Ячейка для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов Советский патент 1981 года по МПК G01N27/22 

(54) ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУИЭОЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к измерительной технике и можег быть использовано для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов (влажных грунтов, влажных строительных материалов типа бетона, песка, дерева, горных пород с проводящим включениями, биологических объектов и Т.д.) с проводимостью порядка . 1О Ом м, а также при контроле свойств ЭТИХ материалов с помощью электрическихизмерений. Мзвестны ячейки для измерешш электр физических характеристик диэлектрических материалов, содержащие два измерительных электрода, между которыми размещается исследуемый образец OJ Недостатком таких ячеек является невозможность получить истинные значения диэлектрической проницаемости материало с проводимостью м и выше, вследствие влияния поляризации двойного электрического слоя, образующегося в области контакта вещества с электрод-ами Наиболее близкой к предлагаемому является ячейка для бесконтактной эп&к,г рометрии, содержащая два электрода, изолированных ОТ измеряемого материала тонкими диэлектрическими прокладками. Процесс определения диэлектрической проницаемости -с помощью такой ячейки заключается в следующем. Измеряют емкость ячейки, заполненной воздухом, а затем измеряют емкость ячейки, поочередно заполняга юй хорошо проводящим раствором, веществом с известной диэлектрической проницаи«1остью и наконец иссл&дуемым веществом. Рещая систему уравнений, находят емкость ячейки, заполненной исследуемым веществом 2. Недостатком известной ячейки являегся ограниченность области применения. Ячейка пригодна только для определения диэлектрической проницаемости на достаточно высоких частотах веществ с довольно низкими проводимоетями. То есть, использование известной ячейки в совокупности с описанным методом расчета диэлектрической npoHHuaoviocTH .ббрааца не дает достоверных результатов при определении диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов. Целью изобретения является повышенна точности определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолиругощих материалов. Указанная цель достигается тем, что в ячейку, содержащую два изм ительных электрода, изолированных от образца диэлектрическими прокладками, введен проводящий элемент, расположенный на контактирующей с образцом поверхности одной из прокладок и соединенный с электродом, изолируемым этой прокладкой, причем отношение площади контакта элемента с образцом к площади перекрытия поверхности образца и электрода выбрано в пределах 0,001-0,01. Форма и расположение про- водящего элемента не играют роли. На фиг. I изображена предлагаемая ячейка, заполненная измеряемым веществом, общий вид в разрезе; на фиг. 2 эквивалентная схема замещения ячейки с изолированными электродами и проводящим элементом, i заполненной веществом, обладающим омическими и релаксацнонныя ми потерями;на фиг. 3 - эквивалентная схема замещения ячейки с площадью контакта проводящего элемента и образца, не превышающей 0,01 площади перекрыти йоверхности образца и электродов. Ячейка (фиг, I) содерхшт измеряемый образец t, электроды-. 2 и 3, диэлектрические прокладки 4 и 5, изолирующие от образца электроды, проводящий элемент 6 расположенный на контактирующей с образ цом поверхности прокладки 4 и электрически соединеннь1Й с электродом 2, цилиндрнческий корпус 7, в который помещается исследуемое вещество. Ячейка работает следующим образом. Эквивалентная схема замещения ячейки (фиг. 2), заполненной материалом, диэлектрическая проницаемость которого име ет частотную дисперсию, состоит из двух ветвей: левой и правой, Левая ветвь: С hg- - емкость и сопротивление.двойного электрического слоя на границе раздела исследуемый мат риал - проводящий элемент; С , ir я С , у - емкбс ь и сопротивление дву fee -цепочек, моделирующих реаксашюнные процессы в части образца с площадью поперечного сечения, равной площади контакта проводящего элемента с образцом GW емкость частя дя&лектрической про ладки 5, с площадью, равной площади конакта проводящего элемента с образцом. Правая ветвь: Су, - емкость диэлекгической прокладки с площадью, равной азности площади электрода и площади контакта проводящего элемента с образцом, С R и CxjRi - емкость и сопротивление двух RC -41епочек, моделирующих релаксационные процессы в объеме образца с плоШадью, равной разности плоадей электрода и контакта проводящего элемента с образцом, R- сопротивление утечки зарядов из образца на электрод 2 через проводящий элемент. ЕСЛИ площадь контакта проводящего элемента с образцом значительно меньше площади перекрытия электродов и образца, то ,С«С ,,J--7 R;4,, ,исравнимос F, и R на низких и высоких частотах соогветственно.При наложении переменного электрического поля суммарный ток делится на две составляющие: ток через левую ветвь -( и ток через правую ветвь -Ij. Причета i/t «Ig. как сопротивление левой ветви, илкостное и активное, значительно превышает сопротивление правой ветви. Поэтому эквивалентную схему ячейки с образцом можно представить в виде,изображенном на фиг. 3. Теоретическим. расчетом частотной зависимости полного сопротивления схемы (фиг. .3) и экспериментальным исследованием частотной зависимости полного сопротивления такой схемы,- составленной из сопротивлений и емкостей, показано, что в комлексной плоскости эквивалентной емкости схемы имеют место три полуокружности Коул-ЛСоула. Емкости, соответствующие минимальным значением С (на грашщах областей дисперсии), вьфажаются через емкостные параметры схемы сле, дующим образом: ( CxiCc o тг .-Соа.- С.