Введение к работе
Актуальность проблемы. С ускорением научно-технического прогресса возрастают масштабы применения электростатических полей и заряженных дисперсных материалов. Необходимость в этом ощущается во многих отраслях науки и техники. Диапазон изменения потенциалов электрических полей, применяемых в настоящее время, весьма широк. Потенциал поля коронирующего на воздухе электрода может достигать сотен киловольт, а меняющиеся в ходе медико-биологических экспериментов клеточные потенциалы составляют единицы микровольт. В физике 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.
Сильные электростатические поля с каждым годом все шире применяются в технологических процессах промышленности и сельского хозяйства. Электрические поля используются при окрашивании и нанесении покрытий, при распылении и улавливании аэрозолей, при электростатической сепарации и электрофлокировании; во всех этих процессах, получивших название электронно-ионных технологий, используется взаимодействие электрических 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, характеристиках электризации материалов и зарядовых характеристиках дисперсных частиц.
В России исследования измерительных преобразователей (ИП) 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 В.С. Александрова, М.С. Векслера, П.А. Гефтера, Л.Г. Гросса, В.С. Журавлева, А.М. Илюковича, К.Л. Куликовского, В.А. Мондрусова, В.А. Прянишникова, Я.М. Шварца, и др. За рубежом аналогичные исследования проводили Дж. Н. Чабб, П.Э. Секер, Ё. Сайто и др.
Первые конструкции динамических индукционных преобразователей (ДИП) были разработаны в 1937 г. для измерения сверхвысоких мегавольтных напряжений, вырабатываемых электростатическими генераторами. В России приоритет создания ДИП для исследования вариаций электрического поля на земле и в атмосфере принадлежит коллективу 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, чувствительных элементов Холла и качественных модуляторов на полевых транзисторах. 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.
Систематические исследования взаимодействия заряженных дисперсных частиц и сильных электрических полей начались в середине 60-х годов под руководством академика В.И. Попкова. Для этих целей разрабатывались и применялись ИП зарядов дисперсных частиц. Большой вклад в разработку ИП зарядов аэрозолей внесен коллективом лаборатории электроаэрозолей Тартуского государственного университета (г. Тарту) под руководством Х. Таммета.
В связи с повышением актуальности вопросов охраны окружающей среды важное значение приобретает задача создания новых эффективных приборов контроля и анализа аэрозолей как загрязнителей воздуха. ИП, основанные на измерении электрических свойств частиц, обладают тем значительным преимуществом, что позволяют быстро и качественно проводить исследование аэрозолей in sity, без осаждения частиц на подложку.
Практическое значение электростатических измерений и испытаний материалов на электризуемость постоянно растет. При этом возрастают также и требования к точности и чувствительности измерительных преобразователей электростатических полей и малых зарядов. Многие из существующих в настоящее время ИП в полном объеме не удовлетворяют требованиям промышленности. Так, широко применяющиеся электронно-вакуумные и статические ИП не позволяют производить длительных измерений в изменяющихся полях, а пондеромоторные и ряд других ИП обладают малой чувствительностью.
В настоящее время наиболее перспективным является использование ДИП, позволяющих производить длительные измерения и свободных от целого ряда недостатков, присущих другим способам преобразования. Вместе с тем существующие ДИП характеризуются недостаточной чувствительностью ко входному сигналу, малой помехозащищенностью, недостаточной надежностью за счет использования скользящих контактов и относительно высокой потребляемой мощностью, что препятствует расширению масштабов их применения.
Периодическое изменение рабочей площади измерительного электрода, свойственное ДИП с вращающимся диском, является значительным недостатком при проведении измерений в условиях ионизирующих излучений и в плазме. Возникающие при этом токи помехи промодулированы с частотой модуляции полезного сигнала и влияют на работу прибора. Такие условия характерны для проведения измерений в области космического пространства.
