автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Способы и устройства для измерений свойств композиционных диэлектрических материалов

На правах рукописи

БАРАНОВ Виктор Алексеевич

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2004

Работа выполнена во ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» («НИИЭМП»), г. Пенза.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Буц В. П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Чураков П. П.,' кандидат технических наук Федонин А. И.

Ведущая организация - ФГУП «НИИФИ», г. Пенза.

Защита диссертации состоится 17 июня 2004 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.02 в Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан 17 мая 2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диэлектрические материалы (ДМ) широко используются в электронной промышленности в составе пассивных электронных компонентов, в энергетике — в качестве электроизоляции, в химической промышленности - при создании новых полимерных материалов, в медицине, биологии, сельском хозяйстве и т.д. Основным требованием к ДМ,' предъявляемым промышленностью, является стабильность свойств при воздействии высокого напряжения в широком диапазоне температур: В большинстве случаев химически чистые диэлектрические вещества не удовлетворяют этому требованию, что приводит к необходимости создания композиционных ДМ. из нескольких диэлектрических веществ в виде смесей, жидких и твердых растворов, слоистых структур.

Разнообразие композиционных ДМ; сложная зависимость их свойств от влияющих физических величин диктуют высокие требования к средствам измерений свойств диэлектрических материалов. При измерении свойств ДМ электрическим методом традиционно используется электрическая модель образца ДМ в виде - пассивной линейной многоэлементной двухполюсной электрической цепи, образованной резисторами и конденсаторами. Исследования научных коллективов, возглавляемых В: М.' Шляндиным, А. И. Мартяшиным, Э. К. Шаховым, К. Б. Карандеевым, Г. А. Штамбергером, Ф. Б. Гри-невичем, В. Ю. Кнеллером, К. Л. Куликовским, А. А. Тюкавиным, способствовали. формированию таких направлений, как измерение параметров электрических цепей на основе анализа переходных процессов в измерительной схеме, уравновешивающее иквазиуравно-вешивающее преобразование, прямое преобразование, тестовые измерения: Однако линейная электрическая модель адекватна свойствам ДМ только при низких напряжениях на образце и нормальной температуре. Она не. отражает нелинейность электрического сопротивления композиционных ДМ при высоких (сравнимых с напряжением электрического пробоя) напряжениях.

Актуальность • поставленных вопросов и обусловила необходимость проведения данных исследований.

Цель работы состоит в разработке 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 композиционных ДМ с учетом зависимости их 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.

Методы исследования. Исследования выполнены на базе методов теории функций комплексного переменного, математического анализа, анализа электрических цепей. При разработке математической модели ДМ и анализе погрешностей измерений, свойств ДМ-символьные образования выполнены в среде Maple, а расчеты погрешностей измерений — в среде MathCAD.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена электрическая модель образца ДМ в виде нелинейной двухполюсной электрической цепи, комплексное электрическое сопротивление которой является функцией относительной диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления ДМ.

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

3. Разработаны способы измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсной электрической цепи с измерением амплитудных и фазовых соотношений на опорных элементах измерительной схемы в виде делителя напряжения и мостовой измерительной схемы на основе решения полного обобщенного уравнения мостовой цепи Карандеева Штамбергера.

4. Разработан способ преобразования комплексного сопротивления образца ДМ в напряжение постоянного тока на основе диэлько-метрического датчика.

5. Разработаны способы линеаризации характеристики преобразования первичных измерительных преобразователей физических величин, влияющих на свойства ДМ.

Практическая значимость,

1. Предложенные устройства для совместного измерения составляющих комплексного сопротивления образца ДМ, частоты и (или) амплитуды напряжения на образце ДМ на основе измерительной схемы в виде делителя напряжения и мостовой измерительной схемы, позволяющие расширить диапазон измерений амплитуды и снизить требования к стабильности напряжения питания измерительной схемы, могут найти применение при измерении характеристик высоковольтной электрической изоляции энергетического оборудования под рабочим напряжением.

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

3. Разработаны высокочувствительные измерительные преобразователи комплексного сопротивления образца ДМ в напряжение постоянного тока на основе двухэлектродного и дифференциального диэлькометрических датчиков.

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

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

Реализация результатов работы. Результаты разработки установки для исследования зависимости удельного электрического сопротивления ДМ от амплитуды напряжения на образце ДМ использованы при- создании высоковольтной измерительной установки УВИ-1. Установки УВИ-1 применяются ФГУП «НИИЭМП» при разработке и испытаниях новых электроизоляционных ДМ и высоковольтных высокоомных резисторов и ФГУП «Владикавказский завод «Бином»» (г. Владикавказ) при производстве резисторов-типа Р1-74.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Электрическая модель образца ДМ в виде нелинейной двухполюсной электрической цепи, сопротивление которой является функцией относительной диэлектрической проницаемости 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 Гаврилья-ка-Негами и его аналогов и уравнений Фрелиха, учитывающая особенности свойств композиционных ДМ.

3. Способы совместного измерения составляющих комплексного сопротивления образца ДМ, амплитуды и (или) частоты напряжения на образце ДМ на основе измерительной схемы в виде делителя напряжения и мостовой измерительной схемы, позволяющие расширить диапазон измерений амплитуды и снизить требования к стабильности напряжения питания измерительной схемы.

