Устройство для определения кинетики проницаемости химически агрессивных сред через полимеры Советский патент 1981 года по МПК G01N15/08 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИКИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕД ЧЕРЕЗ ПОЛИМЕРЫ

Изобретение относится к технике измерения неэлектрических величии электрическими методами, а именно к определению стойкости полимерных материалов воздействию агрессивных веществ в жидкой или паровой фазе. Известно устройство для исследова ния защитных свойств лакокрасочных покрытий, состоящее из измерительного конденсатора и схемы измерения, причем одной пластиной измерительног конденсатора является металлическая подложка, другой электролит, к которому подведен электрод сравнения, а диэлектрической прокладкой - защитное покрытие, нанесенное на мёталли ческую подложку. О проницаемости защитного покрытия судят по изменению емкости измерительного конденсато. ра Cl. Недостатком устройства является невысокая точность из-за невозможности точной фиксации момента прони новения электролита через защитное покрытие. Кроме того, за счет экстр ции у поверхности защитного покрыти может образоваться слой с иными диэлектрическими свойствами, что приводит к дополнительным погрешностям Наиболее близким к предлагаемому явлйется устройство для определения кинетики проницаемости химически агрессивных веществ через полимеры, содержащее камеру с испытуемым образцом, электроды, расположенные по обеим сторонам испытуемого образца, систему подвода агрессивной среды и схему измерения, причем один из электродов выполнен в виде тонкого слоя из химически нестойкого металла t2 1- , Недостатками данного устройства являются невысокая точность и узкий класс испытуемых агрессивных сред. Невысокая точность устройства обусловлена применением пористого измерительного электрода, который з трудняет доставку агрессивной среды к испытуемому образцу, и поэтому проникновение агрессивной среды в испытуемый образец под пористым измерительным электродом замедлено. В случае экстрагирования веществ из испытуемого образца под пористым электродом и в порах образуется раствор, который снижает точность измерения. Кроме того,для разрушения тонкого металлического электрода необходимо проникновение за испытуемый Образец определенного количества aiрессивной среды, и поэтому с момента проникновения первых ее молекул до момента минимального разрушения тонкого металлического электрода, которое может быть зафиксировано,проходит какое-то время, что обуславливает наличие погрешности в определении момента проникновения агрессивного вещества через всю толщу образца. В этом устройстве нельзя исследовать агрессивные среды, которые растворяют материал пористого измерительного электрода (это приводит к дополнительным погрешностям), и агрессивные среды, по отношению к которым измерительный электрод,выполненный в виде тонкого слоя металла, был бы химически стоек. Цель изобретения - повышение точ ности при расширении класса испытуемых агрессивных сред. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, состоящее из диэлектрического кожуха, металлической камеры с испытуемые образцом, цилиндрического электрода, системы подвода агрессивной среды и схемы из мерения, дополнительно введены МДПтранзистор, два источника постоянног напряжения, индикатор и пороговое ус ройство с двумя выходами, причем МДП-транзистор помещен на цилиндриче кий электрод и расположен диэлектриком к образцу, при этом одна из клея первого источника постоянного напряж ния подсоединена к металлической камере, а вторая - к цилиндрическому электроду, одна из диффузионных областей МДП-транзистора соединена со схемой измерения, а другая подключен к одной из клемм второго источника постоянного напряжения и индикатору который подключен к одному выходу по рогового устройства, второй выход которого соединен со схемой измерения, а вход подключен ко второй клем ме второго источника постоянного на пряжения. На фиг.1 представлена конструкци предлагаемого устройства; на фиг.2 выходная характеристика устройства. Устройство состоит из металлической камеры 1, помещенной в дйэлектрическиГ кожух 2.Внутри диэлектрического кожуха установлен цилиндрический электрод 3, на котором расположена полупроводниковая пластина 4, имеющая две диффузионные области 5 и 6, поверх которых расположен ди электрик 7. Поверх полупроводниково пластины 4 на диэлектрик 7 помещен испытуемый образец 8. Агрессивную среду 9 подводят к испытуемому обра цу через отверстие в металлической камере 1, закрываемое заглушкой 10. Источник 11 постоянного напря чения подсоединяют к цилиндрическому элек троду 3 и металлической камере 1 с помощью токовыводов 12 и 13 соответ стненно. Источник 14 постоянного напряжения соединяют одной клеммой с диффузионной областью 5 и с выводом индикатора 15 (в виде электрической лампы), а другой - со входом порогового устройства 16. Второй вывод индикатора 15 подсоединен к первому выходу порогового устройства 16, второй выход которого и диффузионная область 6 подсоединены к схеме измерения. Устройство работает следующим образом. При отсутствии агрессивной среды 9 в металлической камере 1 электрический ток между диффузионными областями 5 и 6 не протекает, индикатор 15 не горит, схема измерения фиксирует отсутствие тока на самописце прямой линией (участок выходной характеристики ОА, фиг.2). Ток между диффузионными областями 5 и б отсутствует, поскольку электрическое поле между цилиндрическим электродом 3 и металлической камерой 1 мало для того, чтобы создать токопроводящий Канал на поверхности полупроводниковой пластины 4, между диффузионными областями 5 и б. После того, как химически агрессивную среду 9 подводят в металлическую камеру 1, на поверхности полупроводниковой пластины 4 создается токопроводящий канал, поскольку теперь элekтpичecкoe поле создается между цилиндрическим электродом 3 и агрессивной средой 9, что приводит к появлению тока между диффузионными областями 5 и б. Индикатор 15 не горит. Этому моменту на выходной характеристике (фиг.2) соответствует точка А и ток t. С этого момента начинается процесс диффузии агрессивной среды 9 в образец 8, что приводит к изменению выходного тока f (фиксируется схемой измерения) в функции времени (участок АВ), Величина тока Ь в момент времени, соответствующий точке А на выходной характеристике, определяется выражением , ( ., V,-1,,M L-t« , где /in - подвижность носителей заряда (в полупроводниковой пластине); и - диэлектрическая проницаемость (общая диэлектрика 7 и испытуемого образца 8); L - расстояние между диффузионными областями 5 и 6; W - протяженность диффузионных областей 5 и б (в плоскости, перпендикулярной плоскости на фйг.1).;

