Спосіб визначення відносної діелектричної проникності, питомої провідності, тангенса кута діелектричних втрат електроізоляційних рідин

Реферат: Спосіб визначення відносної діелектричної проникності, питомої провідності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляційних рідин, при якому прикладають до електродів конденсаторну електрохімічну комірку, заповнену досліджуваною електроізоляційною рідиною, змінного електричного струму в області частот 0,1-10 Гц з подальшим визначенням значень опору R та ємності С комірки та розрахунком з них шуканих електрофізичних характеристик. До електродів прикладають синусоїдальний електричний струм, вимірюють активну та реактивну складові імпедансу комірки, а з них розраховують величини опору R та ємності С. UA 123029 U (12) UA 123029 U UA 123029 U 5 Корисна модель, що заявляється, належить до галузі аналітичної техніки, конкретно до імпедансних методів контролю параметрів середовищ, і належить до методів вимірювання для рідин з підвищеними ізоляційними властивостями. Відомий спосіб [1] визначення діелектричної проникності  , питомої електропровідності  , тангенса кута діелектричних втрат tg , в якому вказані електрофізичні характеристики розраховуються за результатами вимірювань електричної ємності С і опору R конденсаторної комірки, заповненої досліджуваною рідиною. Вимірюючи величини R і С комірки, та знаючи площу електродів і відстань між ними, можна легко розрахувати шукані значення  ,  та tg ,  ,  - кутова частота.  Недоліком даного способу є використання постійної електричної напруги, яка подається на електроди електрохімічної комірки для визначення питомої провідності  . Наявність приелектродних ефектів, які в такому разі відбуваються на границі поділу рідина-електрод, суттєво спотворює результати вимірювань питомої провідності зразка ізоляційної рідини та тангенсу кута діелектричних втрат, внаслідок чого похибка визначення зазначених величин може складати декілька десятків відсотків. Як прототип вибраний спосіб [2] визначення відносної діелектричної проникності, питомої провідності ізоляційних рідин та тангенса кута діелектричних втрат, який полягає у вимірюванні ємнісного струму та струму провідності шляхом прикладання до досліджуваної проби змінної напруги трапецеїдальної форми. Ємнісний струм вимірюють під час росту (або спаду) напруги, а струм провідності вимірюють під час періоду стабільності напруги. Якщо напруга прямокутного сигналу з амплітудою Vs періодично змінюється з відомим нахилом dV dt , то шукану ємність де tg  10 15 20 Ic , де Ic - ємнісний струм, що вимірюється в dV dt періоди росту, або спаду напруги. Струм провідності Ir вимірюють на плоских ділянках Vs прямокутного сигналу, відповідно опір зразка R визначається із співвідношення R  . Ir Знаючи площу електродів та відстань між ними, можна легко розрахувати шукані значення  ,  та tg . Суттєвою перевагою пропонованого способу є застосування в ньому напруги трапецеїдальної форми, що дає змогу дещо зменшити вплив приелектродних процесів та відповідно збільшити точність вимірювань  та tg . Недоліком пропонованого способу є принципова неможливість повного виключення впливу приелектродних процесів, оскільки величина опору R визначається на часових ділянках з постійним значенням зовнішньої напруги, тобто в квазістаціонарному режимі, що в свою чергу впливає на точність вимірювань. Задача корисної моделі є підвищення точності визначення величин відносної діелектричної проникності, питомої провідності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляційних рідин шляхом застосування доступної за своєю реалізацією методики проведення вимірів, яка повністю виключає вплив приелектродних процесів на проходження струму через конденсаторну комірку, заповнену досліджуваною діелектричною рідиною. Для вирішення поставленої задачі в способі визначення відносної діелектричної проникності, питомої провідності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляційних рідин, що полягає в прикладенні до електродів конденсаторної електрохімічної комірки, заповненої досліджуваною електроізоляційною рідиною, змінного електричного струмі в області частот 0.110 Гц з подальшим визначенням значень опору R та ємності C комірки та розрахунком з них шуканих електрофізичних характеристик, до електродів прикладають синусоїдальний електричний струм, вимірюють активну та реактивну складові імпедансу комірки, а з них розраховують величини опору R та ємності C . Для обґрунтування можливості вирішення поставленого завдання потрібно більш детально розглянути процес проходження