ГОСТ Р 53734.1-2014 (МЭК 61340-1:2012). Национальный стандарт Российской Федерации. Электростатика. Часть 1. Электростатические явления. Физические основы, прикладные задачи и методы измерения

8. Общие аспекты измерений

 

8.1 Общие положения

Измерения позволяют понять электростатические явления, проанализировать и выработать решения проблем, спроектировать и разработать системы и устройства, основанные на электростатических процессах.

В этом разделе представлено описание основных методов измерения, которое обеспечивают однозначность и достаточную точности получаемых данных. Наиболее важна правильная интерпретация данных, и она может быть получена только при понимании основных явлений и влияния на них локальных условий.

Некоторые электростатические измерения имеют отношение непосредственно к основным физическим параметрам, например, к электрическому полю, заряду, поверхностной и объемной плотности зарядов, удельному сопротивлению, емкости, току и энергии. Другие измерения более специфичны и востребованы в методиках испытания, в которых моделируются практические ситуации, геометрические параметры и размеры. Такие примеры связаны с заряжаемостью, утечкой заряда, сопротивлением заземлителя и способностью к экранированию.

При измерении электростатического заряда и поля особо высокой точности не требуется. Во многих случаях достаточно определить порядок значения измеряемой величины. Что, важно, так как это надежность и уверенность в том, что в пределах приемлемой точности сделанные наблюдения реальны и правильны. Есть случаи, когда высокая разрешающая способность и стабильность могут быть необходимы, например, при оценке скорости утечки заряда с изолирующего материала при коротких значениях времени наблюдения, когда поверхностный заряд и потенциал могут быть высокими, а темп их изменения очень медленный.

Есть случаи, когда высокая чувствительность необходима, например, для того, чтобы измерить низкие потенциалы, которые могут представить риски для чувствительных полупроводниковых устройств и для того, чтобы измерить поверхностную плотность зарядов на отдельных сторонах тонких пленок. Есть также некоторые случаи, когда высокая точность может быть необходима, например, там, где измеряют различия между двумя или большим числом измерений электрического поля, например, при измерениях в режиме реального времени плотности зарядов или скорости утечки заряда.

Представленные методики касаются, прежде всего, правильности метода, а не достижения высокой точности. Включение каждого из представленных методов, призвано разъяснить некоторые из трудностей и позволить выполнение и однозначную интерпретацию результатов.

8.2 Электрическое поле

8.2.1 Общие положения

Измерения электрического поля проводят с применением приборов двух типов: индукционных датчиков и датчиков роторного типа.

Такие приборы просты и относительно дешевы, но их чувствительность и возможности применения ограничены. У них есть конечная инерционность, и это означает, что они могут использоваться только для относительно краткосрочных измерений (десятки секунд) после установки нуля в окружающей среде, в которой отсутствует электрическое поле. Их показания неточны при измерении в присутствии ионизированного воздуха.

Датчики роторного типа названы так, потому что снабжены вращающимся заземленным затвором, модулирующим поток электростатической индукции к воспринимающей поверхности. Получаемый переменный сигнал зависит только от площади экспонируемой поверхности и значения емкости на входе. При этом период модуляции должен быть короче времени релаксации входной цепи. Фаза чувствительного элемента формирует выходной сигнал, соответствующий напряженности и полярности наблюдаемого электрического поля.

В альтернативном устройстве применяют вибрирующий экран, модулирующий поток электростатической индукции к воспринимающей поверхности.

8.2.2 Применение

Измерение электрического поля может предоставить информацию о величине и полярности потенциала поверхности, поверхностной или объемной плотности зарядов или о локальном потенциале и определенной точке пространства.

Индукционный датчик непрерывно реагирует на наблюдаемые поля. Измеренное поле отражает результат относительно предыдущих наблюдавшихся полей и таким образом, важно, чтобы этот прибор вначале включался или в нулевое положение, или в области, где поле отсутствует, а измерения выполнялись непосредственно или в пределах относительно короткого промежутка времени после переустановки нуля. Показания датчика роторного типа не зависят от условий его включения, поскольку нуль остается устойчивым в течение всего времени проведения измерений.

Важно, чтобы прибор был должным образом соединен с землей, и чтобы соблюдалась стабильность установки нуля за промежутки времени, необходимые для проведения измерений. Следует также контролировать присутствие других заземленных поверхностей в области проведения измерений.

