ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ЧАСТЬ 1 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.328:681.785.6:681.786.4 РО!: 10.25206/1813-8225-2021-178-83-90

Е. В. ЛЕУН

АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ЧАСТЬ 1

В статье обсуждаются принципы и возможности применения струйно-капель-ных оптических измерительных систем для контроля напряженности электрического поля (НЭП). Рассматриваются два примененных технических приема. Во-первых, отклонение летящих заряженных капель (шариков, полых гранул), используемых в качестве микрообъектов, чувствительных к НЭП и отклоняющихся от заданной прямолинейной траектории движения, подобно электрону в кинескопе. Во-вторых, стробоскопическое определение положения и/или смещений капель за счет импульсного освещения боковой стороны отклоненной капли оптическим потоком и измерения для него угла отражения. Обсуждаются возможности реализации дифференциального метода измерений НЭП. Рассматриваются особенности применения жидкостей с добавлением нанопорошков металлов или на основе жидких металлов, а также полых капель в виде микросфер или пустотелых гранул.

Ключевые слова: электрокаплеструйные технологии, вынужденный капиллярный распад струи, капельный поток, капля, микросфера, гранула, рефлек-тометрический метод измерения, электростатический заряд, напряженность электрического поля.

Введение. Вопросы измерения напряженности электрического поля (НЭП) Е актуальны для многих электрических объектов и устройств. Особенно они важны из-за возможности электризации узлов автономных, а именно летательных и космических аппаратов (КА), способных формировать и/или накапливать высокий электростатический заряд (далее — заряд) ^ Исключение возможностей пробоя от зарядов, искрообразования, выхода из строя и достижение электромагнитной совместимости всех узлов важны для всех стадий изготовления и эксплуатации КА. Для этого активно совершенствуются методы и средства измерения НЭП Е на основе разных принципов действия [1—8].

В настоящее время активно развиваются гидротехнологии и особенно интересны электрокапле-струйные технологии, основанные на вынужденном капиллярном распаде струи (ВКРС) жидкости и формировании монодисперсных когерентных капельных потоков [9, 10]. Они используются для электрокаплеструйной печати [11], в космических холодильниках-излучателях [12] крашения и промывки волокон и нитей [13], создания металлических пленок [14], плазменных источников излучения [15], повышение эффективности сгорания топлива в авиационных двигателях [16] и других задачах [17 — 20].

Потенциал струйно-капельных оптических измерительных систем (СКОИС) еще не полностью раскрыт, и в связи с этим перспективны исследования, посвященные расширению их области применения, например, для измерения заряда q или

НЭП Е. В открытой печати не найдено подобных технических решений, и данная статья, продолжая предыдущие подобные исследования, направлена на восполнение этого недостатка.

1. Основы оптоэлектрокаплеструйных измерений НЭП. Принцип действия и основы реализации.

Особенности применения СКОИС для контроля НЭП представлены далее.

1.1. Состав и принцип действия СКОИС для контроля НЭП. СКОИС для контроля НЭП, основанная на электрокаплеструйных технологиях, созданных и тщательно исследованных ранее в [9—11, 13], изображена на рис. 1. На нем обозначены генератор капель 1, калиброванное сопло 2, струя, состоящая из нераспавшейся части струи 3 и капельного потока 4, зарядное устройство (устройство сообщения униполярного заряда каплям) 5, оптический измеритель смещений капель (далее — измеритель) 6.

Из генератора капель 1 через калиброванное сопло 2 под давлением вытекает струя жидкости. Под действием дополнительного специального возмущения, накладываемого на нее управляющим мо но гармоническим сигналом U(f), струя возбуждается, формируя не распавшуюся часть струи 3 и монодисперсный когерентный капельный поток 4, состоящий из движущихся с одинаковыми размерами d и интервалами капель. От воздействия зарядного устройства 5, управляемого сигналом Uз(t), капли в процессе своего образования и отделения от струи приобретают заряд qшu с заданными очередностью, значением и полярностью.

а)

б)

в)

Рис. 1. СКОИС для контроля НЭП: общая схема (а), отклонения траектории движения заряженной капли при воздействии НЭП: в плоскости ХОY (б), по результатам экспериментов для капель (й =0,205 мм, v =10 м/с) 5%-ной эмульсии Синтокс-20М (взято из [13])

Пролетая в пределах измерительного участка / под действием электрического поля Е заряженная капля отклоняется на значение Д/ от изначально

см

заданного прямолинейного движения в зависимости от значения и вектора НЭП.