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

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

Апробация работы. Основные положена диссертационной работы докладывались на IV Всесоюзной конференции "Электротер-мометрия-88"( Луцк, 1988); Межрегиональном научно-техническом семинаре "Экологическая безопасность регионов России" (Пенза, 1999); Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (Новочеркасск, 2000); Международном симпозиуме "Надежность и качество" (Пенза, 2001, 2002, 2003); IV Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений" (Нижний Новгород, 2002); Международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления" (Пенза, 2002); Международной научно-технической конференции "Методы,

средства и технологии получения и обработки измерительной информации" (Пенза, 2002).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, а также имеется 1 патент РФ и 8 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 76 источников,и двух приложений. Общий объем работы составляет 168 страниц основного машинописного текста, включая 67 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу работ в области измерений свойств ДМ.

Установлено, что на основе положений теории диэлектриков физические свойства ДМ можно разделить на зависимые и не зависимые от внешних воздействий. Зависимыми свойствами являются относительная диэлектрическая проницаемость (ОДП) и удельное сопротивление, независимыми - статическая и динамическая диэлектрические проницаемости, частота релаксации, коэффициенты формы частотной характеристики ОДП, коэффициенты формы амплитудных характеристик ОДП и удельного сопротивления. Математическая модель связи свойств ДМ и влияющих на них физических величин представляет собой совокупность уравнений Гаврильяка-Негами, Фрелиха, Френкеля, Поула. Измерению независимых свойств ДМ предшествует измерение зависимых свойств и влияющих на них физических величин.

ОДП является основным свойством ДМ. В условиях промышленного производства используются пондеромоторный, калориметрический и электрический методы измерения ОДП. Доказана целесообразность применения электрического метода измерения, так как пон-дерохмоторный метод предусматривает изготовление образца ДМ строго определенной формы с точными размерами, а калориметрический метод характеризуется высоким энергопотреблением, большим временем измерения, значительной дополнительной температурной погрешностью.

Удельное сопротивление ДМ определяется путем измерения электрического сопротивления постоянному току образца ДМ с известными геометрическими размерами.

Электрический метод измерения ОДП и удельного сопротивления ДМ основан на представлении образца ДМ в виде линейной двухполюсной электрической цепи (ДЭЦ). Для параллельной резистивно-емкостной ДЭЦ исходя из условия равенства комплексных сопротивлений ДЭЦ и диэлькометрического датчика с образцом ДМ получены уравнения связи параметров ДЭЦ со свойствами ДМ:

- диэлектрическая проницаемость, 62 - диэлектрические потери); С - емкость конденсатора ДЭЦ; - собственная емкость диэлькометриче-ского датчика; Я — сопротивление резистора ДЭЦ.

Однако линейная модель ДМ справедлива только для тех значений влияющих величин, при которых проведено измерение. Для измерений свойств ДМ в условиях изменяющихся внешних воздействий в диссертационной работе предложена электрическая модель образца ДМ в виде нелинейной ДЭЦ, комплексное сопротивление которой является функцией ОДП и удельного сопротивления ДМ.

При разработке способов измерения комплексного сопротивления ДЭЦ в исследовании используется основное тоавнение мостовой цепи Карандеева-Штамбергера IV = ——* + =] V/ | •е^'9, где \У — от-

С • 4у + о

ношение гармонических напряжений на двух элементах измерительной схемы (ИС) с модулем | IV | и аргументом ср; а,Ь,с,с!- известные комплексные коэффициенты, определяемые опорными элементами ИС; - комплексное сопротивление измеряемой ДЭЦ; - активная и реактивная составляющие комплексного сопротивления (СКС), измеряемой ДЭЦ.

Проведена систематизация способов измерения СКС ДЭЦ по методам решения основного уравнения мостовой цепи. Установлено, что метод прямого преобразования с измерением амплитуды и (или) фазового сдвига напряжений является наиболее перспективным, так как позволяет снизить аппаратные затраты при сохранении высокой точности.

В связи с необходимостью измерений свойств ДМ при высоком напряжении на ИС в работе предложено использовать результаты измерений амплитуд и (или) фазовых сдвигов напряжений на заземленных опорных элементах ИС, что позволяет значительно уменьшить диапазон измерений амплитуды напряжения.

Вторая глава посвящена разработке математической модели композиционного ДМ и способов измерений его свойств.

Из условия равенства комплексных сопротивлений ДЭЦ и ди-элькометрического датчика с образцом композиционного ДМ получены уравнения связи СКС образца ДМ и ОДП ДМ:

*Х ____*х

ч

Б2 =

со-С0(Л| +Х\)

(1)

С учетом полученных в результате измерений значений составляющих ОДП, статической и динамической диэлектрических проницаемостей определяются время релаксации и коэффициент формы частотной характеристики ДМ как решения уравнения Гаврильяка-Негами (коэффициент асимметрии равен 1): 4агс1ё(а)-1п(А)

т0 е я+2-агсф(о) ; а = ± ак1ё{а) > (2)

0) 'О я

где а = Ь/с,Ь = £2 + е? - е^ • Е1 + ея • е^ - • е^,

с = ^ -г] +2е1(ег/ -б5) • (е^ + б^ -2г$ • + е?).

Из уравнений Фрелиха по результату измерения температуры образца ДМ определяется эквивалентная работа выхода v:

Для описания зависимости ОДП композиционного ДМ от амплитуды напряжения на образце ДМ предложено следующее уравнение:

где гц тш - модуль ОДП образца ДМ при малой амплитуде напряжения на образце; Еу тах - модуль ОДП образца ДМ при предельном рабочем напряжении; и - амплитуда напряжения на образце; Ч0 - амплитуда напряжения, при котором диэлектрические потери достигают максимального значения в рабочем диапазоне напряжений; ац - коэффициент формы; - коэффициент асимметрии.

