Способы измерений и приборы для оценки параметров, характеризующих статическую электризацию диэлектриков

Основными характеристиками наэлектризованное™ тела являются количество заряда СЭ и характер его распределения на поверхности или в объеме диэлектри­ка. Сравнивая заряд наэлектризованного тела с допу-

стимым зарядом для данной технологической операции, можно оценить влияние статической электризации на ход технологического процесса и опасность СЭ. Данные об электрических зарядах позволяют рассчитать пара­метры электрических полей, создаваемых этими заря­дами.

На практике часто измеряют параметры электриче­ских полей, так как это позволяет оценивать наэлектри-зованность тел, а при несложной геометрии и наличии предварительных градуировок оценивать плотность за­ряда СЭ. По величине измеренных напряженностей электрического поля зарядов СЭ можно судить о воз­можности искрообразования и вероятности воспламене­ния горючих смесей.

В процессах непрерывной генерации СЭ, связанных с транспортированием диэлектрических материалов, оценку степени электризации в ряде случаев можно производить, измеряя ток, протекающий на землю в ре­зультате отделения движущегося диэлектрика от про­водящего материала. По величине измеряемого тока, скорости движения электризующегося вещества и его геометрическим размерам можно определить плотность зарядов СЭ на диэлектрике.

Определение энергии, выделяющейся при разряде СЭ, является наиболее сложной проблемой, так как для этого еще нет установившейся методики, однако общий подход к решению этой задачи уже позволяет получить некоторые приближенные оценки вероятности возникно­вения пожаров и взрывов в результате разрядов СЭ.

Почти все известные в лабораторной и производст­венной практике способы измерения параметров стати­ческой электризации базируются на трех основных принципах:

1. Определение зарядов, потенциалов и напряженно­сти электрического поля зарядов СЭ бесконтактным ме­тодом через электрическую индукцию.

2. Оценка средней плотности заряда СЭ измерением тока электризации в непрерывных процессах.

3. Определение избыточного заряда наэлектризован­ного вещества путем измерения напряжения на извест­ной емкости.

Измерения через электрическую индукцию основаны на регистрации потенциала, индуцированного на прово­дящем теле — зонде, вносимом в электрическое поле

зарядов наэлектризованного предмета. Типичная схема таких измерений приведена на рис. 5.

Средняя плотность электрического заряда под зон­дом определяется выражением, Кл/м²,

где (/щ,-—показания электрометра: {Уцр=<7з/Си; <7з—■ индуцированный на зонде заряд; С_и — емкость измери­тельной системы С_и=С_п+Сз.₃; С_п— емкость электро­метра; С₃.₃— емкость зон­да и соединительных про­водов относительно зем­ли; С₀ — емкость единицы площади диэлектрика от­носительно земли; 5 —-площадь зонда.

Рис. 5. Схема измерений парамет­ров наэлектризованного диэлек­трика с помощью зонда. / — наэлектризованный диэлектрик; 2— охранные электроды датчика; 3 — элек­трометр; 4 — заземленная проводящая поверхность; 5 — измерительный зонд.

Если промежуток меж­ду зондом и диэлектри­ком а много меньше рас­стояния от диэлектрика (до земли, т. е. выполняет­ся условие а<^(1, то для вычисления поверхностно­го заряда пригодна упро­щенная формула

Емкость измерительной системы С_и определяется путем непосредственных измерений. Емкость зонда от­носительно диэлектрика рассчитывается как емкость плоского воздушного конденсатора с площадью обкла­док 5. Расстояние между зондом и диэлектриком при выполнении измерений четко фиксируется. На практике зонд над поверхностью наэлектризованного диэлектри­ка можно устанавливать на изолирующих ножках, из­готовленных из фторопласта, длина которых известна. Емкость С₀ оценивают приближенно по формуле для плоского конденсатора.

