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液體介電常數測試方法的研究
閱讀：8882發布時間：2019-1-28
不同的液體介質材料具有不同的介電常數，因而測定液體介質材料的介電常數在各學科之中就有非常重要的意義。詳細介紹了兩種測試液體介電常數方法，并根據測試原理設計了兩種測量液體介電常數的測試盒，且明確了各自的優缺點，給出了提高測試精度的相關措施。
介電常數又稱電容率或相對電容率， 表征電介質材料或絕緣材料電性能的一個重要物理參數， 常用ε表示。不同的液體介質材料具有不同的介電常數，因此測定液體介質材料的介電常數在各學科之中就有非常重要的意義。化學領域中的液體介電常數，它是溶劑的一個重要物理特性，它表征溶劑對溶質分子溶劑化以及其隔開離子的能力。介電常數越大的溶劑，具有越強的隔開離子能力，具有越大的溶劑化能力。生物醫療領域的液體介電常數，其利用生物組織與器官的電特性及其變化規律，提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息。而油液監測是液體的介電常數的又一個重要應用領域，如食品安全檢測中，食用油介電常數的變化可以用來判定油在高溫加熱環境中或長期存放環境中的質量變化;如在高壓電技術中，檢測絕緣油質量好壞的一種有效手段是測試其介質損耗因子，由于過熱或氧化而引起油質老化或混入其它微量雜質時，在用化學方法尚不能察覺時，介質損耗因數就已明顯的分辨出來;油液分析診斷技術中，潤滑油液中的磨粒及污染度的監測是對機械設備進行狀態監測與故障診斷的一個重要手段，當潤滑油逐漸劣化或被污染其介電常數會發生相應的變化，因此油液介電常數的變化蘊含著機械設備的故障信息等等。下面簡單介紹兩種常用的測試液體介電常數方法，并依此設計了兩種測量液體介電常數的測試盒。
1、液體介質介電常數測試方法
液體材料在中、低頻下介電常數常用的測試方法有平板電容器測量法、圓柱電容器測量法，都是通過測量充滿介質電容器的電容與真空電容(或空氣電容)比值來得到介電常數。在中低測試頻率下，因表面漏導對介電損耗因子影響巨大，一般采用三電極測量方法[6]。文中介紹的電容器樣品盒均采用三端測量。
1.1、平板理想電容器測量法
平板電容器由兩個彼此靠得很近的平行極板所組成， 兩極板的面積均為S、兩極板的間距為d(見圖1)。把兩極板間的電場看成是均勻電場，略去極板的邊緣效應，其沖入被測液體前的電容值(空氣εr=1)可寫為
沖入被測液體后的電容值可寫為：
因此被測液體的相對介電常數為：
圓柱理想電容器測量法：
圖2 圓柱電容器理論模型
圖2 所示為測定液體相對介電常數εr的圓柱電容器理論模型， 略去電極的邊緣效應，沖入被測液體前的電容值(空氣εr=1)可寫為
沖入被測液體后的電容值可寫為：
因此，被測液體的介電常數為：
液體介質介電常數測試盒開發
平板電容器測試盒
液體平板電容器測試盒示意圖
實際應用中平板電容器通常為三端電容器，如圖3 所示的液體平板電容器測試盒。此時液體介質的測試電容C 介質測量由兩部分電容構成，即
C 介質測量=C 理論+C 附加=C 理論+C 系統+C 邊緣(7)
因此被測液體的介電常數為
采用了保護電極，其上、下電極之間的邊緣效應近似為零，即
C 邊緣≈0 （9）
對于低粘性的液體物質，為了避免液體揮發(尤其高溫下)影響樣品檢測結果，平板電容器在特氟龍間隔體上設有三個密封圈。另需注意的是平板電容器測試盒進行設計時，進行測試的上、下電極的間隙應適中，保護電極的長度至少是樣品厚的兩倍，下電極的直徑必須達到保護電極的外直徑長度。
2.2、圓柱電容器測試盒