Трехкоординатные смещения отклоненной капли Д/ , Д/ , Д/ определяются с помощью оп-

см х см у см 2 ±1—1 I

тического измерителя 6. Конструкция и принцип действия таких оптических измерителей могут быть различны.

В статье рассматриваются основы разработанного стробоскопического способа измерения смещений капель Д/. Согласно ему в момент пролета движущейся капли ее боковая сторона импульсно освещается оптическим потоком с последующим измерением трехосевых угловых отклонений Дасм отраженного света, позволяя определить трехкоор-динатное положение и/или смещение капли: Д/см , Д/ , Д/ и соответственно три составляющие

см у см г ^ 1

НЭП: Е(Д/ ), Е(Д/ ), Е(Д/ ).

у см х' у см у' у см г'

Таким образом, в процессе измерений заряженная движущаяся капля жидкости используется как микрообъект диаметром не более 1 — 1,5 мм, чувствительный к НЭП Е (Е^Д/), так и криволинейный отражатель для освещающего потока, реализуя в итоге возможности сканера, управляемого НЭП (Д/ ^Да ). Соответственно, процесс измерений со-

см см

стоит из двух преобразований: Е^Д/ и Д/ ^Да ,

см см см

особенности которых рассмотрены далее.

На рис. 1в приведены экспериментально определенные графики отклонений траектории движения капель 5 %-ной эмульсии Синтокс-20М диаметром 0,205 мм, движущихся со скоростью Укап = 10 м/с при длине измерительных участков 40 мм (графики 1—3) и 20 мм (графики 4,5), образованным плоскопараллельными отклоняющими пластинами с зазором 5 мм от их края, для НЭП: Е1= Е2 и 1,33106 В/м, Е2 = Е5=1,0406 В/м, Е3 и 0,67406 В/м. Капли заряжались напряжением и , создаваемым на зарядном электроде с изменением в диапазоне от 0 до 200 В. Эмульсия Синтокс-20М используется для замасливания тканей и состоит в основном из термостойких минеральных масел НЗМ-40 (или НКМ-40) — 47,7 %, замасливателя Стеарокс-6 — 24,2 %, дистиллированной воды — 11,5 %. Ее вязкость близка

к вязкости воды, коэффициент поверхностного натяжения - 0,0347 Н/м [13].

1.2. Функция преобразования при измерении НЭП за счет контроля смещений капель Ысм. Известно выражение отклонения заряженной капли Д/, движущейся в электрическом поле, созданном двумя плоскопараллельными отклоняющими пластинами длиной /0 [13]:

Л0„

и 0 • 0° (21 н - 00 )

(1)

где т , V и а — масса, скорость движения

^ кап кап ^кап ' 1 ^

и заряд капли, ио — напряжение, приложенное к отклоняющим пластинам, /н = /0 + / — расстояние от начала отклоняющих пластин и до линии наблюдения, / — зазор между окончанием отклоняющих пластин и линией наблюдения.

Применительно к измерительной схеме на рис. 1а можно принять, что определение положения движущейся капли осуществляется в пределах измерительного участка /0 = /изм(/з = 0), т.е. с учетом исследований [13], сразу же за выходным срезом отклоняющих пластин.

Поэтому при прене брежении влиянии и То

1п

ем поля заряженной и можем записарь:

капли имеем

02

Л] _ итм

2 • УО.

• и°

т„

(2)

где

_ ■

о

итм

— коэфф-1циент измерений,

2 У оое

определяемый условиями проведения измерений НЭП, а именнл слинлс иимеритррьнтмо участка /азм и скоростью движении капли у°п.

Чувствительность струйно-капельной технологии 5 опреррряиися сттношением смещений Д/

скт 1 ^ 1 см

при движении капли м НЭП 1°

Зоеми-^ _ и,а

и

Ро

О

Отоое - Л0

У

84

т

и, как видно, она прямо пропорциональна отношению Чкап , которое рас смотрим более подробно.

^кап „ „ „

Максимальныя заряд, по—учаемый паплей в процессе заряжания, огранапчивается двумя условиями: возможностью дробления капли на более мелкие и современным достижимым технологическим уровнем.

