Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости и устройство для его осуществления

Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство, реализующее способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, содержит измерительный электрод 4, группы контактов 10 управления, ключ 20, измеритель 25 мгновенных значений потенциала, формирователь 26, блок измерения 27 интервалов времени, вычислительный блок 28 и блок индикации 29. В процессе открывания электрода 4 замыкаются группы контактов 10, управляющие формирователем 26, который переключает каналы блока измерения 27 и управляет измерителем 25. Информация о мгновенных значениях потенциала с измерителя 25 и о интервалах времени с блока измерения 27 поступает в память вычислительного блока 28. Результаты вычислений поступают на блок индикации 29. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51) 4 G Ol R 29 12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 42593) 3/24-09 (22) ) 0.06.87 (46) 15.07.89. Бюл. В 26 (72) В.С. Аксельрод и К.Б. Щигловский (53) 62 ) . 3! 7 . 328 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 655989, кл. G 01 R 29/12, 1970.

Аксельрод В.С. Материалы научнотехнической конференции Перспективы развития судовой электротехники и технологии электромонтажных ра" бот". Л., 1977, с. 52-55. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

ОБЪЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

И ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЕГО РЕЛАКСАЦИИ

В ПОТОКЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроиэмерительной технике. Цель. изобретения — повьппение точности измерений. Устройство, реализующее

2 способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, содержит измерительный электрод 4, группы контактов 10 управления, ключ 20, измеритель 25 мгновенных значений потенциала, формирователь 26 блок измерения 27 интервалов времени, вычислительный блок 28 и блок индикации 29. В процессе открывания электрода 4 замыкаются группы контактов 10, управляющие формирователем 26, который переключает каналы блока измерения 27 и управляет измерителем 25. Информация о мгновенных значениях потенциала с измерителя 25 и о интервалах времени с блока измерения 27 поступает в память вычислительного блока 28.

Результаты вычислений поступают на блок индикации 29. 2 с.п .ф-лы, 2 ил .

1493966

U> q/С, 40

Iр = q/< .

q +

Ч о кону

U(c) el

P(l) = P e

Изобретение относится к электро*змерительной технике н может быть использовано для контроля объемноного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в жидкостях при транспортировке их по трубопроводам .

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведено устройство, реализующее способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его реализации в потоке диэлектрической жидкости; на фиг. 2 — схема электрическая структурная устройства.

Способ определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации реализуется следующим образом.

При наличии электрического заряда в объеме электропроводяшего измерительного участка трубопровода, электуоиэолированного от остального трубопровода, при условии, что электропроводность материала (жидкости) внутри этого участка равна нулю, а его электрическое сопротивление относительно земли бесконечно велико, потенциал U этого участка, как потенциал ячейки Фарадея, в любой момент времени определяется зарядом q в объеме этого участка и его электрической емкостью С относительно земли, В случае же реальной заряженной жидкости на стенки этого измерительного участка течет ток I, определяемый величиной заряда в объеме этого участка и свойствами жйдкости — постоянной времени релаксации заряда и в ней

При стационарном режиме перекачки заряд и его распределение внутри измерительного участка можно считать неизмененным во времени.

В этом случае при достаточно большом электрическом сопротивлении этого участка относительно земли потенциал его будет изменяться по загде t — время пребывания заряда в объеме измерительного участка.

Однако, если до начала измерения внутреннюю поверхность измерительного участка экранировать от заряда в нем, в этом состоянии заземлить, а затем, отключив от земли, экспонировать ее в поле этого заряда, то потенциал в момент полного открывания (экспонирования) поверхности будет соответствовать выражению (1) при условии мгновенного открывания.Ре15 ально же открывание поверхности требует время. Тогда по мере увеличения площади экспонируемой поверхности будет возрастать ток релаксации на эту поверхность, и функция изме20 нения потенциала будет иметь вид

1 Г

С 1()

7 где q(t) — функция изменения заряда в области экспонируемой части поверхности.

