Способ измерения диэлектрических параметров вещества Советский патент 1981 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к способам непрерывного измерения состава и свойств текучих веществ, например диэлектрической проницаемости жидкостей, электропроводности слабо ион зованного газа, количества полярной примеси в неполярном диэлектрике и т, п. Известен способ измерения, при котором анализируемое вещество вводят в зазор между электродами, включенными в качестве обкладок конденсатора в колебательный контур и измеряют изменение резонансной частоты контура til. Недостаток этого способа - нестабильность измерения в течение длител ного промежутка времени. Наиболее близким к предлагаемому является емкостный компенсационный способ измерения диэлектрических параметров вещества, при котором помещают эталонное вещество в зазор межд электродами измерительного конденсатора, включенного в .компенсационную (мостовую) схему, балансируют мост н заданной частоте или в заданном интервале частот питающего напряжеяия, затем заменяют эталонное вещество анализируемом и измеряют величину ра баланса мостовой схемы на той же частоте или в том же интервале частотf2. Однако этот способ измерения обладает недостаточно высокой стабильностью из-за флуктуации и дрейфа нуля в промежутках времени между двумя последователпйлми кгшибровками моста. Необходимость периодической установки нуля нарушает непрерывность процесса измерения и требует использования эталонного вещества. При сравнительно длительных непрерывных измерениях известным способом не может быть достигнута высокая точность. Цель изобретения - повьшение точности и стабильности при измерении частотно-зависимых диэлектрических парш 1етров. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, при котором помещают анализируемое вещество в зазор между электродами измерительного онденсатора, включенного в мостоьую (компенсационную) схему , и измеряют величину разбаланса на заданной частоте, одновременно балансируют мостовую схему на другой частоте, при которой величина измеряемых частотно-эависикых параметров отличается от величины последних на заданной частоте. Способ измерения основан на том, что при измерении частотно-зависил«л диэлектрических параметров, последни отличаются от параметров эталонного вещества только в заданном интервале частот. Например, полярное вещест во обладает высокой диэлектрической проницаемостью только jja частоте ниж частоты диэлектрической релаксации. Если подать на мостовую схему напряж ние с частотой выше критической, то анализируемое вещество имеет практи чески ту же диэлектрическую проницае мость, что и эталонное. Балансировку моста на нуль на эталонном веществе (роль которого на высокой частоте выполняет само анализируемое вещество) и измерение на другой .(низкой) частоте величины разбаланса осуществляют одновременно При этом малейшие отклонения моста от баланса на высокой частоте сразу же компенсируются известным способом электронной схемой. Дрейф нуля и флуктуации практически отсутствуют в течение всего времени измерения, как бы велико оно ни было. На чертеже схематично изображено устройство для осуществления: предлагаемого способа. Оно содержит измерительный конденсатор 1 с введенным в него анализируемым веществом 2, конденсаторы 3 постоянной емкости и конденсатор 4 с электрически управляемой переменной емкостью. Конденсаторы 1, 2 и 4 соединены в виде мостовой схемы. В диагональ dl-5 этой схемы включены параллельно генератор 5 низкой частоты и генератор б высокой частоты. 8другую диагональ Ъ-1 мостовой cxeivM включены через фильт,. 7 низких частот измеритель 8, а через фильтр 9высоких частот индикатор 10 рассогласования моста с электрическим выходом. В качестве индикатора 10 может быть использован, например, синхронный детектор, управляемый напряжением генератора 6. йаход индикатора 10 подключен к конденсатору 4 для управления величиной емкости .последнего. Пример. Измеряют диэлектрическую проницаемость слабо ионизован ного газа с концентрацией ионов в интервале от 10°до средней подвижностью ионов в газе 1 см2/в-с при нормальных условиях (давление 1 атм, температура 20°С). Параметром частотной зависимости диэлектрическо проншдаемости является максвелловское время релаксации. В данном приме ре оно лежит в интервале от до . На частоте, большей диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь слабо ионизован- ного газа с указанными параметрами практически не отличаются от диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь неионизованного f. газа (который принимается в качестве эталонного газа). При этом тангенс угла потерь пренебрежимо мал. В интервале частот Ю-Ю Гц диэлектрическая проницаемость ионизованного- газа значительно выше, чем неионизованного. Для осуществления способа помещают ионизованный газ между обкладками конденсатора 1, изолированными от газа диэлектрическими прокладками (для исключения тока проводимости). Выбирают частоту генератора 6-10 Гц.На этой частоте автоматически балансируют мост в течение всего времени процесса измерения и одновременно с ним. Балансировка моста осуществляется следующим образом. Если имеет место разбаланс на частоте 10 Гц, напряжение этой частоты через фильтр 9 воздействует на индикатор 10. Последний вырабатывает сигнал, который воздействует на конденсатор 4 таким образом, чтобы уменьшить величину разбаланса (на частоте 10 Гц). Точность балансировки может составлять 10 и выше. Частоту генератора 5 выбирают в интервале 10-10 Гц, например 100 Гц. Мостовая схема, все время сбалансированная на частоте 10 Гц, на частоте 100 Гц разбалансирована тем больше, чем выше концентрация ионов в слабо ионизированном газе. Величину разбаланса, зависящую от текущего значения концентрации ионов, т.е. от емкости конденсатора 1 на частоте 100 Гц измеряют по шкале измерителя 8. Последний реагирует только на напряжение с частотой 100 Гц, так как включен через фильтр 7, не пропускающий частоту 10 Гц. Одновременно напряжение Ешзкой частоты не .влияет на работу индикатора 10, так как фильтр 9 не пропускает частоту 100 Гц. Поскольку мост все время балансируется автоматически в процессе измерения, начальная точность измерения, например 10 , сохраняется в течение всего срока службы электро-радиоэлементов без периодической установки нуля и нарушения непрерывности процесса измерения. Кроме того, по предлагаемому способу, в отличие от известного, применение эталонного вещества становится необязательным. В примере описана балансировка моста ,без учета сдвига фаз из-за различия в тангенсах углов потерь. Это допустимо поскольку, в большинстве практически важных случаев не приводит к заметной погрешности измерения. Однако, в принципе, балансировку моста можно осуществлять известным способом сразу как по амплитуде, так и по фазе, т.е. учитывая возможное отличие тангенсов угла

