Способ определения диэлектрической проницаемости вещества Советский патент 1992 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к исследованию свойств материалов путем измерения электрической емкости, в частности к иммерсионному способу определения диэлектрической проницаемости веществ в твердом состоянии.

Для определения диэлектрической проницаемости веществ в твердом состоянии применяют таблеточный и иммерсионный способы. Применение таблеточного способа осложнено эффектом Максвелла-Вагнера, который вносят погрешность в определение диэлектрической проницаемости вещества.

Из известных способов определения диэлектрической проницаемости веществ в твердом состоянии наиболее близок к предлагаемому иммерсионный способ, который включает в себя калибровку измерительной ячейки путем последовательного ее заполнения жидкостями с известными значениями диэлектрической проницаемости и изме- рения соответствующих значений электрической емкости ячейки, заполнение измерительной ячейки жидкостью и загрузку порошка исследуемого вещества, последующее измерение электрической емкости ячейки, расчет диэлектрической проницаемости вещества. Измерение электрической емкости производят с помощью прецизионного измерителя емкости и индуктивности типа Е12 - 1А (частота 300-700 кГц). Этот способ допускает измерение диэлектрической проницаемости вещества, удельная электропроводность которого не превышает . Верхняя граница диапазона измеряемых значений диэлектрической проницаемости веществ в твердом состоянии ограничена значением диэлектрической проницаемости воды (как известно, при 300 К вода обладает наибольшим среди

vj CJ

to

fO

ьЧ|

жидких веществ значением диэлектрической проницаемости, близким к 80).

Известный иммерсионный способ измерения диэлектрической проницаемости не позволяет использовать его для веществ с высокой (более )удельной электропроводностью вследствие снижения добротности измерительной системы после внесения в иммерсионную среду порошка твердого вещества и, следовательно, невозможности измерения электрической емкости ячейки, а также для веществ с высокой (более 80) диэлектрической проницаемостью, так как в этом случае диэлектрическая проницаемость иммерсионной смеси любого состава заведомо меньше указанного значения.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений для веществ с высоким значением удельной электропроводности (более 10 ) и (или) диэлектрической проницаемостью (более 80).

Поставленная цель достигается тем, что в способе перед загрузкой порошка исследуемого вещества в измерительную ячейку его смешивают с порошком диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, который нерастворим в иммерсионной среде, взятого в количестве 90-95% по объему, перед загрузкой порошок исследуемого вещества смешивают с балластным порошком, нерастворимым в иммерсионной жидкости, диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, взятого в количестве от 90 до 95% от объема смеси, определяют известным методом диэлектрическую проницаемость еэф смеси порошков, а затем диэлектрическую проницаемость Ј1 исследуемого вещества по формуле

100Јэф Ј1 V1 + Ј2 V2,

где ЈЭф - эффективная диэлектрическая проницаемость смеси порошков;

vi - объемное содержание исследуемого вещества;

Ј2, V2 - диэлектрическая проницаемость и объемное содержание балластного вещества.

Расчет диэлектрической проницаемости исследуемого вещества по найденному эффективному значению диэлектрической проницаемости механической смеси ЈЭф проводят по формуле, отражающей объемно-долевую аддитивность диэлектрической проницаемости последней, т.е.

Ј1(100Јэф-Ј2 V2)/V1, (1)

где Ј2, V2 и Ј1, vi относятся к веществу-диэлектрику и исследуемому веществу соответственно.

Использование для измерений механической смеси порошков вещества-диэлектрика и исследуемого вещества обеспечивает увеличение добротности

ячейки, заполненной иммерсионной жидкостью и механической смесью порошков (порошок вещества-диэлектрика, занимающий основную часть объема механической смеси, блокирует частицы ее высокопроводящего компонента), а также обеспечивает в соответствии с уравнением (1) уменьшение эффективной диэлектрической проницаемости порошка до значений, соизмеримых с диэлектрической проницаемостью жидких

иммерсионных сред, и тем самым, расширяет возможности иммерсионного способа.

Пример 1. Для проверки достоверности результатов проведено их сравнение с результатами измерения диэлектрической

проницаемости известным иммерсионным способом на примере стекла состава Geo,26Sno,i7So,57.

Иммерсионными жидкостями служат четыреххлористый углерод, ацетон и нитробензол. По данным калибровки ячейки ее электрическая емкость С| связана с диэлектрической проницаемостью Ј находящегося в ней вещества формулой

С, 5,50 +9,81 Ј.(2)

Измерение известным способом. Найденное экспериментально значение электрической емкости, соответствующей изодиэлектрической точке (диэлектрическая проницаемость порошка равна диэлектрической проницаемости жидкости), составляет 254,7 пФ, Таким образом, значение диэлектрической проницаемости исследуемого стекла составляет 25,4.