Максимальный заряд сферической капли qдроб в отсутствие внешнего электрич еского поля ограни-чиваетсязначением, пяка элеквростатаческие силы отталкивания элементарных зарядов еа поверхности капли мгньше силы поверхностного натяжение, о беспеяявая целостностЧ капли и отсутствие ее дробления. Соаяасно фотмуле Рэлея [11, 13], он определяется выражением:

Чкап ^ Чдроб о0Н 10

я ^8 , 3,14ч • 8,85 • 10"14 х хОС о 46,43110"6 •А/оД; ,

Ф

400 пКл.

Ч кап

я я р • Vе яр^ГТ^Т я = •Р^е'еп , (7)

кап р кап 6 3 I , 5 (6

Чфс

т,г„

о/втЛ^ОД

3

кап

яе^с3

~ кап 6

17 • 4,9 7 • 10"6 х

р-сз,

я 50,57 • 10"6 •

Р4-<

а для технологааесаи достежисюго максимума заряд капля а = 400 пКя и соотношение Чкап мож-

1 ^ *техн

*техн

но записать в виде

чФС гаа • 10п14 0,7764 п1а"9

=пР 03

г- кап 6

рп т;

формируя на основе системы уравнений (6) систему уравнений для соотношения Чк

от заряда капли q

Яук

м„„

50,57 • 10с6 • 0,764 • 10с9

Р2 • Х

3

кап

Я дряб а Я л

р • d

3

кап

> Япехн = 400 пКл.

■ в зависимости

= 400 пКл, (10)

С учетом уравнениё (7) и (10) можно записатя функцию пяеобразования при определунии значений НЭП по трмм осям ^ Ez) яа примере изм0-рений НЭП Е вдоль оси ОХ— E :

Е„ и

ч

• М.

(11)

(4)

где е = 8,4540 — — электрическая постоянная т

(диэлектричес ча я прониц аем о о ть вакуума), а — ко-эффициеоо пoвepxнчетнягo нЧтяжения жидкости (для ноды п = 0,с7Ч Н/м) [1ап]. Согпасно 4нечечам для капли воды размн]ром (1шп — 0,1 мм, максимальны Ч апряд =авен и 7,1 пКл, =1 дкая d =lr0 мм — «22В, 5 пКл.

Соврнменньш достижимый технологический уровень зареЧки фапс— можао определить значением q « 400 пКл[161:

1техн 1 J

Измерение Дсм осущесьвллется оптическими спосоеами, расс—зотренными и вчастности

предложенным стробкспопическим сп8=обом импульсного освещении капель и рсфлектометррче-ской регистрацияй положения и/или схещения от-раженногогуеа. С учрачс этого аналоги—но можно записать выражение и длп значений НЭП вроль осей OY и OZ соответственхо Еу и Ez, определенны-мд от ^ и Д1м , по формулам, подобным (11), по-зтоляя н итоге злписатч урав—зенее для суммарного значения НЭП:

нх и^дл;

(12)

(5)

Поэтoмт в завсс дмости от ос к бенно рггед используемой жидч6сзи 00не]В]Т51м 0ЧП0льзуемым для расчетов долкнЧ быть меныпте из значенпй qgpоб или

q ■

Чпроб , Чдбоб ^ Чн=я я 400 пКС

Чне8 я 1Г0 пКл, Ч^об о Чнехз = 400 пКл (6)

Масга копля т ;з^]к:исит от тяотности жидкости

Чп

р и ее объема V :

кап

С уЧеоом усл=вия дробленио капли от заряда

q об (4) соотпош=ние Чгап примет вед:

дро вя

кап

(8)

(9)

2. Основы оптических ирмерсний смещенир двнжущихд яка пеиь.

Для постноения СКОИС НЭП второй является группа вопросов, связанных с осебенностямя чс-пользоеания жидкостей, и ос—джения от капель из них освещаю щего оптиче ского потока.

