Ячейка для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 14. 12.79 (21) 28539997/18-2 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.81. Бюллетень РЙ 32

Дата опубликования описания 02.09.81 (5! )М. Кл.

8 0114 27/22

)ооударствснный коиитет

СССР по делан изаоретенкй н открытий (53) УДК 537.226 (088.8) (72) Авторы изобретения

1

<

Я

1 р

Л, А. Белькова, E. А. Замотринская, Т. Г. Михайлова и В. М. Нестеров,. (7! ) Заявитель

Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова (54) ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

ПОЛУИХ)ЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолируюших материалов (влажных грунтов, влажных строительных материалов типа бетона, 5 песка, дерева, горных пород с проводящими включениями, биологических объектов и т.д.) с проводимостью порядка 10 (, 10 Ом м, а также при контроле свойств 1 -т -т то этих материалов с помощью электрических измерений.

Известны ячейки для измерения электрофизических характеристик диэлектрических материалов, содержащие два из15 мерительных электрода, между которыми размещается исследуемый образец f1l, Недостатком таких ячеек является невозможность получить истинные значения диэлектрической проницаемости материалов с проводимостью 10 Ом м и выше, вследствие влияния поляризации двойного электрического слоя, образующегося в области контакта вещества с электродами.

Наиболее близкой к предлагаемому является ячейка для бесконтактной элоктрометрии, 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 заполняемой хорошо проводящим раствором, вепеством с известной диэлектрической проницаемостью и наконец исследуемым веществом. Решая систему уравнений,находят емкость ячейки, заполненной исследуемым веществом (2).

Недостатком известной ячейки является ограниченность области применения.

Ячейка пригодна только для определения диэлектрической проницаемости на достаточно высоких частотах веществ с довольно низкими проводимостями. То есть, использование известной ячейки в совокупности с описанным методом расчета диэле869896 ктрической проницаемости .Ьбразца не дает достоверных результатов при определении диэлектрической проницаемости полуизодирующих материалов, целью изобретения .является повышение точности определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов.

Указанная цель достигается тем, что в ячейку, содержащую два измерительных 10 электрода, изолированных or образца диэлектрическими прокладками, введен проводящий элемент, расположенный на контактирующей с образцом поверхности одной из прокладок и соединенный с электродом, изолируемым этой прокладкой, причем огношение площади контакта элемента с образцом! к плошади перекрытия поверхнооти образца и электрода выбрано в пределах

0,001-0,01. Форма и расположение про- водящего элемента не играют роли.

На фиг, 1 изображена предлагаемая ячейка, заполненная измеряемым веществом, общий вид в разрезе; на фиг. 2—

25 эквивалентная схема замещения ячейки с изолированными электродами и проводящим элементом, заполненной веществом, обладающим омическими и релаксационны. ми потерями; на фиг. 3 - эквивалентная

30 схема замещения ячейки с площадью контакта проводящего элемента и образца, не превышающей 0,0). площади перекрытия поверхности образца и электродов.

Ячейка (фиг. ).) содержит измеряемый образец 1) электроды .2 и 3, диэлектрические прокладки 4 и 5, изолирующие от образца электроды, проводящий элемент 6, расположенный на контактирующей с образцом поверхности прокладки 4 и электрически соединенный с электродом 2, ци- 40 линдрический корпус 7, в который помещается исследуемое вещество.

Ячейка работает следующим образом.

Эквивалентная схема замещения ячейки (фиг. 2), заполненной материалом, диэ- 45 лектрическая проницаемость которого имеет частотную дисперсию, состоит из двух ветвей: левой и правой, Левая ветвь: С, ("g - емкость и сопротивление. двойного электрического 50 слоя на границе раздела исследуемый мате-, риал - проводящий элемент; С, 1 H

tt a

С, V - емкость и сопротивление двух

° ЙС -цепочек, моделирукяцих реаксационные процессы в части образца с площадью поперечного сечения, равной площади кон» такта проводящего элемента с образцом, l

G - емкость части диэлектрической прокладки 5, с площадью, равной площади контакта проводящего элемента с образцом.

Правая ветвь: C „- емкость диэлектрической прокладки с площадью, равной разности площади электрода и площади контакта проводящего элемента с образцом С4Я4 и С Я - емкость и сопротивление двух RC -цепочек, моделирующих релаксационные процессы в объеме образца с площадью, равной разности площадей электрода и контакта проводящего элемента с образцом, Q, сопротивление утечки зарядов из образца на электрод 2 через проводящий элемент. (5) TBK как Ueno R 1 С4 И R C 2 Мо делируют релаксационные процессы в объеме вещества, то С4 низкочастотная емкость образца (С0а), ), Сэкв- высокочастотная емкость образца (Сс,)с ) .