Поверхности, ограничивающие эту область, должны содержаться в чистоте. Это особенно важно при высокой чувствительности приборов и при работе в среде с наличием частиц изолирующих материалов. Такие частицы легко становятся заряженными, и их наличие может сместить нуль прибора. Очистка воздуха помогает предотвратить наличие таких частиц, но это не исключает необходимость регулярной переустановки нуля.

Нулевое положение показаний прибора может быть проверено его экранированием заземленной металлической пластиной.

Индукционный датчик или датчик роторного типа своим присутствием искажает электрическое поле. Кроме того, показания прибора отражают интегральное значение поля или потенциала в неопределенной области (точке) пространства. Эти эффекты могут быть существенными и должны быть учтены.

8.3 Потенциал

8.3.1 Общие положения

Потенциалы могут быть на объектах, на заряженных поверхностях или в объемах, содержащих области распределения зарядов. Первые могут быть измерены электростатическим вольтметром, но все они могут быть измерены приборами для измерения поля или потенциала. В последнем случае должна быть обеспечена установка нуля, соответствующая отсутствию воздействия поля на чувствительный сенсор. При таких измерениях не должно происходить искажений ни в распределениях электрических зарядов, ни в значениях параметров электрического поля.

8.3.2 Напряжение на поверхности

При измерении электростатическим вольтметром датчик предпочтительно располагать непосредственно у поверхности, так чтобы никакие другие смежные заряды не могли бы влиять на результат измерения. Главные ограничения возникают в связи с трудностью перекрытия большого диапазона значений потенциала и риска возникновения пробоя, когда скорость изменения потенциала превышает инерционность считывания показаний прибора. Преимущества: высокая точность измерений потенциала, широкий диапазон измеряемых значений и низкая емкость измерительного прибора.

Прибор для измерения поля, соединенный перемычкой с землей, может использоваться в качестве вольтметра и может измерять поверхностный потенциал - даже при очень высоких напряжениях. Расстояние, разделяющее измерительный прибор и объект измерения должно быть известным и достаточно большим, чтобы избежать увеличения емкости измерительной системы и снижения измеряемого потенциала. При этом, расстояние не должно быть слишком большим, чтобы исключить влияние других зарядов или заземленных поверхностей.

Предосторожности:

- электрическое поле между поверхностью или телом и прибором для измерения поля обычно неоднородно, а поверхностный потенциал получают путем умножения наблюдаемого значения напряженности поля E (В/м) на расстояние (м) между прибором и объектом измерения и на поправочный коэффициент, который зависит от предусмотренной методики измерений. При измерении поля у большой плоской проводящей поверхности электрическое поле однородно и поправочный коэффициент может быть получен при градуировке самого прибора. Для некоторого выравнивания поля датчик прибора дополняют специальной пластиной. Эта пластина позволяет только незначительно скорректировать неоднородность поля. При переносных измерениях легче использовать прибор без пластины;

- если поверхность - небольшая плоскость, то необходимо установить отношения между электрическим полем, расстоянием от нее до датчика и потенциалом. Это может быть сделано или опытным путем, или компьютерным моделированием;

- при изучении рисков, связанных со статическим электричеством, в сложных рабочих пространствах следует с помощью прибора для измерения параметров поля, прежде всего, идентифицировать все существенные источники заряжения. Отдельные поверхностные потенциалы могут быть измерены, возможно, с экранированием других смежных источников поля. Такой подход позволяет исключить наложение на значения потенциалов поверхности других более значительных смежных источников зарядов;

- во время проведения измерений при наличии поверхностей из диэлектрических материалов следует учитывать, что такие материалы прозрачны для электрических полей. Локальные места расположения зарядов могут быть установлены приборами для измерения электрических полей при их перемещении от места к месту.

8.3.3 Потенциал в пространстве

Локальный потенциал пространства можно измерить приборами для измерения параметров электростатического поля. Заземленный прибор возмущает поле потенциалов в зависимости от диаметра датчика. Напряженность поля E, (В·м^-1), связана с локальным потенциалом V, В, и диаметром датчика d, м, и вычисляется по формуле:

 

, (9)

 

где f - константа, приблизительно равная 1.

Эти соотношения сохраняются при удаленности датчика на несколько его диаметров от смежных заземленных поверхностей и конструкций.

Необходимо проверить, чтобы при введении датчика в электростатическое поле не провоцировалось возникновение коронных или искровых разрядов.