2.1. Особенновте ждякоотей. испольоунмния в СКОИС НЭЖ. Показатель преломления любой жидкости Пшп всчгда Ио;жше еозиуид 114 сшп>о0, поэтому при угловом освещении капли на со— гпани воздух — жидкость в бо лыпе й части диапазона углов падения • чета длдпр^;зе^.ое^н^ж жидкостей приводит к появлению боите яркего п]дчл^млчнн^]яб- 1пр, сле^^-ющего внутрь кадли, и менее яркого отраженного I лучей: 0 >о . дм работы это можно

отр пр отр ^ г

считать недостатк^»^, т.к. —квозное прохотадякче преломле лного луч а 1( ч^]се з ^^плю может приво-дио^]ь и рочвлснию ^о]вых пер^е^0тр^женн^]^х р^учей и переменной еавиеимтхдя от.э-

женного луча от уолг па^^ния и идверхносо—з п^апли I =_Р(а ).

отр у пад'

Эти два недо статка мл гут быть нивелированы пу-темискусствен^с^ги идмечепиясоотношения южду ^г>еломленным I и отраженным лучами I в поль-

1 пр 1 ^ отр

зу второго при иопол>зивенэч в кччестве жидкости специальныхдернил. Они могугпредставлять собой водный раствор с непрозрачным красителем (с высоким поглоще^1^е ме^;6лучения) и пигментом типа «металлик» нае осно•^еэ т^анопорошков металлов (алюминий, бронза, медь, в т.ч. с добавками «под золото») с размерами частиц <50—100 нм с высоким коэффициентом отраж(ррс. 2а). Таким образом, можно считать, что по отражающиз свойствам освещающего лазерного луча поверхность капли приближаетси и зррчальной во исем .г^дагазо-не угловпадения: I ^0, а I —■зсоп81 и пренебрег

пр отр

вышеперечислетными недостатками (рис. 2б).

т

е

z

85

т

а)

б)

Рис. 2. Отражение оптического потока от капли: формирование преломленного 1пр и отраженного 1ор лучей от падающего 1пад пучка (а), эквивалентная оптическая схема с формированием отраженного пучка света (б)

тГ

/в-

W

/

о

±jl

а)

б)

в)

Рис. 3. Полые капли:в виде микросферы, заполненной газом (а) [9], образование полых капель: изжидкости (б) [9] и жидких металлов и сплавов (в) [10]

В режиме ВКРС с дополниоельной подачей воздуха или другого газа помимо целых могут формироваться и полые капли, подобнрге мыльным пузырям (рис. 3а, б). Это позволтвет существенно уменьшить массу капли и, соотвзтстненно, повы-

Роое и, согласно формуле (11),

сить соотношение

чувствительность измерений НЭП. Для улучшения параметров режима ВКРС в жидкость добавляются поверхностно-активные вещества [9].

Кроме того, в качестве жидкости дря формирования целых и полых калеть могут использоваться расплавленные металлы или их солавы (рис. Зв). Одна из особенностей этого заключается в том, что расплавы металлов щелиичнои труппы: литий (Ц), калий (К), натрий (Иа) имеют пуоеность меньше, чем у воды (без учета температурной зависимости): 539, 862, 986 (кг/м3), а поверхзостное наряж ение 0,400, 0,110, 0,205 (Н/м) больше, чем у неё. Такие исходные данные также позволяют дополнительно

Рр

увеличить соотношение

- и, согласно формулам

(10) и (11), чувствительностьизмерений НЭП. Более подробно возможности использования этих технических приемов будут рассмотрены в следующей части статьи.

2.2. Стробоскопический способ положения капель с их импульсным освещением и рефлекто-метрической регистрацией отраженного луча. В настоящее время существуют методыи средства определения положения движущихся капель. Например, существует система ParticleMaster Shadow,

основанная на использовании фоновой засветки и оптической системы с большим увеличением. Регистрируя теневые изображения капель в фокальной плоскости оптического устройства, эта система позволяет определять их положение [21].

В данной статье рассматриваются основы стробоскопического способа импульсного освещения капель и рефлектометрической регистрации положения и/или смещения отраженного луча. При этом для определения положения движущихся капель каждая из них импульсно освещается при пролете мимо измерителя 6. Синхронизация импульсного оптического потока с процессом капле-образования и пролетом потока капель позволяет реализовать стробоскопический способ освещения.

