Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

О минимизации случайного заряда на роторе электростатического подвеса

#5 май 2007

УДК 621

 

УДК 621.31(075.8)

С. А. Васюков.

 

Силы и моменты в электростатическом подвесе в самом общем виде являются функциями потенциала ротора . Этот потенциал приобретает первостепенное значение при исследовании характеристик подвеса, когда оценивается его эффективность или перегрузочная способность. Рабочие характеристики подвеса считаются наилучшими при .

Как известно [1], заряд ротора связан с его потенциалом, а также потенциалами электродов подвеса через коэффициенты электростатической индукции .

                                                                 (1)  

Из выражения (1) видно, что возникновение потенциала обусловлено двумя причинами. Первую обычно связывают с явлением электростатической индукции в условиях, когда на электродах подвеса заданы потенциалы . Вторая причина связана со случайным зарядом ротора . Поскольку потенциалы на электродах  непосредственно не связаны с зарядом , то минимизацию потенциала можно провести, лишь минимизируя по отдельности каждое из его слагаемых.

Одной из первых отечественных работ, посвященных исследованию потенциала ротора, является [2]. В ней авторы исследовали наведенный потенциал ротора при отсутствии на нем  случайного заряда. Большое внимание потенциалу ротора уделено в монографии Мартыненко Ю. Г. [3]. Ему удалось установить оптимальные конфигурации электродных систем и провести исследование жесткости от числа каналов системы подвеса и заряда твердого тела. В ряде работ Анфиногенова А. С., Парфенова О. И., в частности в [4], исследован потенциал ротора при различных структурах подвеса. В работе [5] приведены условия минимизации потенциала  для  импульсных подвесов при регулировании потенциалов на электродах по закону ШИМ.

В большинстве известных работ глубоко исследована детерминированная составляющая потенциала ротора для подвесов на постоянном токе сферических вакуумных гироскопов.  Теоретические исследование влияния случайной составляющей затруднительны из-за сложности учета процессов переноса заряда темновыми токами и микроразрядами. Экспериментальные исследования также наталкиваются на значительные трудности, основной из которых является невозможность получения прямого доступа к ротору гироскопа для непосредственного измерения величины потенциала и  его флюктуаций.

В данном случае рассматривалась задача нахождения эффективных мер борьбы с натеканием заряда на ротор электростатического подвеса, т.е. минимизация второго слагаемого в (1). Исследование случайного заряда проводилось путем непосредственного измерения потенциала ротора на реальных образцах приборов с цилиндрическими электростатическими опорами в которых была возможность прямого доступа к ротору подвеса через токоподводы магнитоэлектрического датчика момента.

Источником случайного потенциала являются утечки заряда через ротор-электродный зазор. Эти утечки содержат две основные составляющие.

Первую из них связывают с темновыми токами. Они возникают за счет конечного омического сопротивления зазора ротор-электрод, сопротивление этого зазора в сильной мере зависит от напряженности электрического поля в нем.

Вторая составляющая – это микроразряды, возникающие при достижении напряженности поля в зазоре некоторой величины . При этом происходит лавинообразное возрастание тока в зазоре и перенос заряда на ротор, приводящий к изменению его потенциала.

Испытаниям подвергался опытный образец  поплавкового маятникового акселерометра с цилиндрическим ротором, расположение электродов которого схематично показано на рис. 1.

                                                                      Рис. 1.

Здесь ротор (вывод 1) окружен системой радиальных (выводы 11 – 18) и торцевых разрезных (выводы 19 – 22) электродов. Вся конструкция помещена в корпус, который также выполняет роль электростатического экрана. В приборе установлены камниевые опоры, а электростатический подвес служит для дополнительного, прецизионного центрирования. Из прибора слита  вязкая диэлектрическая жидкость и после промывки он был заполнен воздухом при атмосферном давлении. При всех экспериментах  цапфы ротора лежали на камниевых опорах, а зазор между электродами и ротором составлял в среднем 50 мкм. В дальнейшем на электроды подвеса подавалось достаточно высокое напряжение, однако его величины (при массе подвижной системы 15 Гр) было недостаточно, чтобы оторвать ротор от камниевых опор. Следовательно, в данном случае ротор можно считать неподвижным. Электрический контакт с ротором был организован через один из токоподводов магнитоэлектрического датчика момента.

На первом этапе было проведено определение напряжения пробоя по току утечки через зазор ротор- электрод, схема измерения приведена на рис. 2.                                      

                                                            Рис. 2

 Высокое напряжение положительной полярности подавалось поочередно на все электроды прибора через ограничительный резистор . При этом измерялось напряжение на резисторе при постепенном увеличении питающего напряжения  от нуля до 225 В. Результаты измерений сведены в таблицу 1. Обработка экспериментальных данных показала, что сопротивление наиболее высокоомных зазоров электрод-ротор имеет величину порядка Ом. Следовательно, для наблюдения потенциала ротора необходим специальный буферный усилитель с входным сопротивлением не менее Ом. Исходя из вышесказанного, для проведения дальнейших исследований был изготовлен специальный электрометрический повторитель напряжения (буферный усилитель БУ)  с входным сопротивлением Ом.

