Способ определения электрических свойств твердых материалов и устройство для его реализации

 

Использование: в технической физике и геофизике для определения электрофизических свойств твердых и пластичных материалов на образцах неправильной формы. Сущность: устройство содержит емкость 2 с жидкостью, диэлектрический корпус 3, регулятор 4 уровня жидкости, бюретки с электролитом и дисцилированной водой 5 и 6, фиксатор 7, индикатор 8, магнитные мешалки 9, канал 10 для слива жидкости. В основе способа лежит изменение концентрации электролита и выравнивание за счет этого напряжений двух пар измерительных электродов, между одной из которых помещается измеряемый образец. Способ обладает высокой производительностью и применим в условиях широкого диапазона удельного электрического сопротивления исследуемых материалов. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и геофизике. Способ может быть использован для определения электрофизических свойств твердых и пластичных материалов на образцах неправильной формы, в том числе для определения проводимости горных пород.

Известен способ определения удельного электрического сопротивления ρ, заключающийся в том, что образец последовательно помещают в растворы с известными удельными сопротивлениями (ρ_i; i= 1,2,3. . . n) и измеряют ток, проходящий через эти растворы. Об удельном сопротивлении судят по раствору, в котором при погружении образца сила тока не изменяется.

Недостатком этого способа является большое количество эталонных жидкостей, поскольку диапазон ρ природных материалов превышает 10⁸. Кроме того, измерение весьма продолжительно, так как величина ρ первоначально не известна.

Известен другой способ определения электрических свойств образцов горных пород, заключающийся в том, что образец последовательно помещают в два раствора с известными удельными электрическими сопротивлениями ρ₀₁ и ρ₀₂, измеряют разность потенциалов между приемными электродами ΔU₁ и ΔU₂, а затем вычисляют ρ образца.

Недостатком способа является зависимость точности измерения от отношений ρ₀₂/ρ₀₁ и ρ /ρ₀₁, причем удовлетворительная точность получается только в том случае, если удельное сопротивление образца отличается от эталонных жидкостей не более чем в пять раз. Таким образом, при измерении электрических свойств образцов горных пород, имеющих большой разброс сопротивлений, погрешности недопустимо возрастают. Кроме того, сохраняется влияние стенок и дна сосуда на результаты измерений, поэтому размеры сосуда приходится увеличивать.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ измерения удельного электрического сопротивления образцов горных пород, заключающийся в том, что два однородных образца помещают в два раствора с различными удельными электрическими сопротивлениями ρ₁ и ρ₂, нагревают растворы, фиксируя температуры t₁ и t₂ в момент равенства токов, проходящих через растворы. Удельное электрическое сопротивление образца ρ определяют по аналитической зависимости между ρ, ρ₁, ρ₂ при температурах t₁ и t₂, соответствующих равенству удельных сопротивлений растворов и измеряемого образца.

Недостатками прототипа являются его низкие производительность и точность измерений. Производительность в значительной степени зависит от скорости равномерного нагрева жидкостей и не может быть увеличена из-за высокой теплоемкости жидкостей. Низкая точность обусловлена тем, что сложно подобрать два однородных образца с равным ρ, и тем, что трудно аналитически оценить динамику теплопереноса в системе жидкость - образец. Кроме того, динамический диапазон измерения удельного сопротивления жидкости при нагревании не так велик по сравнению с диапазоном ρ материалов горных пород.

Известно устройство для определения электрических свойств твердых материалов, содержащее открытый сверху диэлектрический корпус, в котором размещены два токовых электрода, между которыми расположены два измерительных электрода, емкость с помещенным в ней диэлектрическим корпусом и жидкостью.

Недостаток данного устройства является низкая производительность, обусловленная необходимостью перегрузки образцов при измерении во второй жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому является устройство для определения электрического сопротивления твердых материалов, содержащее открытый сверху и снизу диэлектрический корпус, в котором расположены два токовых электрода, между которыми размещены две пары измерительных электродов, фиксатор породы, прижимный элемент. При этом диэлектрический корпус помещен в емкость с жидкостью. Работа данного устройства заключается в том, что измерения производят сначала при помещении диэлектрического корпуса (и образца вместе с ним) в емкость с жидкостью с удельными электрическим сопротивлением ρ₁, а затем в емкость с жидкостью с удельным электрическим сопротивлением ρ₂. При этом обеспечивается следующее соотношение сопротивлений жидкостей: ρ₁ ≅ 2,5 ρ₂.

Недостатком известного устройства является наличие в циклограмме его работы процедуры извлечение и нового погружения диэлектрического корпуса. Кроме того, диапазон измеряемых материалов ограничивается соблюдением условия ρ ≅ ρ ≅ ρ.

Цель изобретения - расширение диапазона исследуемых материалов, а также повышение производительности измерений. Достижение цели обеспечивается тем, что способ позволяет изменять проводимость электролита в очень широких пределах, а устройство значительно упрощает процедуры измерений, поскольку исключает перегрузку образцов и манипуляции с диэлектрическим корпусом.

