Способы и устройства для измерений свойств композиционных диэлектрических материалов

Актуальность работы. Быстрое развитие наукоемких отраслей промышленности, формирование новых направлений научных исследований требуют непрерывного и опережающего совершенствования средств измерений (СИ) большого числа физических величин [1].

Измерения свойств диэлектрических материалов (ДМ) проводятся в электронной промышленности, энергетике, при добыче и переработке нефтепродуктов и других полезных ископаемых, в ходе научных исследований в области материаловедения. Эти измерения необходимо выполнять, в частности, при разработке новых типов резистивных элементов, электрических конденсаторов, электроизоляционных материалов и конструкций, при контроле состояния электроизоляции электрического оборудования в процессе его производства и эксплуатации, при определении количественного соотношения компонентов в многокомпонентных ДМ.

Исследования физических свойств диэлектриков начались еще в двадцатых годах прошлого века. В течение длительного времени оборудование для измерения свойств диэлектриков создавалось только для экспериментов в процессе формирования теории диэлектриков. Исследования не носили прикладного характера. Объектами исследования являлись химически чистые вещества, для которых характерны только «быстрые» виды поляризации (электронная, дипольная) преимущественно в диапазоне частоты гармонического напряжения на образце ДМ 1 — 1000 ГГц [2].

В большинстве случаев химически чистые диэлектрические вещества не удовлетворяют комплексам требований, предъявляемых к ДМ различными отраслями промышленности. Это вызывает необходимость разработки композиционных ДМ из нескольких диэлектрических веществ в виде смесей, жидких и твердых растворов, слоистых материалов. Таким ДМ, кроме «быстрых» видов поляризации химически чистых веществ, свойственны «медленные» ориентаци-онная, миграционная и межслойная поляризации с постоянными времени до нескольких минут и более. Наличие «медленных» видов поляризации обуславливает существенную зависимость относительной диэлектрической проницаемости (ОДП) от частоты приложенного к образцу ДМ напряжения в диапазоне от 0 до 10 МГц, что не наблюдается для химически чистых веществ. Особенностями композиционных ДМ являются также зависимости ОДП и удельного электрического сопротивления от амплитуды напряжения на образце ДМ. Исследование зависимостей свойств ДМ от влияющих физических величин (электрическое напряжение, температура) имеет большое практическое значение, в частности, при использовании ДМ в высоковольтных электронных компонентах и в высоковольтной электроизоляции энергетического оборудования.

До последнего времени теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении велись недостаточно интенсивно. Одним из условий интенсификации работ является обеспечение исследователей СИ свойств ДМ с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Возрастающие требования к качеству продукции вызывают необходимость сплошного контроля исходных материалов, технологических процессов, готовых изделий, оборудования. В связи с этим актуальна задача разработки СИ свойств композиционных ДМ при эксплуатации изделий из них в условиях интенсивных внешних воздействий.

Состояние проблемы. Основными величинами, отражающими физические свойства диэлектрика при воздействии на него электрического поля, являются диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. Эти величины характеризуют преобразование энергии внешнего поля в энергию поляризации и тепловую энергию ДМ. Они рассматриваются как действительная и мнимая части комплексной ОДП.

При измерении свойств ДМ в диапазоне до 10 МГц электрическим методом традиционно используется электрическая модель образца ДМ в виде пассивной линейной многоэлементной двухполюсной электрической цепи (ДЭЦ), образованной резисторами и конденсаторами. Измерение параметров комплексного сопротивления многоэлементных ДЭЦ является традиционной и развитой областью измерительной техники. Исследования научных коллективов, возглавляемых В. М. Шляндиным, А. И. Мартяшиным, Э. К. Шаховым, К.Б. Ка-рандеевым, Г. А. Штамбергером, Ф. Б. Гриневичем, В. Ю. Кнеллером, K.JI. Куликовским, А. А. Тюкавиным способствовали формированию таких направлений как измерение параметров ДЭЦ на основе анализа переходных процессов в измерительной схеме (ИС) [3,4], теория мостовых измерительных цепей [5,6], квазиуравновепшвающее и прямое преобразование параметров ДЭЦ [7], координированное уравновешивание мостовых схем [8] и тестовые измерения [9].