Для описания зависимости удельного сопротивления образца композиционного ДМ от напряжения на образце предложено следующее уравнение:

где ро — удельное сопротивление ДМ при малом напряжении на образце; - удельное сопротивление ДМ при предельном рабочем напряжении; и — амплитуда напряжения на образце; и^—амплиту-да предельного рабочего напряжения на образце ДМ; - коэффициент формы.

Совокупность уравнений (1) - (5) представляет собой математическую модель композиционного ДМ.

В диссертационной работе предлагаются способы измерения СКС ДЭЦ, основанные на решении систем уравнений, связывающих СКС ДЭЦ (образца ДМ) и результаты измерений амплитуды и (или) фазового сдвига напряжений на опорных элементах ИС. Рассматриваются ИС в виде делителя напряжения и мостовая ИС.

Для ИС в виде делителя напряжения разработаны три способа измерения СКС ДЭЦ. Система уравнений (6) соответствует способу на основе измерения амплитуды напряжения на опорном элементе и фазового сдвига напряжения на опорном элементе относительно напряжения той же частоты с опорной фазой при двух состояниях ИС. Состояния ИС отличаются значениями комплексного сопротивления опорного элемента. Уравнение амплитуд формируется как отношение уравнений состояния ИС, связывающих амплитуду напряжения питания ИС и амплитуду напряжения на опорном элементе, а

уравнение фазовых сдвигов — как разности уравнений состояния, связывающих фазу напряжения на опорной ДЭЦ и фазу импульсного периодического напряжения с частотой напряжения питания ИС:

где Цщх, 11Щ2- амплитуды напряжения на опорном элементе; Zol, •^02— модули; Лол, Л02 — активные составляющие; А'оь-^ог—реак-тивные составляющие сопротивления опорного элемента при первом и втором состояниях ИС соответственно; - фазовый сдвиг

напряжения на опорном элементе относительно периодического напряжения с частотой напряжения питания ИС при первом и втором состояниях.

Получено решение системы уравнений (6) в виде

Второй способ основан на измерении амплитуды напряжения на опорном элементе при трех состояниях ИС и реализует решение системы уравнений амплитуд.

Третий способ основан на измерении фазового сдвига напряжения на опорном элементе относительно напряжения с опорной фазой при трех состояниях ИС и реализует решение системы уравнений фазовых сдвигов.

Структурная схема измерительного устройства, реализующего первый способ измерения СКС ДЭЦ, представлена на рисунке 1. Устройство состоит из ИС в виде делителя напряжения, образованного измеряемой ДЭЦ (образец ДМ) и двумя опорными элементами, АЦП напряжения, АЦП фазового сдвига напряжений и частоты гармонического напряжения, блока управления и вычисления (БУВ). Первый опорный элемент имеет сопротивление а второй (коммутируемый) — сопротивление , такое, что общее сопротивление при параллельном соединении опорных элементов равно

Измерение СКС ДЭЦ осуществляется в два такта. В течение первого такта ключ разомкнут и сопротивление опорного элемента равно Zol . АЦП напряжения преобразует напряжение на опорном элементе. АЦП фазового сдвига преобразует частоту напряжения на

опорном элементе и передает код частоты на программируемый генератор Г. Генератор Г формирует импульсный периодический сигнал (меандр) с частотой, равной результату преобразования. Далее АЦП фазового сдвига преобразует фазовый сдвиг между напряжением на опорном элементе и напряжением с выхода генератора Г. После окончания всех перечисленных операций БУВ формирует сигнал на замыкание ключа, и ИС переходит во второе состояние. Генерация напряжения с опорной фазой при этом продолжается непрерывно. В течение второго такта преобразования вновь измеряются амплитуда напряжения и фазовый сдвиг. Результаты преобразований фиксируются БУВ и используются при вычислениях искомых значений СКС ДЭЦ.

Устройства для измерения СКС ДЭЦ, реализующие второй и третий способы, функционируют аналогичным образом. Структурные схемы этих устройств приведены на рисунках 2 и 3 соответственно.

Для мостовой ИС разработаны три способа измерения СКС ДЭЦ. Мостовая ИС образована измерительным и опорным делителями: Система уравнений (7) соответствует способу измерения, основанному на измерении амплитуды напряжения на опорном элементе измерительного делителя и фазового сдвига напряжений в средних точках делителей:

где Л, = (ДГ02 + Ло2) • (ЗД - ВД),

В\ = -Ха(Я2 + )+ Ло (^1' Я2 ~ • -^г) + (^1 ■ + • Хт) С, = Ло(Л2 + Х\) + Д0 (/?! • Я2 - Л, • + Х0 (/?! А2 = (Хц + Л02)[(/?, + Л2) Л2 + <ЛГх + лг2) Х2], В2 ~ + ) + (ЛЬ '~ ' -^2) + ' + ЛГ] • Л2), С2 = Х0 + х\) + До • Яг ~ • *2) + (*1 • я2 + XI-х2).

Второй способ измерения СКС ДЭЦ основан на преобразовании амплитуды напряжения на опорных элементах делителей при двух состояниях мостовой ИС и реализует решение системы уравнений амплитуд.

Третий способ основан на измерении фазового сдвига напряжений в средних точках делителей при двух состояниях мостовой ИС и реализует решение системы уравнений фазовых сдвигов.

Устройства для измерения СКС ДЭЦ на основе мостовой ИС приведены на рисунках 4, 5 и 6 соответственно.

В работе показано, что способы измерения СКС ДЭЦ на основе мостовой ИС обладают более высоким быстродействием по сравнению со способами на основе ИС в виде делителя напряжения. Для проведения высоковольтных измерений свойств ДМ рекомендуются

и2 =

2 (Л2 + х\) [(Ло+ ЯХ)2 +(Х0 + Хх)А 1 (ДГ02+До2) [(/?! + я2)2+(X! + Х2)2} '

(7)

способы на основе ИС в виде делителя напряжения, так как при их реализации не требуются высоковольтные опорные элементы.