Более точное измерение плотности заряда на ди­электрике требует определения емкости диэлектрика относительно земли, что усложняет методику измерений. Определить плотность заряда на диэлектрике в данном

случае можно по двум измерениям, не прибегая к рас­чету емкости диэлектрика. Достигается это регистра­цией показаний электрометра при двух расстояниях от зонда до поверхности диэлектрика, если поле под дат­чиком прибора однородно. Плотность заряда на ди­электрике при этом определяется следующим выраже­нием:

где (/'пр и и"щ, — показания электрометра при первом и втором измерении соответственно; п — число, показы­вающее, во сколько раз изменилась емкость зонда С₃ при втором измерении.

Чтобы упростить измерения усредненного значения потенциала поверхности наэлектризованного диэлектри­ка, предварительно градуируют измерительную схему. Градуируют измерением потенциала проводящей пла­стины, подключенной к источнику высокого напряже­ния. В ходе градуировки меняют потенциал пластины ф и фиксируют показания электрометра при различных расстояниях между зондом и проводящим телом (рис. 6,а). Моделирование диэлектрика проводящей по­верхностью не позволяет воспроизвести истинную кар­тину электрического поля, создаваемого наэлектризо­ванным диэлектриком, так как диэлектрик не всегда эквипотенциален. Однако для практических целей (на­пример, измерения потенциалов плоских поверхностей больших размеров, потенциалов криволинейных поверх­ностей с радиусом кривизны много больше, чем рас­стояние до измерительного зонда) градуировка измери­тельной системы по проводящему телу оказывается вполне приемлемой. При наличии градуировочных кри­вых 6/пр(ф) для определенных расстояний от зонда до наэлектризованной поверхности при большой емкости диэлектрика относительно земли измерения можно вы­полнять с достаточной для практики точностью.

Если емкость наэлектризованного тела относительно земли мала и соизмерима с емкостью тела относительно измерительного зонда или датчика электрометра, ре­зультат измерений будет занижен. Снимаемые при этом показания будут соответствова 1 ь значению потен-

циала тела в присутствии измерительного зонда. При удалении зонда емкость тела относительно земли умень­шается, и значения потенциалов отдельных точек тела возрастают.

Если наэлектризованная плоскость находится над заземленной поверхностью, электрическое поле практи-

.......... ' '' '' '' " ' ' 'с.................................................. '

От¹

X о

в)

Рис. 6. Измерение напряженности электрического поля.

а — градуировка электрометра в однородном поле; б — измерение в однород­ном поле: в — неправильное расположение электрометра для измерения на­пряженности электрического поля; /—датчик электрометра: 2— электрометр; 3 — наэлектризованный диэлектрик; 4 — источник ВН: 5 — киловольтметр; 6 — электроды плоского конденсатора для градуировки.

чески существует лишь в промежутке между наэлектри­зованной поверхностью и землей. Измерения напряжен­ности поля можно выполнить, разместив зонд или дат­чик электрометра так, как это показано на рис. 6,6. Электрометр предварительно градуируется в поле пло­ского конденсатора, напряженность которого легко рас­считывается (рис. Ь.а). Если в системе (рис. 6,6) поле однородно, то при наличии градуировки измерения на­пряженности могут быть выполнены с высокой степенью точности.

Если датчик электрометра приближать к наэлектри­зованной плоскости, расположенной над заземленной поверхностью, измерения электрического поля будут заведомо неверны. Когда наэлектризованная плоскость значительно удалена от земли, электрическое поле с обеих ее сторон однородно, и внесение датчика при­водит к резкому искажению конфигурации электриче­ского поля. Когда плоскость расположена близко над землей, электрическое поле с внешней стороны практи­чески отсутствует. Если все же внести с внешней сторо­ны датчик электрометра, произойдет перераспределение поля (рис. 6.е). Часть силовых линий будет замыкаться на Датчике. Электрометр при этом будет фиксировать напряженность электрического поля непосредственно у среза датчика электрометра. Такого рода измерения напряженности электрического поля могут иметь смысл для оценки возможности искрообразования при прибли­жении к наэлектризованной поверхности заземленного тела. Измерения напряженности в этом случае следует производить при наименьших возможных расстояниях до наэлектризованной поверхности, а размеры датчика должны быть минимальными.

