Программа " Исследование влияния температуры на емкость конденсатора и диэлектрические потери в нем" создавалась как обучающе-контролирующая программа к разделу "Диэлектрики" дисциплины



Скачать 110.55 Kb.
Дата13.07.2016
Размер110.55 Kb.
ТипПрограмма


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по НР ГОУ ВПО «ОмГТУ»

_____________ /А.В. Косых/

«___»_____________2009 г.


РЕКЛАМНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ


Программа

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЕМКОСТЬ КОНДЕНСАТОРА И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В НЕМ”

.02068999.00281-01 99 01

Листов 12

Разработчики:

______________________/Шкаруба М.В./

______________________/Захарова Н.А./

21.09.2009>




  1. Функциональное назначение программы, область применения,

ее ограничения

Программа “ Исследование влияния температуры на емкость конденсатора и диэлектрические потери в нем” создавалась как обучающе-контролирующая программа к разделу ”Диэлектрики” дисциплины “ Материаловедение и технология конструкционных материалов ”, аналог лабораторной работы на стенде.

В 2007 году на кафедре ”Электроснабжения промышленных предприятий” ОмГТУ была проведена модернизация стендов к дисциплине “Материаловедение и технология конструкционных материалов”, для этого были закуплены современные цифровые приборы, осциллографы, генераторы и т.д.

Новая экспериментальная установка с использованием импортного цифрового автоматического прибора для измерения емкости и tgδ (ELC-131D) к разделу ”Диэлектрики” выглядит так (рис. 1).



Рис. 1. Новый стенд для исследования влияния температуры на емкость и тангенс диэлектрических потерь конденсатора

Стенд состоит из следующих основных блоков:

1. Двух печей (чтобы на 2 этапе не ждать пока печь остынет).

2. Двух цифровых приборов (ELC-131D служит для измерения емкости и tgδ, M890G − для измерения температуры).

3. Набора конденсаторов.

4. Зарядного устройства для питания приборов.

5. Пластмассового корпуса для приборов.

Для этой работы было взято более десятка конденсаторов разных марок, из них были отобраны два, которые имели стабильные характеристики, близкие к теоретическим.


Лабораторная работа разбита на 2 этапа:

  1. Исследование слюдяного конденсатора (типа КСО).

  2. Исследование бумажно-масляного конденсатора (типа БМ).

На этом стенде лабораторные работы стали выполнять студенты дневного и вечернего обучения, а для заочного и дистанционного обучения было решено создать обучающе - контролирующую программу (аналог стенда), с которой студенты могут работать дома и присылать отчеты о проделанной работе.

Программа получилась удачной, поэтому в дальнейшем программу стала использоваться и для студентов, прогулявших занятия, которых в последние годы стало больше, особенно среди студентов коммерческой формы обучения. Теперь преподавателю нет необходимости постоянно присутствовать во время повторных лабораторных работ, достаточно студенту показать стенд, посадить его в компьютерный класс, а затем проверить результат его работы. Программа позволяет контролировать работу студента и в конце сообщает обо всех допущенных ошибках.

Программой заинтересовались на других кафедрах, она используется в филиалах кафедры в Сургуте и Нефтеюганске, где пока нет возможности создать стенды с использованием современных приборов.

Она может быть рекомендована для других электротехнических факультетов высших учебных заведений при изучении раздела ”Диэлектрики” дисциплины “ Материаловедение и технология конструкционных материалов”.

В 2008 году студенческая работа по созданию новых стендов и программ к дисциплине ”Материаловедение” была отправлена на Всероссийский конкурс и отмечена дипломом.


  1. Используемые технические средства

Программа выполнены на алгоритмическом языке Pascal в среде DELPHI, работает в операционных системах Windows. Для их работы требуется персональный компьютер класса Pentium II и выше, с оперативной памятью не менее 32 Мбайт.

  1. Специальные условия применения и требования организационного,

технического и технологического характера

Программа используются в учебном процессе на дневном и вечернем обучении в виде лабораторной работы к дисциплине “Материаловедение и технология конструкционных материалов”, а на заочном и дистанционном обучении – для самостоятельного изучения раздела курса. В течение нескольких семестров программа постоянно совершенствовалась, в ней устранялись все замечания, возникающие при работе с ней .

Работа с программой может выполняться студентами самостоятельно без помощи преподавателя, так как все измерения и построения сопровождаются подробными комментариями, и заканчивается подведением итогов с указанием всех ошибок.

Для работы с программой желательна домашняя подготовка: изучение теории рассматриваемого вопроса (по учебному пособию [1]). Но лабораторную работу можно выполнять и без домашней подготовки, так как основные положения, необходимые для выполнения работы, выводятся на экран монитора. Домашняя подготовка ускоряет выполнение работы.