8.4 Заряд

Свободный заряд статического электричества на изделии или на материале может быть измерен при помещении этих объектов в замкнутую проводящую камеру, известную как цилиндр или клетка, или камера Фарадея, и индуцированный на ней заряд на наружной поверхности измеряется посредством электрометрического усилителя. Альтернативно напряжение на клетке Фарадея, зависящее от ее емкости, может быть измерено прибором для измерения поля или интегрального значения тока не землю.

При работе с чувствительными электрометрическими устройствами следует гарантировать их высокое входное сопротивление, устранение шума от любого соединительного кабеля и сведение к минимуму входных токов смещения. При проведении измерений с применением цилиндра Фарадея следует позаботиться о том, чтобы его емкость многократно превосходила емкость наэлектризованных объектов измерения. При таком простом подходе предоставляется возможность проведения измерения зарядов до 1 пКл. При проведении измерений больших зарядов в промышленных условиях важно обеспечить безопасность. Для этого может применяться способ измерения заряда по величине интегрального значения тока и расположение цилиндра Фарадея непосредственно у земли.

Практические рекомендации проведения измерений:

- цилиндр Фарадея должен быть достаточно большим, чтобы полностью вмещать и охватывать весь заряженный объект, так чтобы ни один его участок поверхности не оказался снаружи;

- должно быть обеспечено хорошее экранирование цилиндра Фарадея, защищающее его от влияния любых зарядов во внешней окружающей среде;

- следует предотвратить влияние любых локальных зарядов в процессе измерения зарядов. Для этого, например, требуется заземлять оборудование, когда оператор помещает объекты измерения в цилиндр Фарадея, и гарантировать, что оператор также заземлен и что его одежда ненаэлектризована и не может наэлектризоваться в процессе проведения измерений;

- следует предотвратить утечку зарядов через изоляцию цилиндра Фарадея, электрических соединений и проводов внешних измерительных систем;

- следует удостовериться, что и нулевые показания и показания, касающиеся величины измеряемого заряда, сохраняются устойчиво в течение времени, достаточного для снятия показаний измерительных приборов.

Безопасность должна также быть обеспечена и на тот момент, когда заряженный цилиндр Фарадея заземляется. При этом не должно возникать искровых разрядов, способных вызвать зажигание.

8.5 Плотность зарядов

8.5.1 Поверхностная плотность зарядов

Заряженный лист изоляционного материала, удаленный от любых других заземленных поверхностей, служит источником однородного одинакового и направленного нормально к поверхностям каждой стороны листа электрического поля, обусловленного алгебраической суммой поверхностных плотностей зарядов на каждой из его сторон. Плотности зарядов на каждой стороне листа могут быть измерены, если лист расположен вблизи от заземленной поверхности (против заземленной поверхности). Заряд на поверхности, расположенной против заземленной поверхности, не окажет влияния на внешнее поле у противоположной поверхности листа и плотность зарядов на последней поверхности может быть измерена, например, прибором для измерения напряженности поля. При этом толщина и относительная диэлектрическая постоянная материала и точное расстояние датчика от поверхности должны быть известны.

Чтобы обеспечить требуемую точность измерений до 5% датчик измерительного прибора должен быть удален от поверхности листа на расстояние не менее, чем 1,5 диаметра датчика. Размер охранной пластины должен не менее чем в 9 раз превышать расстояние, отделяющее датчик от поверхности листа. Для обеспечения точности измерений до 1% размер охранной пластины должен не менее чем в 15 раз превышать расстояние, отделяющее датчик от поверхности листа.

При мелкомасштабных объектах испытания требуется применять датчики и расстояния, разделяющие датчик и объект испытания, соразмерные объекту испытания.

Для проведения измерений на движущихся объектах требуются измерительные приборы с инерционностью и разрешающей способностью, обеспечивающей возможности проведения таких измерений.

8.5.2 Объемная плотность зарядов

Для сферы с однородным усредненным распределением плотности заряда напряженность электрического поля у поверхности и максимальный потенциал возрастают по линейной и квадратичной зависимости, соответственно. Следовательно, при однородном распределении заряда плотность электрического заряда в объеме можно определять по напряженности электрического поля у поверхности или по максимальному потенциалу в камере простой формы.

Для камер сложной формы можно применять компьютерное моделирование, чтобы установить граничные значения напряженности электрических полей и распределение потенциала в объеме.