Разработан и серийно выпускается целый ряд СИ параметров линейных ДЭЦ с высокими метрологическими характеристиками [10]. Для измерения параметров резистивно-емкостных ДЭЦ применяются мосты постоянного (Р4060) и переменного тока с ручным (Р5016, Р5026) и автоматическим (Р5083) уравновешиванием, приборы на основе активной измерительной схемы (ИС) и интегрирующего АЦП (Щ404 — М, В7 — 28) или приборы на основе формирования и анализа переходных процессов в ИС с импульсным измерительным напряжением (Ф4800).

Перечисленные СИ позволяют измерять активное сопротивление ДЭЦ более 1 ГОм с допустимой в большинстве практических случаев погрешностью (±0.1 — 0.5%). О мировом уровне приборов данного назначения можно судить по параметрам омметра HP 4339 В (диапазон измерения сопротивления — от 1 кОм до 16 ООО Томизмерительное напряжение — до 1 кВосновная относительная погрешность измерения ± 0.4%) [11]. Он рекомендуется фирмой Hewlett Pakcard как лучший прибор для измерения сопротивления высокоомных резисторов. Однако, за исключением мостов переменного тока, существующие СИ не дают возможности измерять параметры ДЭЦ при напряжении на объекте измерения более 1 кВ.

Возможности широкого использования зарубежных СИ ограничены их высокой стоимостью (более 10 тыс. долл. США), которая быстро возрастает с увеличением максимального измерительного напряжения [12].

При измерении параметров композиционных ДМ к СИ предъявляются следующие требования: диапазон измерения СКС ДЭЦ резистивно — емкостного характера до 100 ТОм при тангенсе угла диэлектрических потерь 10″ 4 — 1 в диапазоне частоты гармонического напряжения 0−10 МГц, основная погрешность измерения СКС ДЭЦ ± (0.1 — 2) %, возможность проведения измерений при амплитуде напряжения на объекте измерения до 100 кВ и более, возможность одновременно с измерением СКС осуществлять измерение частоты и амплитуды напряжения на образце ДМ и его температуру. При этом СИ должны обеспечивать выполнение измерений не только в лабораторных, но и в производственных условиях, в том числе, непосредственно в процессе эксплуатации оборудования, в состав которого входят изделия из ДМ. Существующие приборы во многом не удовлетворяют специфическим требованиям к СИ при измерениях свойств ДМ, обусловленных с зависимостью измеряемых величин от частоты и амплитуды напряжения на образце ДМ и от температуры образца.

Особенности СИ параметров ДЭЦ при их использовании для измерений свойств ДМ электрическим методом состоят в следующем:

1. СИ уравновешивающего преобразования при высоковольтных измерениях должны иметь в опорном делителе мостовой ИС высоковольтный прецизионный элемент, метрологические характеристики которого в основном определяют погрешность измерения и предельное рабочее напряжение.

2. В измерительных преобразователях (ИП) параметров ДЭЦ, основанных на анализе переходных процессов в активных ИС, осуществляется негармоническое воздействие на измеряемую ДЭЦ [4, 13, 14, 15]. Такая особенность не позволяет использовать их для измерений параметров электроизоляции энергетического оборудования в процессе эксплуатации, когда питание ИС осуществляется от промышленной электрической сети, и для измерений ОДП композиционных ДМ.

