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不同的液体介质材料具有不同的介电常数,因而测定液体介质材料的介电常数在各学科之中就有非常重要的意义。详细介绍了两种测试液体介电常数方法,并根据测试原理设计了两种测量液体介电常数的专用测试盒,且明确了各自的优缺点,给出了提高测试精度的相关措施。0 N* x7 N2 F k. h( i, K0 V
介电常数又称电容率或相对电容率, 表征电介质材料或绝缘材料电性能的一个重要物理参数, 常用ε表示。不同的液体介质材料具有不同的介电常数,因此测定液体介质材料的介电常数在各学科之中就有非常重要的意义。化学领域中的液体介电常数,它是溶剂的一个重要物理特性,它表征溶剂对溶质分子溶剂化以及其隔开离子的能力。介电常数越大的溶剂,具有越强的隔开离子能力,具有越大的溶剂化能力。生物医疗领域的液体介电常数,其利用生物组织与器官的电特性及其变化规律,提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息。而油液监测是液体的介电常数的又一个重要应用领域,如食品安全检测中,食用油介电常数的变化可以用来判定油在高温加热环境中或长期存放环境中的质量变化;如在高压电技术中,检测绝缘油质量好坏的一种有效手段是测试其介质损耗因子,由于过热或氧化而引起油质老化或混入其它微量杂质时,在用化学方法尚不能察觉时,介质损耗因数就已明显的分辨出来;油液分析诊断技术中,润滑油液中的磨粒及污染度的监测是对机械设备进行状态监测与故障诊断的一个重要手段,当润滑油逐渐劣化或被污染其介电常数会发生相应的变化,因此油液介电常数的变化蕴含着机械设备的故障信息等等。下面简单介绍两种常用的测试液体介电常数方法,并依此设计了两种测量液体介电常数的专用测试盒。1、液体介质介电常数测试方法, s, Q" T- Y0 w: c9 }( Q# G' k
液体材料在中、低频下介电常数常用的测试方法有平板电容器测量法、圆柱电容器测量法,都是通过测量充满介质电容器的电容与真空电容(或空气电容)比值来得到介电常数。在中低测试频率下,因表面漏导对介电损耗因子影响巨大,一般采用三电极测量方法[6]。文中介绍的电容器样品盒均采用三端测量。/ ~0 S" P) u* N% L+ ]8 _2 Y6 u
1.1、平板理想电容器测量法4 B1 G# z" z: p, l: g
平板电容器由两个彼此靠得很近的平行极板所组成, 两极板的面积均为S、两极板的间距为d(见图1)。把两极板间的电场看成是均匀电场,略去极板的边缘效应,其冲入被测液体前的电容值(空气εr=1)可写为' n) h/ I. J7 s: T
. b6 t+ B2 W, d7 j; ^2 \. R ; ^3 Y. l+ i. p( l/ K2 D' h$ T
图1 平板电容器理论模型
, O# |& l! B: E! K; h% a' O4 l 冲入被测液体后的电容值可写为
+ h8 o; g# Y% s k$ r
/ r7 q v0 [: Y: C U" {* b 因此被测液体的相对介电常数为5 U$ M: K+ q! g- D+ ^' \& }8 i
3 J6 J; }% r) Z
1.2、圆柱理想电容器测量法. H) H2 ?3 t/ e5 Y, Y7 O
3 ]9 Z$ m Y0 W2 F
图2 圆柱电容器理论模型" P) i/ y! y: h% g& h% a) b C2 y
图2 所示为测定液体相对介电常数εr的圆柱电容器理论模型, 略去电极的边缘效应,冲入被测液体前的电容值(空气εr=1)可写为$ C: T* Q" ~/ ^. ?; k
: m* d: d5 C: C/ Y
冲入被测液体后的电容值可写为
- [& \# F% l6 b% d0 ^ 0 ], q. \# G5 h" A$ i" r- @5 `
因此,被测液体的介电常数为, P+ }3 i' u3 y$ D. _! B8 J4 _
2、液体介质介电常数测试盒开发. T6 ~/ h' J$ j1 x
2.1、平板电容器测试盒! b, u" C2 N$ T& k% G: K
" `3 q- l' }# O( ]; {6 D 图3 液体平板电容器测试盒示意图; p2 h4 _- A& R( C* g1 i
实际应用中平板电容器通常为三端电容器,如图3 所示的液体平板电容器测试盒。此时液体介质的测试电容C 介质测量由两部分电容构成,即$ ~2 a* [! G- @' X/ N5 d4 }- L
C 介质测量=C 理论+C 附加=C 理论+C 系统+C 边缘(7)+ n0 d+ w8 c) T% L1 N" L# ~ Z+ S
因此被测液体的介电常数为" w* l$ H4 t, ]; B% a. G" c
7 f# z) _; [# S$ S6 r
图3 采用了保护电极,其上、下电极之间的边缘效应近似为零,即; i. M5 W+ c% h& u/ j% R+ ~3 m
C 边缘≈0 (9)( I! A8 P: e% u0 Q% F' Y V
对于低粘性的液体物质,为了避免液体挥发(尤其高温下)影响样品检测结果,平板电容器在特氟龙间隔体上设有三个密封圈。另需注意的是平板电容器测试盒进行设计时,进行测试的上、下电极的间隙应适中,保护电极的长度至少是样品厚的两倍,下电极的直径必须达到保护电极的外直径长度。
6 S0 u2 t5 B( o8 t; L& I4 q 2.2、圆柱电容器测试盒. B, s/ D6 t' j0 k
测量中圆柱电容器通常设计为三端电容器,见图4。液体介质的测试电容C 介质测量由两部分电容构成,即5 L8 O A0 M8 F
C 介质测量=C 理论+C 附加=C 理论+C 系统+C 边缘(10)
# c: d( ~9 C% \. A, F. I 由于采用了保护电极之后,其内、外电极之间的边缘效应近似为零,即
! r! W/ s& `9 M( z7 [/ L7 G) J C 边缘≈0 (11)! w: C9 H" x( F
被测液体的介电常数可写为 |
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