Камера может быть или полностью наполняемым сосудом, содержащим заряд, или небольшим продуваемым пробником локальных образцов атмосферы. Необходим дизайн пробника, уравновешивающий хорошее прохождение воздуха с экранированием электрического поля, воздействующего на наружные поверхности пробника и создаваемого зарядами в большом сосуде. Эффективность экранирования пробника можно испытать, снимая показания в отсутствии заряда во внешней среде, но увеличивая потенциал до высоких значений. Воздействие внешних полей может быть довольно существенным, если пробник помещен в центральную часть крупномасштабного распределенного заряда, где локальный потенциал может достигать нескольких десятков киловольт.

8.6 Стекание заряда

Утечка заряда с материалов - фактор ограничения электростатических эффектов. Следовательно, скорость спонтанной утечки заряда - важный параметр. Свойства, связанные с утечкой зарядов, характеризуются временем утечки заряда.

Традиционно электропроводность материалов и, следовательно, их способность обеспечивать утечку зарядов оценивается данными измерения объемного или поверхностного удельного сопротивления. Это может быть удовлетворительной характеристикой для гомогенных материалов. К сожалению, многие материалы не являются гомогенными, и у многих проявляется зависимость удельного сопротивления от направления приложенного напряжения. Так как электростатические заряды возникают на поверхностях при контакте или при трении, лучший способ оценить свойства материалов сохранять заряды состоит в нанесении заряда на материал и последующем наблюдении за скоростью его утечки.

Зарядить материал трением очень просто. В этом и состоит очень доступный и практичный способ заряжения поверхностей твердых материалов. Этот метод обладает и тем преимуществом, что при этом воспроизводятся реальные условия. Однако, заряжение данным способом может оказаться плохо воспроизводимым. Порошки, гранулы и хлопья материала могут быть легко заряжены при моделировании реальных условий осаждения или транспортирования потоком.

Коронный высоковольтный разряд часто применяют для заряжения материалов или поверхностей. Это простой и универсальный способ заряжения. Метод применим при обращении с твердыми поверхностями, порошками или гранулами и жидкостями.

Проводящие и рассеивающие материалы или объекты с удельным сопротивлением приблизительно равным менее 10¹¹ Ом, могут заряжаться по индукции или при прямом контакте связью с источником высокого напряжения.

Обычный метод наблюдения утечки зарядов основан на применении прибора для измерения напряженности поля у поверхности и снятия характеристики его убывания.

Для оценки утечки с материалов или поверхностей объектов применяют металлическую пластину, контактирующую с поверхностью, и измеряет характеристику убывания на ней напряжения.

Скорость утечки зарядов для многих изоляционных материалов в большой степени зависит от плотности зарядов - чем выше плотность зарядов, тем быстрее происходит их утечка. Очень быстрая в начальный период скорость утечки зарядов может затем существенно замедляться, поскольку плотность зарядов уменьшается. Поэтому лучший способ интерпретировать скорость утечки - сравнение с известным материалом.

Что касается количества заряда, остающегося например, на сыпучем материале при его хранении, то такая характеристика особенно важна. В динамических процессах электризации, таких как пневмотранспорт материала, важный фактор - чистота изолирующих поверхностей, контактирующих с продуктом.

Идеально, поэтому, определить условия утечки по поверхности и через объем. Контакт с фланцами способствует преимущественной утечке по поверхности, в то время как контакт с металлической опорной пластиной - утечке через объем. Для материалов, применяемых в монтаже, конечно, необходимо наблюдать утечку зарядов в условиях существующих заземленных узлов установки.

Необходимо минимизировать обращение с материалами, вносящее любые изменения в свойства их поверхностей. Порошки должны быть помещены в подходящий контейнер.

8.7 Сопротивление и удельное сопротивление

Электрическое сопротивление - физический параметр с наибольшим диапазоном, охватывающим значения, отличающиеся свыше, чем приблизительно на 30 десятичных порядков, от металлов до почти совершенных изоляторов. Сопротивление и удельное сопротивление и твердых объектов и жидкостей измерялись в течение многих лет. В литературе и в стандартах описано большое количество методов измерения. Очевидно, что никакой единственный метод не применим по целому диапазону значения измеряемых величин, но, в области электростатики будут, вероятно, достаточны в большинстве случаев методы, при которых образец просто помещают между парой электродов и измеряют ток при заданном напряжении. Сопротивление поверхности одного и того же самого материала может значительно отличаться из-за абсорбции загрязнений, особенно воды. Поэтому ясно, что для измерений потребуются разные системы электродов, но принцип измерений остается одним и тем же.

Для материалов с хорошими изоляционными свойствами при постоянном электрическом поле наблюдается непрерывное уменьшение тока (или увеличение сопротивления). Кроме того, для этих материалов ток может увеличиваться нелинейно по мере увеличения напряжения. Эти факторы делают концепцию удельного сопротивления несовершенной и затрудняют интерпретацию экспериментальных наблюдений. Общая практика состоит в том, что для таких материалов с высокими изоляционными свойствами устанавливаемое значение сопротивления регистрируется после предусмотренной выдержки, после определенного времени.

В практике иногда требуется проведение измерений сопротивления от поверхности смонтированной конструкции до заземлителя здания или сопротивления защитной обуви. В таких случаях действует принцип, в соответствии с которым система электродов должна, по возможности, точнее соответствовать реальным условиям.

Важно, чтобы хороший контакт был установлен между электродами и образцом. Поэтому часто применяют мягкие электрически проводящие материалы или металлическую фольгу в сочетании с мягким материалом. Для жидкостей и порошков требуются специальные измерительные ячейки. В тех случаях, когда сопротивление продукта того же порядка, что и сопротивление изолирующих деталей измерительной ячейки, требуются охранные электроды, отсекающие паразитные токи. При заполнении измерительной ячейки порошками требуется, чтобы применялся метод, обеспечивающий его высокую плотность.

8.8 Способность накапливания заряда

Часто необходимо измерить заряжаемость, чтобы оценить токи, которые могут возникнуть при проведении операций или при обращении с определенными продуктами. В некоторых случаях, чем больше затраченная работа, тем больше заряд. Например, при размоле заряд больше, чем при просеивании порошка, при прокачке жидкости через фильтр заряд больше, чем при ламинарном течении. Другие часто встречающиеся случаи электризации: трение материала, транспорт по ленточным транспортерам, пневмотранспорт, трубопроводный транспорт жидкостей, хождение людей по изолирующим покрытиям пола.

Заряд, образующийся на определенном компоненте, может быть измерен непосредственно с применением цилиндра Фарадея или косвенно по данным измерений полей потенциала или напряженности, соответствующих этому заряду. Из-за равенства зарядов на испытуемой поверхности и на трущемся материале, есть возможность выбора, какой из них измерять.

При измерениях должны использоваться новые материалы, чтобы исключались искажения, вызванные загрязнением.

Разделение зарядов может сопровождаться их утечкой. Между разделяющимися телами происходят разряды. Измеренный заряд - результат баланса процессов электризации и разряжения. Следовательно, заряд должен быть измерен непосредственно сразу после его образования. Например, текучие испытуемые продукты должны сразу поступать в цилиндр Фарадея измерительной системы.

Внешние электрические поля могут влиять на процесс разделения зарядов, так что измерения должны выполняться в условиях экранирования от внешних полей.

8.9 Ток

Есть несколько областей, в которых в электростатике уместны измерения тока. Очень маленькие токи, меньше нескольких нА, обусловлены электропроводностью изоляторов. Токи более высоких значений, порядка микроампер, возникают в потоках, а токи, измеряемые в амперах, в разрядах статического электричества. Коммерчески доступные электрометры обеспечивают возможность измерения тока в первых двух случаях, а альтернативный метод измерения тока по потенциалу заряжающегося конденсатора известно емкости приемлем во всех трех случаях. Что касается токов искровых разрядов, то важно, чтобы весь заряд прошел через шунт с малым сопротивлением. Важно также, чтобы падение напряжения на шунте было несоизмеримо мало в сравнении с напряжением источника. Реактивный импеданс шунта должен быть незначительным по сравнению с его активным сопротивлением, чтобы падение напряжения на шунте было точной мерой протекающего по нему тока. Инерционность измерительной системы должна быть много меньше минимальной длительности разряда, подлежащего измерению. При разрядах с проводящих тел инерционность приборов должна быть 1 нс или менее.

Необходимо, чтобы максимальные значения напряжения на измерительной системе и применяемые средства ее заземления, применяемые во взрывоопасной среде, не приводили бы к возникновению искровых разрядов.