В основе рефлектометрического способа определения положения движущейся капли лежит использование ее криволинейной поверхности, локальный угол наклона зоны отражения света которой зависит от ее положения. И положение отраженного пучка в течение импульса света дает возможность судить о наклоне отражающей площадки и, соответственно, о положении капли. В зависимости от исходных параметров отклонения отраженного луча могут иметь угловое (рис. 1б) и линейное (рис. 1в) смещения, соответствующие перпендикулярному и продольному смещениям капли относительно падающего луча света, которые рассмотрены далее. В дальнейшем подразумевается, что длина перетяжки сфокусированного оптического потока не меньше, чем смещения центра пятна отражения света на капле.

m

m

*птр 1 I,

а)

б)

в)

Рис. 4. Особенности отражения оптического потока от смещений капли: при определении зависимости угла между падающим и отраженным потоками света от смещения центра пятна относительно радиуса (а), при угловом (а) и линейном (б) смещениях капли

2.2.1. Угловое смещение потока света отраженного от капли. Данный случай соответствует перпендикулярному смещению капли относительно падающего луча света (рис. 4а, б). Для определения зависимости угла между падающим и отраженным потоками света от смещения центра пятна освещения относительно радиуса капми совмане оптическая схвма на рис. 4а. Согласно этой схеме, угол падмния света атквивалентен углу OCA, а затем из соотношений сторон прямоуеольного треугольника OCA мып ол^аем выражение для вычисления угла отраженим лазерного луча относительно нормали к повертмостт капли:

|ОА| _ \ОЦ-\АВ\_гшп - Halan

|ОС| |ОС| Из этой формулы можно получить

= sin(n ор 0 ( 13)

ГГШ11-Н1а Л

(

= arcsin

1 -

Н1,

(14)

(оПщ = 2( ооР = 2 arcsin| 1 -0

Н/

л

(15)

Аа„ Йщ, град 150,00

[,н ■■

50,00

-50,00

.[■ ,м.,м

-150,00

\ м

53 1( ■ ]- . Ю 2 С Ю 31 о з; ■ 0 4: о 5( Ю 5' т тт е —л ..... 10 9! U МКМ

Рпо. 5. Зивисимость общего угла ао6щ между пидающим и отраженным потоками света от смещения центра пятна освещения Ысм (в диапазоне от 50 до 950 мкм, с шагом 50 км) на капле диаметром 1000 мкм от ее границы

где А!см — смещение центра пятна освещения от границыкапли, (д — раииус камли.

Вырожеаие (В4)выведено для угла отражения лазевтого луча относительно нормали к поверх-носто капеи, поэтому общие угол между паеаю-щим и отраженным потокамисвета ддлжин быть удвоен:

й = ^ = sin(180 - (опл ) = sin аоПщ , (16)

|АВ| Н1=оо

где Al и Al — смещения капли и отраженных

кап отр 1 í

от рее лунео соответсавенно. Тогда с учетом выра-же ния (15) можно записат ь

Hi = Ноор

sin а

= Н1 • cos еса й =

оор оПщ

оПщ

= Ноор • COs ес

2 arcs inl 1 -

HL

= Н1оор • Олин , (17)

На риат показанс заеиуимоегь оМщего угла аобщ между паотющим и отраженным потоками света от смещения цтнера пятни освещения А/см (в диапазоне ов 50 аВУ 950 мку, с шагом 50 мкм) на капле отаме тром 11000 мкм от ее градицы, опреде-леннаа согмасно утсвивнии (15). Значения аобщ меняютсяот «1 28° до минус «1У8° с обгцим диапазоном «256°.

2.4.2. Аинейиеос имещиние потткц света, отраженного оу иапш. Данный случай соответствует продольнимучмещению капли относительно падающего туча сиета (рен: ив-. При подобных смещениях положенен демтиа нятна освещения иа поверхности капли не меняется и знаиение общеш угла аобщ междщ пдд,ающим и мтражсннымпотоками света постоянно. В соотяетствии со схемой (рис. 4в) отношения ттресксв \СВ\ к \АВ\ можнозаписать в виде уравнения:

где Меин — коэффициент линейного смещения.

На рис. 6 по саи оен график значений коэффициента лит ей но го смещснив илин до капли диаметром 1000 мкм вти сатщеният Д/см от 50 до 250 мкм, со-отвовствующих значение угла аобщ от «128° до «60°. Как видни, зничтним клин не иревоихоеят значения 1,3. т.е. дся данного вириант5 линейное смещение отраженноги ептическо-о потока примерно равно смещению пдпмИи

Как будет показано далее , регистрируемые сме-щениякепли при угловом отклонении при размере пиксела современных ПЗС регистраторов «3 мкм составляют доли микрометра. Такая чувствительность к угловым смещттиям существенно выше, чем к линейным «вмещениям, и поэтому влиянием по следних на результат измерения можно пренебречь.

