постійну складову напруги U1 , який відрізняється тим, що отриману постійну складову напругу U1 запам'ятовують, переривають шумову напругу матеріалу, що досліджується, після квадратування миттєвого значення шумової напруги посилюючого тракту, усереднюють квадратовану напругу, виділяють постійну складову напруги U2 , яку запам'ятовують, перетворюють шумовий струм матеріалу, що досліджується, в другу шумову напругу, яку посилюють в тій самій смузі частот теплових флюктуацій, квадратують миттєві значення посиленої напруги, усереднюють його і виділяють постійну складову U3 , яку запам'ятовують, закорочують шумовий струм, квадратують миттєве значення напруги власних шумів перетворення і посилення, усереднюють квадратовану напругу, виділяють постійну складову U4 , яку запам'ятовують, а після цього визначають активну складову повного опору матеріалу за формулою Корисна модель відноситься до області випробування матеріалів за їх електричними властивостями і може бути використана для оцінки якості діелектричних матеріалів, зокрема, текстильних матеріалів, шкіри, полімерних плівок тощо, за рівнем їх теплових шумів. Відомо, що ідеальні діелектрики не поглинають і не розсіюють електричну енергію. Завдяки цій властивості діелектричні матеріали широко використовуються в якості захисних і ізоляційних матеріалів. На практиці будь-якому діелектричному матеріалу через порушення його структури або наявності домішок властиві дисипативні втрати, що виникають в процесі поляризації. Наявність дисипативних втрат обумовлює поглинання та розсіювання електричної енергії. Чим менші питомі втрати в діелектричному матеріалі, тим вища його якість. Теплові електричні флюктуації або тепловий шум в діелектричному матеріалі обумовлені наявністю термозбуджених поляризуємих молекул, що утворюють елементарні флюктуіруючі диполі [Ван-дер-Зил А. Шум. Источники, описание, измерение. Пер. с англ. -М.: Советское радио. 1973. -c.27-30]. Рівень теплових шумів є пропорційним активній складовій повного опору матеріалу, тобто визначається його дисипативними втратами. Тому за рівнем теплових шумів можна оцінювати якість того чи іншого діелектричного матеріалу. Такий контроль зручний тим, що тепловий шум можна вимірювати в матеріалі незалежно від того чи знаходиться контрольований об'єкт у робочому стані, наприклад, під напругою, чи в режимі зберігання. Це обумовлено тим, що рівень теплового шуму не залежить від зовнішньої електричної напруги або струму. (13) 28453 (11) UA де S - крутість перетворення шумового струму матеріалу в напругу, Re Z - активна складова повного опору Z матеріалу, яку порівнюють з допустимим значенням Re Z 0 зразкового матеріалу. U U1 - U2 , U3 - U4 (19) Re Z = S 3 28453 4 входять до рівняння вимірювального Відомий термошумовий спосіб контролю якості перетворення. діелектричних матеріалів [Саватеев А.В. Шумовая Реальна нестабільність посилення, смуги термометрия. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. пропускання частот, крутизни квадратичного Отделение. -1987.- c.80-82], при якому з перетворення інших параметрів вимірювального матеріалу, що досліджується, який нагрітий за перетворення, непостійність температури рахунок діелектричних втрат, знімають шумову матеріалу і навколишнього середовища, вплив напругу теплових флюктуацій, вимірюють середній власних шумів посилювального тракту не квадрат шумової напруги, визначають внутрішню дозволяють отримати високу точність температуру за дисперсією теплових шумів, а про вимірювання активної складової повного опору якість матеріалу судять за перевищенням діелектричного матеріалу і тим самим забезпечити температури матеріалу відносно навколишнього підвищення достовірної оцінки його якості. середовища. В основу корисної моделі покладена задача У високоякісних матеріалах дисипативні створення такого термошумового способу втрати невеликі, саме тому і перевищення контролю якості діелектричних матеріалів, в якому температури є невеликим, особливо при роботі шляхом введення нових операцій було б матеріалу в слабких електричних полях. Оцінка забезпечено підвищення достовірної оцінки якості якості діелектричних матеріалів в таких умовах діелектричних матеріалів. стає малодостовірною [Подорольський А.Н. Поставлена задача досягається тим, що в Чувствительность и погрешность термошумовий спосіб контролю якості термофлюктуационного метода измерения діелектричних матеріалів, який полягає в тому, що интегральной по толщине температуры з матеріалу, що досліджується, знімають шумову диэлектрика //Измерительная техника -1972.-№2.напругу, посилюють її в смузі частот теплових c.37-40]. флюктуацій, квадратують миттєві значення Для контролю якості діелектричних матеріалів шумової напруги разом з власними шумами використовується спосіб, оснований на посилюючого тракту, усереднюють квадратовану резонансному виділенні теплових шумів матеріалу напругу і виділяють постійну складову напруги U1 і додатковому вимірюванні добротності згідно корисної моделі, отриману постійну резонансності контуру з матеріалом, що складову напруги запам'ятовують, переривають досліджується, та без нього [Карба Л.П. шумову напругу матеріалу, що досліджується, Измерение коэффициента шума и активного після квадратування миттєвого значення шумової сопротивления двохполюсников на радиочастотах напруги посилюючого тракту та усереднення //Известия ЛЭТИ им. В.Н. Ульянова (Ленина). квадратованої напруги, виділяють постійну 1969. -выпуск 80 -c.57-60]. Критерієм якості в складову напруги U2, яку запам'ятовують, цьому випадку є значення активного опору перетворюють шумовий струм матеріалу, що діелектрика, яке характеризує рівень досліджується, в другу шумову напругу, яку дисипативних втрат. посилюють в тій самій смузі частот теплових Визначення активного опору матеріалу за флюктуацій, квадратують миттєві значення дисперсією теплових шумів, що виділяються посиленої напруги, усереднюють його і виділяють резонансним контуром, пов'язано із рядом постійну складову U3 , яку запам'ятовують, складностей (врахування значень коефіцієнта закорочують шумовий струм, квадратують миттєве посилень в реальній смузі частот, похибки значення напруги власних шумів перетворення і вимірювання добротності, температури всередині посилення, усереднюють квадратовану напругу, діелектрика, рівня власних шумів вимірювальної виділяють постійну складову U4, яку схеми тощо). Саме тому точність оцінки якості запам'ятовують, а після цього визначають активну діелектричного матеріалу стає низькою. складову повного опору матеріалу за формулою Відомий також термошумовий спосіб контролю якості діелектричних матеріалів [Скрипник Ю.О., U - U2 , Re Z = S 1 Шевченко К.Л. Радіотепловий метод неруйнівного U3 - U4 контролю діелектричних матеріалів і виробів //Вісник київського національного університету технологій та дизайну. -2005. -№5(25).- c.30-36], який полягає в тому, що з матеріалу, що досліджується, знімають шумову напругу, посилюють її в смузі частот теплових флюктуацій, квадратують миттєві значення шумової напруги разом з власними шумами посилюючого тракту, усереднюють квадратовану напругу і виділяють постійну складову напруги U1. Крім того у відомому способі вимірюють відокремлену постійну складову напруги, що пропорційна дисперсії теплових шумів. Активну складову повного опору матеріалу, що досліджується, вираховують за виміряним значенням дисперсії, температури матеріалу, смуги частот шумової напруги, що посилюється, коефіцієнту посилення та іншим параметрам, що де S - крутизна перетворення шумового струму матуріалу в напругу, ReZ - активна складова повного опору Z матеріала. Введення в термошумовий спосіб контролю якості діелектричних матеріалів нових операцій