Третья глава посвящена анализу погрешностей измерений свойств ДМ с использованием устройств, рассмотренных во второй главе.

Погрешности измерений свойств ДМ определяются погрешностями измерения СКС образца ДМ и погрешностями измерений амплитуды! и частоты напряжения на образце ДМ.

Показано, что основными источниками погрешности измерения СКС являются отклонения сопротивлений опорных элементов от номинальных значений и погрешности измерений амплитуды и фазового сдвига.

Определено влияние отклонений сопротивления опорного элемента ИС в виде делителя на погрешность формирования амплитуды напряжения на нем. Относительная погрешность формирования амплитуды напряжения на опорном элементе максимальна и достигает половины относительного отклонения модуля сопротивления опорного элемента от номинального значения, когда модуль сопротивления образца ДМ в пять и более раз превосходит модуль сопротивления опорного элемента.

Определено влияние отклонений сопротивления опорного элемента от номинального значения на погрешность формирования фазового сдвига напряжения на опорном элементе относительно напряжения на ИС. Относительная погрешность формирования фазового сдвига напряжений максимальна и достигает половины относительного отклонения аргумента сопротивления опорного элемента от номинального значения, когда аргумент комплексного сопротивления опорного элемента стремится к нулю.

Уменьшение погрешности формирования амплитуды напряжения на опорном элементе достигается увеличением модуля его сопротивления. Уменьшение погрешности формирования фазового сдвига напряжений достигается увеличением аргумента сопротивления опорного элемента.

Относительные погрешности измерений диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь образца ДМ составляют от половины до удвоенной погрешности измерения соответствующей составляющей сопротивления образца ДМ при изменении аргумента сопротивления опорного элемента в диапазоне от 0 до 1.

При этом изменение отношения погрешностей измерения СКС в пределах от 0,5 до 2 практически не влияет на погрешность измерения диэлектрической проницаемости, а погрешность измерения диэлектрических потерь пропорциональна произведению отношения погрешностей на аргумент сопротивления опорного элемента.

В диссертационной работе предложены методики уменьшения погрешностей измерения СКС, обусловленных влиянием входных сопротивлений АЦП напряжения и АЦП фазового сдвига. Методики основаны на измерении СКС входного сопротивления АЦП, расчете эквивалентного сопротивления опорного элемента, к которому подключен АЦП, и использовании этого эквивалентного сопротивления вместо действительного сопротивления опорного элемента при расчетах.

Измерение входного сопротивления АЦП осуществляется последовательным включением в ИС вместо образца ДМ двух образцовых резисторов с разными известными сопротивлениями, измерением их сопротивлений и нахождением составляющих входного сопротивления АЦП напряжения или АЦП фазового сдвига как решений соответствующей системы уравнений амплитуд или уравнений фазовых сдвигов.

Четвертая глава посвящена разработке устройств для измерений свойств ДМ и физических величин, влияющих на свойства ДМ.

На основе предложенного во второй главе способа измерения СКС образца ДМ путем преобразования напряжения на опорном элементе ИС в виде делителя напряжения разработана установка для исследования зависимости удельного сопротивления ДМ от напряжения. Она состоит из регулируемого высоковольтного источника напряжения, ИС в виде делителя напряжения с двумя состояниями, микропроцессорного вольтметра на базе АЦП напряжения AD7715 фирмы Analog Devices (США) и микропроцессора АТ89С52 фирмы Atmel (США).

Зависимость удельного сопротивления ДМ от напряжения определяется путем измерений сопротивления образца ДМ при различных значениях напряжения на нем. При каждом значении напряжения на образце ДМ проводятся измерения напряжения на опорном элементе при обоих состояниях ИС. За счет этого обеспечивается

совместное измерение сопротивления образца ДМ и напряжения на нем. Напряжение на образце ДМ может значительно превышать

предельное рабочее напряжение опорных элементов. Результатом разработки явилось создание высоковольтной измерительной установки УВИ-1 (рисунок 7), которая применяется для определения зависимости сопротивления от изменения напряжения резисторов типа Р1-74 в соответствии с ГОСТ 21342.20. Основные технические характеристики установки ' диапазон измерения сопротивления — 22 МОм - 15 Гом; измерительное напря-{ жение - 0,02 - 20 кВ; основные относительные погрешности измерения сопротивления и напряжения - не более Для измерения статической и динамической диэлектрических проницаемостей ДМ разработаны измерительные преобразователи комплексного сопротивления ДЭЦ в напряжение постоянного тока на основе двухэлектродного и дифференциального диэлькометриче-ских датчиков с образцом ДМ (рисунок 8). Потенциальный электрод датчика подключен в качестве эмиттерной нагрузки к паре транзисторов с разными типами проводимости. При подаче на базы транзисторов переменного напряжения средний коллекторный ток каждого транзистора обратно пропорционален модулю комплексного сопротивления датчика. Выходным напряжением измерительного преобразователя является выходное напряжение активного сумматора напряжений на коллекторных нагрузках. Благодаря использованию для формирования выходного сигнала обоих полупериодов гармонического напряжения достигается удвоение чувствительности измерительного преобразователя по сравнению с ранее известными аналогичными устройствами (например, патент США 4142144). При реализации на транзисторах КТ3102Е и КТ3107Л и операционном усилителе КР140УД17А измерительный преобразователь обеспечивает в диапазоне 103-107 Ом основную погрешность преобразования сопротивления не более