t.| - толщина изоляционного материала (сумма толщин диэлектрика 7 и испытуемого образца 8);

Up - пороговое напряжение;

Щ - напряжение источника 11;

Uj - напряжение источника 14. Из приведенного уравнения следует что с уменьшением tj, ток возрастает. С момента начала процесса диффузии агрессивной среды 9 в испытуе.мый образец 8 эффективная толщина испытуемого образца уменьшается, что обуславливает увеличение тока (участок АВ, фиг.2). В момент времени, соответствующий на выходной характеристике точке В, первые молекулы агрессивной среды 9 проникают сквозь ипытуемый образец 8. Напряжение источника 11 постоянного напряжения при заданной толщине диэлектрика 7 подобрано таким, что в этот момент происходит пробой слоя диэлектрика, приводящий к резкому увеличению выходного тока. При резком увеличении величины тока I срабатывает порогово устройство 16, загорается индикатор 15 и отключается схема измерения. Устройство 16 предназначено для того чтобы зафиксировать момент проникновения агрессивной среды 9 за испытуемый образец 8 (индикатор 15 зажигается), и отклонить в этот момент схему измерения (защита схемы измерения от резкого броска тока, возникающего в этот момент).

Как отмечалось выше, величину напряжения источника 11 необходимо изменять для каждой агрессивной среды своя величина V,. Величина Ц, подбирается исходя из величины электрической проводимости конкретной агрессивной среды 9 и толщины испытуемого образца 8, но не ниже величины, при которой происходит пробой слоя диэлектрика 7. Например, для воды при толщине диэлектрика 1000 А и толщине испытуемого образца 0,36 мм напряжение источника 11 равно 80 В.

Предлагае «ое устройство по сравнению с известным позволяет более .точно зафиксировать момент проникновения агрессивной среды через испытуемый Образец. Помимо использования в лабораторных условиях, оно может быть использовано и в производственных условиях для определения глубины проникновения агрессивной среды в стенки химических аппаратов и емкостей, выполненных из полимеров или армированных полимеров. В этом случае полупроводниковая пластина 4, установленная на электроде 3, прикладывается слоем диэлектрика 7 к стенке испытуемой емкости, а внутрь емкости вводят электрод, подключенный к клемме источника 11 постоянного напряжения.

Экономический эффект от использования предлагаемого устройства достигается за счет повышения точности фиксации момента проникновения агрессивной среды за испытуемый образец и за счет расширения класса испытуемых агрессивных сред.

Формула изобретения

Устройство для определения кинетики проницаемости химически агрессивных сред через полимеры, содержащее диэлектрический кожух, металлическую камеру с испытуемым образцом, цилиндрический электрод, систему подвода агрессивной среды и схему измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности при раслшрении класса испытуемых агреёсивных сред, в устройство дополнительно введены МДП-транзистор,два источника постоянного напряжения, индикатор и пороговое устройство с двумя выходами, причем МДП-транзистор помещен на цилиндрический электрод и расположен диэлектрике к образцу, приэтом одна из клемм первого источника постоянного напряжения подсоединена к металлической камере, а вторая .- к цилиндрическому электроду, одна из диффузионных областей МДП-транзистора соединена со схемой измерения, а другая подключена к одной из клемм второго источника постоянного напряжения и индикатору, который подключен к однсжу выходу порогового устройства, второй выход которого соединен со схемой измерения, а вход подключен ко второй клемме второго источника постоянного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

с. 62-65.

2.Авторское свидетельство СССР 473935, кл. G 01 N 15/08, 1972 (прототип). К схеме .М измерения (