Оптимальный способ обеспечить низкую индуктивность состоит в том, чтобы сформировать, например, шунтирующее входное сопротивление в 1 Ом из 10 параллельных сопротивлений, каждое по 10 Ом. Чтобы достичь низкого реактивного импеданса шунта для частот до 1 ГГц, полезен поверхностный монтаж резисторов. При применении кабеля с собственным волновым сопротивлением 50 Ом для соединения датчика с прибором следует соблюсти условие, при котором входное и выходное сопротивления кабеля были бы равны 50 Ом. Большие требования предъявляются к качеству заземления и экранирования из-за необходимости исключить искажения результатов измерения, в связи с переходными процессами. Полезно проверить, не возникают ли сигналы в случае разряда непосредственно на заземленную поверхность, а не на пробник (на датчик).

8.10 Энергия емкостных разрядов

Определение энергии, реализованной в разряде, важно для оценки возможности повреждения чувствительных устройств и инициирования смесей с воздухом горючих веществ и материалов. В настоящее время нет общепринятого метода, для прямого измерения этой энергии. Самый общий способ определить энергию, запасенную заряженным объектом, путем измерения напряжения, V, и емкости, C, и расчета энергии по формуле 0,5 CV². Воздействие разряда принято оценивать по энергии такого конденсатора, запасенной перед разрядом. Метод испытания воздействия такого разряда на электронное оборудование приведен в ГОСТ 30804.4.2. Метод определения минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей приведен в [5].

8.11 Энергия зажигания

8.11.1 Общие положения

Энергия, требующаяся для зажигания газов или пылевоздушных смесей, снижается при включении сопротивления или индуктивности в цепь разряда емкости, увеличивающей длительность разряда. Обычно испытания проводят без включения дополнительных индуктивностей в цепь разряда. Минимальную энергию зажигания (МЭЗ) смесей газов или пылей с воздухом находят путем проведения серии испытаний, в ходе которых последовательно, пока не прекратятся зажигания, снижают энергию, запасенную в конденсаторе перед разрядом, воздействующем на смесь. Порошок импульсом сжатого воздуха рассеивают в промежутке между электродами, между которыми с задержкой в несколько миллисекунд образуется искровой разряд. Для получения итогового результата каждый раз требуется многократное повторение большого количества операций. Метод определения минимальной энергии зажигания пылевоздушных смесей приведен в [5].

Оптимальный метод оценки зажигающей способности разрядов с заряженных поверхностей состоит в обеспечении разрядов на заземленный сферический электрод, расположенный в глубине открытого стакана из изолирующего материала, заполненного смесью известного состава горючего газа с воздухом. Данное устройство называется "зонд зажигания". Факт зажигания смеси, в которую погружен электрод, служит прямым показателем зажигающей способности исследуемых разрядов статического электричества. Зажигающая способность разряда тем больше, чем больше энергия зажигания смеси, которая способна загораться от его воздействия. В одинаковых условиях испытания зажигающая способность разрядов с отрицательно заряженной поверхности больше, чем с поверхности, заряженной положительно. Факт появления зажигания при проведении испытания свидетельствует о реальности риска зажигания. Зажигание статистический процесс и требуется большое количество испытаний, в которых зажигание отсутствует, чтобы утверждать, что риск зажигания мал.

Напряжение следует измерять до и после разряда, т.к. энергия может быть израсходована не полностью.

Эффективность воздействия искровых разрядов статического электричества может сильно изменяться с увеличением периодичности и длительности. Рост периодичности искровых разрядов между металлическими проводниками в воздухе точнее наблюдается при более низких напряжениях, а при сближении электродов еще более точнее, чем в стабильных разрядных промежутках. В принятых в МЭК испытаниях применяют как искровые разряды при сближении электродов в цепях, чувствительных к их воздействию, так и контактирующие электроды, применяемые при формировании волны тока заданной формы. Кратковременные значения тока должны быть больше при непосредственном контакте и, следовательно, должны обеспечивать большую жесткость испытания устройства.

Чтобы обеспечить надежность результатов определения энергии зажигания, требуется предварительно хорошо смешать компоненты и обеспечить строго определенный компонентный состав газо- или пылевоздушной смеси в разрядном искровом промежутке. Разрядный искровой промежуток должен превышать критическое значение, при котором электроды способны оказывать охлаждающее влияние на образующееся ядро пламени. Разрядная цепь и ее компоненты должны обеспечивать емкостной характер разряда. Оптимизация тока и постоянной времени разрядной цепи для разрядов, зажигающих пылевоздушные смеси, должны выполняться с учетом опыта.