0

Рисунок 8

Показано, что для измерения температуры образцов ДМ целесообразно использовать пленочные и фольговые термопреобразователи сопротивления. Они характеризуются высокой точностью преобразования, стабильностью, малой инерционностью, возможностью измерять температуру поверхности большой площади. Основной проблемой при их использовании является нелинейность характеристики преобразования. Линеаризацию характеристики преобразования предлагается выполнять непосредственно в процессе аналого-цифрового преобразования. Разработаны устройства для измерения температуры на основе двухтактного интегрирующего АЦП с введением активного интегрирующего или дифференцирующего (в зависимости от знака нелинейности) звена или кодоуправляемого делителя напряжения в канал формирования опорного напряжения. За счет этого достигается изменение значения опорного напряжения во втором такте преобразования, чем обеспечивается нелинейность аналого-цифрового преобразования. При определенных значениях параметров введенных узлов достигается линейная зависимость между

выходным кодом АЦП и температурой с минимальными аппаратными затратами. Разработанный цифровой термометр на основе фольгового никелевого термопреобразователя сопротивления по ГОСТ 6651-94 осуществляет измерение температуры в диапазоне -60...+180°С с погрешностью нелинейности не более ± 0,1°С при исходной нелинейности характеристики преобразования до 7°С.

Для измерения частоты гармонического напряжения на образце ДМ разработан способ измерения частоты на основе гиперболического преобразования периода в интервал времени в пр'оцессе двухтактного интегрирующего преобразования. Уравнение измерения

имеет вид - код результата измерения; -

емкость счетчика формирователя опорного интервала времени; -измеряемая частота; - опорная частота. При выборе в качестве измеряемой величины полупериода гармонического напряжения значение частоты в данном периоде может быть получено до его окончания. Частотомер, реализующий данный способ, имеет меньшую инструментальную погрешность измерения по сравнению с аналогичными устройствами, поскольку функция преобразования не содержит постоянных времени интегрирования. Нестабильность резистивно-емкостных цепей, определяющих постоянные времени интегрирования, обычно составляет не менее ± 0,1%, тогда как типовое значение нестабильности частоты кварцевого генератора

В заключении приведены основные результаты исследований и выводы по работе.

В приложениях представлены фотографии высоковольтной измерительной установки УВИ-1 и документы о внедрении разработок в производство.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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. Предложены математические выражения для описания зависимостей относительной диэлектрической проницаемости и удельного сопротивления от амплитуды напряжения на образце композиционного диэлектрического материала.

3. Разработаны способы совместного измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсной электрической цепи, амплитуды и 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, аналого-цифровой и цифровой линеаризацией характеристики преобразования при минимальных аппаратных затратах.

8. Результаты исследований нашли практическую реализацию в установке для измерений изменения сопротивления высоковольтных

высокоомных резисторов Р1-74 от изменения напряжения, в устройствах для измерений свойств композиционных диэлектрических материалов на основе диэлькометрических датчиков, в цифровых термометрах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А. с. 1310855 СССР, МКИ О 06 07/26. Функциональный аналого-цифровой преобразователь/ В. А. Баранов, Вл. А. Баранов, Н. А. Ермолаев, А. А. Легошин.- Опубл. 1987, Бюл. № 18.

2. А. с. 1404845 СССР, МКИ О 01 К7/02. Устройство для измерения температуры/ В. А. Баранов, А. А. Легошин, Н. А. Ермолаев, Вл. А. Баранов. - Опубл. 1988, Бюл. № 23.

3. Корректор передаточной характеристики электронных датчиков / В. А. Баранов, А. А. Легошин, Н. А. Ермолаев, Вл. А. Баранов // Электронная техника. Сер. 5. - 1987. - Вып. 1 (268). Электронные датчики.-С. 10.

4. А. с. 1495718 СССР, МКИ О 01 Я17/02. Устройство для измерения приращения сопротивления/ В. А. Баранов, А. А. Легошин, Н. А. Ермолаев, Вл. А. Баранов.- Опубл. 1989, Бюл. №11.

5. Прецизионный электронный термометр / И. Н. Соболев, П. Т. Харитонов, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов // Материалы IV Всесоюз. конф. «Электротермометрия — 88». — Ч.Ш. - Луцк, 1988. — С. 406.

6. А. с. 1538062 СССР, МКИ О 01 К7/02. Цифровой термометр. В. А. Баранов, А. А. Легошин, Н. А. Ермолаев, Вл. А. Баранов. -Опубл. 1990, Бюл. № 3.

7. А. с. 1597762 СССР, МКИ О 01 Ю3/06. Способ измерения частоты/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов. - Опубл. 1990, Бюл. №37.

8. А. с. 1599806 СССР, МКИ О 01 Ю7/26. Измерительный преобразователь для емкостных датчиков/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов. - Опубл. 1990, Бюл. № 38.

9. Баранов В. А., Ермолаев Н. А., Баранов Вл. А. Малогабаритный цифровой термометр сопротивления // Электронная промышленность. - 1989.-№ 7. - С. 69.

10. Андреев А. Б., Баранов В. А., Баранов Вл. А. Вторичный преобразователь для емкостного датчика// Приборы и техника эксперимента.- 1990.- № 6.-С. 182-184.

11. А. с. 1711094 СССР, МКИ G 01 R27/26. Преобразователь емкости датчика/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов. -Опубл. 1992,Бюл.№5.

12. А. с. 1762253 СССР, МКИ G 01 R27/26. Способ преобразования емкости дифференциального датчика/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов. - Опубл. 1992, Бюл. № 34.

