Развитие теории и практики изотропных измерений электростатического поля на основе динамических преобразователей

Актуальность темы

Прогрессивное развитие технологий промышленности сопровождается как целенаправленной генерацией электростатических полей для технологических процессов, так и побочным их возникновением при работе электротехнического оборудования. В связи с этим возникает ряд проблем, связанных с контролем и обнаружением электростатических полей, а также выявлением их воздействий на технические и биологические объекты. Так же ощущается необходимость в регистрации сверхслабых электростатических полей, например, при поисках дробных элементарных зарядов, а в космической области нужны приборы, позволяющие проводить исследование полей в условиях плазмы газового разряда.

В настоящее время все более актуальным становятся измерения и контроль уровней напряженности электростатического поля на соответствие требованиям норм по электромагнитной безопасности, согласно действующим правовым и нормативным документами Госстандарта и Госкомэпидемнадзора России. Необходимость контроля воздействия электрических полей крайне высока в помещениях, где сосредоточенно большое количество электротехнического оборудования (в том числе компьютеров, оргтехники и т. д.). Систематическое воздействие на организм человека сверхдопустимых уровней электрического поля отрицательно воздействует на здоровье человека, может привести к необратимым изменениям в организме (функциональное состояние нервной системы, сердечно сосудистой и эндокринной системы и пр.). Экологическая безопасность электротехнического оборудования является приоритетной проблемой.

Сильные электростатические поля с каждым годом все шире применяются в технологических процессах. Электростатические поля используются при окрашивании и нанесении покрытий, при распылении и улавливании аэрозолей, при электростатической сепарации и электрофлокировании, во всех этих процессах, используется взаимодействие электростатических полей и заряженных дисперсных материалов. В связи с этим приобретают большое значение проблемы, связанные с разработкой новых средств для получения информации о параметрах электростатических полей.

Знание напряженности электростатических полей требуется и в других областях — в нефтяной (при перекачке, транспортировке и хранении нефтепродуктов) в химической, текстильной и электронной промышленности. Т. е. там, где возникает вероятность появления электрических зарядов, приводящих к вероятности взрыва или пожара, а также в области изучения атмосферного электричества, в экологии, медицине и др.

В России исследования измерительных преобразователей параметров электростатических полей начались с основополагающих работ Г. В. Рихмана, разработавшего и применившего первый в мире электрометр (1744 г). В настоящее время этой теме посвящены работы: И. М. Имянитова, JI. Г. Гросса,.

A. М. Илюковича, К. JI. Куликовского, В. С. Аксельрод, К. Б. Щегловского.

B. А. Мондрусова, В. А. Прянишникова, Я. М. Шварца, В. Н. Зажирко,.

C. В. Бирюкова и др. За рубежом аналогичные исследования проводили Дж. Н. Чабб, П. Э. Секер, Е. Сайто и др.

Первые конструкции динамических электроиндукционных преобразователей были разработаны в 1937 г. для измерения сверхвысоких мегавольтных напряжений, вырабатываемых электростатическими генераторами. В России основоположником создания динамических измерительных преобразователей для исследования вариаций электрического поля на земле и в атмосфере является коллектив ученых, работавших под руководством И. М. Имянитова. Ими же были разработаны приборы, устанавливавшиеся на борту первых космических аппаратов.

Наибольшего развития техника электростатических измерений достигла в последние десятилетия, что связано с появлением дешевых операционных усилителей с высоким входным сопротивлением. В настоящее время наиболее известными зарубежными фирмами-производителями измерителей параметров электростатических полей являются Keithley Instruments, Pitman Instruments, Sallivan (Великобритания), Дзюннити дэнки (Япония), Prostat Corp (США), Элтекс-Электростатик (Германия) и др.

Практическое значение электростатических измерений и испытаний материалов на электризуемость постоянно растет. При этом возрастают также требования к точности и чувствительности измерительных преобразователей электростатических полей. Многие из существующих в настоящее время измерительные преобразователи (ИП) в полном объеме не удовлетворяют требованиям промышленности, поскольку они не позволяют производить длительных измерений в изменяющихся полях и большинство из них обладают малой чувствительностью.