Таким образом, задача совершенствования ДИП и создания образцов приборов, полностью удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к современным ИП параметров электростатических полей и малых зарядов, остается нерешенной, вследствие чего проведение исследований в этом направлении является актуальным и составляет одну из важных проблем современной измерительной техники. Для получения зарядовых характеристик аэрозолей перспективными являются электрооптические преобразователи (ЭОП).
Важной задачей является также разработка ИП для получения новой измерительной информации, в частности о значении удельного заряда статического электричества в потоке жидкости или аэрозолей, о значении суммарного электростатического заряда, поступающего с жидкостью при перекачке в технологический аппарат, а также о наличии и величине жесткого и наведенного дипольных моментов у аэродисперсных частиц.
Данная работа является изложением разработанных автором научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволяет получить как средства измерения электростатических полей и зарядов аэродисперсных систем, так и устройства на их основе с характеристиками, удовлетворяющими современным техническим требованиям и тем самым внести значительный вклад в развитие ряда отраслей экономики, использующих электрические поля. Работа выполнялась в течение многих лет на кафедре физической электроники и на кафедре статистической радиофизики и связи Башкирского госуниверситета.
Целью данной работы является создание и исследование ИП параметров электростатических полей и малых зарядов аэродисперсных систем, обладающих улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, внедрение которых позволит значительно улучшить качество измерений и сократить затраты на эксплуатацию широкого класса измерительной аппаратуры, использующейся в системах управления процессами электронно-ионной технологии и в системах экологического мониторинга.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:
- системный анализ существующих отечественных и зарубежных конструкций ИП, применяемых для измерения параметров электростатических полей и зарядов дисперсных частиц; создание классификации типов существующих конструкций ИП и выявление влияющих факторов, ограничивающих метрологические характеристики;
- поиск путей повышения чувствительности и помехозащищенности существующих конструкций ИП на основе проведенного анализа;
- разработка и обоснование принципов построения инвариантных средств измерения параметров электростатических полей и зарядов, обладающих повышенными метрологическими свойствами;
- разработка новых высокоэффективных технических решений и развитие научно обоснованных методов их анализа и расчета на основе применения современных положений системотехники;
- разработка и создание математических моделей ИП, получение путем моделирования их параметров и технических характеристик, выработка рекомендаций для проектирования ИП;
- экспериментальное исследование параметров и технических характеристик предлагаемых ИП, а также физических закономерностей протекающих в них процессов;
- экспериментальное исследование предлагаемых средств измерений в лаборатории и проведение испытаний в реальных условиях эксплуатации;
- внедрение полученных результатов в научно-исследовательскую практику и промышленное производство.
Методы исследования
В работе использовались эмпирические и теоретические методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретического анализа с последующим конструированием и изготовлением экспериментальных образцов ИП и созданных на их основе измерителей параметров электростатических полей и зарядов, после чего проводились исследования электрических свойств модельных образцов. Параметры ИП проверялись на стендах и в производственных условиях.
При решении поставленных задач использовались экспериментальные данные, классические разделы математического анализа, известные положения теории электрических цепей и теории электромагнитного поля, теоретической механики, оптики, теории переноса излучения, а также методы компьютерного математического моделирования в среде пакетов SpectrAn, Matlab и Electronics Workbench. Проверка основных выводов проводилась посредством натурных экспериментов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- исследованы варианты построения схем и приборов для получения измерительной информации о параметрах электростатических полей и заряженных объектов, составлена классификация и определены пути совершен-ствования ИП параметров электростатических полей и заряженных объектов;
разработаны и исследованы дифференциальные ДИП (ДДИП) параметров электростатических полей [18]; показано, что их применение позволяет вдвое увеличить коэффициент преобразования ИП и до 106 раз снизить уровень синфазных помех, а также повысить чувствительность измерений в условиях промышленных помех; показана возможность применения таких ИП в полях, создаваемых заряженными плоскими и линейными образцами, а также жидкими средами; показана возможность получения измерительной информации об изменениях значений удельного и объемного зарядов в аэродисперсных системах;
исследованы на модели спектры выходного сигнала ДДИП параметров электростатических полей; показана зависимость спектрального состава сигнала от геометрии и скорости вращения модулятора поля; показана возможность использования кратных гармоник сигнала (примерно до 20–ой) для переноса полезного сигнала ИП в более высокочастотную область спектра;
разработаны и исследованы ДИП параметров электро-статических полей на основе резонансной системы - камертонного модулятора поля, характеризующиеся высокой стабильностью частоты модуляции сигнала (до 10-3 Гц), и малой потребляемой мощностью (до 0,2 Вт); показано, что использование ДИП совместно с резонансными цепями позволяет повысить коэффициент преобразования ИП до 38 дБ [17];
разработаны и исследованы многопараметрические ДИП на основе крыла, колеблющегося в потоке жидкости или газа, позволяющие получать информацию об изменении удельного заряда статического электричества в протекающей жидкости и о значениях скорости потока и расхода жидкости при перекачке, а также о значении суммарного электростатического заряда, поступающего с жидкостью в технологический аппарат [19];
разработан и исследован в потоке электрически заряженных модельных аэрозолей ЭОП рассеянного света (ЭОПРС), выполненный по схеме малоуглового рассеяния света (012); показана возможность использования таких ИП для определения фактора формы аэрозолей [14];
- экспериментально получены и исследованы в потоке электрически заряженных несферических аэрозолей характеристики ЭОПРС, такие как частотные характеристики, интегральные полевые характеристики, полевые характеристики ЭОП по первым, вторым и более высоким гармоникам электрооптического отклика, спектры плотности мощности выходного сигнала ЭОПРС; исследовано влияние электрических факторов на ход характеристик; показано, что полученные спектры и характеристики позволяют детально выяснить характер движения частиц в электрическом поле и такие их электрические свойства, как наличие и величину жесткого и наведенного дипольных моментов [57,16];
- описано и исследовано явление гистерезиса полевой зависимости выходного сигнала ЭОПРС, наблюдаемое в ориентирующих полях при напряженностях 012 кВ/см; показано, что эффект электрооптического гистерезиса вызывается отставанием по фазе вектора ориентации несферических частиц от напряженности поля в ячейке и может быть использован для определения электрических характеристик заряженных дисперсных частиц [11].
Оригинальность разработок и новизна технических решений подтверждена полученными авторскими свидетельствами и патентами России [2034].
Практическую ценность имеют:
- полученные в работе экспериментальные данные и технические характеристики разработанных средств измерения параметров электростати-ческих полей и малых зарядов дисперсных частиц;
- рекомендации по проектированию, применению и использованию разработанных средств измерения параметров электростатических полей и малых зарядов дисперсных частиц, обеспечивающие повышение (в 210 раз) чувствительности измерений в условиях промышленных помех за счет увеличения коэффициента преобразования ИП и снижения до 106 раз уровня синфазных помех;
- техническая документация (в виде, принципиальных схем, чертежей, методического обеспечения, алгоритмов и программ) для изготовления и использования разработанных измерительных преобразователей, а также сами экспериментальные образцы этих преобразователей, обеспечивающие лучшие метрологические и эксплуатационные показатели, чем применяемые аналоги.
- установленная закономерность возникновения гистерезиса полевой зависимости электрооптического преобразователя при больших напряженностях ориентирующего поля, представляющая методологическую основу для создания нового типа измерителей электрооптических и электрических характеристик дисперсных частиц.
