Коаксиальная цилиндрическая система электродов для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована в электротехнической, авиационной и других отраслях промышленности для исследования проводящих свойств композитных материалов, например, углепластиков при измерениях их электропроводности с учетом анизотропии свойств композитного материала в широком диапазоне частот.
Известна измерительная установка Active cell for measuring electrical resistivity of nanostructured polymer composites [RO131749]. Это устройство относится к типу активных ячеек для измерения удельного электрического сопротивления (или проводимости) наноструктурированных полимерных композитных материалов. В устройстве активный элемент содержит опору, снабженную углублением, в которое вставлены образцы материала, причем указанные образцы прижимаются к электрическим контактам посредством пластины, где активная ячейка содержит усилитель, который может быть подключен с помощью клемм к источнику постоянного тока и к электронному вольтметру, активный элемент имеет встроенный источник питания и снабжен металлическим корпусом для экранирования.
Известна измерительная установка Systems and methods for inspecting electrical conductivity in composite materials [EP1783501]. В этой установке создана система измерения электропроводности (или удельной электрической проводимости), которая состоит из катушки, соединенной с источником переменного тока, который предназначен для индуцирования тока в проводящем материале.
Известна измерительная установка Apparatus for measuring conductivity [EP1172647]. Это устройство для измерения электропроводности содержит три электрода, приведенные в контакт с измеряемым веществом. Один электрод предназначен для обнаружения электрической проводимости измеряемого вещества, и два электрода для подачи переменного тока, расположенные с обеих сторон электрода обнаружения на соответствующих расстояниях. Этот прибор обеспечивает стабильное измерение электропроводности (или удельной электрической проводимости) исследуемого вещества.
Известна измерительная установка Method for testing anisotropic conductivity and interlinear contact electrical resistivity of carbon fiber composite material [CN106404850]. Это устройство используется для измерения анизотропной проводимости и удельного электрического сопротивления углеродного волокнистого композитного материала. Значения сопротивления в трех направлениях однослойной пластины из углеродного волокна измеряют методом частотного сканирования на основе принципа измерения импеданса, удельное электрическое сопротивление в трех направлениях образца для испытаний определяют по формуле расчета сопротивления, и тензор проводимости однонаправленного непрерывного длинноволокнистого композиционного материала выведен на основе метода преобразования координат. В соответствии со структурными особенностями слоистого материала из углеродного волокна путь тока в направлении толщины определяется на основе туннельного эффекта и емкостной связи. Удельное электрическое сопротивление межслойного контакта различных ламинированных пластин рассчитывается по закону Ома. С помощью этого метода может быть реализован систематический анализ и представление электрических характеристик углеродных волокнистых композиционных материалов.
Недостатками всех вышеописанных установок для измерения электропроводности (или удельной электрической проводимости) проводящих композитных материалов являются:
обязательный гальванический контакт измерительных электродов с исследуемым материалом, сопротивление которого может вносить существенную погрешность в результат измерений;
невозможность задать требуемую ориентацию возбуждаемого в композитном материале электрического поля и соответствующего ему электрического тока и согласовать с направлениями анизотропии исследуемого материала;
невозможность учесть неравномерность распределения плотности тока по образцу исследуемого материала.
1
2
1
2
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является испытательная установка Method and apparatus for measuring electrical conductivity [WO2005069022] Это устройство для измерения электропроводности (или удельной электрической проводимости) в материале в том числе и в жидком. Устройство содержит два плоских электрода, которые через провода осуществляют гальванический контакт поверхности измеряемого образца с измерительной системой. Измерительная система состоит из измерительного трансформатора, который измеряет напряжение V, питающего трансформатора, индуктирующего ток в систему при напряжении 10 В и второго измерительного трансформатора тестовой цепи. Тестовая цепь содержит в качестве нагрузки содержит эталонный резистор R, значение сопротивления которого известно. Напряжение V на резисторе R измеряется вторым измерительным трансформатором. Далее вычисление сопротивления Rx образца выполняется из соотношения Rx=R×V/V для любых частот, на которых может выполняться эксперимент – то есть заранее предполагается независимость результатов измерения от частоты напряжения. Так как в противном случае при получении из эксперимента различных Rx для различных частот следует указать, чем вызвано это различие: изменением распределения токов в образце, вследствие поверхностного эффекта, изменением удельной электрической проводимости от частоты или обоими этими эффектами.
В описанной установке направление вектора плотности электрического тока может быть задано в соответствии с направлениями анизотропии исследуемого материала только в средней части материала образца. Направление вектора плотности электрического тока вблизи краев электродов не совпадает с направлениями анизотропии исследуемого материала, так как в этих областях направление вектора плотности электрического тока изменяется от геометрической координаты, а направление анизотропии проводимости композитных материалов неизменно. Соответственно, определенное Rx не будет соответствовать проводимости образца в направлении анизотропии.
В прототипе, при изменении частоты ток перераспределяется по сечению образца вследствие поверхностного эффекта. Поэтому изменение Rx при изменении частоты будет результатом двух эффектов: изменения собственно удельной проводимости материала образца (интересующее нас в эксперименте) и изменения сопротивления из-за поверхностного эффекта. Выделение только необходимой нам зависимости в описанной установке не представляется возможным.
В описанной установке, при измерениях удельной проводимости материала образца используются электроды, с помощью которых к образцу подводится ток. Площадь и качество выполнения контактной зоны влияет на результат измерения величины Rx. Учет сопротивления контактного пятна сложен, требует специальной обработки места контакта и предполагает применение разных технологий для образцов с различной механической прочностью.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обязательный гальванический контакт измерительных электродов с исследуемым материалом, невозможность задать требуемую ориентацию возбуждаемого в композитном материале электрического поля и согласовать это направление с направлением анизотропии исследуемого материала, а также, невозможность учесть неравномерность распределения плотности тока по образцу исследуемого материала.
3
1
Сущность полезной модели состоит в том, что в системе электродов для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов, включающей в себя два электрода, подключенных к источнику питания, выполненному в виде генератора синусоидальных сигналов, один из электродов выполнен в виде цилиндрического кругового стакана, внутри которого коаксиально расположен испытуемый материал в виде цилиндра с центральным отверстием, в котором расположен второй электрод, коаксиальный с первым и соединенный одним концом с источником питания, а другим - с дном стакана, при этом внутренние стенки стакана покрыты слоем электроизоляционной краски, на оба торца образца нанесен слой электропроводящей смазки, изолирующая шайба из диэлектрика отделяет образец от дна стакана, а со стороны другого торца образец поджимается ко дну стакана с помощью раздвижной шайбы, выполненной из диэлектрика. При этом, внутренний радиус электрода R, выполненного в виде цилиндрического кругового стакана, может составлять, например, 20 мм, радиус внутреннего электрода R - 0.25 мм, а длина ℓ образца - 80 мм. Для нанесения на электрод и образец могут быть использованы, например, электроизоляционная эмаль ЭП-969 и электропроводящая смазка ЭПС-98.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании устройства, в котором отсутствует гальванический контакт измерительных электродов с исследуемым материалом, возможно проведение измерения удельной электрической проводимости в заданном направлении анизотропии свойств композитного материала, а также выполняется учет неравномерности распределения плотности тока по образцу исследуемого материала.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
эскиз радиального разреза коаксиальной цилиндрической системы электродов для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов (Фиг. 1);
принципиальная электрическая схема возможного применения коаксиальной цилиндрической системы электродов для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов (Фиг. 2);
характерная зависимость потерь в образце композитного материала от его удельной проводимости, полученная для фиксированной частоты приложенного напряжения (Фиг.3).
3
2
1
Коаксиальная цилиндрическая система электродов 1 для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов (фиг. 1), состоит из двух электродов 2 и 3, электрод 3 выполнен в виде цилиндрического кругового стакана с внутренним радиусом R. Внутри электрода 3 коаксиально расположен образец испытуемого материала 4 в виде цилиндра с центральным отверстием радиуса R, в котором расположен электрод 2 радиуса R, коаксиальный с электродом 3. Электрод 2 соединен с дном стакана. Изолирующая шайба из диэлектрика 5 отделяет один торец образца от дна стакана. На оба торца образца нанесен слой электропроводящей смазки 6. Со стороны другого торца, образец поджимается ко дну стакана с помощью раздвижной шайбы 7, выполненной из диэлектрика. Раздвижная шайба 7 представляет собой два кольца выполненных из диэлектрического материала (например, полиметилметакрилата). На внутренней стороне большего кольца и внешней меньшего нарезана резьба таким образом, чтобы меньшее кольцо вворачивалось в большее, изменяя таким образом аксиальный размер раздвижной шайбы. Внутренние стенки стакана покрыты слоем электроизоляционной краски 8. Изолирующая шайба из диэлектрика 9 фиксирует положение электрода 2.
На Фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема подключения коаксиальной цилиндрической системы электродов 1 к источнику питания, выполненному в виде генератора синусоидальных сигналов переменной частоты. При протекании электрического тока с угловой частотой ω по электродам 2 и 3 (Фиг. 1) в образце протекает ток, вектор плотности δ которого для некоторого момента времени направлен, как показано на Фиг. 1. Этот ток вызывает потери, регистрируемые измерителем активной мощности (ваттметром). По величине Р этих потерь определяется удельная проводимость  композитного материала в направлении протекания тока. Направление протекания тока может совпадать (или не совпадать, в зависимости от задач эксперимента) с направлением анизотропии. На торцах образца токи замыкаются по проводящей смазке 6, что позволяет избежать «концевого эффекта» и не вносит существенных изменений в потери, так как проводимость смазки подбирается на несколько порядков выше проводимости композитного материала. Благодаря коаксиальной конструкции системы электродов, достигается равномерность распределения плотности тока в образце по угловой координате. При длине образца ~80 мм предложенная полезная модель позволяет измерять частотные характеристики композитных материалов вплоть до частот 50 кГц.
Система электродов, предназначенная для измерения частотной зависимости проводимости композитных материалов, состоит из элементов, имеющих следующие характеристика и функциональное назначение:
3
электрода, выполненного в виде цилиндрического кругового стакана, выполненного из электротехнической меди марки не ниже М1 (позиция 3 на Фиг. 1), внутренние стенки стакана покрыты слоем электроизоляционной краски (наилучшая - ЭП-969, но может использоваться электроизоляционная эмаль ГФ-92 хс), внутренний радиус R (см. Фиг. 1) электрода должен быть в диапазоне 10-40 мм, толщина стенки стакана не менее 1 мм, что позволяет прижать к нему с помощью винта провод от источника питания, длина электрода должна быть не менее 1.3×ℓ, где ℓ длина образца, что обеспечивает равномерность распределения тока по угловой координате в области расположения образца;
1
электрода, выполненного в виде кругового цилиндра, выполненного из электротехнической меди марки не ниже М1 (позиция 2 на Фиг. 1), который приварен к дну стакана, радиус R электрода (см. Фиг. 1) должен быть в диапазоне 0.2-0.5 мм, электрод выходит за шайбу 9, и с помощью винта соединяется с источником питания – генератором напряжения синусоидальной формы, характерное значение тока электрод 1-10 А;
раздвижной шайбы (позиция 7 на Фиг. 1), состоящей из себя двух колец, выполненных из диэлектрического материала (например, полиметилметакрилата), на внутренней стороне большего кольца и внешней меньшего нарезана резьба таким образом, чтобы меньшее кольцо вворачивалось в большее, изменяя таким образом аксиальный размер раздвижной шайбы, назначение шайбы – фиксировать образец;
диэлектрической шайбы 9 (например, полиметилметакрилат), служащей для фиксации электрода 2, обеспечивая его коаксиальность с системой;
образца, выполненного в виде полого цилиндра, длиной ℓ, которая должна быть в диапазоне 60-120 мм, ось анизотропии композитного материала образца должна либо совпадать и осью системы, либо быть ей перпендикулярна, на торцевые поверхности образца, нанесена электропроводящая смазка ЭПС-98 (может использоваться любая другая, с аналогичными свойствами), обеспечивающая замыкание токов на торцах.
Измеряемыми величинами являются активная мощность Р, равная величине потерь в коаксиальной системе, и ток (Фиг. 2). Величина Р потерь, измеряемая в эксперименте при заданной частоте ω приложенного напряжения, может быть представлена в виде суммы составляющих:
0
x
Р=Р+Р,
0
x
x
где Р – потери, измеренные в отсутствии образца, а Р– потери в образце композитного материала. По величине Р - потерь в образце композитного материала вычисляется искомая удельная проводимость  композитного материала (Фиг. 3).
x
Потери Р связаны с геометрическими параметрами коаксиальной системы, частотой ω и искомой удельной проводимостью, и выражаются соотношением [К.С.Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин Теоретические основы электротехники, Том 3, СПб, Питер, 2003, 376 стр.]
, Вт,
где  - удельная проводимость образца композитного материала,  - длина образца композитного материала,  - напряженность электрического поля в образце композитного материала, равная .
Коэффициенты определяются по:
,
,
1
2
где  Гн/м – магнитная проницаемость материала образца, I – действующее значение тока, измеряемое амперметром, ω - угловая частота проведения эксперимента, R, R - геометрические параметры коаксиальной системы,  - Бесселевы функции первого и второго рода,
x
0
x
x,ex
x
Приведенные выше соотношения позволяют построить зависимость потерь в материале образца композитного материала от его удельной проводимости для произвольной частоты. На Фиг. 3 приведена характерная зависимость потерь в материале образца композитного материала от его удельной проводимости, полученная для фиксированной частоты приложенного напряжения по приведенным выше соотношениям. Эта зависимость может быть использована для определения удельной проводимости материала по величине активных потерь в нем. Для определения γ при заданной ω следует определить для этой частоты P=P и по этому значению определить γ (Фиг. 3).