потерь. Суть предлагаемого способа остается при этом без изменений.

Вопросы, связанные с учетом сдвига фаз из-за отличия в тангенсах угла потерь, существенны только по отношению к той частоте, на которой мост балансируется на нуль.

По предлагаемому способу, кроме диэлектрической проницаемости, может быть измерена также величина активных потерь на частоте 100 Гц. Для этого измерителем 8 измеряют, помимо амплитуды, фазу напряжения в диагонали 6-г моста.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого способа являются повышение стабильности измерения, необязательность использования эталонного вещества и возможность проведения непрерывных измерений в течение длительного промежутка времени (определяемого в пределе сроком службы радиоэлементов), что позволяет повысить надежность приборов с мостовыми измерителями, упростить их обслуживание, конструкцию и одновременно повысить точность измерения.

Формула изобретения

Способ измерения Диэлектрических параметров вещества, при котором помещают анализируемое вещество в зазор между электродами измерительного конденсатора, включенного в мостсрвую схему, и измеряют величину разбаланса на заданной частоте, отличающийся тем, что, с целью повьаиеНИН стабильности и точности при измерении диэлектрических параметров, величина которых зависит от частоты, одновременно балансируют мостовую схему на другой частоте, при которой величина частотно-зависимых диэлектрических параметров отличается от величины последних на заданной частоте.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Эме Ф. Диэлектрические измерения, М., Химия, 1967, с. 28.

2.Там -хе, с. 27 (прототип).