Применение разработанных и созданных приборов позволяет проводить изучение кинетики процессов заряжения и релаксации зарядов в твердых телах, жидкостях и аэродисперсных системах, производить измерение счетной и массовой концентрации заряженных частиц и изучение электроповерхностных и электрооптических явлений в аэрозольных системах.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- воспроизводимостью результатов проведенных исследований;
- хорошей сходимостью теоретических результатов с данными экспери-мента и результатами промышленной эксплуатации созданного оборудования, а также с результатами исследований других авторов;
- положительными результатами применения разработанных устройств и систем в лабораторных и производственных условиях.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием надежных стандартных алгоритмов, применяемых для анализа и обработки информационных сигналов, достаточным количеством идентичных измерений, применением простых и хорошо апробированных экспериментальных методов, комплексным характером проведенных исследований, ясной физической картиной изученных явлений, хорошо согласующейся с разработанными представлениями физики.
Достоверность новизны технических решений подтверждается полу-ченными патентами РФ и авторскими свидетельствами на изобретения.
Реализация результатов работы. Научные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также практические разработки внедрены и использованы в следующих организациях:
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» (г. Королев) - Исследования проводились в рамках государственной научно-технической программы (решение комиссии СМ СССР №22 от 20.01.80 г. и решение ВПК №133 от 16.04.86 г.). Разработана серия приборов для измерения параметров электростатических полей, которые использовались для исследования степени электризации полимерных материалов, используемых в интерьере корабля и для измерения степени грозовой опасности в период стартовой готовности. Измерения имеют методическое обеспечение по форме ЗЗУ, разработанное с участием соискателя. НИР: 1) Исследование электростатических характеристик и порога пробоя неметаллических материалов: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Н. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.-60-76; №ГР76058657-Уфа, 1977.-171 с. 2) Определение электрических и электростатических характеристик неметаллических материалов. Разработка методов и нестандартной аппаратуры для измерения электрических свойств материалов: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Науч. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.- 60-80; №ГР 80010318-Уфа, 1982.-150 с. (акты внедрения результатов НИР и ОКР, акты использования изобретений).
НИИ безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка) – измеритель напряженности электростатических полей для исследования электризации угольной пыли (отзыв и акты использования изобретений).
Центральная научно - практическая лаборатория аттестации материалов Черноморского водздравотдела (ЦНПЛАМ ЧВЗО, г. Одесса) – устройство для определения электростатических свойств диэлектрических материалов (акты использования изобретений).
ВНИИ гигиены и токсикологии пестицидов, полимеров и пластмасс (ВНИИГИНТОКС, г. Киев) – измерители поверхностной плотности зарядов диэлектриков и устройства для определения электростатических свойств диэлектрических материалов (акты внедрения результатов НИР и акты использования изобретений).
Стерлитамакский пединститут – установка для исследования электризации полимеров (акты внедрения результатов НИР).
НИИФ СПбГУ (лаборатория физики аэрозолей НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета) – НИР «Разработка и изготовление комплекса приборов для контроля и анализа аэрозольных частиц – загрязнителей воздуха: Отчет о НИР / Баш. гос. ун-т; Науч. рук. Р.З. Бахтизин; Отв. исп. Б.К. Сушко.-145-93; №ГР 01.9.30010601-Уфа, 1993-73 с.
БАКБП (Башкирская Академия комплексной защиты предпринимательства) – вопросы контроля и использования электростатических полей в практикумах и лекциях по дисциплинам «Методы и средства измерений, испытаний и контроля» и «Средства технического обеспечения, обработки и передачи информации».
БашГУ (Башкирский государственный университет) – вопросы измерения параметров электростатических полей в лекциях и практикумах по дисциплинам «Теория электрических цепей», «Безопасность жизнедеятельности» и спецкурсу «Физические методы мониторинга окружающей среды», а также при выполнении курсовых и дипломных работ.
Разработанные с участием автора измерители электростатических полей экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены бронзовой медалью.
Измеритель напряженности электростатического поля ИПЗ нашей конструкции был включен в обязательный перечень аппаратуры, обеспечивающей выполнение стандарта РСТ Казахской ССР 783-87 «Система показателей качества продукции. Строительство. Полы животноводческих помещений. Обеспечение допустимых пределов напряженности электростатического поля на материале покрытия. Метод определения напряженности электростатического поля».
