CN104133116A - 一种基于计算电容原理的相对介电常数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算电容原理的相对介电常数测试方法。分别将电容式介电常数传感器放置于空气及被测介质中并测得两组相对电极之间的电容值，通过公式计算出被测介质的介电常数。本发明给出了基于计算电容原理介电常数测量方法，传感器内外径、测量电极长度、空气以及绝缘壳的相对介电常数固定的情况下，被测介质的相对介电常数可以直接测得。并且测量过程中的变量较少，与传统电容式介电常数测量相比不涉及到装配误差，且加工误差影响微小，精度有望提高，可适于多种条件下介电常数的测量。

Description

一种基于计算电容原理的相对介电常数测试方法

技术领域

本发明涉及介电常数测量方法，具体涉及一种基于计算电容原理的相对介电常数测试方法。

背景技术

介质介电常数的精密测定对研究物质组成、地球物理、油液监测、环境检测及食品安全等具有重要意义。这些领域常需对液体进行测量，如石油、润滑油、液态甲烷等。在不同条件下，测量环境和要求具有特殊性，不但要求介电常数传感器精度高，还要求能够承受恶劣环境。

目前测量介电常数的方法很多，常用方法是通过替代法和比较法测量介质电容，从而求得介质的介电常数，操作方法简单，但是存在着测量精度不高的缺陷。新方法有平板电容器测量法和圆柱电容器测量法，是通过测量真空电容(或空气电容)与充满介质电容器的电容比值得到介电常数。平板电容器的测量简单方便，缺点是结构容易发生变化,稳定性差,易受干扰。圆柱电容器的结构比较稳定,不易受到干扰，但是对加工精度要求很高。

电容式介电常数传感器由于具有动态范围大、测量方法简单、精度高、响应速度快等优点，在介电常数测量中得到广泛应用。但目前的电容式介电常数传感器由于受加工、装配等误差影响，精度最高可达0.2％，在非常规环境中精度会有所降低。

发明内容

针对现有设计的不足，本发明的目的在于提供一种介质介电常数的计算电容式测方法，能够精确地测量出介质的介电常数。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如步骤下：

介电常数测量装置基于计算电容原理进行设计，主体部分采用精密加工的圆管状绝缘主体，绝缘主体的外表面镀有硬度高且导电性好的金属层。镀层在径向方向刻有间隙，其中两端是保护层，可以起到支撑与消除边缘效应的作用。镀层在圆周方向用刻线分成近似90°的四部分，中间段的测量电极中相邻的两部分作为低压电极，另两相邻电极作为高压电极。分别将相对的两个电极的产生的电容量引出并处理，可计算出被测介质的介电常数。主体外层是屏蔽罩，主要起到屏蔽和固定的作用。

将介电常数传感器放置于空气中，分别测量出两组相对电极之间的电容C_a1、C_a2；

将介电常数传感器完全浸没与被测介质中，分别测量出两组相对电极之间的电容C_l1、C_l2；

计算出被测介质的相对介电常数其中ε_a为空气的相对介电常数；k_a是在空气中的修正系数；k_l是在被测介质中的修正系数

本发明具有的有益效果是：本发利用计算电容原理可以精确地测量不同介质的介电常数，由于这种测量方法基于计算电容的原理，故测量精度仅取决于测量电极长度和空气介电常数两个参数，能够提高传统的介电常数测量精度。

附图说明

图1是计算电容原理图。

图2是基于计算电容原理设计的新型电容式介电常数传感器的俯视图。

图3是基于计算电容原理设计的新型电容式介电常数传感器的主视图。

图中：1.屏蔽罩，2.被测液体，3.绝缘主体，4.电镀金属层，5.封装，6.保护层，7.主体部分，8.测量电极，9.金属销，10.保护端，11.信号处理电路板，12.密封圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，这种新的介电常数测量方法是基于计算电容的原理，计算电容原理是1956年澳大利亚的D.G.Lampard和A.M.Thompsion所证明的静电学新定理。定理指出对截面为任意形状的无限长导电柱面，被在a、b、c、d处的无限小间隙分割为四部分时，ab和cd间的电容C₁与ad和bc间的电容C₂满足：

$2^{-\frac{C_1}{C_0}}+2^{-\frac{C_2}{C_0}}=1$

其中C₀＝(ε₀ε_rln2)π为一常数，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，当长度为l且C₁≈C₂时，总电容量C＝(C₁+C₂)/2≈C₀l(1+k)，k为补偿系数。由此可知，此时总电容量C只取决于轴向长度及被测液体的相对介电常数；传感器主体横截面可以选择任意形状。

如图2所示，计算电容式介电常数传感器主体部分3为圆管状，采用石英、陶瓷、玻璃纤维或聚四氟乙烯等绝缘材料，表面电镀金属层4，电镀金属可选用导电性好的材料，主体外部为屏蔽罩1，被测液体2位于主体部分内部。电镀金属层上轴向方向刻有4条微小间隙δ_i(i＝1，2，3，4)，δ_i<<90°,以保证被分割成的四部分θ_k(k＝1，2，3，4)均近似为90°。

如图3所示，主体7与屏蔽罩1间通过封装5装配在一起，左侧封装外部有定位、装夹面，内部装有信号处理电路板6，各段测量电极8引线通过金属销9与信号处理电路板11相连，处理后的信号引出到后续处理部分，主体上的保护层10具有消除边缘效应的作用。密封圈12对电路板6起到密封作用。

介电常数的具体计算方法为：

将传感器至于空气中，测得两组相对电极之间的电容分别是C_a1、C_a2，可以计算出在空气中的总电容量 $C_a=(C_{a1}+C_{a2})/2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_a}{\mathrm{\&pi;}}\ln 2(1+k_a)l.$

将传感器完全浸没于被测介质中，测得两组相对电极之间的电容分别是C_l1、C_l2，可以计算出在被测介质中的总电容量 $C_l=(C_{l1}+C_{l2})/2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_l}{\mathrm{\&pi;}}\ln 2(1+k_l)l.$

其中：C_a是在空气中测得的电容值；C_l是浸没在被测液体中的电容值；设轴向电镀层长l；ε₀为真空的介电常数；ε_a为空气的相对介电常数；ε_l为被测介质相对介电常数；ε_ω为绝缘外壳的相对介电常数；在被测介质中的补偿系数 $k_l={\left(\frac{t}{R}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_l-{\mathrm{\&epsiv;}}_w}{{\mathrm{\&epsiv;}}_w}\right)}^2\frac{\ln 2}{2};$ 在空气中的补偿系数 $k_a={\left(\frac{t}{R}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_a-{\mathrm{\&epsiv;}}_w}{{\mathrm{\&epsiv;}}_w}\right)}^2\frac{\ln 2}{2}.$

实际上，在常温常压的条件下(空气的相对介电常数ε_a＝1.0006)，被测液体的相对介电常数为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_l=\frac{C_l}{C_a}\&CenterDot;\frac{1+k_a}{1+k_l}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_a$

$=\frac{C_{l1}+C_{l2}}{C_{a1}+C_{a2}}\&CenterDot;\frac{1+k_a}{1+k_l}\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_a$

当t/R与(ε_l-ε_w)/ε_w乘积非常小时，k_l可忽略不计。在电容值可测，传感器内外径、测量电极长度、空气以及绝缘壳的相对介电常数固定的情况下，被测介质的相对介电常数可以直接测得。并且测量过程中的变量较少，有望提高介电常数的测量精度。

Claims (3)

1.一种基于计算电容原理的相对介电常数测试方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤(1)将介电常数传感器置于空气中，测得传感器上两组相对电极之间的电容分别是C_a1、C_a2；

步骤(2)将介电常数传感器完全浸没于被测介质中，测得两组相对电极之间的电容分别是C_l1、C_l2；

步骤(3)计算出被测介质的相对介电常数其中ε_a为空气的相对介电常数；k_a是在空气中的修正系数；k_l是在被测介质中的修正系数；

所述的介电常数传感器的绝缘主体为圆管状，并由绝缘材料加工而成，在绝缘主体的外表面镀有金属层，金属层在轴向方向等间距刻有4条微小间隙，要求微小间隙加工表面平滑且无明显细毛刺；微小间隙将圆周分成四部分，每条微小间隙宽度相等，且围绕轴心对称，微小间隙宽度所对应的圆心角为r_i，r_i＜＜90°；被微小间隙分成的四条电极中相邻的两部分作为低压电极，另两相邻电极作为高压电极，电极通过金属销与信号处理电路板相连，其中金属销为带导线的销。

2.根据权利要求1所述的介电常数测试方法，其特征在于：所述的绝缘材料采样石英玻璃、陶瓷、玻璃纤维或聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的介电常数测试方法，其特征在于：所述的金属层为铬层、金层或银层。