Сущность изобретения состоит в том, что согласно способу определения электрических свойств твердых материалов, заключающемуся в пропускании тока через питающие электроды при погружении образца в жидкую среду, изменении проводимости жидкой среды до тех пор, пока проводимости среды и образца не сравняются, измеряют разность потенциалов между двумя парами измерительных электродов ΔU, ΔUпри помещении образца между одной из пар измерительных электродов, изменяют концентрацию электролита до равенства ΔU= ΔU, причем об удельном сопротивлении образца судят по удельному сопротивлению электролита при равенстве ΔU= ΔU.

Сущность изобретения состоит также в том, что в устройстве для определения электрических свойств твердых материалов, содержащем диэлектрический корпус с двумя токовыми электродами и расположенными между ними двумя парами измерительных электродов, емкость с жидкостью, диэлектрический корпус выполнен открытым по всей площади, занятой электролитом, и соединен с емкостью посредством канала, при этом внутри корпуса расположены магнитные мешалки, а над ним - бюретки с электролитами различной концентрации и регулятор уровня жидкости, снабженный механизмом его перемещения в вертикальной плоскости.

На чертеже представлена схема устройства для определения электрических свойств горных пород.

На каркасе 1 закреплены емкость 2 с жидкостью, диэлектрический корпус 3, регулятор 4 уровня жидкости, бюретка 5 с электролитом и бюретка 6 с дистиллированной водой. Регулятор 4 снабжен фиксатором 7 и индикатором 8 уровня жидкости. В диэлектрическом корпусе 3 расположены токовые электроды А и В, между которыми закреплены две пары сеточных измерительных электродов М₁N₁ и М₂N₂. Здесь же расположены магнитные мешалки 9. В диэлектрическом корпусе выполнен канал 10 для слива избытка жидкости в емкость 2.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Перед циклом измерений производится эталонировка измерительной ячейки (один раз в месяц), для чего с помощью набора эталонных электролитов определяется значение калибровочного коэффициента K = Σ = Σ , где I_АВ - ток через питающие электроды; ΔU; ΔU - разности потенциалов; n - число эталонных жидкостей. В процессе эталонировки перемещением одного из измерительных электродов (например, М₁) добиваются равенства ΔU= ΔU, после чего положение электрода фиксируется. В диэлектрический корпус 1 наливается проводящая жидкость (электролит) с удельным электрическим сопротивлением ρ_o. Образец помещают в пространство между измерительными электродами М₁ и N₁. Через питающие электроды А и В пропускают электрический ток и измеряют разности потенциалов ΔU и ΔU. Если ΔU > ΔU, то проводимость исследуемого образца меньше проводимости среды и следует снизить концентрацию электролита, например, разбавлением дистилированной водой. Для этого ослабляют фиксатор 7 и опускают регулятор 4 уровня жидкости на то количество делений индикатора 8, которое обеспечивает через канал 10 в емкость 2 слив такого объема электролита проводимостью 1/ ρ_o, замена которого дистилированной водой ведет к изменению его сопротивления на величину, достаточную для компенсации различия между ΔU и ΔU. После слива электролита открывают бюретку 6 и доливают в диэлектрический корпус 3 необходимое количество дистилированной воды. Включают магнитные мешалки и тщательно перемешивают жидкость. Затем производят повторные измерения ΔU и ΔU. При их различии, уже не прибегая к процедуре слива электролита в емкость 2, добавляют небольшие количества жидкостей из бюретки 5 или 6, добиваясь идеального совпадения значений ΔU и ΔU.

Если при первоначальном замере выяснилось, что ΔU < ΔU, то все описанные процедуры повторяют, пользуясь бюреткой 5.

Равенство ΔU= ΔU свидетельствует о том, что сопротивление материала равно сопротивлению электролита. Удельное сопротивление материала вычисляют по формуле ρ = K = K , где К - значение эталонировочного коэффициента.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1002932, кл. G 01 N 27/22, 1983.

Авторское свидетельство СССР N 1573404, кл. G 01 N 27/00, 1990.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 1. Способ опpеделения электpических свойств твеpдых матеpиалов, заключающийся в том, что пpопускают ток чеpез питающие электpоды пpи погpужении обpазца в жидкую сpеду, изменяют пpоводимость жидкой сpеды до тех поp, пока пpоводимости сpеды и обpазца не сpавняются, отличающийся тем, что, с целью pасшиpения диапазона исследуемых матеpиалов, измеpяют pазность потенциалов между двумя паpами измеpительных электpодов ΔU_M1N₁ , ΔU_M2N₂ пpи помещении обpазца между одной из паp измеpительных электpодов, изменяют концентpацию электpолита до pавенства ΔU_M1N₁ = ΔU_M2N₂ , пpичем об удельном сопpотивлении обpазца судят по удельному сопpотивлению электpолита пpи pавенстве ΔU_M1N₁ = ΔU_M2N₂ .

2. Устpойство для опpеделения электpических свойств твеpдых матеpиалов, содеpжащее диэлектpический коpпус с двумя токовыми электpодами и pасположенными между ними двумя паpами измеpительных электpодов, емкость с жидкостью, отличающееся тем, что, с целью повышения пpоизводительности измеpений, диэлектpический коpпус выполнен откpытым по всей площади занятой электpолитом и соединен с емкостью посpедством канала, пpи этом внутpи коpпуса pасположены магнитные мешалки, а над ним бюpетки с электpолитами pазличной концентpации и pегулятоp уpовня жидкости, снабженный механизмом его пеpемещения в веpтикальной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1