Программа исследования случайного потенциала ротора включала в себя наблюдение потенциала ротора при подаче на пару диаметрально противоположных электродов №11 и №12:

а) постоянного напряжения разной полярности;

б) переменного синусоидального напряжения;

в) однополярного импульсного напряжения;

г) двухполярного импульсного напряжения.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

12

13

14

15

16

17

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

225

0,0003

225

0,0003

80

0,02

60

0,002

225

0,0003

20

0,012

40

0,02

-

-

-

-

110

0,06

100

0,005

-

-

40

0,02

75

0,03

-

-

-

-

150

пробой

110

пробой

-

-

70

0,038

100

0,039

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

105

0,056

150

0,055

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

140

0,084

225

0,083

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

150

пробой

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 (продолжение)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

19

20

21

22

корпус

 

 

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

U

U2

 

 

40

0,028

30

0,13

50

0,031

45

0,041

50

0,042

225

0,0014

 

 

80

0,24

50

0,195

100

0,062

70

0,061

100

0,083

-

-

 

 

100

0,3

90

0,32

120

0,076

100

0,085

180

0,146

-

-

 

 

125

0,355

120

0,41

160

0,11

150

0,126

225

0,149

-

-

 

 

180

пробой

150

0,506

190

0,136

225

0,183

-

-

-

-

 

 

-

-

180

0,603

225

0,177

-

-

-

-

-

-

 

 

-

-

225

0,78

-

-

-

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 


Потенциал ротора снимался с выхода буферного усилителя, рис. 3, вход которого был подключен непосредственно к ротору.                                 

                                                               Рис. 3

На осциллограммах  №1, 2 показаны временные реализации потенциала ротора в случае, когда на 11-й электрод подавалось напряжение положительной полярности, а на 12-й электрод напряжение отрицательной полярности, рис. 3. Остальные электроды и корпус были заземлены.

Осциллограмма 1

 

Осциллограмма 2

Уровни напряжений на электродах 11 и 12 выбирались такими, чтобы обеспечить приближенно нулевой наведенный (детерминированный) потенциал ротора и на его фоне наблюдать временные реализации случайного потенциала. Значительная разница в уровнях напряжений (например, на осциллограмме 1 на 11-й электрод подано +250 В, а на 12-й электрод -144В) объясняется тем, что ротор, лежащий на камниевых опорах, находится в данном случае ближе к электроду 12, чем к электроду 11.

Анализ осциллограмм показывает, что флюктуации случайной составляющей потенциала ротора достигают 20 вольт, рост флюктуаций с увеличением потенциала на электродах явно не выражен.

На осциллограммах 3 и 4 показаны временные реализации потенциала ротора в случае подачи на электроды 11 и 12 переменного синусоидального напряжения, причем напряжение на электроды подается в противофазе. Величина его для каждого электрода также выбиралась с учетом обеспечения нулевого наведенного потенциала.

В данном случае анализ показал, что величина случайного потенциала много меньше, чем при питании постоянным напряжением, причем флюктуации значительно уменьшаются с ростом частоты переменного сигнала.

Осциллограмма 3

Осциллограмма 4

На осциллограмме 5 представлена временная реализация потенциала ротора при питании электродов 11 и 12 импульсным однополярным напряжением, рис. 4

Рис. 4

. Фазировка импульсов и их амплитуда подобраны так, чтобы обеспечить минимальный наведенный потенциал ротора.

Осциллограмма 5

Анализ реализации потенциала показывает, что величина случайного потенциала сопоставима с величиной потенциала при питании постоянным напряжением. Эксперименты при других частотах показали, что уровень флюктуаций потенциала слабо зависит от частоты следования импульсов.

На осциллограммах 6 – 8 представлены реализации потенциала при питании электродов импульсным разнополярным напряжением, рис. 5, подаваемым на электроды в противофазе.

Рис. 5

 Наблюдается резкое уменьшение случайной составляющей потенциала ротора с ростом частоты импульсного сигнала. На частотах свыше 500 Гц имеем практически идентичные реализации при питании импульсным разнополярным и переменным напряжением.

Осциллограмма 6

Осциллограмма 7

 

Осциллограмма 8

Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1.                  Знакопеременный (разнополярный) сигнал на электродах приводит к значительно меньшим флюктуациям потенциала ротора, чем сигнал постоянного знака. Это происходит потому, что на каждом электроде средний ток утечки одной полярности компенсируется током утечки противоположной полярности.

2.                  Флюктуации потенциала ротора при знакопеременном сигнале на электродах зависят от частоты питающего напряжения. При уменьшении частоты ухудшаются условия компенсации положительных и отрицательных токов утечки друг другом. При однополярном  импульсном напряжении на электродах флюктуации потенциала ротора от частоты практически не зависят.

3.                  При работе подвеса в вакууме или вязкой жидкости абсолютная величина флюктуаций будет иной, однако выводы, сделанные в предыдущих пунктах, применимы и здесь.

4.                  При взвешивании в электростатических подвесах незаземленных роторов наилучшую стабильность центрирования при прочих равных условиях обеспечат подвесы со знакопеременным напряжением на электродах. Учитывая общеизвестные недостатки подвесов на синусоидальном переменном напряжении, наиболее перспективными в плане стабильности центрирования следует считать импульсные двухполярные подвесы.  

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Тамм И. Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1966.

2.     Балясникова А. Н., Коровкин А. М. , Певзнер Е. М. Расчет потенциала ротора электростатического гироскопа // Известия вузов. Приборостроение. – 1973. - №1. – С. 72-77.

3.     Мартыненко Ю.Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1988. 368 с.

4.     Анфиногенов А. С., Дряпак О. Г., Парфенов О. И., Сумароков В. В. Потенциал ротора электростатического гироскопа при различных структурах его подвеса. Гироскопия и навигация. – 2003. - №3.

5.     А.с. 1258158 СССР, МКИ G01C 19/24. Электростатический подвес/С. А. Васюков, С. Н. Грибова, Г. Ф. Дробышев (СССР). № 3791421/40-23; 1986.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2020 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)