Файл: Усиков, С. В. Электрометрия жидкостей.pdf

считать) из рассмотрения при измерениях по трехзажимной схеме, находим:

значения емкости и активной проводимости (активного сопро­ тивления Raap) параллельной эквивалентной схемы для первой

и второй позиций подвижного электрода, которые соответствуют межэлектродным расстояниям di и d2.

При условии

Условие (IV .10) возможно при измерениях сравнительно проводящих жидкостей на низких частотах с преобразователями, имеющими сравнительно небольшую рабочую емкость.

Выражения (IV. 8 ) и (IV. 9 ) — основные для расчета ди­ электрической проницаемости и проводимости

электродной системы; S — площадь подвижного электрода; Со — емкость преобразователя с воздухом.

Удельную проводимость находят по выражению хо = к/k. Применение данного способа может быть успешным не

только при соблюдении параллельности пластин, но и при до­ статочно точном отсчете соответствующих межэлектродных рас­ стояний d, а также при С = const в течение сравнительно дли­ тельного времени (по крайней мере за время снятия отсчетов). Предполагается, что величина Сп исключается из рассмотрения в процессе соответствующих измерений, например, с помощью прибора Е8-2, или путем отыскания ее известными методами с последующим вычитанием в процессе измерения эквивалентов

75

Для так называемых «чистых» жидкостей, обладающих ма­ лыми величинами е и ко (почти с полным отсутствием носителей зарядов), емкость двойного слоя определяется адсорбцией по­ ляризованных у поверхности атомов и молекул (см. главы II и III). В связи с этим, а также предполагая, что измерения произ­ водят на частотах, соответствующих малым поляризационным потерям у границы раздела фаз, в эквивалентной схеме рис. IV. 4 из рассмотрения можно исключить величину Это позволит значительно упростить задачу определения диэлектрической про­ ницаемости. Общая «параллельная» емкость у такой системы при расстояниях соответственно Д и d2 будет:

кость нет необходимости. Достаточно, чтобы она короткое время (в процессе снятия показателей по емкости) оставалась неиз­ менной.

Читатель, вероятно, уже заметил, что точное значение элек­ трофизических параметров невозможно получить без учета па­ разитной емкости Сп преобразователя (при Rn —* со). Для ее определения прибегают к различным ухищрениям. При этом, очевидно, большое значение имеет класс схемы измерения. Вообще говоря, класс схемы измерения (прибора) выбирается в соответствии с поставленной задачей. Однако одна из схем измерения заслуживает особого внимания, главным образом по­ тому, что она при измерении позволяет в значительной степени учесть паразитные параметры и в некоторых случаях совер­ шенно исключить их из процесса определения электрофизиче­ ских параметров. Наиболее точные измерения при этом можно получить с преобразователем, у которого имеется охранный электрод (охранное кольцо), если измерения производят по так называемой трехзажимной схеме. Только в случае особо точных измерений необходим дополнительный учет краевой и паразит­

76

ной емкостей, которые могут изменяться при перемещении элек­ тродов преобразователя.

На рис. IV. 6 представлен принципиальный вид такой мосто­ вой схемы измерения. Принцип действия моста основан на по­ стоянстве отношений плеч трансформаторов [4 3 ].

Внастоящее время трансформаторные измерительные мосты

стак называемой тесной индуктивной связью представляют наи­ более совершенные средства для точного измерения параметров электрических цепей на переменном токе. Имеются сведения, что они позволяют измерять эти параметры в диапазоне частот

Рис. IV.6. Принципиальная схема трансформатор­ ного моста.

от нескольких Гц до нескольких десятков МГц [43, 44]. При этом:

ностью в 0 , 0 1 %.

Одна из основных особенностей трансформаторных мостов исключительная устойчивость их плечевых отношений при дей­ ствии паразитных проводимостей, шунтирующих эти элементы. Кроме того, трансформаторные плечи в мостах могут иметь лю­ бые отношения в пределах от 1 : 1 и до 1 : 1 0 б и соответствуют весьма малым погрешностям отношений чисел витков. Так, от­ ношение 1 : 10 получено с погрешностью ~ 1-10~ 8 [45]. Это по­ зволяет проводить точные измерения путем переключения числа витков в обмотках и для настройки схем использовать меры с постоянным значением. Иными словами, трансформаторные

класса [45, 46]. Существенное преимущество трансформаторных мостов — высокая температурная и временная стабильность от­ ношения плеч. Имеются трансформаторные плечи, которые оди­ наково хорошо работают как при нескольких десятках Гд, так и при десятках МГц.

