Устройство для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде
О П И С А Н И Е,999178
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06.10,81 (2l ) 3345433/18-21 с присоединением заявки.№ (23) П риоритет
Опубликовано 23.02.83. Бюллетень № 7
Дата опубликования описания 23.02.83 (51)М. Кл.
Н OB F 1/00
Государственный комитет
СССР вю делам нэобретеннй и открытий (И) УДК 621.319. .74 (088.8) у
Л, А. Похмельных ?-,;: ;::р:, k
UBHTpGJIbHBH аэрологическая обсерватория Госкоь|йтещ1 СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды (72) Автор изобретения (7l) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ BAPHAUHA ПЛОТНОСТИ
ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В СРЕДЕ
Изобретение относится к технике измерения объемного заряда сред и предназначено для контроля электрического состояния воздуха атмосферы и облаков с целью снижения вредных проявлений
5 зарядов статического электричества, осуществления активных воздействий на атмосферно-электрические процессы, и .может быть использовано в авиации, медицине и других областях науки и техники.
Известно устройство для измерения заряда аэрозоли, содержащее измерительный электрод, блок питания, выпрямитель и операционный усилитель f 1) 15
Однако это устройство имеет сложную схему и конструкшпо и не во всех случаях обеспечивает необходимую точность из- за наличия утечек с измерительного электрода по изоляторам, контактирующим с исследуемой средой.
Наиболее близким к предложенному является устройство для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде, содержащее два электрода, один из которых охватывает второй1и блок измерения разности потенциалов между упомянутыми электродами (2)
Это устройство также не обеспечивает высокой точности измерения из-за-контакта испытуемой среды с изоляторами.
Целью изобретения является повышение точности измерения.
Эта цель достигается тем, что в устройстве для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде, содержащем
I два электрода, один иэ которых охватывает второй, и блок измерения разности потенциалов между упомянутыми электро дами, наружный электрод выполнен. в виде замкнутой оболочки, непроницаемой для исследуемой среды.
На чертеже представлена конструктивная схема устройства.
Устройство состоит из наружного электрода 1 с полостью объема Ч, внут3 999 f реннего электрода 2, помещенного в эту полость, и измерителя 3 разности потенциалов между электродами. Внутренний электрод электрически изолирован от наружного электрода пространством 4, заполненным диэлектриком или откачанным до обеспечивающего изоляцию вакуума, Работает устройство следующим образом, о
Его помешают в среду или создают контакт электрода 1 со средой. B обоих случаях на установившемся режиме плотность объемйЬго заряда во внутренних точках проводящей массы электрода 1 15 совпадает с плотностью объемного заряда измеряемой среды (условие нейтральности внутренних точек проводника g = р о и разность потенциалов между электродами равна потенциалу электрода 2 относи- щ тельно среды).
Принцип, измерений основан на исполь.зовании уравнения Пуассона, записанного для среды, содержащей объемный заряд плотнос тью Я
ЮЧЫ„,=4%(y-ä.), И) где F Е+Е - измеренная напряженность о поля, складывающаяся из поля Е зарядов объема рассматриваемой диверген 50 ш и и поля F. зарядов око ружающей среды;
1 — плотностью объемного за-, ряда в выполненном объеме;
35 (— диэлектрическая проницаемость среды.
Уравнение выводится из рассмотрения эффектов, возникающих при нахождении тела объемом V, с зарядом g и, следовательно, со средней плотностью заря() в среде объемом Чо))Ч, равномерно заряженной с объемной плотностью
СОИ А ф О. Для простоты при выводе положено Я=1). Напряженность поля Е1, в некоторой точке окрестности, создаваемая зарядами среды и тела, определяется соотношением
Еи=1 P v ийч р и 1, Ч-ч о где )- расстояние между точкой измерения поля и объемным зарядом элемента объема ДЦ; у1- единичный вектор напряженности поля.