0.00

r

r

50

100

150

200

-50 мкм

22,00 21,00 20,00 19,00 18,00 17,00 16,00 15,00 14,00 13,00

300 28

240 220 200

Л1см,

Рис. 6. Зависимость коэффициента линейного смещения к от смещения А1см (от 50 до 250 мкм) центра пятна, освещающего оптического потока, от границы капли диаметром 1000 мкм

Рис. 7. Зависимости, ро{юга чувстоительнзстч НЭП Е от смещелг я А1см (от 300 до 100 мкм) центр а пясна, освещающего оптического потока, от границы капли диаметром 1000 мкм

2.2.3. Минимизация смазап.и регистрации движущегося изображмния. Освещение в теч—ние короткого импульса движущбйсч капли неизбежно приводит к смещению ее и ртхаженногр оптятеско-го потока. При регистрации позледнего вионикает искажение «смаза». Так, при скорости V м 1 м-с

А А кап

и длительности импульса ¿имп = 10 мкс смещение капли составит Д1=10 мкм.

Однако уменьшение искажений «смаза» при регистрации быстро перемлщающихля изображений возможно при использовании технологии чяемен-ной задержки накопленкя или технозогни «е2у» [22] за счет обесппдения спнаправленно сти строк пикселей регистратора направлению движения изо -бражения. Длм осуществления эротх зербходимо обеспечение вмзможности юзсорста ПЗС0 оегистда-тора вокруг своей оси.

3. Определение порога чфвствительности НЭП.

Порог чувствительности НЭП, предел обннруже-ния будет раслчиеан с уоетем упрощзиной схемы измерителя 6 (рис. 4 б), сод—зр жащего линзу 6. — матричный ПЗС регистратор 6.2 и ьонтроллер 6.3.

Итак, в солтветсгвии с рефлечт0меаричесдим методом измерени° полож—ния капли, описанным выше, минимапио обнируииваемый ун(соень НЭП зависит от прпдельного углового рсзрешения прл контроле угла отражениясвета. Этот парамгтр имеет минимальное значение, л гранинкнное природой света, в частности, еги идфаакфией, о дффpткцичн-ный предел адифр описываетзя кризерипм Рэлея:

дзфг

чоо • я по

(18)

где X — длина еолиы квета, Р — апертура освещающей линзы оптииеского приборо. чогда при иг-пользовании фиолетовозо лазера с длиной волны X = 0,4 мкм и длиннофок•чн ой линзы с Р = 50 мм (на рис. 2а) получаем адифр~0,1'10и4 рнд

Полученное значение пилездо соотнести с параметрами устройства (рис. 4б), реализуемыми на основе современных яcхиягчотoидв.

Так, для прямоугольного тре^зольн—жп АВС с учетом малого угла ZACB и предельно малых смещений центра пятна освещечия на оапче межно ч0с писать:

\АЕ\ \АС\

1

и ]Эч С

(19)

где Фпй — рлзмер пикселя в ПЗС региетраторе (матричныд ф от о^пг ри дмнтк 0 1опт — расстояние от центра оиоещ аю—ц его пятна на поверхн ости капли до линзы 6.1. Принимая значение раомея пикиеэч! 13 современных ПЗС р егистрат ора Гпж = И мкм,

— • Ю 6

а расстояние 1опт=6 см, получаем чрег и и

и 0,5 • Ю 4 рад. И,как видно, полученнин згачение

арнг достаточно близко к рассчитанному ранее значению дифракци онного предела адифр.

