Спосіб вимірювання еквівалентної ємності зразка недосконалого діелектрика за паралельною схемою

Реферат: Спосіб вимірювання еквівалентної ємності зразка недосконалого діелектрика за паралельною схемою, у якому до зразка прикладають постійну напругу відомої величини, вимірюють величину постійного струму через зразок. Величину еквівалентної ємності знаходять за часом розряду, значеннями напруги і струму та рівнем розряду ємності зразка. UA 73852 U (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ЕКВІВАЛЕНТНОЇ ЄМНОСТІ ЗРАЗКА НЕДОСКОНАЛОГО ДІЕЛЕКТРИКА ЗА ПАРАЛЕЛЬНОЮ СХЕМОЮ UA 73852 U UA 73852 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до діелькометрії і може використовуватись в матеріалознавстві для аналізу складу сумішей, контролю процесу хімічних реакцій, визначення вологості деревини, зерна і бобових, нафти, цементу, бетону... В техніці широко розповсюджене дослідження властивостей і якості матеріалів шляхом визначення їх діелектричної проникливості [1]. Таке визначення засноване на вимірюванні ємності діелектричної комірки, заповненої зразком досліджуваного матеріалу (далі - зразка). Електричні параметри матеріалів мають розподілений характер, тому визначають значення ємності та опору, відповідних еквівалентній послідовній або паралельній схемі зразка. У випадку відносно малих діелектричних втрат застосовують послідовну схему, для матеріалів з великими діелектричними втратами, наприклад вологих, використовують паралельну еквівалентну схему. Серед відомих способів вимірювання ємності можна виділити способи прямого перетворення, перетворення в напругу, мостові та резонансні [2]. Найбільш точними є мостові способи, але їх реалізація потребує великої кількості зразкових мір, є громіздкою, дорогою та вимагає відносно великого часу для вимірювань. Найбільш близьким аналогом є прямий спосіб вимірювання ємності, а саме спосіб амперметру та вольтметру. За цим способом до зразка прикладають синусну напругу відомої або визначеної вольтметром величини, струм через зразок вимірюють амперметром і, за результатами вимірювань та відомої частоти сигналу, розраховують значення еквівалентної ємності. Недоліком найближчого аналога при визначенні параметрів матеріалів є велика похибка вимірювання значення еквівалентної ємності внаслідок наявності значної активної складової опору зразка [3]. Задачею корисної моделі є зменшення похибки визначення ємності еквівалентної паралельної схеми від активної складової опору. Поставлена задача вирішується тим, що у способі вимірювання еквівалентної ємності зразка недосконалого діелектрика за паралельною схемою, за яким до зразка прикладають напругу відомої величини, вимірюють струм через зразок і значення еквівалентної ємності розраховують за результатами вимірювань, згідно з корисною моделлю, спочатку до зразка прикладають відомої величини постійну напругу і вимірюють величину постійного струму, потім відключають зразок від джерела напруги і вимірюють час, за який проходить частковий розряд ємності зразка на внутрішній опір зразка, а величину еквівалентної ємності знаходять за часом розряду, значеннями напруги і струму та рівнем розряду ємності зразка. Приклад структурної схеми реалізації пропонованого способу зображено на кресленні. Джерело постійної напруги 1 через комутатор 2 підключається до зразка матеріалу 3 у діелектричної комірці. Електричні параметри матеріалу моделюються паралельно з'єднаними еквівалентними опором R і ємністю C . Величина постійного струму, що вимірюється амперметром 4, проходить через еквівалентний опір R . Рівень напруги на зразку 3 порівнюється на компараторі 6 з рівнем, заданим подільником 5, що складається з резисторів R1 та R 2 . Вихід компаратора підключено до таймера 7. На початку вимірювання комутатором 2 підключають до зразка 3 джерело постійної напруги 1 і після завершення перехідного процесу амперметром 4 вимірюють постійний струм, що проходить від джерела 1 через активний еквівалентний опір R зразка 3. Потім комутатором 2 відключають зразок 3 від