Способ измерения диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков

Способ измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков основан на изменении реактивного сопротивления плоского воздушного конденсатора в результате заполнения его зазора исследуемым диэлектриком. Прикладывают к электродам плоского воздушного конденсатора с регулируемым зазором, равным толщине образца, переменное электрическое напряжение. Преобразуют ток конденсатора в напряжение, например, с помощью операционного усилителя, регулируют это напряжение, добиваясь его значения, численно равного или кратного диэлектрической проницаемости воздуха. Помещают образец вплотную между электродами конденсатора и определяют значение относительной диэлектрической проницаемости по показаниям регистрирующего прибора, например вольтметра. Данный способ измерения достаточно прост и точен. 1 ил.

 

Способ относится к электротехническим измерениям, предназначен для измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков и может быть использован в различных областях, производящих или использующих электротехнические вещества и материалы.

Относительная диэлектрическая проницаемость является одной из основных характеристик диэлектриков, и способы ее измерения хорошо известны. Большинство из этих способов основано на изменении электрической емкости или активного сопротивления плоского воздушного конденсатора после помещения в его зазор исследуемого диэлектрика.

В способе - RU №2234075, МПК G01N 22/00 - для определения диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков применяется динамический конденсатор, образуемый неподвижным электродом и вращающимся металлическим диском, на котором закреплен поляризованный пленочный электрет. Этот способ имеет ряд недостатков и ограничений. Применение электрического привода для вращения электрета делает этот метод малотехнологичным и ограничивает частотный интервал измерений диэлектрической проницаемости. Сложность способа определяется необходимостью измерений толщины образца, расстояния между электродами и величины зазора между образцом и вращающимся электретом, а также необходимостью вычислений измеряемой величины. Точность измерений принципиально не может быть достаточно высокой, т.к. кроме известной роли краевых эффектов, проявляемых в случаях, когда величина зазора измерительного конденсатора сравнима с размерами обкладок конденсатора, возникают и другие источники ошибок, например, зависящие от степени неоднородности распределения заряда по поверхности электрета.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ измерения диэлектрической проницаемости, приведенный в книге - Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электронных материалов. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. В этом способе, изменяя величину зазора плоского измерительного конденсатора, к обкладкам которого приложено переменное напряжение, добиваются равенства токов конденсатора для случаев, когда исследуемый образец помещен в зазор конденсатора так и в отсутствие последнего. Недостаток способа в том, что при измерении диэлектрической проницаемости необходимы дополнительные операции измерений толщины образца и величины межэлектродного зазора измерительного конденсатора, а также вычислительные операции.

Задача, решаемая в заявленном способе, - измерение одного из основных свойств материала - диэлектрической проницаемости.

Технический результат заключается в упрощении способа измерения и повышении его точности.

Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения относительной проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков, заключающемся в помещении образца в зазор плоского воздушного конденсатора с регулируемым зазором, приложении к электродам переменного электрического напряжения, согласно изобретению устанавливают зазор воздушного конденсатора равного толщине образца, преобразуют ток конденсатора в напряжение, например, с помощью операционного усилителя, регулируют это напряжение, добиваясь его значения, численно равного или кратного диэлектрической проницаемости воздуха; затем помещают образец вплотную между электродами конденсатора и определяют искомое значение по показаниям регистрирующего прибора, например вольтметра.

На чертеже показана принципиальная схема, позволяющая реализовать этот способ. Измерительный плоский конденсатор образован измерительными электродами 1 и 2, причем для изменения зазора между электродами электрод 1 может перемещаться (механическое устройство для перемещения электрода не показано). С целью уменьшения вклада краевых эффектов в ошибки измерений измерительный электрод 2 охвачен охранным электродом 3 так, что поверхности охватываемого измерительного и охранного электродов находятся в одной плоскости и зазоры между границами этих электродов значительно меньше зазора между измерительными электродами. Исследуемый плоский образец 4 помещен в зазор измерительного конденсатора вплотную к электродам. Электроды 1 и 3 подключены к выходу источника 5 переменного напряжения. Между электродами 2 и 3 включен усилитель 6, преобразующий ток измерительного конденсатора в переменное напряжение, которое на выходе измеряется вольтметром 7 переменного тока. В качестве усилителя 6 может быть использован, например, операционный дифференциальный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с электродом 2, а неинвертирующий - с электродом 3. В цепь обратной связи усилителя 6 между инвертирующим входом и выходом усилителя включен реостат 8, регулируя который изменяют коэффициент преобразования тока конденсатора в напряжение на выходе усилителя. Отличительной особенностью такого включения операционного усилителя является его пренебрежимо малое входное сопротивление, не влияющее на величину тока измерительного конденсатора.

Рассмотрим суть предлагаемого способа. При напряжении U(t)=U₀cosωt на выходе источника 5 все напряжение ввиду малости сопротивлений источника 5 и усилителя 6 практически падает на измерительном конденсаторе емкостью С₁, площадь электрода 2 которого S, а величина воздушного зазора между электродами равна толщине измеряемого образца h. При этом ток измерительного конденсатора

где ε₁ - диэлектрическая проницаемость воздуха (ε₁≈1,0005);

ω - циклическая частота;

ε₀=8,85·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная воздуха (ε₁≈1,0005).

Эффективное значение тока будет

Эффективное напряжение на выходе усилителя

где R - сопротивление реостата 8;

- коэффициент преобразования диэлектрической проницаемости в напряжение.

Регулируя сопротивление R, можно добиться, чтобы величина k была численно равна единице и показания вольтметра соответствовали диэлектрической проницаемости воздуха, т.е. U₁=1,0005 В.

Если при тех же значениях U₀, R, ω и h зазор измерительного конденсатора заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε₂, то емкость конденсатора увеличится в ε₂/ε₁ раз. Во столько же уменьшится реактивное сопротивление конденсатора, а следовательно, увеличатся ток конденсатора и напряжение на выходе усилителя, т.е. или . Но так как k=1, показания вольтметра U₂ будут равны ε₂.

Таким образом, для измерения диэлектрической проницаемости необходимо установить воздушный зазор плоского конденсатора равным толщине исследуемого образца, при включенном источнике переменного напряжения сопротивлением обратной связи усилителя добиться показаний вольтметра равными значению диэлектрической проницаемости воздуха, заполнить зазор конденсатора исследуемым диэлектриком и по показания вольтметра определить искомую величину.

Для определения диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика также предварительно добиваются показаний вольтметра, равных значению диэлектрической проницаемости воздуха, не изменяя величины зазора между электродами, измерительный конденсатор помещают в исследуемую жидкость так, чтобы зазор конденсатора был полностью заполнен жидкостью, и по показаниям вольтметра определяют искомую величину.

Способ измерения относительной диэлектрической проницаемости жидких и плоских твердых диэлектриков, заключающийся в помещении образца в зазор плоского воздушного конденсатора с регулируемым зазором, приложении к электродам переменного электрического напряжения, отличающийся тем, что устанавливают зазор воздушного конденсатора, равный толщине образца, преобразуют ток конденсатора в напряжение, например, с помощью операционного усилителя, регулируют это напряжение, добиваясь его значения численно равного или кратного диэлектрической проницаемости воздуха, затем помещают образец вплотную между электродами конденсатора и определяют искомое значение по показаниям регистрирующего прибора, например вольтметра.