13. Баранов В. А. Особенности разработки средств измерения для экологической диагностики и мониторинга // Материалы Межрегион, науч.-техн. семинара "Экологическая безопасность регионов России". - Пенза, 1999.- С. 26-28.

14. Баранов В. А. Измерение параметров энергетического оборудования под рабочим напряжением// Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 25. - Пенза, 2000.- С. 156-162.

15. Исключение влияния импедансов приборов при измерении параметров диэлектрических материалов/ А. М. Андрюшаев, В. А. Баранов, Р. А. Тулаев, Г. П. Шлыков// Материалы Междунар. конф. "Теория, методы и средства измерения, контроля и диагностики". -Ч.2. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - С. 7-8.

16. Измерение долевого содержания компонентов в газожидкостных смесях / В. П. Буц, В. Г. Недорезов, В. П. Маланин, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов // Тр. Междунар. симпозиума "Надежность и качество".- Пенза, 2001 - С. 391-392.

17. Баранов В. А. Комбинированная модель диэлектрического материала// Материалы IV Всерос. науч.-техн. конф. "Методы и средства измерений". - Н. Новгород, 2002. - С. 20.

18. Баранов В. А. Измерение комплексного сопротивления двухполюсных электрических цепей под высоким переменным напряжением// Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации»,- Пенза: ПГУ, 2002.-С. 66-68.

19. Баранов В. А., Кострикина И. А. Измерение влагосодержания автомобильных масел// Тр. Междунар. науч.-техн. конф. «Методы и

средства измерения в системах контроля и управления». - Пенза: ИИЦПГУ,2002.-С25.

20. Баранов В. А. Установка для измерения параметров высоковольтных высокоомных резисторов// Тр. Междунар. симпозиума "Надежность и контроль качества". — Пенза, 2002.-С. 454—456.

21. Портативный влагомер мазута / Г. А. Солодимова, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов, И. А. Кострикина //Датчики и системы. - 2003.— №4.-С. 47-48.

22. Патент 2214609 РФ, МПК G 01 Ю7/02. Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем/ А. А. Андрюшаев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов, В. П. Буц, В. Г. Недорезов, А. Н. Шестернин.

БАРАНОВ Виктор Алексеевич

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (электрические величины)

Редактор Н. Ю. Пшеницына Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Н. А. Сиделшикова Компьютерная верстка М. Б. Жучковой

ИД № 06494 от 26.12.01 Сдано в производство 12.05.2004. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 352. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40. Отпечатано в типографии ПГУ

•to 1 0*r

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ ИЗМЕРЕНИЙ СВОЙСТВ ДМ.

Вводные замечания.

1.1 Физические свойства ДМ.

1.2 Анализ методов измерения ОДП.

1.3 Аналитический обзор методов измерения СКС образца ДМ.

Выводы по главе 1.

Глава 2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

КОМПОЗИЦИОННОГО ДМ И СПОСОБОВ ИЗМЕРЕНИЙ

ЕГО СВОЙСТВ.

Вводные замечания.

2.1 Разработка математической модели композиционного ДМ.

2.2 Разработка способов измерений СКС ДЭЦ и напряжения на ней на основе ИС в виде делителя напряжения.

2.3 Разработка способов измерений СКС ДЭЦ и напряжения на ней на основе мостовой ИС.

Выводы по главе 2.

Глава 3 АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

УМЕНЬШЕНИЯ ОСНОВНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДМ.

Вводные замечания.

3.1 Анализ и исследование возможностей уменьшения погрешностей измерений СКС ДЭЦ, обусловленных опорными ДЭЦ.

3.2 Анализ погрешностей измерений свойств композиционного

ДМ на основе математической модели.

3.3 Методики уменьшения погрешностей измерения СКС ДЭЦ, обусловленных влиянием входных сопротивлений АЦП напряжения и АЦП фазового сдвига.

Выводы по главе 3.

Глава 4 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДМ И ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН,

ВЛИЯЮЩИХ НА НИХ.

Вводные замечания.

4.1 Разработка устройства для исследований зависимости удельного сопротивления композиционного ДМ от напряжения.

4.2 Разработка ИП для диэлькометрических датчиков.

4.3 Разработка устройств для измерений температуры образца ДМ.

4.4 Разработка способа и устройства для измерения частоты гармонического напряжения.

Выводы по главе 4.

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 4339В (диапазон измерения сопротивления - от 1 кОм до 16 ООО Том; измерительное напряжение - до 1 кВ; основная 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 21342.17-78.

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.

1. На пороге нового тысячелетия (тематическая подборка рефератов статей из зарубежных журналов) // Датчики и системы.-2000.-№ 7 С. 79 - 90.

2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М.: Физматгиз, 1963.- 404 с.

3. Мартяшин А.И., Шахов Э.К., Шляндин В.М. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения.- М.: Энергия, 1976.-392 с.

4. Основы инвариантного преобразования параметров электрических цепей / А.И. Мартяшин, К.Л. Куликовский, С.К. Куроедов, Л.В. Орлова. Под ред. А.И. Мартяшина. М.: Энергоатомиздат, 1990.-216 с.

5. Карандеев К.Б., Штамбергер Г.А. Обобщенная теория мостовых цепей переменного тока. Новосибирск: РИО СО АН СССР, 1961.-222 с.

6. Гриневич Ф.Б. Автоматические мосты переменного тока.-Новосибирск: РИО АН СССР, 1964.-214 с.

7. Раздельное преобразование комплексных сопротивлений / Добров Е.Е., Татаринцев И.Г., Чорноус В.Н., Штамбергер Г.А. Под ред. Г.А. Штам-бергера.-Львов: Вшца школа, 1985.-135 с.