3. В СИ прямого преобразования применяются как мостовая ИС, так и ИС в виде делителя напряжения, образованного измеряемой ДЭЦ и опорным элементом [7]. При использовании ИС в виде делителя напряжения возможно проведение высоковольтных измерений с использованием опорных элементов с предельным рабочим напряжением ниже напряжения на измеряемой ДЭЦ [16]. В общем случае ИП прямого преобразования имеют более низкую точность преобразования по сравнению с ИП уравновешивающего преобразования. Точность преобразования ограничивается, прежде всего, инструментальными погрешностями, основными источниками которых являются активные элементы ИС. Повышение точности измерения параметров ДЭЦ методом прямого преобразования возможно путем возврата на новом уровне к исторически первым пассивным ИС с нелинейной функцией преобразования. Возникающая при этом задача линеаризации с минимальной погрешностью эффективно решается на этапе аналого-цифрового преобразования или на последующих этапах обработки измерительной информации посредством микропроцессорных вычислительных устройств [17].

Цель и задачи исследования

Цель работы — разработка способов и устройств для измерений свойств композиционных ДМ электрическим методом.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

— разработка электрической и математической моделей композиционного ДМ с учетом зависимости его свойств от температуры и электрического напряжения на образце материала;

— разработка способов и устройств для измерений параметров электрической модели образца ДМ;

— разработка способов и устройств для измерений физических величин, влияющих на свойства ДМ.

Научная новизна.

1. Предложена электрическая модель образца композиционного ДМ в виде нелинейной ДЭЦ, комплексное электрическое сопротивление которой является функцией ОДП и удельного сопротивления ДМ.

2. Предложена математическая модель зависимости свойств композиционного ДМ от амплитуды напряжения на образце материала в виде уравнений — аналогов уравнения Гаврильяка-Негами.

3. Разработаны способы измерения СКС ДЭЦ с измерением амплитудных и фазовых соотношений на опорных элементах ИС в виде делителя напряжения и мостовой ИС на основе решения полного обобщенного уравнения мостовой цепи Карандеева — Штамбергера.

4. Разработан способ преобразования сопротивления образца ДМ в напряжение постоянного тока на основе диэлькометрического датчика.

5. Разработаны способы линеаризации передаточных характеристик датчиков физических величин, влияющих на свойства композиционных ДМ, в процессе аналого-цифрового преобразования.

Практическая значимость. На основе результатов теоретических исследований разработаны следующие измерительные устройства:

1. Устройства для совместного измерения СКС образца ДМ, частоты и (или) амплитуды напряжения на образце ДМ на основе ИС виде делителя напряжения и мостовой ИС, позволяющие расширить диапазон измерения амплитуды и снизить требования к стабильности напряжения питания ИС. Предложенные устройства могут найти применение при измерениях характеристик высоковольтной электрической изоляции энергетического оборудования под рабочим напряжением.

2. Установка для исследования зависимости удельного сопротивления ДМ от амплитуды напряжения на образце ДМ с измерительным напряжением до 20 кВ при использовании эталонных мер сопротивления с предельным рабочим напряжением не более 1 кВ.

3. Высокочувствительные измерительные преобразователи комплексного сопротивления образца ДМ в напряжение постоянного тока на основе двух-электродного и дифференциального диэлькометрических датчиков.

4. Цифровые термометры на основе термопреобразователей сопротивления, в которых аналоговая, аналого-цифровая или цифровая линеаризация характеристики преобразования термопреобразователя выполняется с минимальными аппаратными затратами.

5. Частотомер на базе гиперболического интегрирующего АЦП с минимальной погрешностью измерения частоты, что достигается независимостью результата преобразования от постоянных времени интегрирования интеграторов АЦП.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 .Электрическая модель образца ДМ в виде нелинейной ДЭЦ, комплексное сопротивление которой является функцией ОДП и удельного сопротивления ДМ, позволяющая учесть зависимость свойств ДМ от влияющих физических величин.

2.Математическая модель связи свойств ДМ с температурой и напряжением на образце материала на основе уравнения Гаврильяка — Негами и его аналогов и уравнений Фрелиха, учитывающая особенности свойств композиционных ДМ.

3.Способы совместных измерений СКС образца ДМ, амплитуды и (или) частоты напряжения на образце ДМ на основе ИС в виде делителя напряжения и мостовой ИС, позволяющие расширить диапазон измерения амплитуды и снизить требования к стабильности напряжения питания ИС.

