способ определения диэлектрических характеристик полимерных систем

Формула изобретения

Способ определения диэлектрических характеристик полимерных систем, заключающийся в том, что помещают исследуемый материал толщиной d=(1÷3) мм в конденсаторный первичный измерительный преобразователь с исследуемым материалом в качестве диэлектрического слоя, подключают первичный преобразователь к входу предварительного малошумящего усилителя, параллельно первичному преобразователю подключают добавочное активное сопротивление R _d=(1÷100) кОм, отличающийся тем, что на заданной частоте изменяя величину R_d находят максимальное значение спектральной плотности напряжения электрических флуктуаций, температуру Т полимерной системы и вычисляют диэлектрические характеристики по формулам:

где D=(10÷30) мм - диаметр потенциального электрода преобразователя, ₀ - электрическая постоянная, k - постоянная Больцмана, С₀ - паразитная емкость, обусловленная конструкцией преобразователя и способом его подключения к усилителю, g_ВХ - входная активная проводимость предварительного усилителя, g_d=1/R _d активная проводимость добавочного сопротивления, b _x - реактивная проводимость первичного преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для диагностики и прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации.

Известны способы измерения диэлектрических характеристик полимеров путем помещения исследуемого материала в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определения его электрических параметров при приложении электрического поля к его электродам, по которым рассчитывают диэлектрическую проницаемость ' и тангенс угла диэлектрических потерь tg (см. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М.: Химия, 1967. - 223 с.). Однако определение электрических параметров конденсаторного первичного измерительного преобразователя известными методами и устройствами, по которым рассчитываются диэлектрические характеристики, связанных с приложением к исследуемому материалу переменного электрического поля, изменяет характер молекулярных движений структурных единиц полимерных диэлектриков и приводит к искажению измерительной информации.

Известны также способы определения диэлектрических характеристик полимерных систем без приложения внешних электрических полей к испытуемому материалу (см. патенты РФ №1746281 по классу G01N 27/22; №2166768, по классу G01R 27/26. G01N 27/22. Способ определения диэлектрических характеристик полимеров./ Ивановский В.А. - Опубл. 10.05.01. Бюл. №13). Однако они предназначены для измерений в области частот, больших 100 кГц.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения диэлектрических характеристик без воздействия на испытуемый материал внешнего электрического поля (см. патент РФ №2193188, МПК G01R 27/26, G01N 27/22. Способ определения диэлектрических характеристик полимеров./ Ивановский В.А. - Опубл. 20.11.02. Бюл. №32). Сущность способа состоит в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в адаптивный конденсаторный первичный измерительный преобразователь, соединенный с входом предварительного малошумящего усилителя и содержащий n параллельных потенциальных электродов, и, изменяя их число, параллельно подключаемых к входу усилителя, определяют максимальное число электродов n_max, соответствующих максимуму напряжения электрических флуктуации на зажимах адаптивного преобразователя, измеряют , подключают к входу усилителя один из первичных преобразователей, параллельно ему подключают активное добавочное сопротивление R_dm и, изменяя его величину, находят максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуации на зажимах одного из указанных первичных преобразователей, соответствующее R_dm, измеряют R _dm, рассчитывают по измеренным данным значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ' и тангенса угла диэлектрических потерь по формулам

где d - толщина исследуемого материала,

D - диаметр электродов,

- частота измерений,

₀ - электрическая постоянная,

C₀ - входная емкость измерительной системы,

- рабочая емкость первичного преобразователя,

b _x=2 nfC_P ' - реактивная проводимость первичного преобразователя,

- его активная проводимость - положительное решение уравнения

k - постоянная Больцмана,

- средний квадрат шума предварительного малошумящего усилителя,

- его входная проводимость,

f - полоса частот измерений.

Основным недостатком данного способа является применимость его к частотам, большим 100 кГц.

Техническим результатом изобретения является расширение частотного диапазона измерения диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков, обусловленных их внутренним флуктуационным электромагнитным полем в сторону частот, меньших 100 кГц.

Сущность изобретения состоит в том, что помещают исследуемый материал толщиной d=(1÷3) мм в конденсаторный первичный измерительный преобразователь с исследуемым материалом в качестве диэлектрического слоя, подключают первичный преобразователь к входу предварительного малошумящего усилителя, параллельно первичному преобразователю подключают добавочное активное сопротивление R_d=(1÷100)кОм, на заданной частоте , изменяя величину R_d, находят максимальное значение спектральной плотности напряжения электрических флуктуации, температуру T полимерной системы и вычисляют диэлектрические характеристики по формулам

где D=(10÷30) мм - диаметр потенциального электрода преобразователя, ₀ - электрическая постоянная, k - постоянная Больцмана, С₀ - паразитная емкость, обусловленная конструкцией преобразователя и способом его подключения к усилителю, - входная активная проводимость предварительного усилителя, активная проводимость добавочного сопротивления, b _x - реактивная проводимость первичного преобразователя.

Предложенный способ поясняется нижеследующим.

Основой для определения диэлектрических характеристик полимерных систем является выражение определяющее - средний квадрат напряжения тепловых электромагнитных флуктуации на входе предварительного усилителя на заданной частоте и в полосе :

где - средний квадрат шума предварительного усилителя, приведенный к входу, - средние квадраты токов электрических флуктуации исследуемой среды и входной части усилителя, - заданная частота измерений, С_x , С_BX, С_M - соответственно емкости первичного преобразователя, заполненного исследуемым полимером с диэлектрической проницаемостью ', входной части усилителя и монтажа.

В состоянии равновесия при подключении ко входу усилителя добавочного сопротивления с проводимостью выражение (2) может быть приведено к виду

в котором S_U - спектральная плотность напряжения электрических флуктуации полимерной системы, находящейся в преобразователе, T_x, T _BX, T_d - соответственно температура исследуемой среды, входной части усилителя и добавочного сопротивления, D=(10÷30) мм - диаметр потенциального электрода преобразователя, d - толщина образца.

При обеспечении равенства температур Т_x, Т_BX, Т _d спектральная плотность напряжения определится как

T_x=T_BX =T_d=T.

Изменяя проводимость добавочного сопротивления можно добиться равенства

При этом значение S_U будет максимальным

что позволяет по измеренным значениям Т для частоты , конструктивных параметров d, D, С₀ определить диэлектрические характеристики исследуемой полимерной системы

На чертеже представлена измерительная установка для определения диэлектрических характеристик полимерных систем. Исследуемый образец 1 помещается в первичный измерительный преобразователь емкостного типа 2, расположенный в электромагнитном экране 6. Температура образца измеряется термопарой 4 и потенциометром 3. Тепловой режим задается блоком 5. Сигнал измерительной информации усиливается предварительным малошумящим широкополосным усилителем 7 и поступает на обработку в блок 8, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и персональный компьютер 10.

Предлагаемый способ определения диэлектрических характеристик полимерных материалов позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений при минимальном энергетическом воздействии на исследуемый образец.