С учетом этого ппределим минимально обнаруживаемый уровень НЭП, используя для расчетов а . Угловое смещениэ а от1)аженного света обу-

рнг 1 внг в

слooйенo сидщением капли, т.е. смещением центра пятно освещения на поверхности капли Д1, позволяя на оснчге еыражени0 (1ч) записать:

ч олго оч о и Oостдiиl ч о

I

о о игст) ч о | и чск и 0,5 • Ю04

(20)

где а0 и 10 — начальные угол отражения и положение центра пятна освещения на поверхности капли г учетом того, что

(21)

Для выражения (20) второй член агсзт^ ——

являете пост овнным для каждой серии измерений НЭП, а искомым является парамвтр М1м Тогда уравнение 120) пвсле небольших преобразований можно переписать к виду:

1 _ 10 в рем

о si.nl 0,25 • 10~4 + агсзш! 1 в

(22)

Далее получаем соответственно

! ^Р^ ™ =

1 в зт! 0,25 • 10 4 + аге зт! 1 в А_

(3)

и далее имеем:

с

см1 10 Рсм

I

0

о г

а

88

о

1

1 - sinl 0,25 • 10"4 + arc sinl 1 -

(24)

Далее расчет р-зрпшающ-й +пособности НЭП проведен за счет формулы, полр/ченной из (2):

4 V

РР о

Яш

(25)

для следующих исходных ччнных: °чшп=1 м/с, = = 5 см = 0,05 м. ЗначеН1Р4 отн-ше—ия _

_ получе-

"'-роп

но на основе выражений (4) и ( 7) для капли воды (плотность воды р =1000 кг/м3) диаметром (1 = = 1 мм = 10-3 м с МаВСИМЭ2ЬНО возможным за-ртдом, исключаюнни = ее дробление. 224,5 пКл = = 224,540-12 Кл. Тогда можно записать

qкап 6 • 224,С • 1В-12 ^ 6 Кл с

-=-т-гб ~ 42Н,Н • 1В -. С учетом

тШп 3,14 • 1ВВВ)-(1В-3) кг

этого, согласно формуле (ВВВ имеем „ 2 • 12

,м 0,05ч -428,8 • 10: Р„„ ss 1,87 • 106 • Р/ ,.

(26)

Зависимо ть разрешающей способности при измерении НЭП от положения центра пятна, освещающего оптический поток, относительно границы капли диаметром 1000 мкм при изменении Д в диапазоне от 100 до 300 мкм показана на рис. 7. Согласно этому графику, разрешающая способность является нелинейной функцией. Ее максимальное значение с реализацией минимального обнаруживаемого уровня НЭП соответствует минимальному значению Д/см =100 мкм для участка с высокой чувствительностью для капли ^ап =1000 мкм. Получаем искомое значение 0,014 В/м. Судя по данным из [1], полученный результат является достаточно неплохим. Он создает предпосылки для разработки измерительных устройств для измерения НЭП с реализацией дифференциального или нулевого методов измерения с измерением минимального или нулевого разбаланса соответственно.

Заключение

1. Использование возможности отклонения летящих заряженных капель (шариков, полых гранул), применяемых в качестве микрообъектов чувствительных к НЭП, и высокоточное определение их положения и/или смещений оптическими методами может быть основой для реализации высокоразрешающих методов и средств измерения НЭП.

2. Одним из наиболее перспективных методов измерения положения и/или смещений микрообъектов может быть стробоскопический метод импульсного освещения боковой стороны отклоненной капли оптическим потоком и измерения для него угла отражения

3. В СКОИС НЭП могут быть использованы жидкости, металлы и полимеры, образующие капли, шарики и полые гранулы в жидкой и твердой агрегатной фазе соответственно. При этом в жидкости могут добавляться красители и/или пигменты типа «металлик» на основе нанопорошков металлов (алюминий, бронза, медь в т.ч. с добавками «под золото») с размерами частиц <50—100 нм с высоким коэффициентом отражения.

4. Разработан стробоскопический метод измерения НЭП на основе рефлектометрического из-

мерения положения и/или смещения отраженного от движущихся капель оптического потока. Определен порог чувствительности при измерении НЭП, составивший 0,014 В/м.

Библиографический список

1. Глуховеря Е. Г., Бирюков С. В. Датчики напряженности электрического поля на новых физических эффектах и явлениях // Актуальные проблемы современной науки: материалы IX Регионал. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Омск, 2020. С. 47-50.

2. Мисеюк О. П., Волченков В. И. Устройство предварительной обработки сигнала первичного преобразователя в датчике напряженности электрического поля // Датчики и системы. 2020. № 1 (243). С. 42-46. DOI: 10.25728/datsys.2020.1.7.