K„=5 Р; Ч У(y-y,)r= .à, V0 (4) B (4) первый интеграл описывает компоненту напряженнос ти поля, с оэдаваемую равномерно распределенным объемным зарядом среды в отсутствие тела.
В пределах радиуса Ро проведенного из точки измерения поля до ближайшей границы среды с Я Ф О вследствие точечной симметрии объема, он равен нулю, а отличие от нуля на расстояниях, превышающих R,p, обусловленное несимметричностью объема среды, соответствует крупномасштабному полю, не связанному с присутствием тела. Второй интеграл описывает компоненту поля, обусловленную присутствием тела. Из его вида следует, что тело, заряженное со средней плотностью заряда, определяемой (2), создает в окружающей среде с плотностью объемного заряда р ф электрос.татичеСкое поле, возникающее в пустом пространстве при заряженности тела со средней плотностью P = = po. Это соответствует связи между потоком напряженности через замкнутую поверхность объема, заряженного со средней плотностью, и плотностью объемного заряда окружающей среды Я в виде (1).
Из (1) следует, что при изменении плотности объемного заряда среды во времени P = P (1..) и сохранении заряда о о
Ц на теле последнее проявляет себя в пространстве как заряженное с изменяющимся во времени избыточным заря1 дом Я, которое связано с истинным соотношением . ц=с -p, И)Ч. ()
Ввиду (5), потенциал тела относительно окружающей среды
u®)= с ="+ с (%(0)-р (1))
q (t) v где ю (g) Ц вЂ” соответственно плотГp ность объемного заряда среды и значение потенциала тела в момент времени Ф =О;
С вЂ” электрическая емкость тела.
78 4
Первым интегралом производится суммирование по объему среды вне тела, вторым — по объему тела. Прибавление и вычитание в правой части (3) интеграла J$>p1 И ЙЧ и комбинация его имеюЧ щимися приводит к соотношению
Рассмотрение распределения зарядов в шаровых концентрических слоях показывает, что формирование среднего значения ро, влияюшего на значение потенциала тела относительно среды, происходит в объеме пространства, форма которого подобна форме тела, а линейные размеры в три раза превышают его размеры. . При измерении отмечают начальную tO разность потенциалов Îð между электродами, соответствуюшую плотности объемного заряда среды в этот момент ®(0) °
Вариацию плотности относительно g< (0) в последующие моменты времени + оп= М
l ределяют по изменению разности потенциалов, используя соотношение (6), чли дРо — (у (), Ж RV и>
25 где О(Ь) — разность потенциалов в момент времени t; объем полости электрода 1; à à — длительность измерения и
1 И постоянная времени линии измерения.
Предложенное решение позволяет реализовать устройство, электрические .цепи которого включая изоляторы полностью изолированы от измеряемой среды, и, следовательно, пригодное для измере- З
178 Ь ния s среде произвольной фазы и электрической проводимости и повысить точУ ность измерения.
Точность измерения конкретного уст- ройства, реализующего данный способ, пропорциональна соглано соотношению (6) объему полости электрода 1. Для реально осушествляемых объемов порядка 10 см она составляет 10. эсе/м, -+ что на порядок выше точности, достигаемой при измерении известным устройством формула изобретения
Устройство для измерения вариаций плотности объемного заряда в среде, содержашее два электрода, один из которых охватывает второй. и блок измерения разности потенциалов между упомянутыми электродами, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что с целью повышения точности иэизмерения, наружный электрод выполнен в виде замкнутой оболочки, непроницае. мой для исследуемой среды, 1
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
% 542363, кл. Н 05Г .1/00, 1975.
2. Имянитов И, М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. М., Гидрометеоиэдат, 1957, с. 335-345 (прототип).
9991 7 8
Составитель В. Ким
Редактор С. Лыжова Техред Т.Маточка Корректор К). Макаренко
Заказ 1176/78 Тираж 843 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород,ул.Проектная, 4
