Способ определения диэлектрических характеристик полимерных систем

Изобретение может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. 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 v, изменяя величину R_d, находят максимальное значение спектральной плотности напряжения электрических флуктуации, температуру Т полимерной системы и вычисляют диэлектрические характеристики по формулам. Изобретение обеспечивает расширение частотного диапазона измерения диэлектрических характеристик полимерных диэлектриков, обусловленных их внутренним флуктуационным электромагнитным полем в сторону частот, меньших 100 кГц. 1 ил.

 

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 ε' и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ (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 ε' и тангенса угла диэлектрических потерь по формулам

где d - толщина исследуемого материала,

D - диаметр электродов,

ν - частота измерений,

ε₀ - электрическая постоянная,

C₀ - входная емкость измерительной системы,

- рабочая емкость первичного преобразователя,

b_x=2πnfC_Pε' - реактивная проводимость первичного преобразователя,

- его активная проводимость - положительное решение уравнения

k - постоянная Больцмана,

- средний квадрат шума предварительного малошумящего усилителя,

- его входная проводимость,

Δf - 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 ν, 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, ε₀ - 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 ν и в полосе Δν:

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

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 ν 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, ε₀ - 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.