Измерение заявляемым способом. Приготовлена механическая смесь порошков стекла состава Aso,4oSeo,60 (масса гп2 0,638 г, плотность d2 4,60 г/см3), нерастворимого в иммерсионных жидкостях, и стекла Geo,26Sno,i7So,57 (масса mi 0,047 г,

плотность di 3,88 г/см3). Объемное процентное содержание компонентов смеси, найденное по формуле

vj 100(mj/dj)/(mi/di + m2/d2), (3) составляет 92% (v2) и 8% (vi). Определенное

значение электрической емкости, соответствующей изодиэлектрической точке, составляет 115,2 пФ. Эффективное значение диэлектрической проницаемости механической смеси, найденное по формуле (2), составляет 11,18. Искомая диэлектрическая проницаемость стекла Geo,26Sno,i7So.57 Ј1 , рассчитанная по формуле (1), в которой диэлектрическая проницаемость Ј2 10,0 (стекло Aso,4oSeo,6o), составляет 24,8. Отклонекие полученного предлагаемым способом значения Јч от найденного известным методом (25,4) не превышает 2,5%.

Пример 2. Определение диэлектрической проницаемости кристаллического сульфида свинца. Удельная электропроводность сульфида свинца при комнатной температуре составляет 3,104 что не позволяет определить его диэлектрическую проницаемость в радиочастотном диапазоне известными способами. Из оптических измерений в инфракрасной области спектра по уравнению Лиддайна-Сакса-Теллера

()2;(4)

где п - показатель преломления;

WL , од - продольная и поперечная оптические моды соответственно, оценено значение диэлектрической проницаемости сульфида свинца (140±20).

Приготовлены три механические смеси порошков сульфида свинца и нерастворимого в иммерсионных средах стекла состава Aso,4oSeo,60 с различными значениями объемного содержания последнего.

Значения параметров компонентов, механической смеси и рассчитанные значения диэлектрической проницаемости исследуемого стекла сведены в таблицу.

В таблице приняты следующие обозначения: mj, dj, vj, Јj - масса, плотность, объемное процентное содержание и диэлектрическая проницаемость j-ro компонента смеси; С| - измеренное значение электрической емкости в изодиэлектриче- ской точке; Јэф - эффективное значение ди- электрическойпроницаемости

механической смеси.

Среднее значение диэлектрической проницаемости сульфида свинца составляет 111 ±3.

Предлагаемый способ определения диэлектрической проницаемости позволяет расширить возможности известного иммер0

сионного способа в отношении веществ с высокими значениями удельной электропроводности (более ) и (или) высокими значениями диэлектрической проницаемости (более 80) (примеры 1 и 2). Для определения диэлектрической проницаемости веществ с высокой удельной электропроводностью используют оптические измерения в дальней ИК-области спектра с применением дорогостоящего оборудования.

Формула изобретения

Способ определения диэлектрической проницаемости вещества, включающий заполнение измерительной емкостной ячейки иммерсионной жидкостью, измерение ее емкости, загрузку в ячейку порошка исследуемого материала, последующее измерение электрической емкости ячейки со смесью жидкости и порошка, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона определения веществ со значением удельной электропроводности более Ом и (или) диэлектрической проницаемости более 80, перед загрузкой порошок исследуемого вещества смешивают с балластным порошком, нерастворимым в

иммерсионной жидкости диэлектрика с известной диэлектрической проницаемостью, взятого в количестве 90-95% от объема смеси, определяют известным методом диэлектрическую проницаемость еэф смеси

порошков, а затем диэлектрическую проницаемость ei исследуемого вещества по формуле

100 Јэф Ј1 V1 + Ј2 V2,

где vi - объемное содержание исследуемого вещества;

Ј2, V2- диэлектрическая проницаемость и объемное содержание балластного вещества.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения диэлектрической проницаемости веществ в твердом состоянии. Цель изобретения - расширение диапазона измерений. Измерительный способ определения диэлектрической проницаемости включает заполнение емкостной ячейки иммерсионной жидкостью, измерение емкости ячейки, смешение порошка исследуемого вещества с балластным диэлектрическим порошком с известной диэлектрической проницаемостью, взятого в количестве 90-95% от общего объема смеси, помещение смеси порошков в иммерсионную жидкость, измерение емкости ячейки и определение искомого параметра расчетным путем. 1 табл. Ё