Если площадь контакта проводящего элемента с образцом значительно меньше площади перекрытия электродов и образца, то С (С„„С <сС1)С (сС ) >-r>Rg)01тйя)

Q(gy И "",исравнимос R, и Р, нанизкихи высоких частотах соответственно.При наложении переменного электрического поля суммарный ток делится на две составляющие: ток через левую ветвь 1, и ток через правую ветвь 1<. Причем 1,4 <С 1, тек как сопротивление левой ветви, емкостное и активное, значительно превышает сопротивление правой ветви. Поэтому эквивалентную схему ячейки с образцом можно представить в виде, изображенном на фиг. 3. Теоретическим расчетом частот« ной 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-Коула. Емкости, соотвэтсти вующие минимальным значением С (на границах областей дисперсии), выражаются через емкостные параметры схемы сле, дующим образом:

Со =Сп) (1);С =Сор=СП 2; (2)

С «С СС- -, (3)Г О C +C

С,„с с„=— (4)

C9KS1 COO Т

С1С2 с с11 с2

8598

Эти соотношения верны с большой точностью, если Сд «С (ток преимущественно при этом замыкается на верхний электрод через сопротивление R и Г, - ) . .В случае же, когда С - становится сравнимо с С, ток начинает течь и через Сби вместо С следует рассмотреть эквива

1Ч лентную емкость С = С11 + С (с.+с, с„

Тогда С о - -Со, Все осталь-10

2сп+СЕ ные соотношения остаются верными, Ошибка в определении емкости и сопротивления образца, вносимая заменой экви» валентной схемы (фиг. 2) на эквивалентную схему (фиг. 3}, определяется отноше15 нием плошади контакта проводящего 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 плошадей приводит к пропорцио нальному возрастанию ошибки определения параметров эквивалентной схемы и резкому увеличению ошибки определении дисперсии диэлектрической проницаемости.

Нижний предел отношения площади контакта проводящего элемента с образцом и плошади перекрытия электродов и образца (0,001) обусловлен необходимостью получения достаточных токов утечки через сопротивления R и Г . Преимущественное замыкание тока на электрод через сопротивление Й и 1" дает воэможность наблюдать -полуокружность з5

Коул-Коула, и определить необходимый для расчета емкости образца параметр

С оо, . возможно при условии (r<+a) «1/ш С

Оценка, проведенная для проводимостей

10 -10 Ом м показывает, что соотношение (5) выполнимо в случае, 45 когда площадь контакта проводящего элемента с образцом составляет не менее

0,001 плошади перекрытия поверхности электрода и образца. Если соотношение площадей меньше 0,001, на диаграммах

Коул-Коула наблюдается лишь с -полу окружность и частично Р -полуокружноеть.

Оценить в этом случае параметр С ууи определить дисперсию Е, не удается .

Лля материалов, обладающих собственной дисперсией диэлектрической проницае55 мости; зависимостьС =х(с )ячейки с образцом имеет вид не полуокружностей, а дуг Коул-Коула, так как для реального диэ96 б лектрика характерен набор времени релаксации. Bc@ соотношения (1-5) являются здесь справедливыми. Иэ (3) и (4) могут быть определены параметры дисперсии диэлектрической цроницаемости с и

E y:

СОА CMY

CPq, C„-(. «С, (Р)

cay Od с„, с my экю С

ooy cod.

АСО,, "-КСэ,, (8) А= (9) о где д - толщина образца;

C — плошадь перекрытия электродов и образца; — диэлектрическая проницаемость вакуума.

Процесс измерения в предлагаемой ячейке заключается в следующем, Ячейку заполняют исследуемым материа лом, электроды через изолирующие прокладки прижимают к образцу. При этом проводя-. щий элемент плотно примыкает к измеряемму материалу. Снимают частотную зависимость полной провоаимости ячейки, и в комплексной полости емкости строят зависимость

С", Х (с ) . .Здесь так же, как и для эквж» валентной схемы (фиг. 3), можно выделить три области дисперсии (три дуги

Коул-Коула):< j4, Я . Иэ полученной диаграммы оценивают необходимые для расчета дисперсии Е, параметры, С С ; 1Подставляя значения параметров и геометрические размеры иэмврительного конценсатора в уравнение (8), рассчитывают значения дисперсии диэлектрической проницаемости E.py и 0< .

Ошибка в определении дисперсии диэлектрической проницаемости с помощью указанного метода складывается иэ ощкбки приборов, ошибки построения диаграмм и ошибки определения емкостных параметров этих диаграмм. Первые два типа ошибок являются одинаковыми для извест» ной и предлагаемой ячеек.

Ошибка в определении р зависит в основном от ошибки построения диаграмм и имеет один порядок величины для обоих типов ячеек. Ошибка в определении Cod. составляет для известной ячейки " 20-30%, для предлагаемой 3%.

Кроме того, невозможность оценки

-, åìêîñòè диэлектрических прокладок) и г Гъ непосредственно из диаграммы С, $ C ) Г я, Рие. 2

7 859 для известной ячейки и определение этой величины путем непосредственного измерения емкости диэлектрических прокладок аносит дополнительную (порядка 5%) ошибку в расчет параметров дисперсии Я

Таким образом, точность определения

|„О, при использовании предлагаемой ячейки повышается в десять раз по сравнению с известной ячейкой, Точность опре деления дисйерсии диэлектрической прони- о цаемости повышается приблизительно на

30%.

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 C åî 3 непосредственно

li из диаграмм. С 5 ((-) сокращает время щ измерения при использовании предлагаемой ячейки по сравнению с известной ячейкой.

В силу этих особенностей предлагаемая ячейка найдет широкое применение в измерительной технике для решения исследовательских задач и в народном хозяйстве для контроля свойств диэлектрических ма896 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 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.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Хиппель А. Р. Диэлектрики и их применение. М., "Энергия, 1959, с. 56.

2.. Авторское свидетельство СССР

No 258708, кл, G 01 и 27/22, l2 09,68 (прототип).

859896 я, Я2

Т

Составитель А. Хорцев

Редактор Ю. Середа Техред М. Рейвес Корректор С. Шекмар

Заказ 10344 Тираж 910 Подписное

ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4