По результатам измерений напряженности поля плоской наэлектризованной поверхности при малых рас­стояниях от датчика до этой поверхности, когда поле над датчиком однородно, можно судить о величине по­верхностного заряда. В этом случае переход к потен­циалу поверхности при наличии датчика осуществляется согласно выражению

у=Еа,

где Е — измеряемая напряженность электрического по­ля; а — расстояние от датчика до наэлектризованной поверхности.

Поверхностный заряд определяется следующим об­разом:

₀₌ъМ±Ле.

а

Если расстояние от наэлектризованной поверхности до земли й^'^а> ^то

§-67} 25

Наибольшие трудности возникают при необходимо­сти измерения электрических параметров наэлектризо­ванных тел сложной конфигурации. В этих случаях в качестве модели рассматривают тела сферической или цилиндрической формы, электрические поля которых легко рассчитать. К таким моделям с большими при­ближениями и сводят встречающиеся на практике тела.

Если сфера удалена от заземленных поверхностей на значительное расстояние (1 м и более), то потенциал сферы может быть с некоторой погрешностью измерен электрометром, проградуированным по потенциалу ме­таллической сферы. Эти измерения будут приближен­ными, так как даже при наличии градуировки электро­метра всегда имеет место ошибка из-за того, что элек­трическое поле металлической сферы с заданным по­тенциалом не соответствует полю диэлектрической сферы с равномерно распределенным зарядом. Кроме того, приближение датчика к наэлектризованной сфере уменьшает ее потенциал за счет увеличения емкости относительно земли (расстояние датчика до сферы при измерении должно быть значительно меньше, чем ее удаление от заземленных предметов).

Оценку потенциала наэлектризованных тел, близких к сферическим и удаленных от земли, необходимо вы­полнять по двум измерениям датчиком, расположенным на разных расстояниях. Если результаты измерений по­тенциалов на разных расстояниях в соответствии с гра­дуировкой близки по значению, следовательно, усред­ненное значение потенциала тела определено правильно.

По известному потенциалу <р можно определить за­ряд сферы, распределенный по ее поверхности:

<7=4ле₀г_сф,

где г_с — радиус сферы, м.

Напряженность электрического поля сферы при из­вестном потенциале <р в точке на расстоянии г равна:

^—т» -

Напряженность поля можно измерить непосредст­венно электрометром. В этом случае электрометр гра­дуируется по напряженности поля проводящей сферы с заданным потенциалом <р. Помещая датчик на различ­ных расстояниях, получают зависимость показаний

»

электрометра п от напряженности поля Е в точке рас­положения датчика, определенной расчетным путем при известном потенциале градуировочной сферы.

Напряженность электрического поля наэлектризо­ванного диэлектрика сферической формы так же, как и при определении потенциала, оценивается по измере­ниям, выполненным на двух расстояниях. В случае хорошей сходимости результатов измерения можно считать близкими к истинным значениям. По известной напряженности поля, измеренной в данной точке, можно определить ее максимальное значение, которое будет иметь место непосредственно у поверхности сферы:

Р г²

^макс,2 >

' с

где Е_Шц — напряженность поля, измеренная на расстоя­нии г от центра сферы.

По аналогии со сферой можно проводить измерения параметров СЭ на цилиндрических телах. Некоторой спецификой таких измерений является изготовление датчика с зондом, охранные электроды которого долж­ны быть больше развиты в сторону оси цилиндра. На практике чаще всего приходится иметь дело не с иде­альными сферическими или цилиндрическими телами, а с частями изогнутых поверхностей большого радиуса. В этих случаях целесообразнее определять плотность поверхностного заряда по методу двух измерений на различных расстояниях. Датчик электрометра должен иметь обязательно охранные электроды, выравниваю­щие поле непосредственно под чувствительным элемен­том — зондом. Расстояния до измеряемой поверхности не должны превышать 0,8 диаметра охранного электро­да. Необходимо, чтобы электрическое поле под датчи­ком было по возможности однородным, края датчика скруглены, а сам датчик не имел неровностей, способст­вующих появлению местных неоднородностей электриче­ского поля.

