Датчик для измерения удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 168 2 19) ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ укторско-технолоственного объедиство СССР6, 1981,ЕРЕНИЯ УДЕЛЬИДИРОВАННЫХАЛЛИЧЕСКИХ ПОиствам ет быть ролите азветв(далее тся к устро ений и мож ния в элек рованных р верхностеи устройствам и может быть электролите ных разветвностей (далее и при пр для алек Изобретение относится к для электрических измерений использовано для измерения в удельной емкости оксидирован . ленных металлических поверх объект измерения), в частност водстве алюминиевой фольги литических конденсаторов оиз" троие точно- тангенцих линий наличием кции датбретения - повыше ньшения величины клонения силовы о поля, вызванного изменения констр Цель изоти путем умльного отлектрическоазора, путеика,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Специальное констргическое бюро Производнения "Катион"(54) ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМНОЙ ЕМКОСТИ ОКСРАЗВЕТВЛЕННЫХ МЕТВЕРХНОСТЕЙ(57) Изобретение относидля электрических измериспользовано для измереудельной емкости оксидиленных металлических по 5 6 01 В 15/00,27/26,6 01 М 27/07 объект измерения), в частности при производстве алюминиевой фольги для электролитических конденсаторов. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения величины тан генциал ьного отклонения силовых линий электрического поля, вызванного наличием зазора, путем изменения конструкции датчика. Устройство содержит измерительный электрод 1 с выводом 10, охранный электрод 2 с выводом 9, диэлектрическое основание 3, объект 5 измерения и электролит 6. Введение в известное устройство диэлектрической прокладки 8 позволяет уменьшить искажение электрического поля от наличия зазора в датчике, что обеспечивает более точное измерение удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей. 14 ил,На фиг. 1 изображен датчик, разрез; на фиг. 2 - известный датчик, разрез; на фиг, 3 - 12 - модели датчиков для расчета искажений электрического поля от наличия зазора; на фиг. 13 - область верхней полуплоскости; на фиг. 14 - модель идеального конденсатора,Еслрассмотреть известный датчик, изображенный на фиг. 2, то видно, что измерительный 1 и охранный 2 электроды размещены на диэлектрическом основании 3. Для такой конструкции датчика между охранным электродом 2 (обычно выполняется в виде плоского кольца) и измерительным электродом 1 (обычно вы 1688172палияется в виде плоского цилиндра.) необходимым является наличие зазора 4 для обеспечения электрической изоляции упомянутых электродов друг от друга, так как при измерении через измерительный электрод 1 протекает измерительный ток, а охранный электрод 2 подключается к специальному устройству, которое поддерживает потенциал этого электрода, равным потенциалу измерительного электрода 1 (2). Наличие зазора вызывает искажение однородности электрического поля в зоне измерения между измеригельиым электродом 1 и объектом 5 измерения в электролите 6.Охранный электрод 2 служит для исключения влияния краевых эффектов, возникающих иа краю датчика, его ширина в зависимости ат расстояния датчика да объекта 5 измерения выбирается такой, чтобы при отсутствии зазора между электродами 1 и 2, электрическое поле в зоне измерения было однородным. Фактически измерение удельной емкости оксидиравэнных разветвленных металлических поверхностей сводится к измерению параметров электролитическаго конденсатора, образующегося при размещении датчика около объекта измерения 5 в электролите 6,причем эгат конденсатор включает измерительный электрод 1, у а- сток объекта 5 измерения, противолежащий измерительному электроду 1 и объем электролита б между ними, Таигенциальное отклонение силовых линий электрйческого поля 7 на фиг. 2 изображены линии равиога патока), "выходящих" из измерительного электрода 1, иа объекте 5 измерения, вызывает увеличе. ние размеров измеряемого участка объекта 5 измерения и делает электрическое поле неоднородным, чта вносит погрешность в измерения, В настоящее время некоторые виды объектов 5 измерения имеют очень разветвленную поверхность, покрытую тонким слоем диэлектрика порядка одного - йескальклх десятков ангстрем (например, травленная алюминиевая фольга для оксидных электролитических конденсаторов, покрытая слоем естественного оксида), т.