Таким образом, задача по разработке и проектированию новых средств измерений на основе динамических электроиндукционных преобразователей, обладающих малыми погрешностями и полностью удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к современным ИП параметров электростатических полей, остается нерешенной, вследствие чего проведение исследований в этом направлении является актуальным и составляет одну из важных проблем современной измерительной техники.

Данная работа является изложением разработанных автором научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволит получить средства контроля и измерения параметров электростатических полей с характеристиками, удовлетворяющими современным техническим требованиям и тем самым внесет значительный вклад в развитие ряда отраслей промышленностей, использующих электростатические поля.

Целью диссертационной работы является создание и исследование динамических первичных измерительных преобразователей (датчиков) параметров электростатических полей инвариантных к его направлению и обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих средств измерений, применяемых для контроля параметров электростатических полей, в том числе утвержденных типов средств измерений, зарегистрированных в федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений и выявление факторов, ограничивающих их метрологические характеристики.

2. Рассмотреть вопрос взаимодействия проводящей поверхности сферического датчика с электрическими полями различных источников (однородное поле, поле точечного источника, поле проводящей линии конечной длины, поле электрического диполя и квадруполя) посредством математического и экспериментального моделирования.

3. Создать новую конструктивную модель изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика (ИТЭСД) напряженности электростатического поля, в основе которой лежит динамический метод измерения.

4. Создать математическую модель динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности электростатического поля, учитывающую взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью и на основании математического моделирования выявить параметры датчика критичные к его погрешности. Математическая модель должна представлять собой блочную структуру, в которой путем смены блоков подынтегральных выражений можно было бы изменять условия неоднородности поля для исследуемого датчика.

5. Разработать структурную схему средства измерений напряженности электростатического поля (ЭСП) с динамическим ИТЭСД и реализовать имитационное программное моделирование средств измерений с созданием виртуального прибора с учетом разработанной конструкции и математической модели датчика.

Методы исследования. В работе применялись теоретические методы исследования с использованием соответствующего математического и имитационного моделирования. При выводе основополагающих выражений и зависимостей были использованы теория поля и методы теоретических основ электротехники, теория математического анализа (интегральное, дифференциальное, вариационное исчисление) и прикладной математики.

При решении поставленных задач использовались классические разделы математического анализа, известные положения теории электромагнитного поля, а также методы компьютерного математического моделирования в среде пакета Mathcad, имитационное моделирование взаимодействия датчика с полями в пакетах Elcut и Maxwell, для апробации функционирования средства измерения напряженности ЭСП с ИТЭСД пакет объектно-графического программирования Lab VIEW.

Научную новизну работы составляют:

1. Теоретическое обоснование технической реализации изотропного датчика напряженности электростатического поля.

2. Выражение для расчета индуцированного заряда на изменяющейся площади чувствительного элемента, учитывающего его угловые размеры и скорость вращения, а также радиус кривизны корпуса датчика.

3. Математическая модель динамического изотропного трехкоординатно-го сферического датчика напряженности электростатического поля, имеющая блочную структуру и учитывающая взаимосвязи его выходных сигналов с конструктивными размерами чувствительных элементов, неоднородностью поля и результирующей погрешностью датчика, вызванной этой неоднородностью, позволяющая провести выбор размеров чувствительных элементов и формы сигналов датчика с точки зрения минимума погрешности от неоднородности поля и максимума пространственного диапазона измерений.

Оригинальность разработки и новизна технических решений подтверждена полученным патентом Российской Федерации № 106 959.

Практическое значение работы состоит в создании теоретических предпосылок и научно обоснованных технических решений для проектирования динамических изотропных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности электростатического поля.