77

В схеме рис. IV. 6 индексы «и» и «об» относятся к цепям, в которых включены искомое ги и образцовое r0g полные сопро­ тивления. В качестве неизвестного г„ может быть использован емкостный преобразователь; Т) и Т2— трансформаторы напря­ жения и тока. К первичной обмотке Ti подключают источник питания моста (генератор переменного напряжения). Вторичная обмотка разделяется на секции с числом витков Nn и N0б- Пер­ вичная обмотка Т2 разделена на секции с числом витков пи и п0б- Вторичная же обмотка трансформатора Т2 соединена с нульиндикатором. Неизвестное полное сопротивление ги преобразова­ теля уравновешивается образцовым полным сопротивлением r0g (по отношению к образцам проводимости и емкости, соединен­ ных параллельно).

Допустим, что трансформаторы идеальны и при помощи г0б установлен нуль индикатора. Тогда магнитный поток в сердеч­ нике тока равен нулю и, следовательно, алгебраическая сумма ампервитков тоже равна нулю, т. е. на обмотках трансформа­ тора Т2 нет напряжения. При этом потенциал на зажимах, об­ ращенных к трансформатору тока, у неизвестного и образцового полных сопротивлений равен потенциалу нейтрали. Напряжения

Но так как для идеального трансформатора отношение напря­ жений равно отношению витков, то:

Очевидно, при балансе напряжение на первичной обмотке трансформатора Т2 равно нулю и между правым зажимом двух­ полюсника и нейтралью можно включать сопротивление (пол­ ное или его составляющие), не влияя на точность измерения. Уменьшение чувствительности при этом можно компенсировать увеличением усиления в цепи индикатора. Допускается также включение шунтирующего сопротивления (полного или его со­ ставляющих) между входом двухполюсника ги (левым зажи­ мом) и нейтралью, которое уменьшит напряжение, приложенное к ги. Одновременно уменьшится и напряжение, приложенное к левому зажиму r0g пропорционально отношению витков. Сле-

78

довательно и это шунтирующее полное сопротивление (его со­ ставляющие) не влияет в определенных пределах существенно на точность измерения, а лишь уменьшает чувствительность, которая успешно может компенсироваться усилением в цепи ин­ дикатора. Все это позволяет сравнительно точно проводить ди­ станционные измерения при удалении преобразователя (дат­ чика) от вторичного (измерительного) прибора на значительные расстояния. В СССР на основе описанной схемы изготовляют приборы типа Е8-2, Е10-7, Е11-8 и другие, которые допускают значительное шунтирование без существенного влияния на точ­ ность измерения.

Из выражения (IV. 16) видно, что надлежащий подбор отво­ дов от обоих трансформаторов обеспечивает измерения в широ­ ком диапазоне величин при минимальном количестве эталонов. Значит, при соответствующей конструкции преобразователя, когда можно считать паразитные поля, а также краевые поля, не пронизывающие исследуемое вещество, постоянными в мо­ мент измерения, схема рис. IV. 6 позволяет исключить пара­ метры Сп, Rn и другие, относящиеся к краевым, из рассмотре­ ния.

Определение электрофизических параметров растворов с по­ мощью вышеизложенных методов значительно усложняется при высоких частотах, так как может нарушиться одно из основных условий измерения — сосредоточение электрического поля си­ стемы преобразователя. При высоких частотах преобразователь может стать системой с распределенными параметрами. Чтобы избежать этого, приходится уменьшить габариты преобразова­ теля. В данном случае также появляется необходимость в учете индуктивности электрической системы преобразователя и под­ водящих проводов, требуется их надежное экранирование и т. д. Использование описанных методов на высоких частотах с при­ менением приборов, построенных на основе резонансных схем, значительно затрудняет определение проводимости жидких ди­ электриков, у которых х = 10~ 8 Сим/см и менее.

IV.3 БЕСКОНТАКТНЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ МЕТОДЫ

Метод, основанный на взаимодействии вихревых токов в проводнике с магнитным полем, их вызывающим

Попытки анализировать вещество по проводимости бескон­ тактным способом предпринимались давно [47—56], но развива­ лись они, главным образом, в направлении применения ин­ дукционных методов. В дальнейшем бесконтактные методы получили сравнительно широкое распространение в самых раз­ личных областях науки и техники. На сегодняшний день в тру^ дах Клуга [57—59] дан, пожалуй, самый обширный обзор при­ менений и развития бесконтактных индукционных, индуктивных и емкостных методов.

79