測量中圓柱電容器通常設計為三端電容器，見圖4。液體介質的測試電容C 介質測量由兩部分電容構成，即
C 介質測量=C 理論+C 附加=C 理論+C 系統+C 邊緣(10)
由于采用了保護電極之后,其內、外電極之間的邊緣效應近似為零，即
C 邊緣≈0 (11)
被測液體的介電常數可寫為：
從公式(12)可以看出，當圓柱越長，電容越大;當兩圓柱面間的間隙越小，電容越大。測試盒進行設計時，兩圓柱面間的間隙應適中，間隙太小，圓柱電容器容易被擊穿;間隙過大時，其體積又將過大。
液體介質圓柱電容器示意圖
圖4 為液體圓柱體電容器測試盒，一方面因為其采用保護電極減少了邊緣效應對測量結果的影響，同時由于測量內、外電極處于金屬容器部，屏蔽了外界電磁場的干擾;另一方面減少了測量液體由于熱膨脹效應產生的誤差，極大地提高了測量精度。與平板電容器相比，圓柱電容器更不易受到干擾，因此測試精度就更高。
2.3、減少電極極化效應對測試影響
液體樣品中含有大量的自由離子并由其產生電流電導，這將引起電極極化效應，降低低頻時介電常數、電導的測量精度。由于電極偏振引起的極化電荷層的厚度獨立于樣品厚度，因此通常通過增加電極間的間隔來降低極化電荷層阻抗與樣品阻抗的比率，提高測量結果的精度。實際中設計好的測試盒，電極間的間隙應根據實際測量需要進行適中設計。
2.4、樣品電容器附加電容精密測定
樣品電容器的附加電容與被測樣品電容相并聯，對于各種不同的測量而言它始終是個常量(恒定實數值)，這里提供一個基于差分法的校準程序。處于室溫環境下測試頻率不小于100 kHz 的樣品電容器，其理論電容值C0 幾何尺寸與實際樣品電容器真實電容值C0 真值之間存在定差值，且C0 幾何尺寸塏C0 真值。使用樣品電容器，對介質材料進行測試，得到的介質測量電容為
C 介質測量=ε 介質測量C0 幾何尺寸=ε 介質真值C0 真值+C 附加(13)
樣品介質為空氣測試時，C 附加為
C 附加=ε 空氣測量C0 幾何尺寸-ε 空氣真值C0 真值(14)
樣品介質為已知液體測試時，C 附加為
C附加=ε液體測量C0幾何尺寸-ε 液體真值C0 真值(15)
因此，可以得到
若ε 空氣真值=1，則
為樣品電容器校準中常用基準液體室溫下介電常數值。假設已知液體為乙醇(C2H6O)，其室溫環境下可由表1 得介電常數真值為24.3，則C0 真值就可以通過公式(17)得到，隨后可以通過公式(18)得到就樣品電容器的附加電容C 附加
未知液體測試結果
室溫下使用Novocontrol Concept80 寬頻介電譜儀測試阻抗系統， 樣品電容器經差分校準程序校準后(其中平板電容器的補償電容為1.32 pf，圓柱電容器的補償電容為7.53 pf) 測得的液體介電數， 其中圖5 為揚中市中遠有機硅有限公司生產的二甲基硅油介電常數; 圖6 為國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純AR 丙三醇(甘油)介電常數。圖中可以看出介電常數測試結果與測試頻率有關，且與表1 所公布的值相比偏小，這可能是由于粘稠液體取樣時不可避免地產生了氣泡;使用平板電容器與使用圓柱電容器的測試結果相比，其測試結果穩定性更好，精度更高。
結語
詳細介紹了兩種測試液體介電常數方法，其中平板電容器的測量簡單方便，但穩定性稍差，易受干擾;而圓柱電容器的結構比較穩定，不易受到干擾，因此測試精度就更高。同時給出了提高測試精度的相關措施， 如樣品電容器附加電容精密測定， 通過增加液體樣品測量盒中電極間的間隔來減小電極極化對測量精度的影響。
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