Спосіб безконтактного вимірювання електричної провідності плівок полімерних електролітів за допомогою комбінованого датчика

1. Спосіб безконтактного вимірювання електричної провідності плівок полімерних електролітів, що включає розташування плівки на плоскій підкладці з діелектрика, збудження зондувального вихрового магнітного поля за допомогою котушки індуктивності на ряді дискретних частот і вимірювання її імпедансу на цих частотах при розташуванні робочого торця котушки спочатку на поверхні плівки, а потім на підкладці, розміщення усередині котушки коригувального датчика, який відрізняється тим, що усередині котушки розміщують електроємнісний коригувальний датчик, на першій частоті робочого діапазону визначають активну частину внесеного в котушку імпедансу, віднесену до власного реактивного опору котушки, замінюють діелектричну підкладку на підкладку з немагнітного металу, вимірюють ємність і добротність коригувального електроємнісного датчика, визначають відносну величину внесеного реактивного опору котушки, повторюють ці дії на кожній дискретній частоті робочого діапазону, корегують відносні значення внесеного активного опору, проводять апроксимацію скорегованих значень у робочому частотному діапазоні й екстраполяцію у бік нижніх частот, обчислюють відношення екстрапольованого значення опору до відповідної йому частоти, по якому визначають питому електричну провідність плівки полімерного електроліту, обумовлену рухом вільних носіїв заряду. 2 (19) 1 3 60955 4 контролю котушки індуктивності, отримане знані не менше шести частотних точок виміру в робочення використовують для визначення діелектричому діапазоні. 14. Спосіб за одним з пп. 1 або 7, 11-13, який відчної проникності і питомої електричної провідності різняється тим, що діаметр котушки індуктивності полімерного електроліту, ці дії повторюють на всіх дискретних частотах робочого діапазону. вибирають у діапазоні від 6 до 20 мм, при цьому 8. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що діемінімальний радіальний розмір зразка повинен не лектричну підкладку виготовляють з матеріалу з менше ніж у 2 рази перевищувати діаметр котуш-3 тангенсом кута діелектричних втрат не вище 10 у ки. 15. Спосіб за одним з пп. 1 або 7, 11-14, який віддіапазоні метрових довжин хвиль. 9. Спосіб за одним з пп. 1-7, який відрізняється різняється тим, що мінімальний діаметр проводу тим, що металеву підкладку виготовляють з матенамотування котушки задають не менше ніж 1/10 ріалу з питомою електричною провідністю не ниждіаметра котушки, але не більше 1,5 мм, число че 50 См/м. витків котушки вибирають не більше чотирьох. 10. Спосіб за одним з пп. 1-9, який відрізняється 16. Спосіб за одним з пп. 1 або 7, 11-15, який відрізняється тим, що число витків котушки, діаметр тим, що робочі поверхні діелектричної і металевої підкладок виконують з однаковою і мінімально проводу намотування і крок намотування вибираможливою шорсткістю. ють відповідними максимальній чутливості, при 11. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що цьому власна резонансна частота котушки, що корекцію відносного внесеного в котушку індуктивзадається величинами її індуктивності і паразитної ності активного опору на кожній частоті здійснюміжвиткової ємності, повинна не менше ніж на поють множенням його на коефіцієнт, що дорівнює рядок перевищувати верхню частоту робочого відношенню різниці загальної питомої провідності діапазону. 17. Спосіб за одним з пп. 1-16, який відрізняєтьполімеру і добутку коефіцієнта діелектричних ся тим, що арматуру, за допомогою якої кріплятьвтрат на значення частоти виміру, до загальної питомої провідності, цю операцію повторюють на ся коригувальний електроємнісний датчик і котушкожній дискретній частоті діапазону. ка індуктивності, виготовляють з діелектрика з -3 12. Спосіб за одним з пп. 1 або 11, який відрізнятангенсом кута діелектричних втрат не вище 10 , ється тим, що загальну питому провідність полізагальний об’єм арматури мінімізують за коефіціємерного електроліту на кожній частоті робочого нтом заповнення котушки. 18. Спосіб за п. 7, який відрізняється тим, що діапазону визначають за градієнтом частотної характеристики відносного внесеного активного виміряні на дискретних частотах робочого діапаопору на попередньому даній частоті кроці. зону значення товщини плівки усереднюють і 13. Спосіб за одним з пп. 1 або 11, 12, який відріотримане значення використовують при розрахунзняється тим, що апроксимацію скорегованих ку питомої електричної провідності полімерного значень, внесених у котушку індуктивності активелектроліту за екстрапольованим значенням внених опорів, здійснюють з використанням полінома сеного активного опору котушки індуктивності. 19. Спосіб за одним з пп. 1-18, який відрізняєтьне вище другого ступеня з застосуванням методу ся тим, що товщину діелектричної підкладки занайменших квадратів, з використанням отриманої залежності здійснюють екстраполяцію на один дають рівною діаметру котушки, товщину металекрок по частоті у бік нижніх частот при використанвої підкладки задають не менше 3мм. Винахід відноситься до електричної промисловості, зокрема до області вимірювання електричних властивостей полімерних електролітів, що використовуються при виробництві хімічних джерел струму. Відомі методи і пристрої, що використовують для збудження вихрового магнітного поля і безконтактного вимірювання електромагнітних властивостей матеріалу котушки індуктивності: наприклад [патенти США US 4303885 «Багаточастотний вихрострумовий прилад і метод», Davis, et. al., December 01, 1981, G 01N 27/82; US 5889401 «Метод і апаратура для визначення товщин шарів, розташованих на підкладинці», Jourdain, et. al., March 30, 1999, G 01N 27/72; US 6288536 «Вихрострумовий датчик», Mandl, et. al., September 11, 2001, G 01N 27/72; US 6479990 «Вихрострумовий датчик для аналізу досліджуваного об'єкта і метод його роботи», Mednikov, et. al., November 12, 2002, G 01N 27/72, US 6593738 „Метод і апаратура для вимірювання товщини провідних плівок з викорис танням індуктивного та ємнісного сенсорів", Kesil et. al, Jule 15,2003, G 01N 27/72.]. У патенті US 4303885 вихрострумовий метод використовується для проведення абсолютних і диференціальних, з використанням двох ідентичних датчиків, вимірів параметрів несуцільностей у провідних матеріалах. Збудження магнітного поля вихрострумового датчика (котушки індуктивності) здійснюється на ряді частот. Значення внесеного імпедансу котушки, виміряні на цих частотах, використовуються для визначення параметрів несуцільностей і корекції впливу заважаючих факторів, наприклад зміни відстані між датчиком і поверхнею об'єкта контролю. Достоїнством методу є багаточастотний режим роботи, це дозволяє одержати більше інформації про досліджуваний об'єкт. Однак безпосереднє застосування цього методу для контролю плівок полімерних електролітів зустрічає серйозні труднощі. Поверхня зразків, як правило, невелика і використовувати диференціа 5 60955 6 льні виміри важко. Крім того, на внесений імпеданс різних структурах, тобто металевих плівок на діекотушки індуктивності в діапазоні метрових довжин лектричних чи напівпровідникових дисках викорисхвиль впливають діелектричні втрати полімеру, що товується вихрострумовий метод. Апаратура місробить виміряну провідність частотнозалежною у тить індуктивний датчик та електроємнісний тому випадку, коли навіть провідність, обумовлена датчик . Електроємнісний датчик механічно зв'язарухом вільних носіїв заряду, не залежить від часний з індуктивним в єдину конструкцію і використоти. товується для фіксації відстані до поверхні метаУ патенті US 5889401 запропонований метод левої плівки. Використовуючи сигнал вихрострумового контролю як мінімум одного шаелектроємнісного датчика, здійснюють динамічну ру, розташованого на підкладці. Як мінімум або стабілізацію відстані між індуктивним датчиком та шар, або підкладка проводять електричний струм. поверхнею плівки. Як джерело первинного поля і вимірника параметПеревагою даного винаходу є використання рів вторинного поля, утвореного вихровими струдодаткового електроємнісного датчика, поєднаномами, наведеними в провідному шарі чи підкладці го з індуктивним в єдину конструкцію, для вимірювикористовується котушка індуктивності. Первинне вання відстані від нього до поверхні плівки. Викомагнітне поле генерується як мінімум на двох часристання сигналу електроємнісного датчика тотах. Виміряються електромагнітні властивості дозволяє стабілізувати відстань між індуктивним підкладки і шару, отримані значення внесеного датчиком і поверхнею плівки. імпедансу використовуються для визначення товПроте в нашому випадку між компланарними щини і властивостей шарую. пластинами електроємнісного датчика і поверхнею Достоїнством методу є багаточастотний реметалевої підкладинки розташована плівка поліжим роботи вихрострумового датчика і можливість мерного електроліту, властивості якої досліджувизначення товщини шару. Однак для цього робоються. В залежності від хімічного складу, концентча і допоміжна частота (чи частоти) повинні бути рації солі в електроліті діелектрична проникність значно рознесені по шкалі частот. У нашому випаматеріалу плівки змінюється. Відповідно змінюєтьдку, при вимірі електропровідності слабопровідних ся і ємність датчика при постійній відстані до поелектролітів, верхня межа частотного діапазону верхні металевої підкладинки. Тому безпосереднє нерідко досягає 250-300Мгц, а котушка практично використання даного патенту для виміру відстані являє собою рамкову антену. Серйозно збільшити до поверхні металевої підкладинки в нашому вичастоту не представляється можливим, тому що падку неможливо внаслідок великих похибок вимідодатково зменшити індуктивність датчика без рювання. значного збільшення похибки вимірів практично Найбільш близьким за технічною сутністю до неможливо. Використання допоміжної, значно пропонованого винаходу є [патент США US більш низької частоти, наприклад, з кілогерцового 6479990 «Вихрострумовий датчик для аналізу додіапазону вимагає і використання допоміжного сліджуваного об'єкта і метод його роботи», датчика із сердечником, просторово об'єднаного з Mednikov, et. al.]. вимірювальною маловитковою котушкою. Це приВихрострумовий датчик містить вимірювальну веде до значного зниження добротності вимірюваі компенсаційну котушки, а також вимірювальний льної котушки за рахунок втрат потужності поля в ланцюг і служить для визначення властивостей матеріалі сердечника, магнітна проникність якого є матеріалу досліджуваного об'єкта та його геометще і частотнозалежною на метрових хвилях. Проричних параметрів. Метод роботи датчика вклюцес виміру провідності плівок полімерів у цих умочає розташування об'єкта на заданій відстані від вах буде характеризуватися значними похибками. вимірювальної і компенсаційної котушок, вимір У патенті US 6288536 запропонований вихросімпедансу вимірювальної котушки на першій і друтрумовий датчик, що має вимірювальну котушку гий заданих частотах, визначення властивостей індуктивності, що містить перемінний струм, і виматеріалу, а також геометричних параметрів об'ємірювальний ланцюг. Для компенсації впливу змін кта, ґрунтуючись на виміряних значеннях імпедантемператури навколишнього середовища на імпесу, з використанням компенсації температурного данс вимірювальної котушки використовується впливу на вимірювальну котушку за допомогою компенсаційна котушка, що, як і вимірювальна має сигналу, сформованого компенсаційною котушкою. циліндричну форму і розташована на осі симетрії Компенсаційний датчик просторово менше, ніж вимірювальної котушки. вимірювальна котушка і розташований усередині Достоїнством даного винаходу є використання її. Витки обох котушок розташовані на одній осі, додаткової котушки, що дозволяє одержати незагеометричні форми ідентичні. Компенсаційний лежний сигнал, що використовується для компендатчик розташовується так, що вплив досліджувасації фактора, що заважає, у даному випадку змін ного об'єкта на нього є мінімальним. Температуртемператури навколишнього середовища. на компенсація полягає у відніманні комплексного Недоліком цього датчика є наявність паразитімпедансу компенсаційної котушки з комплексного ного взаємозв'язку між полями вимірювальної і імпедансу вимірювальної котушки. Для визначення компенсаційної котушок. Це приводить до того, що властивостей матеріалу, а також геометричних сигнал компенсаційної котушки залежить також і параметрів об'єкта спочатку об'єкт розташовується від інформаційного сигналу вимірювальної котушвід вимірювальної котушки на відстані, що переки, що збільшує погрішність компенсації та вимірів вищує її діаметр, при цьому визначається власний в цілому. імпеданс вимірювальної котушки. Потім об'єкт наВ патенті US 6593738 для вимірювання товближається до вимірювальної котушки і знову вищини та змін товщини тонких провідних покрить на мірюється її імпеданс. На основі отриманих зна 7 60955 8 чень, визначених на кожній з частот контролю, торів розташовані паралельно один одному і сирозраховуються властивості матеріалу, а також метрично щодо центра котушки, відстань між ними геометричні параметри об'єкту. у декілька разів перевищує максимальну товщину Основною перевагою даного способу, у порівзразків плівок електроліту. нянні з попереднім, котрий також використовує Поверхні зовнішнього витка котушки і пластин компенсаційний датчик, є використанням двох чаелектроємнісного датчика, що контактують зі зразстот контролю. Це дозволяє проводити виміри при ком полімерного електроліту покривають высокорізних глибинах проникнення вихорового магнітнодобротною в електричному відношенні, зносостійго поля в матеріал і, тим самим, деякою мірою кою плівкою, товщина якої не перевищує 10мкм і враховувати геометричні параметри об'єкта контоднакова для котушки і пластин електроємнісного ролю при розрахунку, наприклад, електричної датчика. провідності матеріалу контрольованого об'єкта. По величині ємності електроємнісного датчиОсновними недоліками даного способу і вика, у випадку, коли підкладка плівки є металевою, хрострумового датчика стосовно до вимірювання з урахуванням товщини пружного полімерного електричної провідності плівок полімерних електелектроліту, навантаженого вагою комбінованого ролітів є: датчика, визначають діелектричну проникність недостатня кількість частот вимірів, що не дополімерного електроліту на кожній дискретній часзволяє визначити залежність внесеного імпедансу тоті робочого діапазону. вимірювальної котушки від частоти; З використанням виміряних значень діелектвідсутність даних про діелектричні втрати маричної проникності і добротності електроємнісного теріалу, що не дозволяє скорегувати значення датчика визначають величину коефіцієнта діелеквнесеного імпедансу на частотах вимірів; тричних втрат, добуток якого на значення частоти неможливість визначення товщини плівки повикористовують для корекції відносного внесеного лімеру з достатньою точністю при використанні в котушку індуктивності активного опору на кожній тільки двох частот контролю. дискретній частоті робочого діапазону. В основу винаходу поставлена задача одерПо величині відносного внесеного в котушку жання достовірних результатів виміру питомої реактивного опору у випадку, коли плівка полімеру електричної провідності полімерних електролітів. розташована на металевій підкладці, визначають Поставлена задача досягається тим, що в товщину пружного полімерного електроліту, наваспособі і комбінованому датчику для безконтактнонтаженого вагою комбінованого датчика, в області го виміру електричної провідності плівок полімерплями контролю котушки індуктивності, отримане них електролітів, що включає розташування плівки значення використовують для визначення діелектна плоскій підкладці з діелектрика, збудження зонричної проникності і питомої електричної провіддувального вихрового магнітного поля за допомоності полімерного електроліту, ці дії повторюють гою котушки індуктивності на ряді дискретних часна всіх дискретних частотах робочого діапазону. тот і вимірювання її імпедансу на цих частотах при Діелектричну підкладку виготовляють з матерозташуванні робочого торця котушки спочатку на ріалу з тангенсом кута діелектричних втрат не ви-3 поверхні плівки а потім на підкладці, розміщення ще 10 у діапазоні метрових довжин хвиль. усередині котушки коригувального датчика, відпоМеталеву підкладку виготовляють з матеріалу відно до винаходу на першій частоті робочого діаз питомою електричною провідністю не нижче пазону визначають активну частину внесеного в 50Мсм/м. котушку імпедансу, віднесену до власного реактиРобочі поверхні діелектричної і металевої підвного опору котушки, заміняють діелектричну підккладок виконують з однаковою і мінімально можладку на підкладку з немагнітного металу, виміливою шорсткістю. рюють ємність і добротність коригувального Корекцію відносного внесеного в котушку індуелектроємнісного датчика, визначають відносну ктивності активного опору на кожній частоті здійсвеличину внесеного реактивного опору котушки, нюють множенням його на коефіцієнт, що дорівповторюють ці дії на кожній дискретній частоті ронює відношенню різниці загальної питомої бочого діапазону, коректують відносні значення провідності полімеру і добутку коефіцієнта діелеквнесеного активного опору, проводять апроксиматричних втрат на частоту до загальної питомої цію скоректованих значень у робочому частотному провідності, цю операцію повторюють на кожній діапазоні й екстраполяцію у бік нижніх частот, обдискретній частоті діапазону. числюють відношення екстрапольованого значенЗагальну питому провідність полімерного еленя опору до відповідної частоти, по якому визнактроліту на кожній частоті робочого діапазону вичають питому електричну провідність полімерного значають по градієнту частотної характеристики електроліту, обумовлену рухом вільних носіїв завідносного внесеного активного опору на попередряду. ньому даній частоті кроці. Електроємнісний датчик реалізують у вигляді Апроксимацію скоректованих значень внеседвох тонких пластинок, розташованих компланарних у котушку індуктивності активних опорів здійсно, зовнішня поверхня пластинок збігається з нюють з використанням полінома не вище другого площиною зовнішньої поверхні крайнього витка ступеня з застосуванням методу найменших квадкотушки індуктивності. ратів, з використанням отриманої залежності здійКожна з пластинок електроємнісного датчика снюють екстраполяцію на один крок по частоті у являє собою сектор кола, розташованого співвісно бік нижніх частот при використанні не менше шесциліндричній котушці індуктивності, радіус кола не ти частот виміру в робочому діапазоні. перевищує половини радіуса котушки, хорди секДіаметр котушки індуктивності вибирають у ді 9 60955 10 апазоні від 6 до 20мм, при цьому мінімальний рачисло витків W=3. діальний розмір взірця повинний не менш, ніж у 2 Фіг.7. Залежність відносного внесеного в корази перевищувати діаметр котушки. тушку індуктивності активного опору від частоти Мінімальний діаметр проводу намотування кодля електроліту, що складається з базового політушки задають не менше однієї десятої від діамемеру ХПВХ, солі LiClO4 і пластифікатора пропилетра котушки, але не більше 1,5мм, число витків нкарбоната з концентрацією солі 0,5М ; радіус кокотушки не більше чотирьох. тушки індуктивності - R=4,4мм, кількість витків Число витків котушки, діаметр проводу намоW=3. тування і крок намотування вибирають відповідРозглянемо конкретний приклад реалізації ними максимальній чутливості, при цьому власна способу. резонансна частота котушки, що задається велиКотушку індуктивності реалізуємо з викорисчинами її індуктивності і паразитної ємності повинтанням трьох витків (W=3) мідного проводу діамена не менш, ніж на порядок перевищувати верхню тром d0=1мм. Зовнішній діаметр котушки частоту робочого діапазону. Dзовн.=9мм, внутрішній діаметр Dвнутр.=7мм, таким Арматуру, за допомогою якої кріплять друг до чином, середній діаметр D=8мм (радіус R-4мм). друга пластини електроємнісного датчика і котушУсередині котушки розташований накладний елекку індуктивності виготовляють з діелектрика з тантроємнісний датчик. Котушка встановлюється на 3 генсом кута діелектричних втрат не вище 10" , поверхню плівки з полімерного електроліту, що загальний обсяг арматури мінімізують за коефіцієрозташована на діелектричній підкладці (фіг.1). нтом заповнення котушки. Електроємнісний датчик виготовлений у виді двох Обмірювані на дискретних частотах робочого мідних пластинок товщиною 0,5мм, кожна з них діапазону значення товщини плівки усереднюють і має форму сектора кола (фіг.2). Діаметр цього отримане значення використовують при розрахункола - 4мм. Хорди секторів пластин розташовані ку питомої електричної провідності полімерного паралельно один одному і симетрично щодо електроліту за екстрапольованим значенням внецентра котушки. Відстань між хордами задано рівсеного активного опору котушки індуктивності. ною 1мм. Поверхні зовнішнього витка котушки і Товщину діелектричної підкладки задають рівпластин електроємнісного датчика, що контактуною діаметру котушки, мінімальну товщину метають зі зразком покриті високочастотним лаком. левої підкладки задають рівною 3мм. Товщина плівки лаку 6мкм. Кожний із зазначених відмітних ознак є необТаким чином, між металевою поверхнею зовхідним, а всі разом - достатніми для досягнення нішнього витка котушки, поверхнею пластин електехнічного результату. Проведений заявником троємнісного датчика і поверхнею взірця полімерпошук по джерелах патентної і науково-технічної ного електроліту введена тонка высокодобротная інформації, аналіз відібраних за результатами ізолююча плівка. Це виключає омічний контакт пошуку аналогів і прототипу показав, що пропонометалу витка і пластин з електролітом і зв'язані з ваний спосіб і комбінований датчик для безконтакцим контактним явища, роблячи таким чином витного виміру електричної провідності плівок поліміри безконтактними. мерних електролітів відповідає критеріям По витках котушки пропускають синусоїдальвинаходу «новизна і технічний рівень». ний струм різної частоти. При цьому в просторі, що Сутність пропонованого винаходу пояснюєтьоточує котушку збуджується вихрове магнітне пося наступними фігурами. ле відповідних частот. Спочатку, на першій частоті Фіг.1. Комбінований датчик на плівці полімерробочого діапазону, котушку встановлюють на ного електроліту: поверхню плівки електроліту, що розташована на 1 - котушка індуктивності, 2 - пластини електдіелектричній підкладці, виготовленій з фтороплароємнісного датчика, 3 - плівка полімерного електста. Взірці плівки мали форму кола. Діаметр взірроліту, 4 - підкладка. ців складав 17мм. Це задовольняє вимозі, щоб Фіг.2. Робочий торець комбінованого датчика: мінімальний радіальний розмір взірця не менш, 1 - зовнішній виток котушки індуктивності, 2 - пласніж у два рази перевищував діаметр котушки. У тини електроємнісного датчика. цьому випадку тангенціальна складова магнітного Фіг.3. Схема електроємнісного перетворювача: поля котушки практично цілком замикається в взі1 - електроємнісний датчик, 2 - плівка полімерці електроліту (див. приклад 1). рного електроліту, 3 - металева підкладка, 4 - плаМагнітне поле котушки індуктивності наводить стини наведені на поверхні металу. у плівці електроліту вихровий струм, що тече по Фіг.4. Залежність нормованої величини A\s везамкнутому контуру. Максимальна щільність викторного потенціалу магнітного поля витка у вільхрового струму в нашому випадку спостерігається ному просторі від відношення z/R при (p=R. Тут R безпосередньо під зовнішнім витком котушки. У радіус витка, (p і z - координати циліндричної сисзагальному випадку діаметр контуру вихрового теми координат). струму, наведеного в провідному середовищі, виФіг.5. Залежність нормованої величини A/s везначається не тільки діаметром котушки, але такторного потенціалу магнітного поля витка у вількож залежить і від відносної відстані (зазору) між ному просторі від відношення (р/R при z/R= 0, Тут поверхнею крайнього витка і зовнішньою поверхR - радіус витка, (р і z - координати циліндричної нею середовища. У нашому випадку відношення системи координат. зазору до радіуса котушки (h/R=0,1мм/4мм=0,025, Фіг.6. Залежність відносного, внесеного в котобто дуже мало, тому діаметр контуру вихрового тушку індуктивності реактивного опору від відстані струму практично збігається з діаметром котушки. до металевої підкладки, радіус котушки R=4мм, Поява в плівці електроліту вихрового струму 11 60955 12 -12 приводить до того, що власний активний опір ко0=8,810 Ф/м - діелектрична постійна вакууму;  тушки збільшується на деяку величину, що нази- коефіцієнт діелектричних втрат. вається внесеним опором. Звичайно при розрахуДо матеріалів, електропровідність яких описунках використовують відносну величину внесеного ється формулою (1) відносяться полімери, у тому опору, тобто нормують внесений опір до власного числі і полімерні електроліти. реактивного опору котушки на даній частоті, що У високочастотному діапазоні за допомогою визначають, розташовуючи робочий торець котукотушки індуктивності (вихрострумовий датчик) шки безпосередньо на діелектричній підкладці. Як вимірюють загальну електропровідність  (1). У уже згадувалося вище, підкладка виконана з фтотой же час для того, щоб характеризувати якість ропласта, не впливає на магнітне поле котушки й у електроліту, що працює в хімічних джерелах струцьому відношенні еквівалентна вакууму. му, потрібна наскрізна провідність 0, обумовлена Як показують експерименти через малу провірухом вільних носіїв заряду, насамперед іонів. дність полімерного електроліту і невелику товщину Тому на першій частоті робочого діапазону обчисплівки, реактивна частина внесеного імпедансу, люють добуток 0”, що використовують для кообумовлена впливом магнітного поля вихрового рекції відповідного значення відносного внесеного струму плівки на котушку індуктивності дуже мале. в котушку індуктивності активного опору. Після визначення активного внесеного опору Описані дії повторюють на кожній дискретній діелектричну підкладку заміняють на підкладку з частоті виміру з робочого діапазону. немагнітного металу, ми використовували мідну Величина відносного внесеного в одновиткову пластину товщиною 3мм. При цьому визначають котушку активного опору для тонкої плівки полімеємність і добротність коригувального електроємнірного електроліту може бути представлена у виді сного датчика. [2,3]: Коли плівка електроліту розташовувалася на Râí 72 * 107 R2d0 підкладці з діелектрика, силові лінії потенційного ,  (2) L0 L0 9  (Rd0 )2 електричного поля пластин накладного конденсатора концентрувалися не тільки в плівці, але й у де RBH - внесений в котушку активний опір,L0 значній мірі захоплювали область підкладки. А власна індуктивність котушки, =2f - кругова часзважаючи на те, що електричні властивості плівки і тота, R - радіус котушки, d - товщина плівки,  її товщина в зоні плями контролю змінюються від питома електрична провідність полімерного елект-7 взірця до взірця, змінюється і співвідношення нароліту, 0=4*10 Гн/м - магнітна постійна вакууму. пруженостей електричного поля в плівці і підкладРозрахуємо величину другого доданку в знаці. Таким чином, вплив підкладки не залишається 8 меннику (2) для R=4мм, d=0,1 мм, =2*10 Гц, постійним. =1См/м. Схема електроємнісного датчика у випадку, Тоді Rd0  0,315 * 103 . Очевидно, що друколи підкладка є металевої, показана на фіг.3. Проти кожної з пластин накладного конденсатора гим доданком у знаменнику в порівнянні з числом на поверхні металевої підкладки наводиться ана9 можна зневажити. логічна пластина за рахунок концентрації вільних Тоді носіїв заряду відповідного знака. Таким чином, ми Râí 32 * 1014 2 одержуємо два послідовно з'єднаних плоскопара R d (3) L0 L0 лельних конденсатора, заповнених досліджуваним полімерним електролітом. На першій частоті робоВизначимо загальну питому провідність полічого діапазону вимірюється загальна ємність і домерного електроліту  по градієнту частотної хабротність електроємнісного датчика, за значеннярактеристики RBH/L0 на кроці, що передує даній ми, яких знаходиться ємність і добротність частоті. Тоді корекцію RBH/L0 на даній частоті плоскопаралельного конденсатора. Знаючи товзробимо множенням величини RBH/L0 на коефіціщину плівки в області контролю і площу пластин, єнт k: знаходять діелектричну проникність полімерного    0" електроліту. k 0  (4)   Тангенс кута діелектричних втрат матеріалу Цю операцію повторюють на кожній частоті визначається як відношення коефіцієнта діелектвиміру з робочого діапазону. ричних втрат  до діелектричної проникності . Як уже згадувалося вище внаслідок малих Величина тангенса зворотна добротності, тобто провідності і товщини плівка полімерного електроtg=1/Q. Тому, знаючи діелектричну проникність  і літу практично не оказує впливу на індуктивність величину tg можна визначити величину коефіцієкотушки. У той же час і на активний опір і на індукнта діелектричних втрат = tg. тивність котушки значний вплив оказує величина Відомо, [1], що в матеріалах (поганих діелектвідстані від робочого торця котушки до поверхні риках), що характеризуються і наявністю наскрізметалевої підкладки. ної провідності і наявністю діелектричних втрат, які Розглянемо, який параметр котушки - активвиникають при зсуві і переорієнтації зв'язаних заний або реактивний опір є більш кращим для вимірядів у зовнішнім полі, електрична провідність ру відстані до металевої підкладки чи, фактично, представляється у виді суми: товщини полімерної плівки на металевій підкладці. (1) =0+0”, Виходячи з загальної теорії взаємодії витка з де 0 - наскрізна провідність обумовлена ругармонійним струмом і провідного немагнітного хом вільних носіїв заряду; =2f -кругова частота, середовища, при збільшенні добутку провідності 13 60955 14 частоти найкраще (з мінімальним середньоквадна частоту  внесений активний опір RBH/L0 збіратичним відхиленням) апроксимуються або лінійльшується, починаючи з нульового значення, проною залежністю або залежністю параболічного ходить максимум і потім зменшується до нульовотипу. Залежність лінійного типу указує на сталість го значення. Внесений реактивний опір зі провідності  у досліджуваному частотному діапазбільшенням  монотонно збільшується. Максизоні, залежність параболічного типу зі значною мум RBH/L0 спостерігається при значенні узагальімовірністю вказує на наявність діелектричних неного параметра   R  0 приблизно рівному втрат у полімерному електроліті. Крім того, у де5. Як випливає з даних роботи [2] (див.фіг.3.1) при яких випадках може мати місце і частотна залеж=30 величина RBH/L0 складає приблизно 56% від ність наскрізної провідності σο, викликана, напримаксимальної величини, при =80-27%, при =100клад, зміною концентрації носіїв заряду в зоні 8 провідності. 16%. У нашому випадку при R=4мм, ω=2*10 Гц, 7 Як правило, на частотних залежностях розкид σ=5,6*10 См/м (мідь) величина узагальненого пакрапок невеликий, коефіцієнт кореляції в більшості раметра =841. При цьому значення RBH/L0 дуже випадків перевищує 0,9. Це дозволяє з викорисмало і порівняне зі значеннями, одержуваними танням навіть 6 крапок виміру здійснити екстраповнаслідок впливу електроліту (корисний сигнал). А ляцію, використовуючи апроксимуючу залежність, тому що σ плівки змінюється через зміну концентна один крок вліво, у бік нижніх частот. рації солі і під впливом ряду інших причин, то виТак наприклад, при використанні котушки з користовувати внесений активний опір для виміру W=3 використовувалися частоти 40, 50, 60, 70, 80, товщини плівки недоцільно. 90,100Мгц (див. приклад 6). Екстраполяція була Внесений реактивний опір, чи внесена індукздійснена на частоту 30Мгц. тивність при β=841 дуже значна, і по тим же даним Дослідження параметричних вихрострумових роботи [2], (фіг.3.1) відношення L/L0 досягає датчиків у виді коротких циліндричних котушок 0,45, тобто LBH/L0=0,55. Це відношення експоненіндуктивності (соленоїдів) показало, що в діапазоні ціально, з негативним показником експоненти рівзначень діаметрів котушок від 6 до20мм при щільним 3h/R залежить від відстані h між площиною ному намотуванні проводом з діаметром від однієї витка одновиткової котушки і поверхнею металевої десятої діаметра котушки до 1,5мм максимум чутпідкладки. Для більшого числа витків котушки має ливості досягається при числі витків W=4. При місце механізм взаємодії витків через середовивиготовленні котушки варто враховувати також ще, у даному випадку, для LBH/L0 через металеву значення власної резонансної частоти котушки, що підкладку, при цьому експоненціальний характер визначається її індуктивністю і паразитною міжвитвпливу зазору з максимальною чутливістю при ковою ємністю. Для виключення додаткових погрімалих товщинах плівки зберігається. Для котушки шностей, зв'язаних із впливом резонансних явищ з кількістю витків W=3, механізм формування запри вимірах власна резонансна частота котушки лежності від відстані до металевої підкладки розгповинна не менш, ніж на порядок перевищувати лянутий у прикладі 3. значення верхньої частоти робочого діапазону. Вимір товщини полімерної плівки в місці розЗменшення власної резонансної частоти досяташування робочого торця комбінованого датчика гається зменшення числа витків котушки W і збінеобхідний з ряду причин. По-перше як показує льшенням відстані між витками. досвід рідко вдається реалізувати плівки з постійПри рівної нулю частоті поля котушки індуктиною товщиною в межах навіть 2-3см; по-друге плівності (ω=0) у провідному середовищі вихорові вка полімерного електроліту є пружною і при устаструми не наводяться і внесений імпеданс котушки новці на неї комбінованого перетворювача під дорівнює нулю. Таким чином, на частотній харакдією його, хоч і невеликої ваги, товщина плівки теристиці RBH/L0 можна з'єднати відрізком прямої змінюється; по-третє - у процесі висихання плівка екстрапольоване значення RBH/L0 із крапкою позмінює свою товщину і пружні властивості; у четчатку координат. Нахил цього відрізка до осі чи вертих - через те, що домогтися високої однорідабсцис, інакше, відношення екстрапольованого ності плівки вдається не завжди використання опзначення RBH/L0 до відповідної йому частоти і тичних методів визначення її товщини, хоча би на дасть значення, по якому, використовуючи вираз торцях, характеризується значною погрішністю. (3) для W=1 чи більш складну процедуру для біЗначення товщини плівки, виміряне по велильших значень W (див. приклад 4), визначають чині відносного внесеного в котушку реактивного питому електричну провідність полімерного електопору використовується для визначення діелектроліту, обумовлену рухом вільних носіїв заряду. ричної проникності і питомої електричної провідРозглянуті нижче приклади пояснюють суть ності полімерного електроліту на всіх дискретних винаходу. частотах робочого діапазону. Приклад 1. Одержані значення відносних внесених у коВекторний потенціал магнітного поля витка з тушку індуктивності активних опорів, скоректовагармонійно змінюючимся струмом у вільному проних сигналами електроємнісного перетворювача, сторі, у випадку, коли центр циліндричної системи апроксимують поліноміальною залежністю. Чискоординат поміщений у центрі витка, можна предленні дослідження взірців рідинних і твердих елекставити у виді [2]: тролітів (у тому числі і полімерних) з солями LiCF3SO3, LiClO4, Li(CF3SO2)2, з різною концентра IR   z A  0  J1(R)I1( )e d, (5) цією солі, котушками різних діаметрів з числом 2 0 витків W=1,2,3,4 (при W>4 чутливість вимірів різко Де І- струм у витку, R - радіус витка, 0=410 знижується) показали, що залежності RBH/L0 від 15 60955 16 Гн/м - магнітна постійна, J1 - функція Бесселя залежність показана на фіг.6, Залежність нормована до максимального значення, що досягається першого порядку,  - параметр перетворення; ,z при h=0. видно, що при малих зазорах, що відповікоординати циліндричної системи координат. Інтедає товщині плівки, залежність практично лінійна, грал у (5) виражається через повні еліптичні інтегщо дозволяє зробити вимірювальну схему більш рали першого Е и другого К роду, таблиці яких простою. містяиься в ряді математичних довідників, вклюПриклад 4. чаючи [7]: Вираження (3) використовується при обчис  I R  k 2  ленні питомої електричної провідності  для одно1  K(k )  E(k ) , A 0 (6) виткової котушки (W=1) при величині зазору h=0. k   2      Розглянемо, процедуру визначення питомої прові4R 2 дності при W>1. Де k  , Нехай W=2 і зазор між крайнім витком котушки (R  )2  z2 і поверхнею матеріалу як і раніше значно менше Напруженість електричного полючи спрямоварадіуса котушки. Тоді за рахунок того, що другий на уздовж координати  циліндричної системи виток котушки відстоїть від поверхні матеріалу на координат і пропорційна векторному потенціалу відстані діаметра проводу намотування першого магнітного полючи. ЭДС, що наводиться магнітним витка d0 (щільне намотування) у вираженні (3) полем витка в будь-якому співвісному з ним контуз'являється множник Р, що характеризує вплив рі, рівна циркуляції вектора Е по цьому контурі, і узагальненого зазору для всієї котушки також пропорційна векторному потенціалу. Таким 3(h2 h3 ) 3h1 3(h1 h2 ) 3h2 чином, величина А є зручною характеристикою (7) P  e R  e 2R  e 2R e R поля витка і відповідно, маловиткової вимірювальде h1 - зазор між першим витком котушки і поної котушки. На фіг.4 приведена розрахована по верхнею матеріалу, hi- зазор між другим витком формулі (6) залежність величини A/s, де котушки і поверхнею матеріалу. s=0Ι/=const, від відношення z/R при =R. Як виЯкщо h1=0, a h2=d0, то пливає з графіка при z/R=1 величина векторного 3d0 3d0 потенціалу зменшується приблизно в 10 разів від (8) P  e R  2e 2R максимальної величини, що спостерігається при Множник Р описує взаємодія витків котушки z=0, при z/R=2 величина векторного потенціалу через провідне середовище. Так у вираженні (7) зменшуватися приблизно в 40 разів, тобто складає перший доданок відповідає процесу збудження приблизно 2,5% від максимальної. Та ж ситуація полем першого витка траєкторії вихрового струму приблизно зберігається і для маловитковой котушв середовищі і взаємодії поля цього вихрового ки. струму з першим витком. Другий доданок відповіТаким чином, можна вважати, що якщо відсдає процесу взаємодії поля вихрового струму, натань між торцем вимірювальної котушки і граниведеного першим витком, з другим витком. Третій цею провідної середовища складає два радіуси доданок відповідає процесу взаємодії поля вихрокотушки і більше, то матеріал не робить практично вого струму, наведеного другим витком, з першим ніякого впливу на імпеданс котушки. витком, Четвертий доданок відповідає процесу Приклад 2. взаємодії поля вихрового струму, наведеного друРезультати розрахунку векторного потенціалу гим витком з другим витком. A/s у залежності від радіальної координати (/R При W=3 вираження для Р має наступний вид: при z/R=0 по формулі (6), приведеної в прикладі 1, 3h3 3h1 3h2 3(h1 h2 ) показані на фіг.5. Графік показаний для поля у вільному просторі. P  e R  e R  e R  2e 2R  (9) Графік показує, що на відстані від центра вит3(h1 h3 ) 3(h2 h3 ) ка (/R=2 величина A/s складає приблизно 12% від  2e 2R  2e 2R максимальної. Та ж ситуація приблизно зберігаде h1, h2, h3 - відстань від відповідних витків до ється і для маловитковой котушки. У провідному поверхні провідної середовища. середовищі поле згасає швидше, ніж у вільному Крім взаємодії витків котушки через провідне просторі, причому швидкість згасання по радіальсередовище вони взаємодіють між собою з виконій координаті збільшується зі збільшенням добутристанням механізму взаємоіндукції, перерозподіку частоти поля на провідність матеріалу. Таким ляючи внесені в кожен виток опори. Так, внесений чином, якщо діаметр плівки матеріалу в два рази в перший виток активний опір R(1) за рахунок взаâí перевищує діаметр вимірювальної котушки, то на зовнішній радіальній границі взірця величина векємоіндукції витків Μ забезпечує поява в другому торного потенціалу поля складає менш 10% від витку внесеного опору R(12 ) : âí максимальної, що є припустимою погрішністю при 2 (1) практичному використанні способу. (M) Râí R(12 )  2 2 , (10) âí Приклад 3.  