Реализация и внедрение результатов работы осуществлены в виде:

— переданных материалов по разработке датчика контроля параметров электростатических полей ЗАО «СибЭлектро», г. Омск, ОАО «Омское специальное конструкторское бюро приборов», г. Омск (акты внедрения и передачи представлены в приложении к диссертации);

— использования в научно-исследовательской работе и учебном процессе Омского государственного технического университета (ОмГТУ) при подготовке магистров кафедры САПР М и ТП ОмГТУ (акт использования представлен в приложении к диссертации);

Реализация работы, кроме этого, осуществлена в виде патента РФ на полезную модель.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Развитие математического аппарата исследования поведения динамических изотропных трехкоординатных электроиндукционных сферических датчиков напряженности в ЭСП с различной неоднородностью, позволяющего рассматривать трехкоординатный датчик как единое целое и проводить расчеты его конструктивных и электрических параметров.

2. Конструктивная и математическая модели ИТЭСД и результаты их математического моделирования.

3. Полученная математическая зависимость, позволяющая рассчитывать индуцированный заряд на изменяющейся площади чувствительного элемента, учитывающая угловые размеры и скорость вращения чувствительного элемента, а также радиус его кривизны.

4. Установленная независимость выходных сигналов динамических ИТЭСД напряженности ЭСП при их среднеквадратическом детектировании от степени неоднородности поля.

Достоверность результатов подтверждается корректным применением соответствующего математического аппарата при выводе основополагающих зависимостей и анализе полученных выраженийтеоретическими расчетами, согласующимися с результатами других авторов и проверенными математическим моделированием и экспериментальными исследованиямиапробацией результатов работы перед научной общественностьюудовлетворительным согласованием расчетных и экспериментально определенных параметров и характеристик.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных форумах: X международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2010), 12-й международной научно-технической конференции «Измерение. Контроль. Информатизация» (Барнаул, 2010), III Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии в промышленность» (Омск, 2010).

Полное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на расширенном научно-техническом семинаре кафедры «Информационно-измерительная техника» Омского государственного технического университета" с участием представителей кафедр энергетического института и радиотехнического факультета.

Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 16 работах, из них: четыре статьи в центральных периодических журналах, рекомендованных ВАК, одно описание к патенту на полезную модель, одно свидетельство об отраслевой регистрации разработок в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, четыре статьи в сборниках трудов всероссийских научно-технических конференций, пять статей в сборниках трудов международных научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 111 источников и приложений. Работа изложена на 168 страницах и содержит 60 рисунков, 2 приложения.

Основные результаты исследований, выполненных в настоящей работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проведен анализ информации о средствах измерений параметров ЭСП (в том числе и о СИ, допущенных к применению в РФ, занесенные в фонд Государственного реестра средств измерений), что позволило, путем расширенного исследования проблемных моментов, определить перечень характеристик СИ ЭСП, улучшение которых необходимо.

2. Получены экспериментальные данные (а именно иллюстрации пространственного распределения напряженности ЭСП и граничные значения напряженности ЭСП) о взаимодействии поверхности проводящего сферического датчика для полей различной неоднородности, позволяющие визуально выявлять области концентрации напряженности ЭСП.

3. Предложена конструктивная и математическая модели динамического изотропного трехкоординатного электроиндукционного сферического датчика напряженности ЭСП, обеспечивающая заданную погрешность измерения в широком пространственном диапазоне.

4. Развит математический аппарат исследования динамических ИТЭСД напряженности в электрических полях с различной степенью неоднородности.

5. Опираясь на предложенную конструкцию трехкоординатного датчика и созданного математического аппарата разработана структурная схема средства измерения с улучшенными метрологическими характеристиками.

Таким образом, результатом представленной работы является развитие теории построения средств измерений, осуществляющих мониторинг электротехнического оборудования для контроля норм электростатического поля в различных технологических процессах, в экологии и других областях.

Выполненная работа представляет комплекс знаний, необходимых для инженерной разработки средства измерения и измерительных комплексов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом работы является комплекс знаний, необходимых для конструкторской разработки и проектирования средств измерения напряженности ЭСП с использованием динамических электроиндукционных сферических датчиков, обеспечивающих измерение напряженности поля с погрешностью в 1−10% как вблизи источника поля {(¡->, 2Я, где с?- расстояние от центра датчика до источника поляЯ- радиус корпуса датчика), так и в свободном пространстве (с!" Я).