СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРОВ Российский патент 2007 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для диагностики и прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации.

Известны способы измерения диэлектрических характеристик полимеров путем помещения исследуемого материала в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определения его электрических параметров при приложении электрического поля к его электродам, по которым рассчитывают диэлектрическую проницаемость ε' и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ (см. Эме Ф. Диэлектрические измерения. - М.: Химия, 1967. - 223 с.). Однако определение электрических параметров конденсаторного первичного измерительного преобразователя известными методами и устройствами, по которым рассчитываются диэлектрические характеристики, связанных с приложением к исследуемому материалу переменного электрического поля, изменяет характер молекулярных движений структурных единиц полимерных диэлектриков и приводит к искажению измерительной информации.

Известны также способы определения диэлектрических характеристик полимерных систем без приложения внешних электрических полей к испытуемому материалу (см. патенты РФ №1746281 по классу G 01 N 27/22; №2166768 по классу G 01 R 27/26, G 01 N 27/22. Способ определения диэлектрических характеристик полимеров / Ивановский В.А. Опубл. 10.05.01. Бюл. №13). Однако они предназначены для измерений в области частот, больших 100 кГц.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения диэлектрических характеристик без воздействия на испытуемый материал внешнего электрического поля (см. Патент РФ №2193188, МПК G 01 R 27/26, G 01 N 27/22. Способ определения диэлектрических характеристик полимеров / Ивановский В.А. - Опубл. 20.11.02. Бюл. №32.). Сущность способа состоит в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в адаптивный конденсаторный первичный измерительный преобразователь, соединенный с входом предварительного малошумящего усилителя и содержащий n параллельных потенциальных электродов, и, изменяя их число, параллельно подключаемых к входу усилителя, определяют максимальное число электродов n_max, соответствующих максимуму напряжения электрических флуктуации на зажимах адаптивного преобразователя, измеряют, подключают к входу усилителя один из первичных преобразователей , параллельно ему подключают активное добавочное сопротивление R_dm и, изменяя его величину, находят максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуации на зажимах одного из указанных первичных преобразователей, соответствующее R_dm, измеряют R_dm, рассчитывают по измеренным данным значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь по формулам

где d - толщина исследуемого материала,

D - диаметр электродов,

f - частота измерений,

ε₀ - электрическая постоянная,

C₀ - входная емкость измерительной системы,

- рабочая емкость первичного преобразователя,

b_x=2πnfC_pε' - реактивная проводимость первичного преобразователя,

g_x - его активная проводимость - положительное решение уравнения

k - постоянная Больцмана,

- средний квадрат шума предварительного малошумящего усилителя,

g_ВХ - его входная проводимость,

Δf - полоса частот измерений.

Основным недостатком данного способа является применимость его к частотам большим 100 кГц.

Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измерения диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков, обусловленных их внутренним флуктуационным электромагнитным полем в сторону частот, меньших 100 кГц.

Сущность изобретения состоит в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений. Преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуации на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе Δf, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ по формулам

C_P1=C_P, C_P2=αC_P, C_P3=βC_P,

где α>1, β>1 - положительные числа, α<β, D - диаметр первого потенциального электрода,

,

,

где ω - круговая частота, С_P, С₀, С_K, С_M - емкости рабочая преобразователя, входная, кабеля и монтажа измерительной системы, b₀, b_x1, b_x2, b_x3 - соответствующие реактивные и g_x - активная проводимости.

Предложенный способ поясняется нижеследующим.

Основой для определения диэлектрических характеристик полимерных систем является выражение, определяющее - средний квадрат напряжения тепловых электромагнитных флуктуации на входе предварительного усилителя на частоте ω и в полосе Δω, зависит как от ε', так и от ε":

где R_x, R_ВХ - активные сопротивления и , - средние квадраты тока тепловых электромагнитных флуктуаций полимерной системы и входной части усилителя, - средний квадрат шума усилителя, приведенный к входу.

В данных выражениях неизвестными являются ε', ε", - средний квадрат тока электрических флуктуаций. Для определения данных неизвестных необходимо, как минимум, составить систему из 3 уравнений:

где

реактивные и

активные проводимости входной части предварительного усилителя, C_P, C₀, C_K, C_M, - емкости рабочая преобразователя, входная кабеля и монтажа измерительной системы, D - диаметр потенциального электрода первого преобразователя.

Решая систему (11), приходим к квадратному уравнению относительно ε'

Вводя обозначения

,

Выражение (13) записывается в виде

Решение последнего уравнения позволяет определить как диэлектрическую проницаемость ε'

так и тангенс угла диэлектрических потерь

где активная проводимость первичного преобразователя определяется как

Способ определения диэлектрических характеристик представлен принципиальной схемой (см.чертеж).

Первичный преобразователь 1 - это трехэлектродная система с соотношением рабочих емкостей

где α>1, β>1 - положительные числа, причем α<β.

Флуктуационное напряжение каждого канала u₁, u₂, u₃ поступает к входу предварительного малошумящего усилителя ПУ-2 и обрабатывается блоком обработки информации БОИ-3, включающим аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер. Для каждого канала определяется средний квадрат напряжения электрических флуктуаций на зажимах ПУ.

Предлагаемый способ определения диэлектрических характеристик полимерных материалов позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измерения диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков, обусловленных их внутренним флуктуационным электромагнитным полем в сторону частот, меньших 100 кГц. Сущность изобретения состоит в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений. Преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуации , , на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе Δf, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ. 1 ил.

Способ определения диэлектрических характеристик полимеров, заключающийся в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений, отличающийся тем, что преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуаций , , на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе Δf, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ по формулам

С_Р1=С_Р, С_Р2=αС_Р, С_Р3=βС_Р,

где α>1, β>1 - положительные числа, α<β, D - диаметр первого потенциального электрода,

b₀=ω(C_K+C_M)=ωC₀,

b_x1=ε'ωC_P,

b_x2=ε'ωαC_P,

b_x3=ε'ωβC_P,

ω=2πf,

где ω - круговая частота, С_Р, С₀, С_К, С_М, - емкости рабочая преобразователя, входная, кабеля и монтажа измерительной системы, b₀, b_x1, b_x2, b_х3 - соответствующие реактивные и g_x - активная проводимости.