Когда применяется зонд зажигания, необходима хорошая общая вентиляция, чтобы избежать скопления большого объема взрывоопасной смеси и в случае зажигания риска крупномасштабного взрыва.

8.11.2 Эквивалентная энергия

Зажигаемость горючих веществ и материалов от разрядов статического электричества характеризуют минимальной энергией зажигания. Плотность мощности разряда статического электричества также важна для характеристики вероятности зажигания разрядом статического электричества. При этом, за исключением выше рассмотренного случая получения искровых разрядов, в основном, определить полную энергию разряда статического электричества нелегко. Много легче определить, сколько энергии затрачивается на зажигание. По этой причине, искровой разряд используется, чтобы измерить энергию зажигания, так как такой разряд обеспечивает высокую плотность энергии во времени и в пространстве и позволяет определить затраченную энергию. При других неискровых разрядах статического электричества, эквивалентная энергия определяется как X Джоулей, когда разряд зажигает смесь с минимальной энергией зажигания X Джоулей. Так эквивалентная энергия экспериментально определена по энергии зажигания. Это удобно при анализе риска зажигания. Будем считать, что энергия разряда (неискрового) соответствует этой эквивалентной энергии. Так называемая эффективная энергия определяемого электростатического разряда определяется по факту зажигания смеси с известной минимальной энергией зажигания и принимается равной минимальной энергии зажигания этой смеси.

8.12 Перенос заряда при ЭСР

8.12.1 Общие положения

ВНИМАНИЕ! Не проводить измерения переноса заряда в импульсах разрядов во взрывоопасной среде.

При любых разрядах статического электричества можно проводить измерения зарядов в единичных импульсах тока. Проведение таких измерений позволяет определять зажигающую способность разрядов статического электричества. Показано, что вероятность зажигания горючей среды разрядом статического электричества может быть связана с зарядом в импульсе разрядного тока. Следует отметить, что соотношение между зарядом в импульсе и вероятностью зажигания могут быть ограничены спецификой материалов, с которых возникают разряды и применяемой методикой измерений. Причина этого состоит в том, что разряды отличаются по пространственному и временному распределению энергии. Например, при одинаковом заряде в импульсе меньшая вероятность зажигания возможна при кистевом разряде, чем при искровом. Это возможно, потому что энергия при кистевом разряде распределена в значительно большем объеме газа. Хотя минимальные значения зарядов зажигания установлены для различных газов, их следует применять только как справочные значения. Этими значениями следует пользоваться при проведении измерений зарядов в импульсах в целях обеспечения безопасности самих измерений.

Принципиальная схема устройства для измерения заряда в импульсе при электростатическом разряде показана на рисунке 6.

 

 

6 а) Принципиальная схема устройства

 

 

6 б) Измерительная цепочка с конденсатором

 

 

6 в) Измерительная цепочка с резистором

 

1 - заряженный объект или поверхность; 2 - сферический

двухкомпонентный разрядный электрод; 3 - измерительная цепь;

4 - цифровой запоминающий осциллограф (например, с полосой

пропускания 1 ГГц); 5 - контактное соединение с электродом;

6 - контактное соединение с осциллографом; 7 - конденсатор

(например, 20 нФ); 8 - резистор (например, 0,25 Ом);

 

Рисунок 6 - Принципиальные схемы для измерения заряда

в импульсах разрядов статического электричества

с альтернативными измерительными цепями

 

8.12.2 Электрод-разрядник

Размер и геометрия электрода должны обеспечивать возможность проведения измерений, для которых он предназначен. Например, оптимальный диаметр для получения разрядов с сильно заряженных поверхностей составляет приблизительно 30 мм. Для поверхностей с более низкой поверхностной плотностью зарядов более подходящим может оказаться электрод меньшего диаметра, например, электрод с диаметром 2 мм, особенно если исследуется зажигание смесей с высокой чувствительностью к зажигающему воздействию разрядов. К ним относятся, например, водородовоздушные смеси. Применение электродов с диаметром существенно меньше 2 мм следует исключить, т.к. они способны к коронированию. Электроды диаметром более 10 мм должны быть двухкомпонентными, с центральной частью, соединенной с измерительной системой и с внешним заземленным экраном. Применение двухкомпонентных электродов необходимо, чтобы избежать эффекта заряжения по индукции еще до того, как произойдет разряд.