Показания электрометра с датчиком, проградуиро-
ванным в поле плоского конденсатора, во всех случаях
определяются напряженностью поля непосредственно
у датчика. Внесение датчика в поле наэлектризован­
ного тела сильно искажает поле, создаваемое зарядами
этого тела, что затрудняет получение прямыми измере­
ниями точной информации об электрическом поле,
3* 27

имеющем место у поверхности тела произвольной кон­фигурации в отсутствие датчика.

Рис. 7. Пример простейшего способа измерения парамет­ров, характеризующих на­электризованное тело. / —• зонд; 2 — изоляционная ручка; 3 — статический вольт­метр; 4 — добавочная емкость; 5 — наэлектризованный диэлек­трик.

Для измерения потенциалов, индуцированных на из­мерительном зонде, потенциалов и напряженности элек­трического поля может быть использован любой электрометр с высским входным сопротивлением. При недостаточно высоком входном сопротивлении показа­ния прибора, соединенного с зондом, будут спадать за счет утечки заряда по изоляции. Необходимо, чтобы постоян­ная времени разряда емкости зонда, соединенного со входом измерительного прибора через сопротивление изоляции чув­ствительного элемента прибо­ра, была много больше време­ни считывания показаний при­бора. Этим требованиям удов­летворяют статические вольт­метры, динамические электро­метры с вибропреобразовате-лем и электронные электро­метры.

Простейшим примером реализации индукционного метода изме­рений является схема, представленная на рис. 7. Здесь зонд выпол­нен в виде металлического диска, укрепленного на диэлектрической ручке. Измерения потенциала зонда выполняются статическим вольт­метром С-50. При приближении зонда-диска к наэлектризованной поверхности световой индикатор вольтметра отклоняется. Для того чтобы показания вольтметра не выходили за пределы шкалы, парал­лельно вольтметру подключается добавочная емкость, снижающая измеряемый потенциал. Система может быть предварительно програ-дуирована по потенциалу металлической пластины. При таком спо­собе измерений точность измерений невелика, поэтому описанная схема может быть использована скорее как индикатор СЭ, чем для количественных оцепок. Знак заряда определяется по пробному телу, т. е. путем регистрации направления отклонения индикатора вольт­метра при приближении наэлектризованного тела, заряд которого заранее известен. В качестве такого тела может быть использован стеклянный стержень, приобретающий положительный заряд при трении о кожу.

Измерения на основе электрической индукции могут выполняться непосредственно динамическими электро­метрами. В этом случае датчик электрометра вносится в поле наэлектризованного тела, и индуцированный на датчике заряд за счет механического перемещения чув-

ствительного элемента или его экранирования преоб­разуется в сигнал переменного напряжения, пропор­циональный индуцированному заряду. Динамические электрометры также градуируются по напряжению, по­даваемому на металлическую поверхность. Все сказан­ное выше в отношении зондовых измерений в равной степени относится и к измерениям динамическими элек­трометрами с учетом предварительных градуировок. Применение методов измерений на основе электрической индукции ограничивается областью исследований элек­тризации сплошных твердых диэлектриков; электричес­ких полей в резервуарах, заполненных наэлектризован­ной жидкостью; электрических полей неподвижных дис­персных материалов. Исследования электрических полей наэлектризованных взвешенных дисперсных сред (псев-доожиженный слой, пневмотранспорт и т. п.) зондовым методом чреваты большими погрешностями и примени­мы лишь тогда, когда исключена возможность контак­тирования частиц с поверхностью зонда или датчиком электрометра.