После домашней подготовки работа с программой рассчитана на 1,5 часа и имеет 2 этапа.

3.1. Основные теоретические положения, необходимые для успешной работы с программой

[Эти теоретические положения взяты из учебного пособия (Шкаруба М. В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96 с. [1]). С методическими указаниями студентам рекомендуется познакомиться перед выполнением лабораторной работы, чтобы ускорить ее выполнение].



Теоретические положения
Конденсатор представляет собой систему из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика. Емкость конденсатора зависит от формы пластин, их размеров, взаимного расположения, а также от диэлектрической проницаемости среды, находящейся между пластинами. Емкость плоского конденсатора, выраженная в фарадах, определяется по формуле


,

где S – площадь пластин, м2; h – расстояние между пластинами, м;



– абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, = 8,85∙10-8;

– относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.

Значение диэлектрической проницаемости электроизоляционного материала не остается постоянным при колебаниях температуры, что приводит к изменению емкости конденсатора. Увеличение температуры конденсатора в процессе работы вызвано наличием диэлектрических потерь энергии, возникающих при воздействии на диэлектрик электрического поля. В технике диэлектрические потери обычно характеризуются углом диэлектрических потерь или чаще тангенсом этого угла. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз  между током I и напряжением U в емкостной цепи (рис. 2). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз  и тем больше угол диэлектрических потерь  и его функция tg.

Для правильного выбора условий работы конденсатора нужно знать, как влияет увеличение температуры на диэлектрические потери в нем, недопустимо большие потери в электроизоляционном материале могут вызвать сильный перегрев конденсатора и привести его к тепловому разрушению. Это происходит потому, что рост температуры при определенных условиях вызывает увеличение выделяющейся в диэлектрике энергии и вследствие этого дальнейший рост температуры, т. е. приводит к неограниченному росту температуры и заканчивается тепловым пробоем диэлектрика. В ряде точных приборов необходимо считаться и с небольшим изменением емкости и tg при колебаниях температуры. Так, изменение емкости эталонных конденсаторов приводит к появлению дополнительной погрешности в измерениях. Изменение емкости и активного сопротивления конденсатора может привести к отклонению от заданной частоты в колебательном контуре и т. д.

Для оценки изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры применяют температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТК, который выражается формулой

ТК =

где и – диэлектрическая проницаемость образца при температурах t1 и t2

соответственно, причем t2 >t1; TK – температурный коэффициент, град –1.

Рис. 2. Определение угла диэлектрических потерь

В зависимости от типа материала и температурного диапазона диэлектрическая проницаемость его с ростом температуры может увеличиваться или уменьшаться. Так, для диэлектриков с электронной поляризацией с увеличением температуры поляризованность в основном за счет расширения тела слабо снижается, т. е. коэффициент ТК отрицателен.

В большинстве случаев при ионной поляризации диэлектрики имеют положительный температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Эта закономерность объясняется тем, что при повышении температуры ослабляются упругие силы связи между ионами в узлах кристаллической решетки, что облегчает смещение ионов в электрическом поле и приводит к некоторому увеличению диэлектрической проницаемости.

Значительно сложнее влияние температуры на диэлектрическую проницаемость материалов с дипольной поляризацией. Повышение температуры действует на дипольную поляризацию двояко: за счет ослабления межмолекулярных связей ориентация диполей должна облегчаться, а за счет усиления теплового движения – ослабляться, т.к. сильное тепловое хаотическое движение будет мешать упорядочению расположения молекул. При достаточно низких температурах за счет усиления межмолекулярных связей и резко пониженной подвижности молекул дипольная поляризация проявляется слабо и диэлектрическая проницаемость оказывается небольшой. При достаточно высокой температуре за счет усиления теплового движения, затрудняющего ориентацию диполей электрическим полем, дипольная поляризация тоже будет ослаблена. При оптимальном значении температуры дипольная поляризация выражена наиболее сильно, и диэлектрическая проницаемость достигает максимума. Такую зависимость, например, имеет совол (рис. 3). В конденсаторах в качестве изоляции может применяться одновременно несколько диэлектриков, например конденсаторная бумага, пропитанная жидким диэлектриком. В этом случае зависимость диэлектрической проницаемости от температуры может оказаться еще сложнее.

В лабораторной работе измеряется не коэффициент ТК, а температурный коэффициент емкости ТКС, который определяется по формуле

ТКС =

где С1 и С2 – емкости образца соответственно при температурах t1 и t2. Для практических расчетов важнее знать именно этот коэффициент.



Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для

полярного диэлектрика

Связь между коэффициентами ТКС и ТК определяется формулой

ТКС = ТК + ,

где  – температурный коэффициент линейного расширения.



Порядок работы с программой

На рис. 4 приведено изображение начала лабораторной работы.