8.12.3 Схема измерений

Измерительная цепочка может быть устроена по одному из двух вариантов: может быть применен конденсатор или резистор, обычно в 20 нФ и 0,25 Ом соответственно. Осциллограф отражает изменение напряжения во времени. Для каждого варианта измерительной цепочки, как показано на рисунке 7, получается своя осциллограмма изменения напряжения во времени.

 

 

7 а) Емкостная измерительная цепочка

 

 

7 б) Резисторная измерительная цепочка

 

Примечание - Это идеализированное представление осциллограмм.

 

Рисунок 7 - Осциллограмма напряжение/время.

 

Применение конденсатора в измерительной цепочке обеспечивает получение ступенчатой осциллограммы. Заряд в импульсе в кулонах рассчитывается умножением амплитуды в вольтах на величину емкости конденсатора в фарадах.

Резистор в измерительной цепи вырабатывает импульс. Измерительная система осциллографа интегрирует напряжение по времени для получения значения в вольтах на секунду (В·с), которое можно разделить на значение сопротивления в омах, чтобы получить перенос заряда в кулонах.

8.12.4 Альтернативные устройства измерения заряда в импульсах

Для применения доступны коммерческие приборы, переносные кулонметры, предназначенные для измерения заряда в импульсе при разрядах статического электричества. Приборы просты в обращении и обеспечивают прямое считывание данных измерения. Они полезны для выявления разрядов, представляющих опасность как потенциальные источники зажигания. Но при их использовании следует учитывать следующее:

a) если разрядный электрод входит в комплект прибора, то его геометрические параметры (диаметр) может оказаться не оптимальным для проводимых измерений;

b) если разрядный электрод - твердая сфера, данные измерений могут искажаться индуцированными зарядами;

c) если прибор не предназначен для проведения импульсных измерений, то невозможно установить является ли измеренное значение характеристикой одиночного разрядного импульса или интегральной характеристикой серии разрядных импульсов.

8.13 Емкость

Емкость может быть измерена путем применения моста переменного напряжения или путем изменения напряжения V₃, когда параллельно включаются предварительно заряженная до напряжения V₂ измеряемая емкость C₂ и известная предварительно заряженная до напряжения V₁ емкость C₁. Емкость C₂ вычисляют по формуле:

 

(10)

 

При измерениях значений емкости конденсаторов, предназначенных для получения искровых разрядов с определенной энергией, необходимо учитывать возможные потери в диэлектриках (тангенс угла диэлектрических потерь), в связи с чем, эффективная емкость может оказаться меньше измеренной низкочастотными методами. Поэтому предпочтительно проводить измерения емкости в пределах нормальных операционных значений напряжения по методу распределения известного заряда с применением высококачественного конденсатора известной емкости.

При измерениях малых значений емкости следует исключить емкость применяемых соединений и не вносить в них изменений в процессе измерений.

8.14 Электрическая прочность

Измерение электрической прочности тонких пленок или слоев изоляции - важный фактор при оценке возможности возникновения скользящих поверхностных кистевых разрядов на материале. Важный параметр - напряжение пробоя, критическое значение которого равно приблизительно 4 кВ.

Электрическая прочность изоляторов зависит от дефектов материала. Поэтому результат, существенно зависит от площади поверхности испытуемого образца. Число дефектов возрастает и, следовательно, электрическая прочность уменьшает по мере увеличения площади поверхности испытуемого образца. И наоборот, при меньшей площади получают большее напряжение пробоя, а значит и заключение о большей опасности применения материала.

Пример - электрическая прочность полиэтилена приблизительно 20 МВм^-1. Таким образом, напряжение до 4 кВ выдержит слой с толщиной приблизительно 200 мм. Емкость конденсатора пластины с таким слоем диэлектрика равна приблизительно 90 нФ м^-2, и запасенная энергия (0,5 CV²) при 4 кВ составляет 720 мДж м^-2. При площади образца 100 см² это приблизительно 7 мДж. Поэтому электроды площадью в несколько квадратных сантиметров обеспечат реальную оценку опасности.

Для обеспечения напряжения пробоя применяют простую электрическую цепь заряжения конденсатора. При испытании важно исключить удар током. Такая опасность сопряжена с применением высокого напряжения, больших емкостей и относительно низких защитных сопротивлений. Методы испытаний приведены в [6], [7].