джерела постійної напруги 1 і одночасно запускають таймер 7. Заряджена ємність зразка C починає розряджатись через власний опір R. Коли рівень напруги на зразку 3 досягне заданого подільником 5 рівня, компаратор 6 зупиняє таймер 7. Таким чином таймер вимірює час перехідного процесу T, за який заряд еквівалентної ємності зразка C зменшиться від рівня U джерела постійної напруги 1 до рівня подільника напруги U1 : U1  U  R2 / R2  R1 ; (1) 50 55 де: U11 - вихідна напруга подільника 5; U - значення напруги джерела 1; R2,R1 - опори подільника. Під час розряду еквівалентної ємності C джерело постійної напруги 1 відключається комутатором 2 від зразка 3 і не впливає на процес розряду. Вхідний опір компаратора вибирають значно більшим за еквівалентний опір R і він також не впливає на процес розряду: Rвк  R ; (2) де: Rвк - вхідний опір компаратора; R - еквівалентний активний опір зразка 3. 1 UA 73852 U За умови (2), еквівалентна ємність C з моменту (T  0) відключення зразка від джерела напруги 1 розряджається на еквівалентний активний опір зразка R і напруга на зразку міняється у часі за законом: Uc  U  1  e  t /  (3) де: Uзр - напруга на зразку;  5 10  U - значення напруги на джерелі 1; e - основа натуральних логарифмів; t - час розряду;  - постійна часу розряду зразка. В момент часу T, коли напруга на зразку Uзр - порівняється з U1 - вихідною напругою подільника 5, лік часу таймером 7 буде зупинено сигналом з компаратора 6:   Uзр  U  1  e T /   U1  U  15 20 де: Uзр - напруга на зразку; U - значення напруги на джерелі 1; U1 - значення напруги на виході подільника 5; e - основа натуральних логарифмів; T - час розряду еквівалентної ємності зразка С до напруги подільника U1 ;  - постійна часу розряду зразка; R2,R1 - опори подільника. Використавши виміряне значення часу розряду Т та конструктивні параметри подільника 5, знаходимо значення сталої часу  розряду ємності зразка С:  25 30 40 45 T R2 ln(1  ) R 2  R1 (5) де:  - постійна часу розряду зразка; T - час розряду ємності зразка C до напруги подільника U1 , R2,R1 - опори подільника. Стала часу розряду зразка 3 також може бути виражена через параметри еквівалентної паралельної схеми R та С:   R  C (6) де:  - постійна часу розряду зразка; R - еквівалентний активний опір зразка; C - еквівалентна ємність зразка. З рівняння (6) і закону Ома визначаємо еквівалентну ємність С: C 35 R2 (4) R1  R2  I  I    R U U T R2 ln(1  ) R 2  R1 k I T (7) U де: С - еквівалентна ємність зразка;  - постійна часу розряду зразка; U - значення напруги на джерелі 1; R - еквівалентний активний опір зразка; I - постійний струм через зразок; T - час розряду ємності зразка С до напруги подільника U1 ; R2,R1 - опори подільника; k - коефіцієнт розряду ємності зразка, k  ln(1  R2 /(R2  R1)) Додатково пропонований спосіб дозволяє визначити еквівалентний активний опір зразка R : R  U / I , (8) де: U - значення напруги на джерелі 1; I - постійний струм через зразок. Джерела інформації: 1. Мелкумян В.Е. Измерение и контроль влажности материалов, издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, Москва - 1970; 2 UA 73852 U 2. Поліщук Є.С., Дорожовець М.М., Яцук В.О. та ін. Метрологія та вимірювальна техніка, Підручник 3-я ред. проф. С.С. Поліщука. - Львів: Бескид Бітф, 2003. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб вимірювання еквівалентної ємності зразка недосконалого діелектрика за паралельною схемою, за яким до зразка прикладають напругу відомої величини, вимірюють струм через зразок і значення еквівалентної ємності розраховують за результатами вимірювань, який відрізняється тим, що спочатку до зразка прикладають відомої величини постійну напругу і вимірюють величину постійного струму, потім відключають зразок від джерела напруги і вимірюють час, за який проходить частковий розряд ємності зразка на внутрішній опір зразка, а величину еквівалентної ємності знаходять за часом розряду, значеннями напруги і струму та рівнем розряду ємності зразка. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3