е, имеют очень высокую удельную емкость порядка (150000 - 60000) мкФ/дм 2, что вызывает необходимость максимально приближать датчик к поверхности объекта 5 измерения, так как обьем электрсаита 6, участвующий в измерении увеличивает(даже факти ески определяет) тангенс угла потеоь измеряемого электролитического конденсатора и мо 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 жет сделать невозможным измерения обычными устройствами для измерения емкости и тангенса угла потерь(например, когда тангенс угла потерь больше 1), Малые расстояния между датчиком и абьектам 5 измерения можно получить, применяя пропитанные электролитом 6 пористые прокладки (на фиг. 1 и 2 условно ие показаны) толщиной порядка от нескольких единиц до нескольких десятков микрон, например бумагу для электролитических конденсаторов, капрон, миткаль и т.д, В этом случае уменьшить величину тангенциального отклонения силовых линий электрического поля 7 (улучшить однородность электрического поля в зоне измерения) мбжио, применив датчик, конструкция которого показана на фиг. 1.На диэлектрическом основании 3 размещается охранный электрод 2, а измерительный электрод 1 размещен на охранном электроде 2 через диэлектрическую прокладку 8, В такой конструкции датчика сумма толщии измерительного электрода 1 и диэлектрической прокладки 8 эквивалентная величине зазора в прототипе, т.е. является некоторым эквивалентным зазором, что также приводит к неоднородности электрического поля в зоне измерения. В настоящее время в промышленности широко используются диэлектрические пленки и металлические фольги толщиной порядка одного-нес кол ьких десятков микрон, поэтому, если изготовить диэлектрическую прокладку 8 и измерительный электрод 1 из таких материалов, та легко можно получить эквивалентный зазор порядка нескольких десятков микрон. Например, если диэлектрическую прокладку 8 изготовить из фторапластавай пленки толщиной 20 мкм, а измерительный электрод 1 из металлической фольги толщиной 35 мкм, та эквивалентный зазор составляет 55 мкм,Составные части предлагаемого датчика можно соединять склеиванием, Крепить датчик можно за диэлектрическое основание 3.Ввиду большого разнообразия вариантов крепления датчика элементы крепежа на фиг. 1 ие показаны. Электрическое соединение с электродами датчика можно осуществить например, выводом 9 о 1 охранного электрода 2 и выводом 10 от из. мерительного электрода 1, аналогично известному датчику.Определить величину тангеициального отклонения силовых линий электрического поля иа поверхности объекта 5 измерения, "выходящих" из измерительного электрода 1, можно путем расчета электрического поля, Такие расчеты производятся, например,(2) где ЧЧ-. О+)Ч,(3) Л = х+)у,(4) и у =и 1 у 1+1 аг 9 у где у=а+)Р 1-Е=(1-х)-/у,(5) (6) при х =2, у-О с применением методов теории функции комплексного переменного. учитывая сложность таких расчетов, проведем расчет-анализ, позволяющий определить величину тангенциального отклонения силовых ли ний электрического поля на поверхности объекта измерения 5. На фиг. 3 упрощенно изображен известный датчик, на фиг. 4 - предлагаемый, Создадим модели, исходя из конфигурацииэлектродных систем фиг. 4 и 3, которые позволят применить методы теории функцийкомплексного переменного, в частности метод конформных отображений, Далее нечетные номера фигур относятся к моделямизвестного датчика, четные - предлагаемого датчика (до фиг. 13).Первое приближение, Реальные электроды и объект измерения заменяем бесконечно тонкими проводниками, следыкоторых на плоскости изображены на фиг. 6и 5.Второе приближение. Так как рассматриваемые датчики осесимметричны, то 25электрическое поле также осесимметрично,Поэтому рассмотрим плоское электрическое поле только с одной стороны от осисимметрии (справа), а электроды слева отоси симметрии продлим до бесконечности 30(фиг. 8 и 7).Третье приближение, Так как геометрические размеры охранных электродов выбирают такими, чтобы электрическое поле взоне зазора при бесконечно малом зазоре 35было однородным, то охранные электродыможно продлить вправо до бесконечности(фиг. 10 и 9),Четвертое приближение, Для созданияобласти, в которой изучается электрическое 40поле, введем бесконечно тонкие разрывы идалее рассмотрим поле в области ЧЧ. Вводим координатные оси 0 и Ч (фиг. 12 и 11).