8. Кнеллер В.Ю., Атаманов Ю.Р., Десова А.А. Автоматические измерители комплексных величин с координированным уравновешиванием.-М.-Л.: Энергия, 1975.-168 с.

9. Бромберг Э.М. Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений.-М.: Энергия, 1978.-176 с.

10. Справочник по электроизмерительным приборам / Под редакцией К.К. Илюнина.-3-е изд.-Л: Энергоатомиздат, 1983.-784 с.

11. Agilient Technologies Test and Measurements 2000 Catalog "Innovating the HP Way", 1999. 608 c.

12. AVO INTERNATIONAL. Electrical test equipment and measuring instruments. Products and services catalogue, 1996. -280 c.

13. Путилов В.Г. Структурные методы совершенствования измерительных преобразователей параметров двухэлементных электрических цепей. Дисс. . к.т.н в форме научного доклада.- Пенза, 1994.

14. Чураков П.П. Синтез и обработка сигналов в устройствах измерения параметров электрических цепей. Диссерт. . д-ра техн. наук. Пенза, 1998.

15. Светлов А.В. Измерительные преобразователи параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей Диссерт. . д-ра техн. наук.-Пенза, 1999.

16. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения.-М.: Энергоатомиздат, 1992.-240 с.

17. Чураков П.П. Измерительные схемы преобразователей пассивных параметров электрических цепей // Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр .-Вып. 25.-Пенза, 2000.-С. 146-153.

18. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982. -520 с.

19. Фрелих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери.-М.: Изд-во иностранной литературы, 1960.-252 с.

20. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. -М.: Машиностроение, 1982. -94 с.

21. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей:-М.: Изд-во МАИ, 1999.-856 с.

22. Клугман И.Ю. Комплексная диэлектрическая проницаемость дисперсных систем / Электроповерхностные явления в дисперсных средах.-М.: Наука, 1973.-С. 49-55.

23. Клугман И.Ю. Влияние флокуляции на диэлектрическую проницаемость типа в/м // Коллоидный журнал.-1974.-№1 .-С.49-53.

24. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей).-М.: Гос. Изд-во физико-математической литературы, 1959.-907 с.

25. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов.-М.: Энергия, 1973.-328 с.

26. Берлинер М.А. Измерение влажности.-М.: Энергия, 1973,- 400 с.

27. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников.-М.: Энергоатомиздат, 1986. 144 с.

28. Тюкавин А.А. Теория уравновешивания и методы синтеза мостов переменного тока для измерения параметров трех-, четырех- и многоэлементных двухполюсников. Дис. . д-ра техн. наук.-Ульяновск, 1995.-407 с.

29. Светлов А.В. Принципы построения преобразователей параметров многоэлементных двухполюсных электрических цепей.-Пенза:ПГУ, 1999.-144 с.

30. Тюкав ин П.А. Мостовые методы и схемы для измерения параметров канонических п элементных RC - двухполюсников по Фостеру на переменном токе. Автореферат дисс. .к.т.н.- Ульяновск, 2002.-16с.

31. А.с. 1744736 СССР, МКИ Н 01 L21/66. Способ бесконтактного определения удельного электрического сопротивления полупроводников/ Федонин А.И., Рогулин В.Ю., Дроздов С.А. и Е.В. Финк.-Опубл. 1992, Бюл. №24.

32. Баранов В.А. Особенности разработки средств измерений для экологической диагностики и мониторинга// Материалы Межрегион. Научн.-техн. семинара " Экологическая безопасность регионов России".-Пенза, 2002.-С. 2628.

33. Скоморохов В.А. Функциональный подход к построению общей теории структур измерения и преобразования информации// Материалы Между-нар. науч.-техн. конф. "ИЗМЕРЕНИЯ-2000".-Пенза, 2000.-С. 3-4.

34. Жиленков И.В. Об измерении диэлектрической постоянной и поглощения методом мостика Нернста в широком диапазоне частот// ЖЭТФ, 1946.-№9.-С. 770-775.

35. Цыпин Б.В. Измерение комплексных сопротивлений виртуальными приборами// Датчики и системы. -2001. -№5. -С. 18-21.

36. Цыпин Б.В. Измерение импедансов системами с ЭВМ-Пенза: Изд-во ПГУ, 2001.-100 с.

37. Дьяконов В.П. Maple 6: учебный курс.-СПб.: Пигер, 2001.-608 с.

38. Аладьев В.З., Шишаков М.Л. Автоматизированное рабочее место математика.-М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000.-752 с.

39. Дьяконов В.П. Система MathCAD: Справочник.-М.: Радио и связь, 1993.-128 с.

40. Херхагер М., Партолль X. Mathcad 2000: Полное руководство: Пер. с нем.-Киев: Издательская группа BHV, 2000.-416 с.

41. Баранов В.А. Комбинированная модель диэлектрического материала// Материалы IV Всерос. научн. техн. конф. "Методы и средства измерений"-Н. Новгород, 2002.-С. 20.

42. Баранов В.А. Измерение параметров энергетического оборудования под рабочим напряжением// Информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр.-Вып. 25,-Пенза, 2000.-С. 156-162.

43. Патент № 2214609 РФ, МПК G 01 R27/02. Способ измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника и напряжения на нем/ А. М. Андрюшаев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов, В. П. Буц, В. Г. Недорезов, А. Н. Шестернин.