Рис.4. Название работы на экране монитора

На следующем рисунке (рис. 5) показана экспериментальная установка, для удобства списывания значений изображено два прибора ELC-131D, на экране одного появляются значения емкости, а на экране второго – tgδ (в действительности на стенде на приборе оба значения находятся рядом и студенты их путают).

Рис. 5. Изображение экспериментальной установки

Delphi позволяет использовать фотографии, поэтому лабораторная работа выполняется также как на стенде.

Лабораторная работа разбита на 2 этапа:



  1. Исследование конденсатора типа КСО.

  2. Исследование конденсатора типа МБИ.

На I этапе исследуется слюдяной конденсатор с сильной электронной поляризацией. Студент во время эксперимента должен успеть списать с приборов по 24 значения по t°С, Ct/Co и tgδt/tgδo. Часть студентов не успевает списывать с первого раза и нагрев приходится повторять, в отличие от стенда здесь не надо ждать пока остынет печь и значения не меняются. В первых версиях программ была попытка менять значения генератором случайных чисел и тогда, больше половины студентов (особенно в Сургуте) не могли закончить эту работу.

По окончании нагрева необходимо ввести все значения емкости, списанные с прибора. Это сделано для того, чтобы проверить, насколько добросовестно, студенты списали эти значения. Значения сравниваются с данными в массиве. Затем на экране появляется зависимость Ct/Co = f(t) (рис. 6). Если какое-то значение было введено не верно, то оно изображается окружностью желтого цвета. Внизу графика указано число ошибок, все это позволяет определить, какие конкретно точки введены неверно и при повторном нагреве студент находит ошибку. Если при вводе были ошибки, то появится также сообщение "Вам надо повторить нагревание конденсатора" и управление передается на нагрев.


Рис. 6. Зависимость Ct/Co = f(t)

Если значения введены верно, то лабораторная работа продолжается и будут рассчитаны температурные коэффициенты ТКс , а затем на экране появляются таблица и зависимость ТКс=f(t) (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость TKc = f(t)

Затем вводятся значения и tgδ, списанные с прибора и при правильном вводе появляется график tgδ=f(t) (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость tgδt/tgδo=f(t)

Этап заканчивается подведением итогов.

II этап работы выполняется в той же последовательности, что и I этап, только исследуется конденсатор с дипольной поляризацией, но в отличие от стенда, при создании программы его нагревали до 106°С. Конденсатор после этого пришлось выбросить, но зато теперь можно наглядно посмотреть, что емкость имеет максимум при высоких температурах, а tgδ очень быстро нарастает.



Рис. 9. Начало II этапа

Рис. 10. Зависимость Ct/Co = f(t)


Рис. 11. Зависимость tgδt/tgδo=f(t)


Рис. 12. Подведение итогов работы

Лабораторная работа считается выполненной, если не допущено ни одной ошибки. Если были допущены ошибки, то работа приходится выполнять заново.

Работа имеет 50 вариантов (поэтому студенты не могут списать значения друг у друга). С ней можно работать без помощи преподавателя, весь ход выполнения контролирует программа, поэтому она пригодна для дистанционного обучения. Преподавателю потом по Интернет нужно отправить отчет и последний экран о выполнении работы и номере варианта (рис. 12).



4. Условия передачи программной документации или ее продажи

Для заинтересованных лиц и вузов реализация данного программного продукта осуществляется через руководителя проекта, к.т.н., доцента М. В. Шкарубу.


Библиографический список

  1. Шкаруба М.В. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- 96 с.

  2. Колесов С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Высш. школа, 2004. – 519 с.

  3. . Материаловедение и технология металлов / Под ред. Г. П. Фетисова. М.: Высш. школа, 2002. – 638 с.

  4. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

  5. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. СПб.: Из-во «Лань», 2003. – 368 c.

Омск 2008



Каталог: rto files ofernio
rto files ofernio -> Элективный курс. «Методы решения физических задач»
rto files ofernio -> Отчет Института научной информации и мониторинга за 2008 г.. 02076881. 00331-01 99 01 Листов 50 Разработчики
rto files ofernio -> И. о директора иио рао /Л. П. Мартиросян/ 2009 г. Рекламно-техническое описание ученые записки
rto files ofernio -> Справочник по грамматике немецкого языка к учебно-методическому комплексу О. Ю. Зверловой «С немецким за приключениями»
rto files ofernio -> Рекламно-техническое описание безопасность жизнедеятельности: автоматизированный дидактический комплекс информационного обеспечения
rto files ofernio -> Урок-концерт по фольклору «Зимние святки»
rto files ofernio -> Параметра
rto files ofernio -> Презентация к уроку географии «Экономико-географическое положение Австрии»
rto files ofernio -> Рекламно-техническое описание
rto files ofernio -> Конспект урока «Мадонны Леонардо да Винчи и Рафаэля»


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница