Пристрій для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів

1. Пристрій для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів, що містить послідовно з'єднані смуговий фільтр, квадратичний детектор, згладжуючий резистор та вхід автоматичного перемикача, до виходів якого підключені входами два накопичувальні конденсатори, виходи яких з'єднані з загальною заземленою шиною, другий автоматичний перемикач, комутаційний генератор, виходом з'єднаний з керуючими входами обох автоматичних перемикачів, диференціальний підсилювач і вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені двообмотковий вихрострумовий датчик, резонансний конденсатор та генератор змінної напруги, високопотенціальний вихід якого з'єднаний зі входом другого автомати U 2 (19) 1 3 що містить послідовно з'єднані смуговий фільтр, квадратичний детектор, згладжуючий резистор та вхід автоматичного перемикача, до виходів якого підключені входами два накопичувальні конденсатори, виходи яких з'єднані з загальною заземленою шиною, другий автоматичний перемикач, комутаційний генератор, виходом з'єднаний з керуючими входами обох автоматичних перемикачів, диференціальний підсилювач і вольтметр. Крім того, пристрій включає два електроди, магазин провідностей, високоомний і низькоомний калібровані резистори, які з'єднані з електродами і входами диференціального підсилювача. Електропровідність досліджуваного матеріалу оцінюється за рівнем теплових шумів, які виникають внаслідок теплових флуктуацій носіїв електричного заряду в полімерах (солитонів і поляронів). Однак, контактне зняття шумової напруги приводить до того, що в значній мірі вимірюється поверхнева електропровідність, а не об'ємна. Введення електродів всередину полімерного матеріалу порушує його цілісність і тому неприпустимо. Крім того, власні шуми магазину провідностей знижують точність виміру електропровідності. В основу корисної моделі покладено задачу створення такого пристрою для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечилось би підвищення точності виміру об'ємної електропровідності полімерного матеріалу завдяки безконтактному зняттю вимірювальної інформації. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів, що містить послідовно з'єднані смуговий фільтр, квадратичний детектор, згладжуючий резистор та вхід автоматичного перемикача, до виходів якого підключені входами два накопичувальні конденсатори, виходи яких з'єднані з загальною заземленою шиною, другий автоматичний перемикач, комутаційний генератор, виходом з'єднаний з керуючими входами обох автоматичних перемикачів, диференціальний підсилювач і вольтметр, згідно з корисною моделлю, в нього введені двообмотковий вихрострумовий датчик, резонансний конденсатор та генератор змінної напруги, високопотенціальний вихід якого з'єднаний зі входом другого автоматичного перемикача, виходи якого з'єднані з одними кінцями обмоток вихрострумового датчика, а інші кінці останніх з'єднані з входом резонансного конденсатора, з'єднаного з сигнальним входом смугового фільтра, другий вхід якого підключений до загальної заземленої шини, вихід резонансного конденсатора з'єднаний з другим виходом генератора змінної напруги і з загальною заземленою шиною, входи диференціального підсилювача з'єднані з входами накопичувальних конденсаторів, а до його виходу підключений вольтметр. Крім того, доцільно двообмотковий вихорострумовий датчик виконати у вигляді двох спіральних друкованих обмоток, розміщених на двох діелектричних підкладках, закріплених на феромагнітному екрані з отвором всередині, через який проходить струмопровідний стрижень, який з'єднує кінці спіральних друкованих обмоток, роз 62191 4 ташованих в центрі діелектричних підложок, а інші кінці спіральних обмоток, виконані у вигляді струмопровідних ламелей, розташовані на периферії двох діелектричних підложок. Введення в схему пристрою для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів двообмоткового вихрострумового датчика забезпечує безконтактну реакцію провідності досліджуваного матеріалу на параметри датчика. Послідовно включений конденсатор з комутуємими обмотками вихрострумового датчика створює режим послідовного резонансу, що різко збільшує чутливість пристрою навіть до малої електропровідності досліджуваного матеріалу. Почергова фільтрація та квадратичне детектування порівнюваних резонуючих змінних напруг підвищує завадозахищеність пристрою і виключає інструментальні похибки від нестабільності параметрів перетворюючих ланцюгів. Включення диференціального підсилювача між високопотенціальними електродами накопичувальних конденсаторів забезпечує додаткове збільшення чутливості пристрою за рахунок безпосереднього підсилення різницевої напруги, яка пропорційна електропровідності полімерного матеріалу. Виконання двообмоткового датчика у вигляді двох спіральних друкованих обмоток, виготовлених методом фотолітографії, розміщених на діелектричних підкладках, підвищує точність порівняння електропровідності досліджуваного матеріалу з повітряним середовищем практично нульової електропровідності за рахунок їх конструктивної ідентичності та розподіленому зондуючому магнітному полю. Використання загального екрана з феромагнітного матеріалу виключає взаємний вплив обмоток одна на одну, а втрати, що вносяться матеріалом екрана, не впливають на результат порівняння, що дозволяє підвищити точність вимірювання об'ємної електропровідності полімерних матеріалів. На фіг. 1 зображена електрична схема пристрою для оцінки електропровідних властивостей полімерних матеріалів, на фіг. 2 - конструкція двообмоткового вихрострумового датчика. На фіг. 1 високопотенціальний вихід генератора змінної напруги 1 з'єднаний з входом автоматичного перемикача 2, виходи якого з'єднані з початками обмоток 3 і 4 двообмоткового вихрострумового датчика, кінці обмоток з'єднані з входом (високопотенціальним електродом) резонансного конденсатора 5, вихід (низькопотенціальний електрод) цього конденсатора з'єднаний з другим виходом генератора змінної напруги 1 і з загальною заземленою шиною 6. Сигнальний вхід смугового фільтра 7 з'єднаний з високопотенціальним електродом резонансного конденсатора 5, другий вхід якого з'єднаний з загальною заземленою шиною 6. До виходу смугового фільтра 7 підключені послідовно з'єднані квадратичний детектор 8, згладжуючий резистор 9 і входом автоматичний перемикач 10, до виходів якого підключені входи (високопотенціальні електроди) накопичувальних конденсаторів 11 і 12, виходи (низькопотенціальні електроди) яких з'єднані з загальною заземленою шиною 6. Входи диференціального підсилювача 13 з'єднані з високопотенціальними електродами 5 накопичувальних конденсаторів 11 і 12, до його виходу підключений вольтметр 14. Комутаційний генератор 15 своїм виходом з'єднаний з керуючими входами автоматичних перемикачів 2 і 10. Позицією 16 позначений досліджуваний полімерний матеріал. На фіг. 2 показаний у розрізі двообмотковий вихрострумовий датчик, в якому котушки 17 і 18 виконані у вигляді спіральних друкованих обмоток 3 і 4, виготовлених методом фотолітографії, які розміщені на двох діелектричних підкладках 19 і 20, закріплених на феромагнітному екрані 21 з отвором всередині, через який проходить струмопровідний стрижень 22, який з'єднує кінці друкованих обмоток, розміщених у центрі діелектричних підложок 19 і 20. Кінці спіральних обмоток у вигляді струмопровідних ламелей 23 розміщені на периферії двох діелектричних підложок 19 і 20. У центрі діелектричних пластин розміщені струмопровідні ламелі 24 кінців спіральних обмоток. Конфігурація зондуючих магнітних полів котушок 17 і 18 при їх збудженні змінним струмом показані у вигляді замкнених силових ліній 25 і 26, що виходять із центру обмоток. Пристрій працює наступним чином. Генератор змінної напруги 1 у вказаному положенні автоматичного перемикача 2 збуджує обмотку 3 вихрострумового датчика. Ємність резонансного конденсатора 5 обирають такою, щоб у послідовному ланцюгу з індуктивністю обмотки 3 виникав резонанс напруг. На частоті генератора 1 f цій умові відповідає рівняння: 1 2fL1  2fC , (1) де L1 – індуктивність обмотки 3; С - ємність резонансного конденсатора 5. Падіння напруги на резонансному конденсаторі 5, яке поступає на смуговий фільтр 7, визначається співвідношенням: U U1  2 1   2fC  2fL1    r2 2fC   , (2) де U - напруга генератора 1 змінної напруги; r - опір втрат у резонансному ланцюгу, обумовлений опором обмотки 3 і діелектричними втратами резонансного конденсатора 5. З урахуванням рівності (1) маємо: U U1   QU 2fCr , (3) де Q – добротність послідовного резонансного ланцюга. Таким чином, при наявності резонансу в ланцюгу напруга на конденсаторі 5 зростає в Q разів, що підвищує чутливість запропонованого пристрою. При протилежному положенні автоматичного перемикача 2 збуджується обмотка 4, у магнітному полі якої розміщений досліджуваний полімерний матеріал 16. У випадку наявності електропровідності в досліджуваному матеріалі в ньому виникають вихрові струми, які мають розмагнічувальну дію на обмотку 4 датчика. У результаті цього па 62191 6 діння напруги на резонансному конденсаторі 5 приймає значення: U U2  2 1   2 2fC 2f L2  L     r  r  2fC   , (4) де L2 - індуктивність обмотки 4; ΔL - розмагнічуючий ефект від вихрових струмів; Δr - втрати, що вносяться провідним об'єктом. У випадку використання друкованих обмоток однакової конфігурації можна вважати, що L1=L2, тоді з урахуванням рівняння (1) одержимо: U U2  2fC 2fL 2  r  r 2 , (5) Вираз (5) можна привести до вигляду: Q U2  U 2 2 r   2fL      1   r   r   , (6) З виразу (6) видно, що наявність електропровідності в досліджуваному полімерному матеріалі приводить до зменшення результуючої добротності резонансного ланцюга і, як наслідок, до зменшення напруги на резонансному конденсаторі 5 (U2