3. Колмогорова С. С. Развитие теории и практики изотропных измерений электростатического поля на основе динамических преобразователей: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2012. 168 с.

4. Тимонина Е. В. Повышение точности измерения напряженности низкочастотных электрических полей техногенной природы электроиндукционными датчиками: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2009. 194 с.

5. Пат. 2539130 Российская Федерация, МПК G01R 31/00, G01R 29/12 Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля / Мешковский И. К., Стригалев В. Е., Аксарин С. М. № 2013136095/28, заявл. 31.07.13; опубл.10.01.15. Бюл. № 1.

6. Renon G., Vinson P. Device for Measuring an Electric and/ or Magnetic Field in Particular in a Conductor for Transporting ElectricalPower. US рatent 2020408855A1; filed December 18th, 2018; published December 31th, 2020.

7. Long Zhaozhi, Li Wenting, Lio Shaobo [at al.]. Implementation method of impulse electric field measurement system based on WLAN. AU рatent 2021102088A4; filed April 04th, 2020;published June 10th, 2021.

8. Hortschitz W., Stifter M. Device for measuring an electric field. US рatent 2020355735A1; filed November 16th, 2018; published November 12th, 2020.

9. Аметистов E. B., Дмитриев А. С. Монодисперсные системы и технологии. Москва: Изд-во МЭИ, 2002. 390 с. ISBN 5-7046-0875-2.

10. Бухаров А. В., Анкудинов В. Б., Огородников В. П., Марухин Ю. А. Получение монодисперсных гранул из расплавленных металлов // Труды VI Рос. национал. конф. по теплообмену. Москва: Издат. дом МЭИ,2014. С. 919-922.

11. Безруков В. И. Научно-технические основы и аппаратное обеспечение автоматизированной электрокаплеструй-ной маркировки изделий: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2003. 563 c.

12. Коротеев А. А. Обобщенные тепловые характеристики капельных холодильников-излучателей низко- и среднетем-пературных диапазонов // Известия РАН. Энергетика. 2013. № 4. С. 108-117.

13. Левченко Ю. А. Управляемый метод электрокапле-струйного нанесения технологических жидкостей на химические нити: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 1999. 194 с.

14. Пщелко Н. С. Электрофизические методы неразру-шающего контроля и формирования металлодиэлектрических структур: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2011. 372 с.

15. Виноходов А. Ю., Кривокорытов М. С., Сидельни-ков Ю. В., Кривцун В. М. [и др.]. Яркостный источник ЭУФ излучения на основе лазерной плазмы при использовании капельной жидкометаллической мишени // Квантовая электроника. 2016. Т. 46, № 5. С. 473-480.

16. Колодяжный Д. Ю. Методология исследований и разработок электрокаплеструйных способов и технологий в авиационных двигателях: дис. ... д-ра. техн. наук. Москва, 2020. 562 с.

Р/см н l- - -кр X

I

X

б

17. Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: принцип и режимы работы, возможности и основные характеристики // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 189-195. DOI: 10.25206/1813-82252018-162-189-195.

18. Леун Е. В. Вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем: регистрация сигналов акустической эмиссии и измерение температуры в зоне резания при точении, сверлении и фрезеровании // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 55-61. DOI: 10.25206/1813-82252019-163-55-61.

19. Леун Е. В., Чередов А. И., Сергеев Д. В., Сысоев В. К. К вопросам построения струйно-капельных оптических измерительных систем: контроль электризации металлизированных полимерных пленок при автоматизированной лазерной перфорации // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 86-93. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-86-93.

20. Нагорный B. C. Средства автоматики гидро- и пневмо-систем. Санкт-Петербург: Лань, 2014. 214 с. ISBN 978-5-81141652-3.

21. Particle Imaging. Мастер частиц. Интеллектуальная визуализация для определения характеристик частиц и капель.

URL: https://www.lavision.de/en/products/particlemaster/index. php (дата обращения: 22.06.2021).

22. Петрошенко М., Соломицкий Д. Технологии компании e2v // Компоненты и технологии. 2012. № 11 (36). С. 80-85.

ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru

Для цитирования

Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем измерений напряженности электрического поля. Часть 1 // Омский научный вестник. 2021. № 4 (178). С. 83-90. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-83-90.

Статья поступила в редакцию 22.06.2021 г. © Е. В. Леун