Если например, предположить, что заряд во всем объеме измерительного участка распределен равномерно, а открывание производят вдоль оси участка с равномерной скоростью в течение интервала времени b,t, то .

q(t) = t и выражение (2) приЧ

Д1, мет вид

35 () (2-)

Сht 2С а потенциал U, в момент b t1 будет в дальнейшем, после интервала ток релаксации постояннен и равен

Ip = q/, а потенциал растет по

U(t) U + — t при t>dt,. (4)

Теперь из выражений (3) и (4) нри известных значениях по измеренным потенциал4м в моменты

50 времени Ьt и Дt можно определить q и ь, Однако, реальное распределение заряда в объеме измерительного участка может быть неоднородным. Он может

55 спадать от начала к концу участка по направлению потока жидкости по закону

1493966 где 1 — расстояние от начала измерительного участка вдоль его оси;

Я вЂ” плотнос ть объемного заряда, Р— плотность объемного заряда на входе в измерительный участок; — длина релаксации, равная произведению скорости течения V и постоянной времени релаксации заряда с % = Ve

Если же " зависит от плотности заряда (что заметно при достаточно больших плотностях заряда), а Я достаточно мало, то выражение (5) приобретает вид р(1) =р е

-e/s! р) (6) dS LRd(g. где — центральный угол . раскрытия экспонируемого электрода, течет ток, Даже при соблюдении условия (5) приращение потенциала Ь U, вызванное током релаксации за время О < t C ht определяется выражением

t ф $ -а 1 h д11 = „р(1- е )dt о .где а — скорость перемещения экрана

l и для определения q и Г становится необходимым знание еще и скорости течения, не говоря уже о сложности вычислительного характера. При условии же (6), когда функция % (P) заранее не известна, измерения потен1 иалов, времени и скорости течения не дают воэможности однозначно определить q и

Таким образом, с точки зрения погрешностей определения q и . экспонирование внутренней поверхности измерительного участка с увеличением его площади вдоль оси неприемлемо. Выходом из положения является экспонирование поперек образующих цилиндра. В этом случае на экспонируемую поверхность в любой момент времени действовало бы поле всего заряда, расположенного с любым осесимметричным распределением вдоль оси измерительного участка.

Действительно, при таком процессе экспонирования электрода на каждый линейный элемент поверхности dS, расположенный вдоль длины L изм рительного участка радиусом R

1 1

2 с(> где ь, — средняя постоянная времени релаксации заряда в объеме измерительного участка с учетом того, что постоянная времени релаксации зависит

10 от плотности заряда, распределенного вдоль этого участка неизменным образом.

Эта величина с определяется теперь как отношение заряда q к току релаксации при полностью открытой полю заряда внутренней поверхности измерительного участка.

При этом очевидно, что организовать экспонирование всей внутренней поверхности измерительного участка укаэанным способом невозможно. Однако есть возможность выделить часть этой поверхности, называемую далее измерительным электродом, с .раниченную образующими и границами этого участка, и экспонировать ее перемещением соответствующих экранов. Тогда потенциал полностью открытой этой части поверхности (измерительного электрода) и ток на нее будет зависеть от тога, какую долю она составляет от всей поверхности измерительного участка. Кроме того, на эти потенциал и ток будут оказывать влияние эффекты перераспределения поля

35 заряда вблизи границ измерительного электрода между экраном и этим электродом за счет их геометрии и расположения (их диаметры, естественно, 4О различны). Учесть расчетным путем эти эффекты затруднительно, однако онн учитываются при калибровке, так как вызванная ими погрешность имеет систематический характер.

45 В этом случае формулы для определения fl и с необходимо записать в виде, который учитывает эти неопределенности ди

".- (U - к, " м,)/ " (8) д, 55

Действительно, при расположении вдоль оси измерительного участка цилиндрического калибровочного элек1493966 трода и подаче на него постоянного напряжения С,„ относительно земли, за ряд с1 на нем в пределах измерительк ного участка определяется em радиусом r, радиусом R внутренней поверхности измерительного учлсткл и его длиной L

2«ЕЕ,L

> nR/, 10

После заряда цилиндрического электрода направлено радиально вдоль поверхность рл.(ен нулю, и потенциал

U „полностью экспонированного измерительного электрода определяется только зарядом q „, размерами измерительного электрода и конструктивными ос обе ннос тями ус тройс тв а (в заимным расположением и размерами экранирующего и измерительного электрода) и его электрической емко20

c Thl((относительно земли — q„/Ê.

Измерив таким образом»огенцилл определяют к оэффициент с1к(<к

Заполнив теперь измерительный участок жидкостью с известной отноI сительной диэлектрической»роницаемость(<(,производят операции измерения в псследовате:(ьности, УKc33BHHol< в формулировке предмета изобретения.

Предварительно заземленный и экранированный от поля заряда измерительный электрод имеет потенциал, равный нулю. После снятия заземления по мере увеличения экспонируемой площади потенциал измерительного электрода ув личивается как за счет непосредственно-о влияния заряда калибровочного электрода, так и за счет заряда, накапливающегося на измерительном электроде от тока проводи— мости в жидк «сти. Величина этого накопленного заряда эл время Ь, от начала зкс»«пирования до пол»ого открывания (лектрода также определяется конструктив»ыми особеHHocтями устройств,< и, кр<ме того, свсйствлми жИДКOCтИ Н ХЛРЛYтЕР«М ДВИЖЕНИЯ

50

55 всего измерительного участка и имитирует поле объемного заряда осесим15 метрично распределенного в объеме этого участка. При этом, при отсутствии жидкости в объеме измерительного участка («к нл его внутреннюю экрлнируюшего электрода (функцией

S(t), где S — экспонируемая плошадь измерительного электрода).

Изменение потенциала полностью открытого измерительного электрода происходит линейно во времени и о»ределяется теми же к«нструкти(<»ыми особенностями устройства и теми же св«йстнлми жидкости. Скорость »рирлшсгия этого потенциалл может быть о»редслена по em »рирашению dl:„ зл интервал времени dt<, при условии повторяемости характера функции

S(t) этл скорость однозначно связана с приращением потенциала d U p за время изменения экспонируемой плошади измерительного электрода, выз ванным током проводимости (в реальных условиях — током релаксации)

К, dt н1-< к

) где К вЂ” коэффициент пропорциональ1 ности.

Повторяемость функции S(t) легче всего осуществляется равномерным увеличением экспонируемой »лощади измерительного электрода.

Тлк клк заряд калибровочного элек— трода при наличии жидкости в измерительном участке в Я раэ больше,чем при определении коэффициента К, то к концу увеличения площади экспонируемой поверхности измерительного электрода (в конце интервала времени dt<), часть потенциала, определяемая зарядом q будет

И =FU,„, Потенциал,UK, измеренный в конце интервала времени цб, будет равен сумме (b UK

П = U + b,U =Е с + К Ьс к р (к е и

Отсюда определяется коэффициент

К(К(«к 1) к

dtl 6 U„(dt

Устройство для реализации способа включает в себя корпус 1, подсоединяемый к трубопроводу 2, на»ример, при помощи фланцевых соеди; нений 3. В этом корпусе смонтированы измерительный электрод 4 в виде части цилиндрического отрезка 5, огрлниченной образующими этого отре <кл и его границами, подвижный

1493966! и значений потенциллл и интервалов времени.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении экранирующий электрод 6 удерживается пружиной 24 в первом крайнем положении, при котором измерительный электрод 4 пол-!

О постыл экрлнировлн от поля переносимого жидкостью заряда. Поле этого злряда замыкается на экрлнирующий электрод 6 и открытую этому полю (через прорези экрлнирующего электрода) члсть измерительного участка трубопровода. Части муфты 18 и 19 разведены, пружина 17 сжата и кольцо 13 удерживается в этом положении защелкой 16. При включении привода 14

20 начинает вращаться кольцо 13, свя-;лнное с приводом 14 чьрез зубчатую передачу 15. Iос". достижения установивь.":гося 1."»..!.:, вр;;. ения кольца

13 отжатием защелки 16 включается спусковой механизм l2"„ „в р» ультате чего пружина 17, рлзжимлясь, перемещает кольцо 13 до сцепления частей 18 и 19 муфть,. 1,"лчинается враща30 тельное движение наружной части I! муфты сцепления, которая захватывлеT внутреннюю ее члсть 8, механически связанную с экрлнирующим электродом 6. Ключ 20 размыкается и измерительный электрод 4 отключа35 ется от земли. По дос тижении электродом 6 этой же скорости движения, что и у кольца 13 (с учетом проскальзывания муфты 18--1 9 и муф гы сцепления

8-11 в начальный период движения) край выреза 7 экранирующего электрода 6 достигает края измерительного электрода 4, и начинается процесс экспонирования измерительного электрода в поле переносимого жидкоСтью заряда.