Измерение заряда статического электричества в не­прерывных процессах. Движение диэлектрической ленты вокруг металлического ролика, протекание диэлектри­ческой жидкости в трубе или через фильтр, пневмо­транспорт твердых частиц по трубам и многие другие процессы, связанные с движением диэлектрических ма­териалов, сопровождаются непрерывной их электриза­цией. Механическое движение массы наэлектризованного диэлектрика обусловливает протекание электрического тока. Таким образом, если в результате контакта с ме­таллическим роликом сбегающая с него лента приобре­тает электрический заряд, в цепи заземления ролика бу­дет протекать ток. Величина этого тока определяется плотностью заряда на ленте, геометрическими размера­ми и скоростью движения ленты. Протекающий в цепи заземления ток может быть измерен, а по нему рассчи­тана плотность заряда наэлектризованной ленты. В со­ответствии со схемой рис. 8,а усредненная величина плотности заряда на ленте равна, Кл/м²:

где / — ток в цепи заземления ролика, А; Ь — ширина ленты, м; V — скорость движения ленты, м/с.

Приведенное выражение справедливо для случая, когда до прохождения вокруг ролика лента практически не была наэлектризована.

Аналогичным способом может быть определена и плотность заряда, который приобретает жидкость. Жидкости электризуются наиболее сильно при прокачке через фильтры, причем чем выше тонкость фильтрации, тем сильнее электризуется жидкость. Если изолирован-

Рис. 8. Способы оценки плотности заряда СЭ по току электри­зации.

а — электризация движущегося полотна или ленты; б — электризация жидко­сти в фильтре; / — фильтр; 2 — изоляция; 3 — измеритель тока.

ный от трубопровода фильтр заземлить через измери­тель тока (рис. 8,6), то средняя объемная плотность заряда, который приобретает жидкость в фильтре, мо­жет быть вычислена по формуле, Кл/м³,

р=1/Р,

где Р — подача жидкости через фильтр, м³/с.

Электрический заряд жидкости, приобретаемый при прокачке по трубопроводу, можно определить, измеряя ток, стекающий с трубопровода на землю.

Измерение токов электризации во всех случаях тре­бует изоляции от земли установки, из которой выходит наэлектризованный продукт, и одновременно заземле­ния установки непосредственно через измеритель тока или через известное сопротивление, на котором можно измерить падение напряжения от протекающего тока

электризации 'эл«

Для обеспечения безопасности от воз­можных разрядов СЭ с корпуса установки ее заземле­ние следует выполнять через небольшое сопротивление. Кроме того, это особенно важно для обеспечения доста­точной точности измерений; необходимо, чтобы сопро­тивление изоляции установки относительно земли было

на несколько порядков выше, чем сопротивление изме­рительного прибора. Тем самым снижается погрешность от токов утечки через изоляцию установки. Этим требо­ваниям наилучшим образом соответствуют измеритель­ные усилители тока с малым входным сопротивлением. По аналогии с жидкими диэлектриками возмож­но измерение токов электризации дисперсных мате­риалов, транспортируемых по трубопроводам. В этом случае участок трубы, по которой осуществляют пневмотрансиортирование сыпучих материалов, изолиру­ют от соседних участков и заземленных конструкций и заземляют через измеритель тока. Измеряемый ток бу­дет соответствовать электрическому заряду, который приобретает транспортируемый продукт на длине вы­деленного участка трубопровода. Удельная массовая плотность заряда определяется из выражения, Кл/кгс,

_Р=//<2,

где (2 — производительность транспортирования продук­та, кгс/с.

Когда пневмотранспортирование осуществляется по трубам из диэлектрического материала, например по трубам из стекла, для оценки электризации на участке трубопровода наружную поверхность этого участка не­обходимо сделать проводящей. Достигается это оклеи­ванием труб металлической фольгой или покрытием ее наружной поверхности проводящим лаком. Проводящий участок трубопровода заземляется через измеритель то­ка, и плотность заряда продукта оценивается по стекаю­щему току так же, как в случае пневмотранспортирова-ния по проводящим трубам.