44. Analog Devices Inc., Short form 2001 designers' guide, 2001, pp.472

45. Кошеляевский H. И. Измерение времени. Прошлое , настоящее, будущее// Материалы 8-ой Всерос. науч-техн. конф. "Состояние и проблемы измерений"-М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.-С. 8.

46. Резисторы: Справочник/ В. В. Дубровский, Д. М .Иванов, Н. Я. Прату-севич и др. Под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова.-М.: Радио и связь, 1991.-528с.

47. Справочник по электрическим конденсаторам / М. Н. Дьяконов, В. И. Присняков и др.: Под ред. И. И. Четверткова и В. Ф. Смирнова.-М.: Радио и связь, 1993.-576 с.

48. Добровинский И. Р., Ломтев Е. А. Проектирование ИИС для измерения параметров электрических цепей.-М.: Энергоатомиздат, 1997.-120 с.

49. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. Под ред. М. А. Гальперина.-М.: Мир, 1979.-320 с.

50. Патент № 4142144 США, G 01 R27/26, 1979.

51. Андреев А. Б., Баранов В. А., Баранов Вл. А. Вторичный преобразователь для емкостного датчика// Приборы и техника эксперимента. -1990. -N6. С. 182-184.

52. А.с. 1711094 СССР, МКИ G 01 R27/26. Преобразователь емкости датчика/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов.-Опубл. 1992, Бюл. №5.

53. А.с. 1762253 СССР, МКИ G 01 R27/26. Способ преобразования емкости дифференциального датчика/ Андреев А. Б., Баранов В. А., Баранов Вл. А. -Опубл. 1992, Бюл. №34.

54. Баранов В.А., Кострикина И.А. Измерение влагосодержания автомобильных масел// Тр. Междунар. науч.-техн. конф. "Методы и средства измерения в системах контроля и управления". Пенза, ИИЦ ПТУ, 2002. -С.25.

55. Портативный влагомер мазута/ Солодимова Г. А., Баранов Вик. А., Баранов Вл. А., Кострикина И. А.// Датчики и системы.-2003.-№4. С. 47 48.

56. Измерение долевого содержания компонентов в газожидкостных смесях/ Буц В. П., Недорезов В. Г., Андрюшаев А. М., Маланин В. П., Баранов

57. B.А., Вл.А. Баранов// Тр. Междунар. симпозиума "Надежность и качество".-Пенза, 2001.-С. 391 -392.

58. Малогабаритный цифровой термометр сопротивления/ Баранов В. А., Легошин А. А., Ермолаев Н. А., Баранов В л. А.// Электронная промышленность.-! 989.-N7.-C. 69.

59. Шахов Э. К., Михотин В. Д. Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения—М.: Энергоатомиздат, 1986.-144 с.

60. Федонин А.И. Измерительные преобразователи для промышленных систем контроля удельного сопротивления полупроводниковых материалов. Диссерт. . к. т. н.-Пенза, 1986.-180 с.

61. А.с. 1495718 СССР, МКИ G 01 R17/02. Устройство для измерения приращения сопротивления/ В.А. Баранов, А.А. Легошин, Н.А. Ермолаев, Вл.А. Баранов.-Опубл. 1989, Бюл. №11.

62. Прецизионный электронный термометр/ Соболев И. Н., Харитонов П. Т., Баранов В. А., Баранов Вл. А.// Материалы IV Всесоюзн. конф. "Электро-термометри- 88".-Ч. Ш.-Луцк, 1988.-Ч. П1.-С. 406.

63. Власов Г.С. Линейные измерительные преобразователи температуры на базе тонкопленочных элементов// Измерительная техника.-2003.-№ 8.1. C.39-43.

64. Лейтман М.Б. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов.-М.: Энергоатомиздат, 1986.- 144 с.

65. Корректор передаточной характеристики электронных датчиков/ Баранов В. А., Легошин А. А., Ермолаев Н. А., Баранов Вл. А. Электронная техника. Серия 5.-1987.- Вып.1 (268). Электронные датчики.-С. 10.

66. А.с. 1404845 СССР МКИ G 01 К7/02. Устройство для измерения температуры/ В. А. Баранов, А. А. Легошин, Н. А. Ермолаев, Вл. А. Баранов,-Опубл. 1988, Бюл. № 23.

67. А.с. 1310855 СССР, МКИ G 06 G7/26. Функциональный аналого-цифровой преобразователь/ В. А. Баранов, Вл. А. Баранов, Н. А. Ермолаев, А. А. Легошин.- Опубл. 1987, Бюл. №18.

68. Патент Японии № 59-45292, Н03 М1/50, 1982.

69. А.с. 1538062 СССР, МКИ G 01 К7/02. Цифровой термометр. В.А. Баранов, А.А. Легошин, Н.А. Ермолаев, Вл.А. Баранов.-Опубл. 1990, Бюл. №3.

70. Михотин В.Д. Определение частоты как измеряемой величины. -Цифровая информационно-измерительная техника: Межвуз. сб. науч. тр.-Вып. 16.-Пенза: ППИ, 1986.-С. 3-9.

71. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы: Киев, Вшца школа.-1980-560 с.

72. Шляндин В. М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы-М.: Высшая школа, 1973. С. 185 187.

73. А.с. № 1467519 СССР, МКИ G 01 R23/06. Способ измерения частоты и устройство для его осуществления/ Баранов В. А., Баранов Вл. А., Ермолаев Н. А., Легошин А. А.-Опубл. 1989. Бюл. № 11.

74. А.с. 1597762 СССР, МКИ G 01 R23/06. Способ измерения частоты/ А. Б. Андреев, В. А. Баранов, Вл. А. Баранов.-Опубл. 1990, Бюл. №37.