Измерительный электрод 4 соединен 4 со входом измерителя 25 мгновенных значений потенциала, управляющие входы которого через формирователь

26 .соединены с выходлми первой и второй контактных групп IO. Через тот же формирователь 26 контактные группы 10 соединены со входом блока измерения интервалов времени 27. Выходы блоков 25 и 27 подключены ко входам вычислительного блока 28,запрограммированного на вычисление объемного заряда и постоянной времени его релаксации. Выход вычислитегьного блока 27 подключен ко входу блока индикации 29. формирователь 26 представляет собой последовлтельно включенные триггер и ждущий мультивибратор, формирующие управляющие им пульсы для измерителей мгновенньм заземленный экрлнирующий электрод 6, с вырезами 7,соответствующими измерительному электроду 4, внутренняя. часть 8 муфты сцепления и толкатели

9 контактов 10 управления измерителями. На корпусе смонтированы наружная часть муфты сцепления 11, спус— ковой механизм 1 2 и контакты 1 0 управления измерителями.

Спусковой механизм I 2 представляет собой кольцо 13, приводимое во вращательное движение двигателем 14 через систему зубчатых кслес 1 5. Это кольцо 13 в исходном состоянии оттянуто от муфты сцепления 8, 11 и зафиксировано в этом состоянии защелкой 16. При этом, удерживается в сжатом состоянии пружина 17. Кольцо 13 снабжено одной частью 18 магнитной муфты, другля часть 19 которой закреплена на муфте сцепления

8, 11.

Измерительный электрод 4 и экранирующий электрод 6 снабжены ключом

20, и замкнуты между собой в исходном состоянии. Экранирующий электрод 6 нлбжен выступами 21, управляющими движением толкателей 9, и ограничителем перемещения, включающим сек— торную прорезь 22, в которую входит штифт 23, ограничивающий движение этого электрода вокруг своей оси. В исходном состоянии экранирующий электрод 6 удерживается пружиной 24, один конец которой закреплен на кор— пусе I, а другой — на экранирующем электроде 6.

В тот же момент первый выступ 21 экранирующего электрода 6 нажимает соответствукщий толкатель 9 и замыкает первую конллктную группу 10.

Замыкание этого контакта вызывает в формирователе 26 импульс запуска первого канала блока измерения интервалов времени 27 (опрокидывание триггера) Экранируюший электрод 6 продолжает равномерное движение, экспонируемая площадь измерительного электрода 4 увелнчинле ся до полного его открывлния, и потенциал

1493966

Ч

30 где Дй, 35

К и K(40

Ч " к

U a-EU

45 где Е

55 его увеличивается за счет увеличения потока напряженности электрического поля от измеряемого заряда и за счет, тока релаксации на его поверхность.

В момент полного открывания измерительного электрода 4 второй выступ

21 экранирующего электрода 6 нажимает на толка1 ель второй контактной группы 10 и замыкает соответствующий контакт. Замыкание этого контакта вызывает второй импульс в формирователе 26 (второе опрокидывание триггера), останавливающий первый канал блока измерения интервалов времени 26 н запускающий его второй канал. Тот же импульс явля тся ко° мандой для измерителя мгновенных значений потенциала 25, сигнал 13 с выхода которого поступает в память. вычислительного блока 28. Одновременно в формирователе 26 запускается формирователь интеграла времени экспонирования полностью открытого измерительного электрода 4 до измеренйя следующего значения потенциала (запуск ждущего мультивибратора) .

По прошествии интервала времени (восстановление ждущего мультивибратора в исходное состояние) в формирователе 26 формируется импульс, поступающий на вход блока измерения интервалов времени 27 и на уп равляющий вход измерителя 25. Сигнал

Д t с выхода измерителя 25 поступает в память вычислительного блока

28, в блоке 27 формируется информация об .интервалах времени Д1, и 6t< и поступает также в вычислительный блок 28, где производятся вычисления по формулам (7) и (8), Результаты вычислений поступают на блок индикации 29.

Устройство приводится в исходное состояние, после чего оно готово к следующему измерению.