На защиту выносятся:
- результаты системного анализа отечественных и зарубежных ИП параметров электростатических полей и зарядов, созданная на его основе классификация типов существующих конструктивных решений ИП и путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором натурных испытаний;
- созданные и защищенные авторскими свидетельствами и патентами новые ИП и способы измерения параметров электростатических полей и малых зарядов, позволяющие существенно поднять чувствительность измерений, снизить потребляемую мощность и габариты и повысить помехозащищенность ИП;
- разработанные теоретические положения, аппроксимирующие зависимости и математические модели предлагаемых ИП, а также рекомендации по проектированию измерительных приборов на их основе;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований предлагаемых ИП и выполненных на их основе приборов;
- экспериментальные данные, впервые показывающие наличие гистерезиса полевой зависимости выходного сигнала ЭОПРС в аэрозолях.
Апробация работы
Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения хоздоговорных и инновационных работ, в частности проводимых в рамках межвузовских научно- технических программ Госкомвуза России и научно-исследовательских программ Минобразования России «Университеты России» 19931996 гг. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных форумах:
на I республиканской научно–технической конференции «Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса» (г. Уфа, 1982 г.), на III и IV Всесоюзных научно-технических конференциях по защите от вредного влияния статического электричества в народном хозяйстве (г. Северодонецк, 1984 и 1989 г.г.), на ХIV Всесоюзной конференции по физике аэродисперсных систем (г. Одесса,1986 г.), на VI Всесоюзной конференции по горению полимеров и созданию ограниченно горючих материалов (г. Суздаль, 1988 г.), на II Всесоюзном совещании по приборостроению в области коллоидной химии и физико-химической механики (г. Яремча, 1990 г.), на IV межотраслевой научно-технической конференции по электризации (г. Томск, 1990 г.), на Всесоюзной научной конференции по токсикологии и гигиене применения пестицидов и полимерных материалов в народном хозяйстве (г. Киев, 1990 г.), на V научно- технической конференции «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов» (г. Вильнюс, 1991 г.), на научной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (г. Одесса, 1993 г.), во время научной школы-конференции «Вибротехнология –95» (г. Одесса, 1995 г.), на научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)» (г. Москва, 1995 г.), на научной конференции по программе “Университеты России” (г. Уфа, 1995 г.), .на Всероссийской конференции “Информационные и кибернетические системы управления и их элементы”. (г. Уфа, 1995 г.), на научно –техническом семинаре по радиационным эффектам в твердых телах. (г. Севастополь, 1995 г.), на научной конференции по научно –техническим программам Госкомвуза России (г. Уфа, 1996 г.), на II международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), на IХ, X и XI научно–технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (г. Москва - Гурзуф, 1997, 1998 и 1999 г.г.), на международной конференции "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации" (г. Ульяновск, 1999 г.), на VI Всероссийском совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники» (г. Москва, 2001 г.), на III Уральской региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы физического образования на рубеже веков в педагогических вузах» (г. Уфа, 2001 г.), на XLII и XLIV международных научно-технических конференциях «Достижения науки – агропромышленному производству» (г. Челябинск, ЧГАУ, 2003 и 2005 г.г.), на международной научно-практической конференции (к 13 международной специализированной выставке «АГРО-2003» (г. Уфа, 2003 г.), а также на научных семинарах кафедры физической электроники БашГУ и лаборатории физики аэрозолей НИИФ СпБГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 75 печатных работ, в том числе 19 статей в центральных и отраслевых изданиях по перечню ВАК, 22 статьи в сборниках трудов, 14 патентов и авторских свидетельств на изобретения. Содержание диссертации отражено также более чем в 15 тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях и совещаниях и в 5 информационных листках о научно-технических достижениях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав основного текста, заключения, библиографического списка литературы и приложения. Работа изложена на 320 страницах текста, содержит 169 рисунков, 10 таблиц и 9 актов об использовании результатов работы. Список литературы включает 402 наименования.
