Способ и устройство для измерения электрических характеристик жидких электролитов и диэлектриков

Изобретение относится к области электрических измерений таких параметров жидких электролитов и диэлектриков, как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, проводимость на постоянном токе и другие зависящие от них величины. Сущность способа заключается в том, что измерительную ячейку с исследуемой жидкостью включают в электрическую цепь последовательно с двумя образцовыми активными сопротивлениями, каждое из которых поочередно подключают к ячейке, устанавливают на ячейке напряжение, при котором необходимо проводить измерения, постоянство этого напряжения при переключении образцовых сопротивлений поддерживают путем регулирования общего напряжения. Одновременно измеряют напряжение на ячейке и общее напряжение, отношение которых используют при расчете параметров жидких электролитов и диэлектриков в соответствии с математическими выражениями. Одновременное измерение указанных напряжений и использование их отношения при расчете значений определяемых параметров исключают погрешность, обусловленную нестабильностью напряжения и частоты источника питания. Кроме того, заявлено устройство, реализующее указанный способ. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области электрических измерений таких параметров жидких электролитов и диэлектриков, как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, проводимость на постоянном токе и другие зависящие от них величины, а также их частотных характеристик и может быть использовано при контроле качества жидких электролитов и диэлектриков, а также при диагностике состояния жидких смазочных материалов.

Известны устройство и способ для измерения указанных величин у электролитов [Калинин В.В. Способ и устройство для измерения сопротивления водных электролитов / Калинин В.В., Казак А.В. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2008. №8. Том 74. С.46-48], в котором измерительную ячейку с исследуемым электролитом включают в электрическую цепь последовательно с двумя образцовыми активными сопротивлениями, каждое из которых поочередно подключают к ячейке, и измеряют напряжения на образцовых сопротивлениях и общее напряжение, причем общее напряжение цепи поддерживают постоянным при переключении сопротивлений. Особенностью рассмотренного способа является отсутствие в измерительной цепи реактивных сопротивлений кроме измеряемого сопротивления. Это позволяет при одной и той же измерительной цепи проводить измерения на различных частотах. Широко распространенные мостовые и резонансные методы не имеют такой возможности, так как в их цепях используются образцовые реактивные сопротивления, параметры которых, в свою очередь, зависят от частоты.

Известное устройство содержит источник питания - генератор синусоидального напряжения, измерительную ячейку, заполненную исследуемой жидкостью, два образцовых сопротивления, выполненных в виде последовательно соединенных резисторов, один из которых может быть замкнут накоротко с помощью ключа, измеритель напряжения.

Однако к недостаткам указанного способа и устройства можно отнести следующее:

в процессе измерения при переключении образцовых сопротивлений изменяется напряжение на измерительной ячейке, вследствие чего изменяется напряженность электрического поля в ячейке, что может привести к изменению измеряемых параметров;

так как измерительная ячейка не заземлена, то не учитывается влияние внешних электрических полей на измеряемые параметры;

поочередное измерение напряжений может приводить к появлению погрешности за счет нестабильности напряжения и частоты источника питания;

не обеспечивается поддержание постоянства паразитной емкости соединительных проводов, что также приводит к появлению дополнительной погрешности.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности определения параметров жидких электролитов и диэлектриков.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения, заключающемся в том, что измерительную ячейку с исследуемой жидкостью включают последовательно с двумя образцовыми активными сопротивлениями, каждое из которых поочередно подключают к ячейке, в электрическую цепь, согласно изобретению в процессе измерения обеспечивают постоянство паразитной емкости соединительных проводов и устранение утечки тока через эту емкость, одновременно заземляют измерительную ячейку, источник питания и измеритель напряжения, а на измерительной ячейке устанавливают напряжение, при котором необходимо проводить измерения, поддерживаемое постоянным при переключении образцовых сопротивлений, и одновременно измеряют напряжение на ячейке и общее напряжение, отношение которых используют при расчете параметров жидких электролитов и диэлектриков в соответствии с математическими выражениями:

где r и x - активное и реактивное сопротивления измерительной ячейки;

, ;

U_я - напряжение на измерительной ячейке;

U₁ и U₂ - общее напряжение цепи при образцовых сопротивлениях R=R₂ и R=R₁+R₂ соответственно.

Таким образом, в предлагаемом способе уменьшается влияние непостоянства напряженности электрического поля в ячейке, нестабильности напряжения и частоты источника питания, а также внешних электрических полей и паразитной емкости соединительных проводов на результаты измерения.

Поскольку известное устройство для измерения сопротивления водных электролитов [Калинин В.В. Способ и устройство для измерения сопротивления водных электролитов /Калинин В.В., Казак А.В. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2008. №8. Том 74. С.46-48] не позволяет реализовать заявляемый способ, так как в нем не предусмотрены возможности измерения напряжения на измерительной ячейке и поддержания его постоянства, а также одновременного измерения общего напряжения и напряжения на ячейке, необходимо видоизменить известное устройство. Это видоизменение состоит в том, что известное устройство снабжено дополнительными элементами: коаксиальным кабелем с двумя экранирующими оболочками, повторителем напряжения, регулятором общего напряжения и вторым измерителем напряжения, а его электрическая схема выполнена таким образом, что она обеспечивает постоянство паразитной емкости соединительных проводов и устраняет утечку тока через эту емкость за счет использования коаксиального кабеля, состоящего из внутреннего провода и двух промежуточной и внешней экранирующих оболочек, кроме того, схема позволяет одновременно заземлять измерительную ячейку, источник питания, регулятор напряжения и оба измерителя напряжения, тем самым уменьшая влияние внешних электрических полей на результаты измерения.