по запам'ятовуванню трьох додаткових постійних напруг, одна з яких пропорційна дисперсії напруги власних шумів, друга - пропорційна дисперсії шумового струму об'єкта, що досліджується і третя - пропорційна дисперсії власних шумових струмів і напруг, наступне додавання різниці першої та другої напруги, різниці третьої і четвертої напруги, ділення першої різниці напруги на другу різницю, вирахування кореня квадратного із частинного від ділення зазначених напруг і отримання результату вирахування активної складової повного опору 5 28453 6 матеріалу з урахуванням крутизни перетворення Kn2 - середнє квадратичне значення власних шумового струму матеріалу, що досліджується, в шумів перетворювача 7 і посилювача 9. напругу дозволяє виключити вплив Миттєві значення посиленої напруги (3) дестабілізуючих факторів і власних шумів перетворюються в аналогово-цифровому посилювально-перетворювальних елементів на перетворювачі 10 у цифрові сигнали, що точність вимірювання активної складової повного потрапляють у мікроЕОМ 11. Цифрові сигнали опору матеріалу, що досліджується, що згідно способу квадратуються та усереднюються у забезпечує підвищення достовірності оцінки якості процесорі мікроЕОМ. З усередненої напруги діелектричних матеріалів. виділяється постійна складова напруги На кресленні представлена схема, що 2 2 (4) U1 = K1 Un1 + Un2 . дозволяє здійснити спосіб, що пропонується. У виразі (4) шумові напруги Un1 і Un2 між собою Позицією 1 позначено матеріал, що неконтрольовані, так як є шумами двох досліджується, шумову напругу і струм якого незалежних джерел. Саме цьому їх усереднений знімають за допомогою електродів 2 і 3. добуток Перемикач 4 і ключі 5, 6 використовуються для почергового підключення перетворювача напруги (5) Un1 × Un2 = 0 . 7 і перетворювача струму 8 до електродів З урахуванням (5) постійна напруга (4) буде матеріалу, що досліджується. Смуговий мати вигляд посилювач 9 і аналого-цифровий перетворювач 10 ö 2 æ пов'язують виходи перетворювачів напруги і U1 = K1 × ç U21 + U22 ÷ , (6) n n струму з мікроЕОМ 11, до виходу якого підключено è ø дисплей 12. Перемикач 4, ключі 5 та 6 керуються де U21 і U22 - дисперсії шумових напруг. n n сигналами з мікроЕОМ 11. Термошумовий спосіб контролю якості Отримане значення постійної напруги U1 запам'ятовують. діелектричних матеріалів здійснюється наступним чином. Далі переривають шумову напругу матеріалу, що досліджується. Для цього розмикають ключі 5 В матеріалі, що досліджується 1 внаслідок та квадратують миттєве значення напруги власних теплових флюктуацій електричних зарядів (електронів, іонів, диполів) в речовині генерується шумів посилюючого тракту, що включає повторювач напруги 7, перетворювач струму 8 та шумова напруга. Середнє квадратичне (ефективне) значення цієї напруги згідно з смуговий посилювач 9. В мікроЕОМ 11 квадратують миттєве значення шумової напруги формулою Найквіста визначається виразом посилюючого тракту, усереднюють квадратовану (1) Un1 = 4kTDf Re Z , напругу, виділяють постійну складову напруги. де k - постійна Больцмана; 2 (7) U2 = K 1 U22 , Т - термодинамічна температура матеріалу; n Df - смуга частот, в якій вимірюється шумова яку також запам'ятовують. напруга; За командою мікроЕОМ 11 перемикач 4 Z - електричний повний опір матеріалу; переводиться в нижнє положення, а ключ 6 ReZ - активна (дисипативна) складова повного роз'єднується. При цьому шумовий струм опору. матеріалу, що досліджується, потрапляє на При паралельній схемі заміщення електронної низькоомний вхід перетворювача струму 8, в системи 2-3 активна складова повного опору якому перетворюється в другу шумову напругу. tg d 4kTDf Re Z = , (2) (8) , Un4 = S w × c 1 + tg2 d Re Z де tgd - тангенс кута діелектричних втрат де S - крутизна перетворення шумового току матеріалу; матеріалу в напругу. с - ємність електродної системи. Шумову