Ячейка для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующих материалов

Сова СоветскихСоциалистическихРеспублик 1 Г АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ полнительное к авт, свнд-в но 14,12.79 (21) 28539997/18(5)М. Кл 27/22 с присо нем заявки М Государственный коиитет СССР3) Приорите по делан изаоретенк н открытий(7 ) Заявител ибирский физико-технический институт им, В.Д. Кузнецов 54) ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРС ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЛУИ:ЮЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованодля определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолируюших материалов (влажных грунтов, влажныхстроительных материалов типа бетона,5песка, дерева, горных пород с проводяшимивключениями, биологических объектов ит,д. с проводимостью порядка 10 ф, 10 Ом м, а также при контроле свойствтоэтих материалов с помощью электрическихизмерений.Известны ячейки для измерения электрофизических характеристик диэлектрических материалов, содержвшие два из 15мерительных электрода, между которыми размешается исследуемый образец И,Недостатком таких ячеек является невозможность получить истинные значениядиэлектрической проницаемости материаловс проводимостью 10 Ом ми выше,вследствие влияния поляризации двойногоэлектрического слоя, обраэуюшегося вобласти контакта вешества с электродами,Наиболее близкой к предлагаемому является ячейка для бесконтактной элщтрометрии, содержвшвя два электрода, изолированных от измеряемого материала тонкими диэлектрическими прокладками, Процесс определения диэлектрической проницаемости с помошью такой ячейки заключается в следуюшем, Измеряют емкость ячейки, заполненной воздухом, а затем измеряют емкость ячейки, поочередно заполняемой хорошо проводяшим раствором, вешеством с известной диэлектрической проницаемостью и наконец исследуемым вешеством, Решая систему уравнений,находят емкость ячейки, заполненной исследуемым вешеством 2,Недостатком известной ячейки является ограниченность области применения.Ячейка пригодна только для определения диэлектрической проницаемости на достаточно высоких частотах вешеств с довольно низкими проводимостями, То есть, использование известной ячейки в совокупности с описанным методом расчета диэле 859896ктрической проницаемости, образца не даетдостоверных результатов при определениидиэлектрической проницаемости полуизодирующих материалов,целью изобретения является повышениеточности определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолирующихматериалов.Указанная цель достигается тем, чтов ячейку, содержащую два измерительных 10электрода, изолированных от образца диэлектрическими прокладками, введен проводящий элемент, расположенный на контактирующей с образцом поверхности однойиз. прокладок и соединенный с электродом,изолируемым этой прокладкой, причем отношение площади контакта элемента с образцом к плошади перекрытия поверхноотиобразца и электрода выбрано в пределах0,001-0,01, Форма и расположение про-водящего элемента не играют роли.На фиг, 1 изображена предлагаемаяячейка, заполненная измеряемым веществом, общий вид в разрезе; на фиг. 2 -25эквивалентная схема замещения ячейки сизолированными электродами и проводящим элементом,заполненной веществом,обладающим омическими и релаксационными потерями; на фиг, 3 - эквивалентная30схема замещения ячейки с площадью контакта проводящего элемента и образца,не превышающей 0,01 площади перекрытияповерхности образца и электродов.Ячейка (фиг. 1) содержит измеряемыйобразец 1, электроды.2 и 3, диэлектрические прокладки 4 и 5, изолирующие отобразца электроды, проводящий элемент 6,расположенный на контактирующей с образцом поверхности прокладки 4 и электрически соединенный с электродом 2, цилиндрический корпус 7, в который помещается исследуемое вещество.Ячейка работает следующим образом,Эквивалентная схема замещения ячейки(фиг, 2), заполненной материалом, диэлектрическая проницаемость которого имеет частотную дисперсию, состоит из двухветвей: левой и правой,Левая ветвь; С, Р - емкость исопротивление, двойного электрического 50слоя на границе раздела исследуемый мате-,риал - проводящий элемент; С , 1" и1 иС, У - емкость и сопротивление двухЙС -цепочек, моделирукяцих реаксационные процессы в части образца с площадью 55поперечного сечения, равной площади контакта проводящего элемента с образцом,С - емкость части диэлектрической про кладки 5, с площадью, равной площади контакта проводящего элемента с образцом.Правая ветвь: С 1 - емкость диэлектрической прокладки с площадью, равной разности площади электрода и площади контакта проводящего элемента с образцом, С 4 й 4 и СЯ - емкость и сопротивление двух ЯС -цепочек, моделирующих релаксационные процессы в объеме образца с площадью, равной разности площадей электрода и контакта проводящего элемента с образцом, Я, сопротивление утечки зарядов из образца на электрод 2 через проводящий элемент.(5) Так как цепочки ЙС. и й Ся моделируют релаксационные процессы в объеме вещества, то С 4,- низкочастотная емкость образца ( С 0 ), Сэкв- высокочастотная емкость образца (Сд) . Если площадь контакта проводящего элемента с образцом значительно меньше площади перекрытия электродов и образца,то С(:СрС С, уС (С) ,7 Й 4)7 Яд Я 1"И" ф, и сравнимо с Р, и Р, на низких и высоких частотах соответственно.При наложении переменного электрического поля суммарный ток делится на две составляющие: ток через левую ветвь , и ток через6правую ветвьПричем 1,41 так 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, соотвэтствующие минимальным значением С ( на границах областей дисперсии), выражаются через емкостные параметры схемы сле, дующим образом:СО =Сп)(1),С=Сор =Сп 2 (2)Ср Г 7 859 для известной ячейки и определение этой величины путем непосредственного измерения емкости диэлектрических прокладок аносит дополнительную (порядка 5%) ошибку в расчет параметров дисперсии сТаким образом, точность определения С о при использовании предлагаемой ячейки повышается в десять раэ 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 1 5 диэлектрической проницаемости, за счет чего значительно расширяется класс исследуемых веществ. Кроме того, возможность определения Соо 3 непосредственно1из диаграмм С) сокращает время щ измерения при использовании предлагаемой ячейки по сравнению с известной ячейкой.В силу этих особенностей предлагаемая ячейка найдет широкое применение в 25 измерительной технике для решения исследовательских задач и в народном хозяйстве для контроля свойств диэлектрических ма 896 8 териалов в процессе иэ производства и хранения. формула изобретения Ячейка для определения дисперсии диэлектрической проницаемости полуизолируюших материалов, содержащая два измерительных электрода, изолированных от измеряемого образца диэлектрическими прокладками, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что, с целью повышения точности, в устройство введен проводящий элемент, расположенный на контактирующей с образцомповерхности одной из прокладок и соединенный с электродом, иэолируемым этойпрокладкой, причем отношение площадиконтакта элемента с образцом к площадиперекрытия поверхности образца и электрода выбрано в пределах 0,001-0,01,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Хиппель А. Р. Диэлектрики и ихприменение. М"Энергия", 1959, с. 56.2. Авторское свидетельство СССР1 Чо 258708, кл. З 01 й 27/22,12,09,68 (прототип) .. Середа Техред М. Рейвес ед Подписого комитета СССний и открытий5, Раушская наб. 344 Тираж 910 ВНИИ ПИ Государственн по делам иэобрете 113035, Москва, Ж