В итоге новое устройство позволяет достигнуть цели изобретения - повышения точности измерения.

На чертеже представлена схема устройства для измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков.

Согласно схеме последовательно с измерительной ячейкой 1, заполненной исследуемой жидкостью, включены два образцовых сопротивления R₁ и R₂, одно из которых может быть замкнуто накоротко с помощью ключа К. Внешний электрод 2 ячейки заземляется, а измерительный электрод 3 соединяется со входом повторителя 7, на который по внутреннему проводу 4 коаксиального кабеля с двумя изолированными друг от друга экранами 5 и 6 подается напряжение от генератора 8 через регулятор напряжения 9, регистрируемое измерителем 10, напряжение с измерительной ячейки через повторитель 7 подается на измеритель напряжения 11.

Для поддержания постоянства паразитной емкости между проводами, соединяющими измерительную ячейку с электрической схемой, используется коаксиальный кабель, соответствующий диапазону частот, в котором проводят измерения. Так как емкость и активные проводимости измерительной ячейки и кабеля складываются, то для уменьшения влияния емкости кабеля необходимо уменьшать ток, проходящий через эту емкость между внутренним проводом и заземленным экраном. Эта задача решается применением коаксиального кабеля, состоящего из внутреннего провода и двух промежуточной и внешней экранирующих оболочек. В этом случае один электрод ячейки заземляют (при использовании цилиндрической измерительной ячейки обычно заземляется внешний электрод), а второй соединяют с внутренним проводом коаксиального кабеля, через который на ячейку подается напряжение. Одновременно это напряжение подается на повторитель, выход которого включен на промежуточную экранирующую оболочку кабеля и землю, в результате чего внутренний провод кабеля и промежуточный экран имеют практически одинаковые потенциалы и ток утечки через емкость и проводимость между ними отсутствует.

Способ измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков проводится в два этапа: сначала по показаниям измерителя 10 с помощью регулятора напряжения 9 устанавливают на ячейке напряжение U_я, при котором необходимо проводить измерения, и измеряют общее напряжение U₁ при одном значении образцового сопротивления R=R₂. Затем размыкают ключ К и при другом значении образцового сопротивления R=R₁+R₂ вновь устанавливают на ячейке то же самое значение напряжения U_я и измеряют новое значение общего напряжения U₂.

Общее напряжение U_i, подводимое к схеме, при использовании последовательной эквивалентной схемы измерительной ячейки определяется выражением:

где r и х - активное и реактивное сопротивления измерительной ячейки.

Параметры измерительной ячейки r и x определяются выражениями (1) и (2), полученными в результате решения системы уравнений, составленных в соответствии с уравнением (3) для напряжений U₁ и U₂.

По полученным значениям r и х можно рассчитать емкость измерительной ячейки, диэлектрическую проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой жидкости.

Использование предлагаемого способа и устройства позволяет по сравнению с существующим повысить точность измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков.

1. Способ измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков, заключающийся в том, что измерительную ячейку с исследуемой жидкостью включают последовательно с двумя образцовыми активными сопротивлениями, каждое из которых поочередно подключают к ячейке, в электрическую цепь, отличающийся тем, что в процессе измерения обеспечивают постоянство паразитной емкости соединительных проводов и устранение утечки тока через эту емкость, одновременно заземляют измерительную ячейку, источник питания - генератор синусоидального напряжения, регулятор напряжения и измерители напряжения, а на измерительной ячейке устанавливают напряжение, при котором необходимо проводить измерения, поддерживаемое постоянным при переключении образцовых сопротивлений, и одновременно измеряют напряжение на ячейке и общее напряжение, отношения которых используют при расчете параметров жидких электролитов и диэлектриков в соответствии с математическими выражениями:


где r и x - активное и реактивное сопротивления измерительной ячейки;
, ;
U_я - напряжение на измерительной ячейке;
U₁ и U₂ - общее напряжение цепи при R=R₂ и R=R₁+R₂ соответственно.

2. Устройство для измерения параметров жидких электролитов и диэлектриков, содержащее источник питания - генератор синусоидального напряжения, измерительную ячейку, заполненную исследуемой жидкостью, два образцовых сопротивления, выполненных в виде последовательно соединенных резисторов, включенных последовательно с ней, один из которых может быть замкнут накоротко с помощью ключа, измеритель напряжения генератора синусоидальных колебаний, отличающееся тем, что внешний электрод ячейки заземляется, а измерительный электрод ячейки соединяется со входом повторителя, на который по внутреннему проводу коаксиального кабеля с двумя изолированными друг от друга экранами подается напряжение от генератора через регулятор напряжения, регистрируемое измерителем напряжения, напряжение с измерительной ячейки через повторитель подается на второй измеритель напряжения.