напругу (8) посилюють в тій самій З формули (2) витікає, що в ідеальному смузі частот теплових флюктуацій смуговим діелектрику, коли tgd=0 флюктуації, а відповідно і посилювачем 9. Квадратують миттєве значення шум відсутній. В електродах з матеріалу, що є посиленої напруги, усереднюють його і виділяють гарним провідником (tgd=¥) тепловий шум також постійну складову напруги в мікроЕОМ 11. майже відсутній. В реальному діелектричному Значення постійної складової напруги з матеріалі тепловий шум є пропорційним урахуванням власних шумів Un5. дисипативним втратам (tgd>0). ö 2 æ 2 U3 = K1 × ç Un 4 + U25 ÷ , (9) n По командам мікро ЕОМ 11 перемикач 4 è ø встановлюється у верхньому положенні, а ключі 5 і запам'ятовують в мікроЕОМ. Другий член 6 замикаються. При цьому шумова напруга виразу (9) відображає власні шуми перетворення матеріалу (1) через високоомний перетворювач струму в перетворювачі струму 8 і посилення в напруги (повторювач напруги) 7 потрапляє на смуговому посилювачі 9. смуговий посилювач 9, де посилюється, в смузі За командою мікроЕОМ замикають ключ 6. В частот Df теплових флюктуацій до значення результаті цього закорочують шумовий струм Un3=K1·(Un1+Un2), (3) матеріалу, що досліджується. Квадратують миттєві де К1 - коефіцієнт посилення смугового значення напруги власних шумів перетворювача посилювача; струму і його посилювання. Усереднюють ( ( [ ( )] ) ) 7 квадратовану напругу складову напруги. 28453 8 шкалою Кельвіна. Відносна похибка визначення активної складової повного опору за шумами не перевищує ±1%, а достовірність контролю з 2 2 (10) U 4 = K 1 Un5 , урахуванням випадкових похибок можна Постійну напругу U4 також запам'ятовують. підвищити до 0,98. При цьому час усереднення В процесорі мікроЕОМ із запам'ятованих квадратичної напруги не перевищує 3-5с. напруг (6) і (7) підсумовують різницю і виділяють 2 2 U1 - U 2 = K 1 Un1 , а з напруг (9) і (10) - різницю постійну (11) 2 2 (12) U3 - U 4 = K1 Un 4 . Далі різницю (11) у процесорі ділять на різницю (12), отримуючи U1 - U2 U2 = n1 . (13) U3 - U4 U2 n4 Підставляючи у вираз (13) значення дисперсії шумових напруг (1) і (8), отримаємо U1 - U2 (Re Z)2 (14) . = U3 - U4 S2 Добувають корінь квадратний з лівої і правої частин рівняння (14): U1 - U2 Re Z , = U3 - U 4 S (15) з виразу (15) визначають значення активної складової повного опору матеріалу Re Z = S U1 - U2 , U3 - U4 (16) Таким чином, визначене значення ReZ не залежить від рівня власних шумів вимірювальних перетворювачів напруги і струму та посилювача (Un2 і Un5), нестабільності коефіцієнта посилення (К1), смуги його пропускання (Df) і температури матеріалу, що досліджується (Т). Завдяки цьому досягається задача забезпечення високої точності вимірювання активної складової повного опору матеріалу, що досліджується. В мікроЕОМ порівнюються отримані значення ReZ з допустимим значенням ReZ0 зразкового матеріалу, яке внесено в пам'ять мікроЕОМ, і на дисплеї 12 виводиться результат контролю. За рахунок виключення впливу нестабільності параметрів вимірювально-обчислювальної схеми забезпечується висока достовірність контролю якості матеріалу. Більшість споживчих матеріалів (папір, текстиль, шкіра, харчові продукти, горючі і змащувальні матеріали, пиломатеріали тощо) за своїми електричними властивостями є діелектричними. Їх якість можна контролювати за їх тепловим шумом без прикладання зовнішньої напруги або струму, що виключає електрохімічний розпад або небажану поляризацію. Це забезпечує безпеку термошумового контролю і його не руйнуючі властивості. Комп'ютерне моделювання запропонованого способу показало можливість контролю якості діелектричних матеріалів при зміні tgd діелектричних втрат в діапазоні від 10-5 до 1, в смузі пропускання Df=100кГц на частоті теплових флюктуацій f=0,5МГц. При цьому температура довкілля може змінюватись від 285К до 373К за