електричного струму крізь конденсаторну електрохімічну комірку, заповнену досліджуваною ізоляційною рідиною. В прототипі для визначення шуканих електрофізичних характеристик ізоляційної рідини застосовується вхідна напруга трапецеїдальної форми, завдяки чому проводиться розділення в часі проходження реактивної та активної складової повного струму. Під час росту (або спаду напруги) крізь комірку проходить лише реактивна складова струму, а впродовж часу стабільності напруги - лише активна складова струму (струм провідності). Подібне розділення у часі складових повного струму суттєво спрощує процедуру вимірів ємності C та опору R комірки та відповідних ним електрофізичних характеристик ізоляційної рідини. Натомість безпосереднє вимірювання опору C можна визначити із співвідношення C  25 30 35 40 45 50 1 UA 123029 U 5 10 R на часових ділянках постійної напруги відбувається з суттєвою похибкою завдяки наявності приелектродних поляризаційних явищ, пов'язаних з накопиченням та розрядом носіїв струму в приелектродних шарах комірки. На відміну від цього, запропоноване нами використання синусоїдального змінного струму в повній мірі виключає вплив приелектродних явищ на процес переносу заряду завдяки відсутності ділянок з постійним значенням напруги. В цьому випадку через комірку одночасно проходитиме активна і реактивна складові струму, тому для визначення величин R та C необхідне вимірювання її повного опору (імпедансу) Z . Для реалізації запропонованого способу проводять вимірювання імпедансу комірки. Еквівалентна схема конденсаторної електрохімічної комірки, заповненої досліджуваною ізоляційною рідиною, складається з паралельно сполучених опору R та ємності C . У відповідності з такою схемою для активної Re та реактивної Im складових імпедансу цієї комірки можна записати наступні вирази: R (1) Re  2 2 2 2 4 C R v  1 Im  15 20 2CR 2 v , (2) 4 2C2R 2 v 2  1 де v - частота на якій проводяться вимірювання імпедансу. Таким чином, вимірюючи значення активної та реактивної складових імпедансу, з виразів (1) та (2), які являють собою систему двох рівнянь з двома невідомими, можна визначити числові значення R і C у еквівалентній схемі конденсаторної комірки, а знаючи площу електродів S і відстань між ними d , знайти шукані електрофізичні характеристики  та  досліджуваної електроізоляційної рідини за наступними формулами: d 1 d C  ,  . (3) SR S 0 Величина tg визначається із співвідношення: Re 1  . (4) Im 2CR v Спосіб може бути реалізований наступним чином. Для вимірювань повного опору звичайно застосовують стандартні лабораторні вимірювачі імпедансу, при цьому нижня межа визначення -3 -4 тангенсу кута діелектричних втрат для подібних приладів становить 10 -10 одиниць при мінімальній частоті вимірювань імпедансу 25-50 Гц. При типових значеннях питомого опору 13 16 10 -10 Ом·см та діелектричної проникності біля 2, характерних для рідких діелектриків, -4 -7 розрахована із (4) величина tg становить 10 -10 одиниць, що значно менше межі чутливості стандартних вимірювачів імпедансу і, відповідно, унеможливлює їхнє застосування для визначення електрофізичних характеристик діелектричних рідин (зокрема, питомої провідності та тангенсу кута діелектричних втрат). Для запобігання цьому пропонується проводити виміри імпедансу конденсаторної комірки в області частот від 0.1 до 10 Гц. В цьому випадку, виходячи з виразу (3), значення tg зросте приблизно на три порядки (порівняно із вимірами на -1 -4 промисловій частоті 50 Гц) і для широковживаних діелектричних рідин буде складати 10 -10 одиниць. Подібні значення величини тангенсу кута діелектричних втрат вже вдається досить точно вимірювати, застосовуючи стандартні методики вимірювань імпедансу. Таким чином, застосування змінного синусоїдального струму при вимірюванні електрофізичних характеристик ізоляційних рідин запобігає впливу приелектродних ефектів, а використання частотного діапазону 0.1-10 Гц дозволяє проводити вимірювання імпедансу високоомних електроізоляційних рідин. Обидва вказані фактори суттєво збільшують точність вимірювання. Приклад Блок-схема вимірювального пристрою, що реалізує запропонований спосіб, наведена на кресленні. Проводиться визначення електрофізичних характеристик ряду органічних рідин -12 -16 (бензини та органічні розчинники) зі значенням питомої провідності 10 -10 см·см. Блок-схема пристрою для вимірювання імпедансу (креслення): 1 - генератор, 2 - опір навантаження, 3 - вимірювальна конденсаторна комірка, 4 - аналогоцифровий пристрій, 5 - пристрій математичної обробки, 6 - електронно-обчислювальна машина, 7 - операційний підсилювач. Вимірювання імпедансу електроізоляційних рідин проводиться в області частот 0.1-10 Гц. Генератор 1 подає на подільник напруги (що складається з опору навантаження 2 величиною tg  25 30 35 40 45 50 2 UA 123029 U 5 Rн та вимірювальної конденсаторної комірки 3, заповненої досліджуваною ізоляційною рідиною, вхідну синусоїдальну напругу фіксованої частоти (з діапазону 0.1-10 Гц). Вихідна напруга знімається з вимірювальної комірки. Вхідна та вихідна напруги синхронно оцифровуються двоканальним аналого-цифровим пристроєм 4 і надходять на вхід пристрою математичної обробки 5, де визначаються їх амплітуди та фазовий зсув. Вхідна і вихідна Uв х напруги пов'язані співвідношенням Uв их  Z , де Z - імпеданс комірки, Uв х та Uв их Z  Rн комплексні 10 15 20 25 30 35 40 45 значення вхідної та вихідної напруг подільника напруги ( Uв х  А е jt , Uв их  В е jt   ), A , B - амплітуди та  - зсув фаз між вхідною та вихідною напругами,  кутова частота. Отже, для визначення величини Z маємо вираз: Rн , Z A  j e 1 B де A , B та  - визначені пристроєм математичної обробки амплітуди вхідної та вихідної напруги і фазовий зсув фаз між ними на фіксованій частоті з діапазону 0.1-10 Гц. Детальніше, 13 для питомих опорів до 10 ом·см вибирається будь-яка частота з діапазону 1-10 Гц, а для 16 більших значень питомих опорів до 10 ом·см більш придатним є діапазон 0.1-1 Гц. Таким чином, з виразу (5) можна отримати значення активної і реактивної складових імпедансу, а з них, використовуючи описуючі їх вирази (1) та (2), значення R та C , які далі перераховуються у відповідні їм величини питомої провідності  та відносної діелектричної проникності  досліджуваної рідини за формулами (3). Тангенс кута діелектричних втрат tg отримується із виразу (4), використовуючи визначені раніше значення R та C . Розрахунок величин R , C ,  ,  , tg проводяться на спряженій електронно-обчислювальній машині 6. Зауважимо, що для запобігання шунтуючого впливу вхідних каскадів АЦП на результати вимірювань імпедансу високоомної конденсаторної комірки, оцифровування вихідної напруги від подільника (креслення), відбувається за допомогою повторювача напруги, побудованого на основі прецизійного операційного підсилювача 7 з наднизьким вхідним струмом ОРА 129. Важливим є також екранування вимірювальної схеми з метою виключення впливу на результати вимірювань зовнішніх електромагнітних перешкод. Експериментальна перевірка похибки визначення електрофізичних характеристик ізоляційних рідин при використанні способів аналогу і прототипу, описаних в [1] та [2], з одного боку, та запропонованого способу вимірювань, з іншого, зокрема, для величини питомої провідності органічних рідин (автомобільні бензини та ін…), дала наступні результати: - у випадку застосування постійної зовнішньої напруги [1] похибка складає більше 100 % (порівняно з пропонованим способом); - у випадку застосування змінної напруги прямокутної форми [2] похибка складає 10-15 % (порівняно з пропонованим способом); - в пропонованому способі вимірювань похибка складає 2-3 %. Потрібно зауважити, що для способів, описаних в [1] та [2], похибка вимірювань в основному визначається наявністю приелектродних ефектів і тому позбавитися її принципово неможливо. В пропонованому ж способі вимірювань похибка визначається лише точністю вимірювань імпедансу заповненої конденсаторної комірки (яку можливо збільшити, використовуючи більш точні сучасні схеми вимірювання імпедансу), та в наведеному прикладі складала не більше 23 %. Джерела інформації: 1. ІЕС 60247:2004. Insulating liquids-Measurement of relative permittivity, dielectric dissipation factor (tan d) and d.c. resistivity. 2. IEC 61620:1998. Insulating liquids-Determination of the dielectric dissipation factor by measurement of the conductance and capacitance. 3 UA 123029 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб визначення відносної діелектричної проникності, питомої провідності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляційних рідин, при якому прикладають до електродів конденсаторну електрохімічну комірку, заповнену досліджуваною електроізоляційною рідиною, змінного електричного струму в області частот 0,1-10 Гц з подальшим визначенням значень опору R та ємності С комірки та розрахунком з них шуканих електрофізичних характеристик, який відрізняється тим, що до електродів прикладають синусоїдальний електричний струм, вимірюють активну та реактивну складові імпедансу комірки, а з них розраховують величини опору R та ємності С. Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4