4. Способ преобразования комплексного сопротивления образца ДМ в напряжение постоянного тока на основе диэлькометрического датчика, позволяющий повысить чувствительность ИП в два раза.

5. Способ измерения частоты гармонического сигнала на основе гиперболического интегрирующего аналого-цифрового преобразования с минимальной для данного класса ИП погрешностью измерения.

Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений.

Выводы по главе 4.

1 .Разработана установка для исследования зависимости удельного сопротивления композиционного ДМ от напряжения на образце материала на основе ИС в виде делителя напряжения. Установка обеспечивает формирование на образце ДМ напряжения до 20 кВ при напряжении на опорных резисторах не более 1 кВ и измерение сопротивления образца ДМ и приложенного к образцу напряжения. Установка удовлетворяет требованиям ГОСТ 21 342.17−78.

2. Разработаны высокочувствительные ИП модуля комплексного сопротивления образца ДМ для двухэлектродных и дифференциальных емкостных диэлькометрических датчиков с формированием на датчике гармонического напряжения частотой 1.5 МГц.

3. Требованиям к датчикам температуры для измерений температуры образцов ДМ в наибольшей степени удовлетворяют термопреобразователи сопротивления, изготовленные по тонкопленочной и фольговой технологиям. Для применения в цифровых термометрах разработаны АЦП напряжения низкого уровня с высокой помехоустойчивостью и функциональные АЦП с аналоговой, цифро-аналоговой и цифровой линеаризацией функции преобразования датчика температуры.

4. Разработан способ измерения частоты гармонического напряжения как величины обратной периоду на основе метода интегрирующего преобразования и частотомер на его основе, методическая погрешность измерения которого определяется только нестабильностью опорной частоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе проведенных исследований и разработок получены следующие основные результаты:

1. Предложена электрическая модель образца композиционного диэлектрического материала в виде нелинейной двухполюсной электрической цепи, комплексное сопротивление которой является функцией относительной диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления материала, позволяющая учесть зависимость свойств материала от влияющих физических величин.

2. Разработана математическая модель связи свойств диэлектрического материала с влияющими на них физическими величинами на основе уравнений Гаврильяка — Негами и Фрелиха. Предложены выражения для описания зависимостей относительной диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления от амплитуды напряжения на образце композиционного диэлектрического материала.

3. Разработаны способы совместных измерений составляющих комплексного сопротивления двухполюсной электрической цепи, амплитуды и (или) частоты гармонического напряжения на основе измерительной схемы в виде делителя напряжения и мостовой измерительной схемы, что открывает возможность измерений свойств диэлектрических материалов при питании измерительной схемы от нестабильных источников напряжения. Проведен анализ погрешностей измерений разработанными способами, даны рекомендации по их уменьшению.

4. Разработана высоковольтная установка для исследования зависимости удельного сопротивления диэлектрического материала от напряжения на образце материала в диапазоне напряжений, превышающем предельные рабочие напряжения применяемых мер сопротивления.

5. Разработаны высокочувствительные измерительные преобразователи сопротивления образца диэлектрического материала в напряжение постоянного тока на основе двухэлектродного и дифференциального диэлькометрических датчиков.

6. Разработан способ высокоточного измерения частоты гармонического напряжения на основе гиперболического интегрирующего преобразования периода сигнала в интервал времени. Повышение точности измерения достигнуто исключением постоянных времени интегрирования из функции преобразования.

7. Разработаны устройства для измерения температуры образца диэлектрического материала на основе термопреобразователей сопротивления с аналоговой и аналого-цифровой и цифровой линеаризацией характеристики преобразования при минимальных аппаратных затратах.

8. Результаты исследований нашли практическую реализацию в установке для измерения изменения сопротивления высоковольтных высокоомных резисторов Р1−74 от изменения напряжения, в устройствах для измерения свойств композиционных диэлектрических материалов на основе диэлькометрических датчиков, в цифровых термометрах.