- Соо-г с с C/iOa Так как цепочки и RoC делируют релаксационные процессы в объеме вещества, то С ,- низкочастотная етлкостъ образца ( Соа. ) Сэцв высокочастотная емкость образца (Ссзод-)Эти соотношения верны с большой гоЧ носгью, еслиС(у-«Су1 (гок преимущественно при этом замыкаетчзя на верхний элек род через сопротивление R и ) случае же, когда С становится сравни МО с Cj , ток начинает течь и через С и вместо С следует рассмотреть эквива лентную емкость С Cyi + Cg . т, Г -г .o Тогда -оо3 -ор 2С -ьС ® остал ные соотношения остаются верными. Ошибка в определении емкости и сопро тивления образца, вносимая заменой эквивалентной схемы {фиг. 2) на эквивалентную схему (фиг. 3), определяется отноше нием плошади контакта проводяшегчз элемента к площади перекрытия электрода с образцом. При отношении порядка 0,01 ошибка составляет 1%, что значительно .меньше аппаратурной ошибки измерения емкости и сопротивления. Возрастание отношения ппощацей приводит к пропорциональному возрастанию ошибки определения параметров эквивалентной схемы и резкому увеличению ошибки определения дисперсии диэлектрической проницаемости Нижний предел отношения площади кон такта проводящего элемента с образцом и площади перекрытия электродов и образ ца (О,О01) обусловлен необходимостью получения достаточных токов утечки через сопротивления R и Г . Преимущественное замыкание тока на электрод через сопротивление R и Г дает возможность наблюдать -полуокружность Коул-Коула, и определить необходимый для расчета емкости образца параметр возможно при условии ()«|/шСп. Оценка, проведенная для проводимостей Ом м показывает, что соотношение (5) выполнимо в случае, когда площадь контакта проводящего элемента с образцом составляет не менее О,О01 площади перекрытия поверхности электрода и образца. Если соотношение площадей меньше 0,ОО1, на диаграммах Коул-Коула наблюдается лишь of. -полуокружность и частично /% -полуокружнос Оценить в этом случае параметр Ссо-уи определить дисперсию не удается;. Для материалов, обладающих собственной дисперсией диэлектрической проницаемости,- зависимость (с) ячейки с образцом имеет вид не полуокружностей, а дуг Коул- оула, так как для реального диэлектрика характерен набор времени релаксации. Вс соотношения (1-5) являются здесь справедливыми. Из (3) и (4) могут быть определены параметры дисперсии диэлектрической проницаемости боо е.V oo-JTг Г -OdL -oof /-«л.Сл (Р) oqr -. СОРТ . оо -Чкв- СООГ-ССХХА, t (, где d - толщина образца; 5 - площадь перекрь1тия электродов и образца; ЕО - диэлектрическая проницаемость вакуума. Процесс измерения в предлагаемой ячейке заключается в следующем. Ячейку заполняют исследу ым материалом, электроды через изолирующие прокладки прижимают к образцу. При этом проводя- ший элемент плотно примыкает к измеряемо му материалу. Снимают частотную зависимость полной проводим ости ячейки, и в комплексной полости емкости строят зависимость . f (с ) . Здесь так же, как и для эквк валентной схемы (фиг. 3), можно выделить три области (три дуги Коул-Коула) :oLf }%, 3 Из полученной диаграммы оценивают необходимые для расчета дисперсии параметры CoQdLi Ooi., значения параметров и геометрические размеры изм рительного конденсатора в уравнение (8), рассчитывают значения дисперсии диэлектрической проницаемости ocj- ooQr Ошибка в определении дисперсии диэлектрической проницаемости с помощью указанного метода складывается из ошхбкн приборов, ошибки построения диаграмм и ошибки определения емкостных параметров этих диаграмм. Первые два тяпа ошибок являются одинаковыми для извести ной и предлагаемой ячеек. Ошибка в определении CeooL зависитв основном от ошибки построения диаграмм и имеет один порядок величины для обоих типов ячеек. Ошибка в определении CooL составляет для известной ячейки 20-30%, для предлагаемой/ 3%. Кроме того, невозможность оценки г.т./емкости диэлектрических прокладок) непосредственно из диаграммы С/ /%-1 iy ; 8 для известной ячейки и определение эгой величины пут&л непосредственного измерения емкости диэлектрических прокладок вноситдополнительную (порядка 5%) оши ку в расчет параметров дисперсии . Таким образом, точность определения С o«i РИ использовании предлагаемой ячейки повышается в десять раз по сравнению с известной ячейкой. Точность опр Целения дисперсии диэлектрической проницаемости повышается приблизительно на ЗО%. Предлагаемая измерительная ячейка по сравнению с известными позволяет повысить точность определения дисперсии диэлектрической проницаемости, за счет чего значительно расширяется класс исследуемых веществ. Кроме того, возможность определения Сея -аг непосредственно из диаграмм С f (d) сокращает время измерения при использовании предлагаемой ячейки по сравнению с известной ячейкой. В силу этих особенностей предлагаемая ячейка найдет широкое применение в измерительной технике для решения иссле довательских задач и в народном хозяйст для контроля свойств диэлектрических ма 6 8 териалов в процессе из производства и хранения. Формула изобретения Ячейка для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолируюших материалов, содержащая два измерительных электрода, изолированных от измеряемого образца диэлектрическими прокладками, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности, в устройство введен проводящий эпемент, расположенный на контактирующей с образцом поверхности одной из прокладок и соединенный с электродом, изолируемым этой прокладкой, причем отношение площади контакта элемента с образцом к площади перекрытия поверхности образца и электрода выбрано в пределах О,ОО1-О,01. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. М., Энергия, 1959, с. 56. 2.Авторское свидетельство СССР № 2587О8, кл. Q О1 N 27/22, 12.O9.68 (прототип).

У//////////777Г

-г- Сп

Vui.f

(риг. Z

dlh

t .

-т-

/ L. I ID

L -«-I In

2 -|- ЬС„

Фиг.З