Объект 5 измерения находится под потенциалом р, а измерительные и охранные 45электроды - под потен ци алом щ, й- расстояние от измерительного электрода 1 дообъекта 5 измерения, п 2 - величина зазора.Исходя из симметричности области ЧЧ 50относительно оси Ч (фиг. 11), можно сделатьвывод, что тангенциальное отклонение силовых линий электрического поля на поверхности объекта 5 измерения, выходящих източек с координатами (п 2/2, О) и -п 2/2, О) 55равно Ь 2/2.Для определения тангенциального отклонения силовых линий на поверхностиобъекта 5 измерения для фиг. 12 воспользуемся конформным отображением области г," (фиг, 13) верхней полуплоскости (на обласгь ЧЧ - фиг. 12). а также воспользуемся отображением верхней полуплоскости (области 7) на область ЧЧ, ограниченную бесконечно протяженными параллельными линиями - модель идеального плоЧкого конденсатора - фиг. 14. Для модели идеального плоского конденсатора силовые линии электрического поля идут параллельно оси Ч, Эти силовые линии на плоскости 7 отобразятся полуокружностями с общим центром в точке а 4(фиг. 13 и 14).При отсутствии искажений силовых линий электрического поля для рассматриваемой модели предлагаемого датчика на области ЧЧ (фиг, 12) силовая линия, начинающаяся в точке 0,0) должна попасть в точку (О, -)Ь) и быть параллельной оси Ч. На плоскости Л (фиг. 13) эта линия должна отобразиться полуокружностью с центром в точке (1,0) радиусом 1, т.е. начинаться в точке (0,0) и заканчиваться в точке (2,0). Таким образом, можно сделать вывод, что при отсутствии искажений точка (2,0) плоскости Е (фиг.13) должна отобразиться на точку (О, -161) плоскости ЧЧ (фиг. 12). Смещение этой точки на плоскости ЧЧ от указанных координат, в частности по оси О, равно тангенциальному смещению силовой линии электрического поля 7,Функция конформного отображения области Е (фиг. 13) на область ЧЧ - (фиг, 12) имеет вид и (1 - 7) . 2 п (1 1-7)(1) Рассмотрим далее только действительные части (1), так как определяем тангенциальное отклонение силовой линии электрического поля, которое происходит по действительной оси О (фиг. 12) с учетом.го, что(9) Таким образом, преимущество данного датчика проявляется когда Ь=1 9 Ьг и менее. Так, например, если Ь = Ьг, то О= Ьг =0,35 1 зг; если Ь= 0,5 Ьг, топ 3О= - Ьг - 0,13 Ьг1 п 1,5КТаким образом, искажение электрического поля от наличия зазора в данном датчихе меньше, чем в известном датчике, при Максимальное значение Ь 1 - расстояние от измерительного электрода 1 предлагаемого датчика до обьекта 5 измерения - в зависим(6 ти от величины 1 г - О толщины диэлектрической прокладки 8, - при котором начинают проявляться положительные свойства датчика, определим из условия 0 = Ьг/2 постоянной, максимальной величине тангенциального отклонения силовых линий электрического поля известного датчика).При этом условиию/1 - 1"1 "г 2 =1,9 1 г условии, что расстояние от измерительного электрода 1 до объекта 5 измерения менее, чем примерно удвоенная толщина диэлектрической прокладки 8.Предлагаемый датчик при укаэанном выше условии обеспечивает более точное измерение удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей,Формула изобретенияДатчик для измерения удельной емкости оксидированных разветвленных металлических поверхностей, содержащий диэлектрическое основание, измерительный электрод и охранный электрод, размещенный на диэлектрическом основании, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения величины тангенциального отклонения силовых линий электрического поля, в него введена диэлектрическая прокладка, расположенная на охранном электроде, а измерительный электрод размещен на охранном через диэлектрическую прокладку, причем расстояние от измерительного электрода до объекта измерения и толщина диэлектрической прокладки связаны соотношением 61,9 1 г, где Ь - расстояние от измерительного электрода до объекта измерения;1 ц - толщина диэлектрической прокладки,1688172 Составитель Е.Кущдактор М,Недолуженко Техред М,Моргентал Корректор. М,Демчи роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 аказ 3706 ВНИИПИ Госу Тираж 393 Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5