L0  (r0  R(1) )2 âí Для дослідження залежності відносного внеде L0 і L0 - власні індуктивність і активний опір сеного в котушку реактивного опору X8H/L0 від витка. відстані від крайнього витка до поверхні мідної Якщо добротність витка, розташованого на пластини h використана котушка з діаметром D=8мм, намотана впритул проводом d0=1мм із поверхні плівки електроліту Q1  L0 /(r0  R(1)  1 âí числом витків W=3. Відповідна експериментальна , що в наших експериментах завжди виконується 7 17 60955 18 (вона у нас рідко менше 100), те квадрат Q1 тим 1 K(k 2 ) N(k 2 ) H  0, H  0, Hz  [  ], (20) більше >>1 і, отже, другим доданком у знаменнику 2 (R  ) (R  ) (10) можна зневажити. де R - радіус витка, І - амплітуда струму у витТоді ку, K і N - повні еліптичні інтеграли першого і друÌ 2 (1) (12 ) Râí  ( ) Râí (11) гого роду. З використанням рядів інтегралів K і N L0 розрахували нормальну складову поля Hz у залеІндуктивність витка визначається вираженням жності від координати , використовуючи проміж2 2 2 [4]: ний параметр k =4R/[(R+) +z ]. Результати роз8D 7 рахунку для R-4мм приведені в таблиці 1. L0  0R(Ln  ), (12) d0 4 Обмежуючи радіус кола, що включає сектора (пластини) електроємнісного датчика значенням де D - діаметр витка котушки, d0 - діаметр про2мм, ми розташуємо пластини в області порівняно воду. слабкого поля. Взаємна індуктивність двох співвісних витків визначається вираженням: Таблиця 1  Ì  0 rf (s / 2r ), (13) 4 Hz/I , мм де S - відстань між осьовими лініями проводів 0,0625 0 сусідніх витків, функція F дорівнює: 0,0658 1 3 16 4 35 6 0,0763 2 F(  S / 2R )  4[(1  2      4 64 256 0,114 3 (14) 4 1 2 31 4 247 6  ...) ln  2       ...].  4 128 1536 Ємність електроємнісного перетворювача, при діелектричній проникності полімерного електроліту Розглянемо приклад конкретного розрахунку внесеного активного опору двовиткової котушки =10 і товщині плівки, розташованої на металевій відповідно до описаного механізму. Параметри підкладці d=0,1мм складає для такого електроємкотушки: R=4мм, d0=1мм. Тоді нісного датчика 2,3пФ. Величина ємності достатня 3 0,5 1,5 для здійснення вимірів діелектричної проникності в ( ) (15) 2 високочастотному діапазоні з високою чутливістю. R(1)  Râí 0 [1  e 4 ]  1 47Râí 0, , âí Приклад 6. де Rвн0 - опір, внесений у перший виток, 0,5мм Розглянемо скоректовану з урахуванням діе- відстань від осі першого витка до поверхні плівки, лектричних втрат залежність величини Rвн/L0 від 1,5мм - відстань від осі другого витка до поверхні частоти для плівки полімерного електроліту із сілплівки електроліту. лю LiClO4, концентрація солі 0,1М. ВикористовуваВнесений опір другого витка лася котушка індуктивності з радіусом 3 3 ( 0,5 1,5 ) 1,5 R=4,4мм, діаметром проводу d0=1мм, числом (16) ( 2) 4 4 2 Râí  Râí 0 [e e ]  0,79Râí 0 , витків W=3. Виміри проводилися на частотах f=40, Таким чином, без урахування механізму взає60, 80, 100, 120, 140, Мгц. Відповідна залежність моіндукції внесений опір двовиткової котушки доRвн/L0 від частоти f показана на фіг.7. Екстрапорівнює льоване поліномом другого ступеня на частоту -5 20МГц значення Rвн/L0 складає 2,98*10 . На (17) Râí ( W  2)  R(1)  R( 2)  2,26Râí 0. âí âí графіку перехід до екстрапольованого значення Відношення M/Lo з урахуванням (11), (12) допоказаний тонкою суцільною лінією, а ділянка часрівнює: тотної характеристики, на якому зроблений розраM F(S / 2R)  . хунок питомої провідності полімерного електроліL0 4 ln(8D  7 ) (18) ту, показаний пунктиром. Розраховане значення d0 4 питомої електричної провідності 0=2,2См/м. У нашому випадку M/L0=0,62. Джерела інформації Тоді US 4303885, December 01, 1981, Davis et. al., G (1) RBH(W=2)=2,26 Rвн0+0,38 Rвн + 01 N 27/82, G 01 R 33/12 (19) (2) +0,38 Rвн =2,26 Rвн0+0,86 Rвн0=3,12 Rвн0. US 5889401, March 30, 1999, Jourdain et. al., G Тут (19) величина 0,86Rвн0 в останній сумі са01 N 27/72, G 01 R 33/12 ме і забезпечується механізмом взаємоіндукції. US 6288536, September 11, 2001, Mandl et. al., Описаний механізм враховується при розраG 01 N 27/72, G 01 R 33/12 хунку питомої електричної провідності електроліту, US 6479990, November 12, 2002, Mednikov et. Приклад 5. al., G 01 N 27/72, G 01 R 33/00 Розрахуємо магнітне поле круглого витка зі US 6593738, Me 15, 2003, Kesil et. al., G 01N 27/72, G 01B 007/10 струмом у залежності від координати  (=0 у 1. Hippel A. R., Dielectric and Waves, New York, центрі витка). Відповідно до [5,6] складові напру1954. женості магнітного поля Η в циліндричній системі 2. Соболев В, С., Шкарлет Ю. Μ., Накладні й координат у площині витка (z=0) визначаються екранні датчики, Новосибірськ, Наука, 1967. формулами 3. Levy S. Electromagnetic schielding effect of an infinite plane conducting sheet placed between 19 60955 20 circular coaxial coils. Proc. IRE, 1936, 24, N6. 6. Stratton J. A.Electromagnetic Theory, New 4. Калантаров П.Л., Цейтлин Л. Α., Розрахунок York, 1941. індуктивностей. Л., Енергоатоміздат, 1986. 7. Wheelon A.D. Tables of summable sevies and 5. Smythe W. R.Static and Dynamic Electricity. integrals involving Bessel functions. San Francisco: New York, 1939. Holden. Day Inc., 1968. 21 Комп’ютерна верстка О. Воробей 60955 Підписне 22 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601