Измерения токов, стекающих с участков трубопрово­дов, не дают полного представления об электрическом заряде, который приобретает жидкость или твердый продукт при движении по всей длине трубопровода. Чтобы иметь точные сведения о заряде, необходимо изо­лировать от земли трубопровод по всей длине, что на практике реализовать очень трудно. Большое прибли­жение к истинным значениям дает измерение тока элек­тризации на начальном участке трубопровода, длина которого примерно ЗтУ, где V — скорость транспорти­ровки продукта. Занижение значения тока электризации по сравнению с максимально возможным при бесконеч­но длинной трубе будет не более 30%.

Для получения данных об электризации продукта по всей длине диэлектрического трубопровода участок из­мерения следует постепенно перемещать от начала тру­бопровода в сторону движения продукта. Суммирование токов электризации на отдельных участках соответству­ет электризации транспортируемого вещества по всей длине трубопровода.

_и Если продукт поступает в приемный резервуар или бункер, то входную плотность заряда можно оценить, измерив ток в цепи заземления приемного бункера. Ве­щество, поступившее в бункер, постепенно теряет свой заряд. Скорость спада заряда твердых продуктов зави­сит от электропроводности вещества, его диэлектричес­кой проницаемости, влажности воздуха, геометрических размеров массы продукта, дисперсности, близости про­водящих конструкций приемного бункера. Чем выше электропроводность, больше диэлектрическая проницае­мость, выше влажность воздуха, меньше толщина слоя продукта на проводящей поверхности, тем быстрее про­исходит рассеивание зарядов. Вещества, обладающие низкой электропроводностью (10¹⁴—10¹⁶ Ом>м), поме­щенные в емкости или мешки из непроводящего мате­риала, могут сохранять заряды СЭ очень долго. При относительной влажности воздуха 30—40% это время исчисляется десятками часов.

Рассеяние зарядов жидкостей, закачиваемых в ре­зервуары, определяется их электрическими характерис­тиками. Процесс релаксации заряда в жидкостях не за­висит от геометрии бака и от электрических характерис­тик материала, из которого изготовлен бак. Заряд жидкости в приемном резервуаре определяется только постоянной времени релаксации т.

Величина заряда жидкости, поступающей в металли­ческий бак, определяется следующим соотношением:

где ро — входная плотность заряда жидкости, Кл/м³; I — время с начала момента заполнения резервуара, с.

Через время?=3т заряд в баке достигает наиболь­шего значения <7^рРт и останется неизменным в тече­ние всего времени заполнения резервуара при постоян­ных ро и Р.

Через время Зт после окончания заполнения жид-

костью заряд в приемном резервуаре можно считать практически близким к нулю. Если резервуар выполнен из диэлектрика или металла с диэлектрическим покры­тием, избыточный заряд в объеме жидкости спадает также через время Зт. При этом следует иметь в виду, что заряд из объема жидкости распределяется по стен­кам резервуара и по поверхности жидкости так, что его дальнейшее рассеяние определяется законами релакса­ции зарядов на сплошных твердых диэлектриках и гра­нице жидкая фаза — воздух.

Измерение заряда статического электричества по на­пряжению на известной емкости. Если диэлектрик элек­тризуется в результате нарушения контакта с изолиро­ванным от земли металлическим телом, то заряд СЭ, который приобрел диэлектрик, можно определить, изме­рив напряжение II на емкости С металлического тела относительно земли. В этом случае заряд диэлектрика равен: д=С11.

