способ определения диэлектрических характеристик полимеров
Классы МПК: | G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных |
Автор(ы): | Ивановский Василий Андреевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Тамбовский военный авиационный инженерный институт (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-06-23 публикация патента:
20.03.2007 |
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. 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 при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений. Преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуации , , на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе f, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ' и тангенса угла диэлектрических потерь tg . 1 ил.
Формула изобретения
Способ определения диэлектрических характеристик полимеров, заключающийся в том, что помещают исследуемый материал толщиной d при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений, отличающийся тем, что преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуаций , , на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе f, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ' и тангенса угла диэлектрических потерь tg по формулам
СР1=СР , СР2= СР, СР3= СР,
где >1, >1 - положительные числа, < , D - диаметр первого потенциального электрода,
b0= (CK+CM)= C0,
bx1 = ' CP,
bx2 = ' CP,
bx3 = ' CP,
=2 f,
где - круговая частота, СР, С 0, СК, СМ, - емкости рабочая преобразователя, входная, кабеля и монтажа измерительной системы, b0, b x1, bx2, bх3 - соответствующие реактивные и gx - активная проводимости.
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 G 01 N 27/22; №2166768 по классу G 01 R 27/26, G 01 N 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 G 01 R 27/26, G 01 N 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 nmax , соответствующих максимуму напряжения электрических флуктуации на зажимах адаптивного преобразователя, измеряют, подключают к входу усилителя один из первичных преобразователей , параллельно ему подключают активное добавочное сопротивление Rdm и, изменяя его величину, находят максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуации на зажимах одного из указанных первичных преобразователей, соответствующее Rdm, 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,
f - частота измерений,
0 - электрическая постоянная,
C0 - входная емкость измерительной системы,
- рабочая емкость первичного преобразователя,
b x=2 nfCp ' - реактивная проводимость первичного преобразователя,
gx - его активная проводимость - положительное решение уравнения
k - постоянная Больцмана,
- средний квадрат шума предварительного малошумящего усилителя,
gВХ - 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 при известной температуре Т в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, определяют его электрофлуктуационные параметры и вычисляют диэлектрические характеристики по результатам измерений. Преобразователь содержит три параллельных потенциальных электрода, образующих рабочие емкости с фиксированным соотношением и параллельно подключаемых к входу малошумящего усилителя, измеряют средние квадраты напряжения тепловых электромагнитных флуктуации на зажимах каждого электрода на частоте f, в полосе f, и по измеренным данным рассчитывают значение флуктуационной диэлектрической проницаемости ' и тангенса угла диэлектрических потерь tg по формулам
CP1=CP, C P2= CP, CP3= CP,
где >1, >1 - положительные числа, < , D - диаметр первого потенциального электрода,
,
где - круговая частота, СP, С 0, СK, СM - емкости рабочая преобразователя, входная, кабеля и монтажа измерительной системы, b0, bx1, bx2, bx3 - соответствующие реактивные и gx - активная проводимости.
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 частоте и в полосе , зависит как от ', так и от ":
где Rx, R ВХ - активные сопротивления и , - средние квадраты тока тепловых электромагнитных флуктуаций полимерной системы и входной части усилителя, - средний квадрат шума усилителя, приведенный к входу.
В данных выражениях неизвестными являются ', ", - средний квадрат тока электрических флуктуаций. Для определения данных неизвестных необходимо, как минимум, составить систему из 3 уравнений:
где
реактивные и
активные проводимости входной части предварительного усилителя, CP, C0 , CK, CM, - емкости рабочая преобразователя, входная кабеля и монтажа измерительной системы, D - диаметр потенциального электрода первого преобразователя.
Решая систему (11), приходим к квадратному уравнению относительно '
Вводя обозначения
Выражение (13) записывается в виде
Решение последнего уравнения позволяет определить как диэлектрическую проницаемость '
так и тангенс угла диэлектрических потерь
где активная проводимость первичного преобразователя определяется как
Способ определения диэлектрических характеристик представлен принципиальной схемой (см.чертеж).
Первичный преобразователь 1 - это трехэлектродная система с соотношением рабочих емкостей
где >1, >1 - положительные числа, причем < .
Флуктуационное напряжение каждого канала u 1, u2, u3 поступает к входу предварительного малошумящего усилителя ПУ-2 и обрабатывается блоком обработки информации БОИ-3, включающим аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер. Для каждого канала определяется средний квадрат напряжения электрических флуктуаций на зажимах ПУ.
Предлагаемый способ определения диэлектрических характеристик полимерных материалов позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений.
Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных