ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Характеристиками, используемыми в диэлькометриче - ском методе, являются зависимости удельных электрических параметров материала от его влажности, свойств и состояния, а также от условий измерения:'
А) влажностные характеристики электрических параметров материала — зависимости є и tg б или других параметров, в том числе и комплексных, от его влажности W (или влагоеодержания и) при постоянных значениях частоты поля f, температуры материала t, степени уплотнения (для дисперсных материалов) и других величин, влияющих на результаты измерения;
Б) частотные характеристики-функции Є (f) и tgfi (f) При постоянстве W, t и других величин, характеризующих состояние материала;
В) температурные характеристики — функции е(/) и tgfi(Ј) при постоянстве W, f и других факторов;
Г) характеристики, описывающие зависимость электрических параметров материала от его состава, плотности, распределения влаги и т. д.
Имеется большое количество экспериментальных данных о диэлектрических характеристиках влагосодержащих материалов. Использование этих данных требует, однако, определенной осторожности, так как результаты измерений, проведенных в разных условиях и по различным методам, не совпадают, а иногда противоречат друг другу. Недостатком большинства экспериментальных работ является также то, что они охватывают измерения лишь одного или нескольких материалов в ограниченном диапазоне частот и, следовательно, не дают возможности получить достаточно общие выводы.
В последние годы в СССР и - за рубежом был выполнен ряд работ, относящихся к влажностным и частотным характеристикам влажных материалов в широком диапазоне частот и позволяющих выявить некоторые общие закономерности [Л. 0-1, 2-9—2-12].
В этих исследованиях использовалась разнообразная измерительная аппаратура. На звуковых и низких радиочастотах— до 100—150 кгц — основным измерительным прибором служил мост переменного тока с питанием от генератора звуковой частоты. В диапазоне радиочастот от средних до метровых волн (/=0,1 н-50 Мгц) наибольшее применение нашли широкополосные радиочастотные мосты с уравновешиванием по модулю и фазе, например выпускаемый в СССР мост типа Е10-2 (ИППМ-1). Параллельно с этим для частот 0,1—100 Мгц применялись куметры по разработанной А. В. Нетушилом и его сотрудниками методике измерения параметров материалов с большими диэлектрическими потерями и учета влияния паразитных параметров датчика и измерительного контура {Л. 2-13]. Снятие характеристик на перечисленных ■приборах требует больших затрат времени; в процессе измерения может измениться влажность образцов. Поэтому заслуживает внимания возможность некоторой автоматизации получения частотных характеристик на основе применения генератора качающейся частоты с непосредственным наблюдением амплитудно-частотной характеристики на экране осциллографа [Л. 2-14] или ее записью с помощью двухкоординатного самописца [Л. 2-10].
Для измерений параметров диэлектриков *на сверхвысоких частотах были разработаны многочисленные методы и установки [Л. 2-15]. Исследования влажных материалов выполнялись чаще всего методами измерений в свободном пространстве (см. § 4-3). Более точные значения электрических параметров позволяют получить волноводные методы, например. метод «бесконечного слоя» в модификации с согласованной нагрузкой (с высокими потерями), имеющей прямой контакт с образцом материала [Л. 2-16], а также резонаторные методы.
Перейдем к рассмотрению основных характеристик.
Вл ажностныехарактеристикислужат 'основой градуировки влагомеров и в значительной степени определяют их метрологические свойства. Линейные влажностные характеристики имеют лишь немногие ма
териалы. К ним относятся некоторые жидкие диэлектрики; у твердых материалов такой характер зависимости встречается реже и только для узких диапазонов влагоеодержания.
У подавляющего большинства материалов е и tg б увеличиваются с ростом влажности быстрее, чем следовало бы при наличии линейного закона; относительная крутизна характеристики tg6(W,). как правило, больше,, чем характеристики e(W).
Зависимости E{W) при разных условиях измерения можно описать монотонно возрастающими функциями. В широком диапазоне влагосодержаний их можно аппроксимировать ломаной прямой, состоящей из двух отрезков с одной сопрягающей—«критической» влажностью №Кр (рис. 2-4). На участке Ц7< И7кр крутизна характеристики (и соответствующая ей чувствительность влагомера) значительно меньше, чем па участке W>WKp. Такой характер был установлен для зависимостей є' (W) и є" (W) многих материалов при частотах порядка нескольких мегагерц и на СВЧ, а также для зависимостей от влажности ослабления А и фазового сдвига проходящей волны сантиметрового диапазона; это отражает зависимость электрических свойств материала от состояния и форм связи влаги. Сингулярная точка (с абсциссой, равной W1(p) приблизительно соответствует переходу от мономолекулярного слоя к влаге полимолекулярной адсорбции. В области W<. энергия связи воды весьма значительна и диэлектрическая проницаемость, определяемая в основном электронной и атомной поляризацией, мала и зависит главным образом от є сухого вещества. В области преобладания свободной влаги (№> >WKP) происходит плавное уменьшение энергии связи, увеличение подвижности молекул воды и связанное с этим увеличение диэлектрической проницаемости системы.
Рис. 2-4. Типичная влажностная характеристика капилляр - нопористых материалов. |
Характеристики материалов, состоящих из компонентов, различных по своим водоудерживающим свойствам (и соответствующим им энергиям связи воды), могут
иметь больше одной сингулярной точки. На положение этой точки оказывают некоторое влияние также степень дисперсности системы и частота поля.
Что касается абсолютных значений є' и є", то при постоянной частоте они определяются (особенно в области W>WKp) не столько электрическими параметрами сухого вещества, сколько его водоудерживающими свойствами и п-ористой структурой.
При сравнении зависимостей e'(W) и є"(W) различных категорий твердых материалов (макропористых, поли- капиллярнопористых, коллоидных-капиллярнопористых
Рис. 2-5. Зависимости B(W) (а) и TgS (W) (б) твердых материалов.
1 — окись алюминия: 2 — зерно; 3 —табак; 4— уголь; 5 —песок; 6 — гравий.
И коллоидных) наблюдается перемещение этих характеристик в сторону оси W по мере увеличения активной поверхности (площади поверхности микро - и макрокапилляров). Выше других проходят кривые D'(W) и E"(W) Песка и гравия, которые почти не содержат влаги микро - пор и адсорбированной. Вполне закономерно также увеличение «критической» влажности WI<P с повышением гигроскопичности материала.
Такой вид имеют влажностные характеристики в различных, далеких друг от друга диапазонах частот. На рис. 2-5 показаны экспериментальные зависимости є(W) и tg6(l^), полученные при частоте 500 кгц (JI. 2-17], а на рис. 2-6—'зависимости E'(W) и E"(W) на частоте 9,4 Ггц [Л. 2-9] для группы типичных материалов, отличающихся гигроскопическими свойствами.
Частотные характеристики влагосодержащих материалов имеют форму, обусловленную неодинаковым влиянием частоты на разные виды поляризации. Это влияние различно в зависимости от содержания, состояния и форм связи влаги в материале; ввиду этого целесообразно рассматривать комбинированные частот- но-влажностные характеристики материалов.
Характеристика природы диэлектрических потерь в широком диапазоне частот (рис. 2-3) показывает, что в области низких частот преобладающее значение имеют потери, связанные со сквозной проводимостью. В этом диапазоне значения е определяются главным образом
Рис. 2-6. Зависимости в'(W) (а) и (б) на СВЧ. /— песок; 2 — полиамид; 3 — картофельная мука; 4—силика - гель. |
Медленными видами поляризации; большое значение имеет поверхностная проводимость.
По мере роста частоты возрастает роль релаксационных процессов. В диапазоне от 103 до (107-f-0,5-108) гц С ростом частоты наблюдается плавное уменьшение е, сначала резкое, а затем замедленное.
. Примером типичной частотно-влажностной характеристики для этого диапазона может служить зависимость е('W, if) для хлопка-сырца с влажностью 10<;й?<;20% 50 [Л. 2-18]:
g е=А+BW40~cle
Где А, В, С — постоянные, зависящие от сорта хлопка, его плотности, температуры, проводимости воды и т. д.
Зависимость tg6(/) при преобладании сквозной проводимости близка к гиперболической; с повышением частоты tgfi уменьшается, стремясь к определенному пределу. Зависимость от частоты є и tgfi выражена более резко при высоких влагосодержаниях. При низких влагосодержаниях (точнее, в области превалирования связанной влаги) частотные зависимости электрических параметров имеют характер такой же, как у сухого материа-
Рис. 2-7. Зависимость диэлектрических свойств целлюлозы от длины волны Л при влагосодержаниях: / — 30%; 2—18%; 3—12%; 4 — 4,5%. |
Ла (неполярного диэлектрика), — значения є и tgfi практически не зависят или очень мало зависят от частоты. С ростом влагосодержания увеличивается влияние частоты на є' и є".
Иллюстрацией к сказанному могут служить экспериментальные характеристики целлюлозы (рис. 2-7) [Л. 2-19].
В рассматриваемом диапазоне частот (до 50 Мгц) При повышении частоты кривые E'(?W) и становят
Ся более пологими и чувствительность диэлькометриче - ского влагомера уменьшается.
В широком диапазоне частот характеристики в'(f) и є" (О имеют одну или несколько областей дисперсии диэлектрической проницаемости, которым соответствуют максимумы диэлектрических потерь. Иногда в предшествующей области частот имеется другой экстремум — ми - нимум є". Такие экстремумы (наблюдаемые у ряда материалов также на температурных характеристиках) особенно выражены в области полимолекулярной адсорбции, причем повышение влагоеодержания перемещает максимум потерь в сторону более высоких частот.
При измерениях на СВЧ по методу ослабления в свободном пространстве укорочение длины волны влечет за собой (при прочих равных условиях) увеличение абсолютной величины ослабления, т. е. повышение чувствительности влагомера; причем влияние повышения частоты растет с увеличением влажности. Это было установлено для твердых материалов различной структуры ЇЛ. 2-20], а также для нефтей с низким влагосодержани - ем [Л. 2-21].