Формула изобретения

Способ определения плотности объемного электрического заряда и

1 постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, включающий измерение потенциала измерительного электрода, контактирующего с потоком этой жидкости, в цилиндрическом трубопроводе, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, измерительный электрод, выполненный в виде уч яс цилиндрической поверхности, соосн и

1 с трубопроводом, ограниченного образующими и линиями пересечения ци. линдрической поверхности и двух плоскостей, перпендикулярных оси, заземляют и экранируют от поля переносимого жидкостью заряда экраниру10 ющим электродом, затем отключают

его от земли и экспонируют его в поле этого заряда при равномерном вращении экранирующего электрода вокруг оси относительно измерительного

15 электрода, измеряют потенциал U измерительного электрода в момент его полного экспонирования и определяют приращение его потенциала Д U за интерв ал времени 6 t после достижения

20 полного экспонирования и определяют плотность р объемного электрического заряда и постоянную ñ времени

его релаксации по формулам интервал времени от начала экспонирования до полного экспонирования измерительного электрода; — объем измерительного

1 уч ас тк а труб оп ров ода; — константы калибровкй, определяемые до начала измерений по формулам электрическая проницае-. мость жидкости, 1 заряд в пределах измерительного участка трубопропровода при подаче на калибровочный электрод постоянного напряжения и размещении его вдоль оси измерительного участка трубопровода; потенциал полностью экспонированного измерительйого электрода при отсутствий

1493966

l4 жидкости в измерительном участке трубопровода, U„ — потенциал полностью экспонированного электрода

ЬИк — приращение потенциала за время Д t при полнОстью экспонированном измерительном электроде при заполнении измерительного участ- fp ка трубопровода жидкостью с известной диэлектрической проницаемостью при равномерном увеличении экспонированной площади измеритель- 15 ного электрода.

2. Устройство определения плотности объемного электрического заряда и постоянной времени его релаксации в потоке диэлектрической жидкости, 20 включающее корпус цилиндрической формы и с фланцами, измерительный электрод, контактирующий с потоком жидкости, размещенный в полости корпуса и подключенный ко входу электроизмерительного прибора, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, измерительный электрод выполнен в виде участка цилиндрической поверхности, соосной с корпусом, or- З0 раниченной образующими и линиями пересечения цилиндрической поверхности и двух плоскостей, перпендикулярных .Оси, расположен вблизи от внутреннен поверхности корпуса и изоли- 35 рован от него, дополнительно введены экранирующий электрод, выполненный в виде цилиндра, радиус которого меньше радиуса цилиндрической поверхности измерительного электрода, 40 и установленный соосно с ним с возможностью вращения, причем в экранирующем электроде выполнен вырез, форма которого идентична форме измерительного электрода, магнитная 45 муфта сцепления, внутренняя часть которой закреплена на экранирующем электроде, а внешняя часть этой муфты сцепления с установленной на ней частью второй муфты сцепления (она не обязательно магнитная, а может быть, например, фрикционной) размещена на внешней поверхности корпуса с возможностью вращения, кольцо с другой частью второй муфты сцепления в стороне от магнитной муфты с возможностью вращательного и поступательного движения, входящее в зацепление с шестерней введенного двигателя и фиксируемое в крайнем положении на корпусе введенной защелкой, пружина, упираяющаяся одним концом в торец кольца, противоположный второй муфте сцепления, и создающая усилие, направленное к внешней части муфты сцепления, первый и второй выступы и ограничитель перемещения, размещенные на другом конце экранирующего электрода, первая и вторая контактные группы, размещенные на внешней поверхности, толкатели которых размещены в отверстиях стенки корпуса и контактируют с первым и вторим выступами соответственно при заданных углах поворота экранирующего электрода, ключ, соединяющий измерительный и экранирующий электроды, причем экранирующий электрод заземлен, электроизмерительный прибор выполнен в виде измерителя мгновенного значения потенциала, выход которого подключен к первому входу введенного вычислительного блока, выход которого подсоединен к входу введенного блока индикации, последовательно соединенные формирователь, первый и второй входы которого подключены к выходам первой и второй контактных групп соответственно, и блок измерения интервалов времени, выход которого подсоединен к второму входу вычислительного блока.

1493966

Ъь

3ф

Составитель П. Соловьева

Техред Л.Олийнык Корректор Н. Король

Редактор И. Сегляник

Закаs 4105j 43 Тираж 713 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательекий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101