Описанный способ нашел применение при определе­нии электризации материалов в результате соударения с преградой, например при оценке электризации навески сыпучих диэлектриков. По известной навеске и заряду можно вычислить усредненное значение плотности за­ряда СЭ. Схема (рис. 9,а) позволяет исследовать элек­тризацию частиц и при взаимодействии с диэлектрика­ми. Для этого на поверхность металлической пластины наносится слой диэлектрического материала, взаимодей­ствие с которым изучается. Аналогичным способом мож­но исследовать электризацию пленок при отделении их от подложки (рис. 9,6). В этом случае также возможно измерение заряда пленки при отделении ее от подложки. Удельная плотность заряда вычисляется делением изме­ренного заряда на площадь поверхности отделенного материала. Проведение измерений с пленками требует плотного контакта поверхностей, на которых измеряется заряд СЭ. Операция по притиранию пленки и созданию наибольшей поверхности контакта сама по себе можег сопровождаться электризацией наружной поверхности притираемой пленки. Поэтому перед разделением мате­риалов металлическую подложку следует заземлить с тем, чтобы показания электрометра стали равны нулю, и протереть пленку влажным тампоном. После отделе­ния пленки показания электрометра будут пропорцио­нальны заряду СЭ, возникшему только в результате

контактной электризации разделяемых материалов. В качестве измерителя напряжения на проводящей пластине может быть использован любой электрометр с высоким входным сопротивлением такого же типа, как и при зондовых измерениях. Описанный метод находит применение для определения склонности различных ма­териалов к электризации и ее сравнительной оценки.

М?5 1-

- Ы^ш^щ^г г

А.1

Е -< - —■*-	1 / © ч	—*—	&к
		-- Фу*=
(	____ V
	±

б)

В)

Рис. 9. Способы оценки электризации по напряжению на известной емкости.

0 — при соударении частиц с твердым телом: 1 — питатель; 2 — взаимодей­
ствующее тело; 3 — металлическая пластина; 4 — электрометр; 5 — изолятор;
б — при контакте пленки с плоской поверхностью: / — исследуемый мате­
риал — пленка; 2 — взаимодействующий материал; 3 — металлическая подлож­
ка; 4 — изоляторы; 5 — замыкатель; € — электрометр; в — система Фарадея:

1 я 2 — внутренний и внешний цилиндры; 3 — наэлектризованный продукт;
4 — электрометр.

Для измерения заряда СЭ сыпучих материалов, жидкостей и отдельных образцов твердых материалов небольших размеров может быть использована извест­ная клетка Фарадея (рис. 9,е). Система представляет собой два металлических экрана — внутренний и внеш­ний, изолированных друг от друга. Напряжение, изме­ренное на образованной экранами емкости, определяет заряд помещенного во внутренний экран вещества:

где С_к — емкость клетки Фарадея; Сщ, — емкость изме­рительного прибора; С_п — емкость соединительных про­водов.

Основным условием, обеспечивающим хорошую точ­ность измерений, является поддержание сопротивления изоляции системы на высоком уровне. Это относится как к изоляции собственно клетки Фарадея, так и к изо­ляции соединительных проводов и ко входному сопро­тивлению электрометра. Погрешность измерений состав­ляют погрешности измерения потенциала внутреннего экрана, электрической емкости системы, а также погреш­ности, обусловленные утечками заряда по изоляции. При измерении заряда сыпучих и жидких материалов система Фарадея представляет собой два сосуда, вло­женных друг в друга и разделенных изоляцией. Чтобы избежать больших погрешностей от утечки заряда по изоляции, время заполнения внутреннего сосуда пробой материала и время измерения напряжения на внутрен­нем сосуде должны удовлетворять соотношению

т<^яс_с,

где Т — время заполнения внутреннего сосуда плюс вре­мя регистрации показаний электрометра; /? — результи­рующее сопротивление изоляции всей системы, включая входное сопротивление электрометра; С_с — емкость всей системы.

Измерение энергии электрического поля наэлектризованного ди­электрика и оценка энергии, выделяющейся при разрядах статиче­ского электричества. Если принять поверхность наэлектризованного тела эквипотенциальной, то энергия электрического поля может быть с определенной погрешностью вычислена по известным соотно­шениям между потенциалом, емкостью и зарядом, Дж:

Однако вычисленная таким способом энергия еще не может служить оценкой степени опасности СЭ, если рассматривать вопрос о возможности возникновения пожара или взрыва, так как количест­во энергии, выделяющейся в канале разряда СЭ, много меньше пол­ной энергии электрического поля диэлектрика, несущего заряд СЭ. Величина энергии, выделившейся в разрядном промежутке, пропор­циональна количеству заряда, стекшему на разрядный электрод.

Для плоской диэлектрической пластины, расположенной над по­верхностью нулевого потенциала, полная энергия, выделившаяся при разряде, определяется выражением, Дж,

где Н — расстояние от поверхности наэлектризованной пластины до плоскости нулевого потенциала; при этом должно соблюдаться усло­вие Н~2>ё; Ь — толщина пластины; д_р — количество заряда, перене­сенное на разрядный электрод.

Величина д_р определяется экспериментально в соответствии со схемой рис. 10. Разрядный электрод в виде полированной сферы диаметром не менее 20 мм постепенно вносят в электрическое поле, приближая к поверхности наэлектризованного диэлектрика. Если разрядный электрод, как это показано на рис. 10, заземлен через электрометр, по мере приближения к наэлектризованной поверхности на электроде будет индуцироваться заряд <?„„„, и прибор будет ре­гистрировать напряжение ГД_Шд, соответствующее этому заряду, т. е.

л __________ *7инд

^иинд — С Л-С. >

где С_п — емкость прибора; С_доп — дополнительная емкость, включае­мая параллельно прибору для уменьшения регистрируемого напряжения.

В тот момент, когда в про­
межутке между электродом и
наэлектризованной поверх-

Рис 10. Схема оценки энергии раз­ряда, выделяющейся в разрядном промежутке.

/ — разрядный электрод; 2 — наэлектри­зованный диэлектрик; 3— электрометр; 4 — дополнительная емкость.

ностью произойдет разряд, в це­пи электрода протечет электри­ческий ток, имеющий две со­ставляющие противоположного направления; /_п — ток переноса заряда в результате нейтрали­зации участка поверхности ди­электрика и /_Инд — ток проти­воположного направления, со­ответствующий уменьшению значения индуцированного на электроде заряда. Точное зна­чение количества перенесенного на электрод заряда можно определить, если после разряда удалить разрядный электрод из поля наэлектризованного диэлектрика. В этом случае показания прибора будут пропорциональны заряду ^р, протекшему в канале разряда:

Если электрод не удалять из поля наэлектризованного диэлек­трика, например, когда промежуток между наэлектризованной по­верхностью и электродом фиксирован, то истинное значение д_р опре­деляется по формуле

где

Значения С_э и С_д определить практически 'невозможно. При извлечении электрода из электрического поли диэлектрика значение С_э—»-0, тем самым д_р —>-9рег- В качестве измерительного прибора может быть использован электронный осциллограф, регистрирующий напряжение на интегрирующей цепочке НС. По амплитуде импульса и значению емкости определяется значение ^р-

При определении энергии разряда СЭ в промежутке между на­электризованной жидкостью с объемной плотностью заряда или на­электризованным продуктом в насыпном виде энергия вычисляется по формуле

ТЧРг

В этом случае д_р определяется описанным выше способом, но при этом фиксируется длина разрядного промежутка. По известной длине разрядного промежутка, пользуясь табличными данными, опре­деляют значение разрядного напряжения 1>_р в промежутке сфера — плоскость. Величину Г/_р для заданных условий можно определить и экспериментально.

Зная энергию разряда СЭ, сопоставлением ее с минимальной энергией И7_МИН воспламенения той среды, в которой возможны раз­ряды СЭ, можно оценить степень опасности СЭ. В этом случае при­нято считать допустимым следующее соотношение:

/ ^="«^ч / >
'с 'мин

где ^_с — длина канала разряда СЭ; /_Мин — Длина разрядного проме­жутка при определении минимальной энергии данной среды.

Оценить воспламеняющую способность разрядов СЭ можно так­же непосредственно по величине заряда ^р ^в соответствии с мето­дикой, изложенной в «Инструкции по установлению соответствия изделий с неметаллическими материалами требованиям электростати­ческой искробезопасности», ВНИИПО МВД СССР, М., 1976 г.